本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/12/18/go-type-system

Go是一门强类型的静态编程语言。使用Go编程，我们的每一行代码几乎都离不开类型。因此，深入学习Go，我们首先要对Go的类型系统(type system)有一个全面和深入的认知。Go类型系统可以给予我们一个全局整体的视角，以帮助我们更好地学习和理解Go语言中那些具体的与类型相关的内容。

一. 什么是类型系统

作为拥有一定Go编程经验的Gopher来说，大家对Go语言中的类型是有一定了解的，比如：Go内置了原生整型类型、浮点类型、复数类型、字符串类型、函数类型，提供了数组、切片、map、struct、channel等复合类型以及代表行为抽象的接口类型。通过Go提供的type关键字，我们还可以自定义类型等等。

那么大家是否想过这样的问题：为什么会有类型？类型可以带来哪些好处呢？回顾编程语言的发展史(见下图)，我们发现：类型是高级语言有别于机器语言与低级语言的一种重要的抽象。

从机器的视角来看，无论什么类型数据都是0101的二进制数据，但程序员直接用机器语言编码难度非常大且效率极其低下；汇编语言将层次提升到了面向多字节数据的编码，汇编指令的操作数都是固定长度字节的，比如：movb操作的是一个字节，movl操作的是四个字节。汇编指令并不关心真实存储的是什么数据，只是在各个地址之间搬移特定长度的数据。显然汇编的抽象层次依旧不高，直接用汇编写程序依然有很大难度以及较为低效。

高级语言之所以高级，就是因为它建立了类型这一重要抽象，类型抽象为开发者屏蔽了机器层面数据的复杂表示。类型下面的复杂的字节和bit操作由高级语言的编译器和运行时协助完成，开发人员只需面向类型进行编码即可，也就是说类型成为了开发者与编译器之间的“操作界面”。

面向类型编程，开发者就要了解类型的能力、其所代表的抽象的含义以及遵循类型的使用规则/约束。类型决定了你可以在该类型实例中存储的值的范围；类型决定了你可以对该类型进行的操作；类型决定了该类型的变量需要的存储空间；类型决定了与其他类型间建立连接的方法：组合、“继承”还是接口实现等。

那么类型的这些能力、规则与约束是谁赋予的呢？没错，正是编程语言的类型系统！

类型系统是高级语言的核心，它存在于语言规范中，向开发者明确了类型的能力、使用规则与约束；它存在于编译器中，保证开发者对类型的正确合规使用；它也存在于语言运行时里，为类型提供如多态这样的动态能力。

可以说，高级编程语言用类型系统赋能类型并管理类型。不过，不同语言的类型系统的设计与实现是有较大差别的，那么Go语言的类型系统又有哪些与众不同之处呢？我们接下来就来重点看看Go的类型系统。

二. Go的类型系统

下面我们从类型定义、类型推导、类型检查、类型连接等多个方面说明一下Go类型系统具备的能力与不足。

1. 类型定义

大家知道Go支持几乎所有类型，下面是Go spec中的类型分类的列表截图：

同时，Go还支持使用type关键字定义的自定义类型以及类型别名(type alias)：

type CustomType int // 底层类型为原生类型int的自定义类型CustomType

type S struct {
    a int
    b string
} // 基于struct的自定义类型S

type IntAlias = int // int的类型别名IntAlias

注：自定义类型与其底层类型(underlying type)是两个完全不同的类型，而类型别名并未引入新类型，与原类型等价。

不过有两种在其他语言中常见的类型，Go类型系统没有给予支持，一种是union联合类型，在这种类型中，其所有字段共享同一个内存空间：

// C代码

// 定义一个名为num的union类型
// 其三个成员m, ch, f共享同一个内存空间
// C编译器会以最大的字段的size为num类型变量分配内存空间
union num {
    int m;
    char ch;
    double f;
};
union num a, b, c; // 声明三个union类型变量

另外一种是enum枚举类型，不过enum枚举类型可一定程度上用const(可选加iota)来模拟：

// C语法
enum Weekday {
        SUNDAY,
        MONDAY,
        TUESDAY,
        WEDNESDAY,
        THURSDAY,
        FRIDAY,
        SATURDAY
};

// Go模拟实现Weekday
type Weekday int

const (
        Sunday Weekday = iota
        Monday
        Tuesday
        Wednesday
        Thursday
        Friday
        Saturday
)

Go从1.18版本开始支持泛型，这让Go类型系统具备定义带有类型参数(type parameters)的类型以及函数的能力。

2. 类型推导

Go类型系统支持自动类型推导能力，编译器可以推断出变量或函数的类型，而不需要我们明确指定：

var s = "hello" // s是string类型
a := 128        // a是int类型
f := 4.3567     // f是float64类型

除了支持普通类型推导，Go还支持泛型的自动类型实参推导，下面是一个来自go spec的例子：

func scale[Number ~int64|~float64|~complex128](v []Number, s Number) []Number

var vector []float64
scaledVector := scale(vector, 42)

例子中，通过scale调用时传入的实参类型，编译器可以自动推导出scale的类型参数Number的实参为float64。更多关于Go泛型的语法细节，可以参考《Go语言第一课》专栏的泛型篇。

3. 类型检查

Go是一门强类型静态编程语言，意味着每个变量在使用之前都必须声明其类型。有了类型后，我们就可以按照Go类型系统规定的针对这个类型有效操作对其进行操作。

Go编译器以及运行时会分别在编译期间和运行期间对变量类型作检查，目的是确保操作只用于正确的类型，并且类型系统的规则被程序所遵守，保证类型安全等。

Go是强类型语言，并且没有隐式类型转换，所有类型转换都要以明确意图的显式类型转换来实施，Go编译器会在编译期间对类型转换进行检查，只有底层类型兼容的两个类型才可以实施显式转型：

type T1 int
type T2 struct{}

var i int = 5
var t T1
var s T2
t = i     // 错误，不是同一类型
t = T1(i) // ok，底层类型兼容
s = T2(t) // 错误，底层类型不兼容

除了编译期间的静态检查之外，Go类型系统还支持运行时动态类型检查，比如：检查传给接口变量的类型实例是否实现了该接口；在运行时对数组、切片类型的下标边界进行检查，确保下标不越界，保证内存安全等。

不过Go也提供了绕过类型系统检查的手段，比如unsafe.Pointer以及反射等。

4. 类型连接

Go并非经典OO语言，它的类型虽然可以拥有自己的方法(method)，但Go却没有提供经典OO中的复杂的继承层次结构，没有父类，没有子类，更没有供类型初始化的构造函数。在Go的类型系统中，类型之间建立连接的方式只有组合，通过类型嵌入(type embedding)，我们可以实现各类组合，可以嵌入非接口类型，亦可以嵌入接口来定义新组合后的类型。

通过类型组合，我们可以将各种类型连接在一起，共同对外提供聚合后的行为，包括多态能力。Go中标准的多态能力由interface类型实现，方法在运行时被分派，这取决于传给接口类型变量的具体类型。比如下面例子中AnimalQuackInForest中的Quack会依据传入的具体类型实例而分派，先后分派给Duck.Quack、Dog.Quack和Bird.Quack：

type QuackableAnimal interface {
    Quack()
}

type Duck struct{}

func (Duck) Quack() {
    println("duck quack!")
}

type Dog struct{}

func (Dog) Quack() {
    println("dog quack!")
}

type Bird struct{}

func (Bird) Quack() {
    println("bird quack!")
}                         

func AnimalQuackInForest(a QuackableAnimal) {
    a.Quack()
}                         

func main() {
    animals := []QuackableAnimal{new(Duck), new(Dog), new(Bird)}
    for _, animal := range animals {
        AnimalQuackInForest(animal)
    }
}

注：类型与接口之间的实现关系是隐式的，类型无需使用类implements关键字显式告知要实现的interface类型。

Go中的函数是一等公民，函数类型也可展现出一定的运行时多态能力，函数类型实例的最终执行结果取决于运行时传入的函数对象值。

三. 小结

Go提供了强大而又有趣的类型系统，不过Go没有提供enum、union类型，也不支持运算符重载(operator overloading)、函数重载、结构化错误处理以及可选/默认函数参数等。这与Go的设计者做出的保持Go简单的决策不无关系。同时类型系统在保证Go这门的语言的安全性方面也是功不可没。

如果你认真对待Go编程，你应该投入时间，了解它的类型系统和它的特殊性，这将是非常值得你花时间的。

四. 参考资料

• Type Systems in Software Explained With Examples – https://thevaluable.dev/type-system-software-explained-example/
• The Go type system for newcomers – https://rakyll.org/typesystem/
• Deep Dive Into the Go Type System – https://code.tutsplus.com/tutorials/deep-dive-into-the-go-type-system–cms-29065
• Understanding Golang Type System – https://thenewstack.io/understanding-golang-type-system/
• A Closer Look at Golang From an Architect’s Perspective – https://thenewstack.io/a-closer-look-at-golang-from-an-architects-perspective/
• https://go101.org/article/type-system-overview.html
• https://baziotis.cs.illinois.edu/compilers/the-weird-type-system-of-golang.html
• https://blog.ankuranand.com/2018/11/29/a-closer-look-at-go-golang-type-system/
• 《Type Systems for Programming Languages》 – https://ropas.snu.ac.kr/~kwang/520/pierce_book.pdf
• 《Programming with Types》 – https://book.douban.com/subject/35325133/
• Type Systems in Programming Languages – https://www.tektutorialshub.com/programming/type-systems-in-programming-languages/
• 《Category Theory for Programmers》 – https://book.douban.com/subject/30357114/
• Type system(维基百科) – https://en.wikipedia.org/wiki/Type_system
• 类型系统的比较 – https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_type_systems

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本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/11/17/go-1-20-foresight

在近期Russ Cox代表Go核心团队发表的“Go, 13周年”一文中，他提到了“在Go的第14个年头，Go团队将继续努力使Go成为用于大规模软件工程的最好的环境，将特别关注供应链安全，提高兼容性和结构化日志记录，当然还会有很多其他改进，包括profile-guided optimization等”。

当前正在开发的版本是Go 1.20，预计2023年2月正式发布，这个版本也将是Go在其第14个年头发布的第一个版本。很多人没想到Go真的会进入到Go 1.2x版本，而不是Go 2.x。记得Russ Cox曾说过可能永远也不会有Go2了，毕竟Go泛型语法落地这么大的语法改动也没有让Go1兼容性承诺失效。

目前Go 1.20版本正在如火如荼的开发中，很多gopher都好奇Go 1.20版本会带来哪些新特性？在这篇文章中，我就带大家一起去Go 1.20 milestone的issues列表中翻翻，提前看看究竟会有哪些新特性加入Go。

1. 语法变化

Go在其1.18版本迎来了自开源以来最大规模的语法变化，然后呢？就没有然后了。Go在语法演进上再次陷入沉寂，没错，这就是Go长期以来坚持的风格。

如果Go 1.20版本真有语法层面的变化，那估计就是这个issue了：“spec: allow conversion from slice to array”，即允许切片类型到数组类型的类型转换。

在Go 1.20版本之前，我们以Go 1.19版本为例写下下面代码：

package main

import "fmt"

func main() {
    var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
    var arr = [7]int(sl) // 编译器报错：cannot convert sl (variable of type []int) to type [7]int
    fmt.Println(sl)
    fmt.Println(arr)
}

这段代码中，我们进行了一个[]int到[7]int的类型转换，但在Go 1.19版本编译器针对这个转换会报错！即不支持将切片类型显式转换数组类型。

在Go 1.20版本之前如果要实现切片到数组的转换，是有trick的，看下面代码：

func main() {
    var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
    var parr = (*[7]int)(sl)
    var arr = *(*[7]int)(sl)
    fmt.Println(sl)  // [1 2 3 4 5 6 7]
    fmt.Println(arr) // [1 2 3 4 5 6 7]
    sl[0] = 11
    fmt.Println(sl)    // [11 2 3 4 5 6 7]
    fmt.Println(arr)   // [1 2 3 4 5 6 7]
    fmt.Println(*parr) // [11 2 3 4 5 6 7]
}

该trick的理论基础是Go允许获取切片的底层数组地址。在上面的例子中parr就是指向切片sl底层数组的指针，通过sl或parr对底层数组元素的修改都能在对方身上体现出来。但是arr则是底层数组的一个副本，后续通过sl对切片的修改或通过parr对底层数组的修改都不会影响arr，反之亦然。

不过这种trick语法还不是那么直观！于是上面那个“允许将切片直接转换为数组”的issue便提了出来。我们在go playground上选择“go dev branch”便可以使用最新go tip的代码，我们尝试一下最新语法：

func main() {
    var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
    var arr = [7]int(sl)
    var parr = (*[7]int)(sl)
    fmt.Println(sl)   // [1 2 3 4 5 6 7]
    fmt.Println(arr)  // [1 2 3 4 5 6 7]
    sl[0] = 11
    fmt.Println(arr)  // [1 2 3 4 5 6 7]
    fmt.Println(parr) // &[11 2 3 4 5 6 7]
}

我们看到直接将sl转换为数组arr不再报错，但其语义与前面的“var arr = ([7]int)(sl)”语义是相同的，即返回一个切片底层数组的副本，arr不会受到后续切片元素变化的影响。

不过这里也有个约束，那就是转换后的数组长度要小于等于切片长度，否则会panic：

var sl = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
var arr = [8]int(sl) // panic: runtime error: cannot convert slice with length 7 to array or pointer to array with length 8

在写本文时，该issue尚未close，不过进入最终Go 1.20版本应该不是大问题。

2. 编译器/链接器和其他工具链

1) profile-guided optimization

Go编译器团队一直致力于对Go编译器/链接器的优化，这次在Go 1.20版本中，该团队很大可能会给我们带来“profile-guided optimization”。

什么是“profile-guided optimization”呢？原先Go编译器实施的优化手段，比如内联，都是基于固定规则决策的，所有信息都来自编译的Go源码。而这次的“profile-guided optimization”顾名思义，需要源码之外的信息做“制导”来决定实施哪些优化，这个源码之外的信息就是profile信息，即来自pprof工具在程序运行时采集的数据，如下图(图来自profile-guided optimization设计文档)所示:

因此pgo优化实际上是需要程序员参与的，程序员拿着程序到生产环境跑，程序生成的profile性能采集数据会被保存下来，然后这些profile采集数据会提供给Go编译器，以在下次构建同一个程序时辅助优化决策。由于这些profile是来自生产环境或模拟生产环境的数据，使得这种优化更有针对性。并且，Google数据中心其他语言(C/C++)实施PGO优化的效果显示，优化后的性能保守估计提升幅度在5%~15%。

和其他新引入的特性一样，Go 1.20将包含该特性，但默认并不开启，我们可以手动开启进行体验，未来版本，pgo特性才会默认为auto开启。

2) 大幅减小Go发行版包的Size

随着Go语言的演进，Go发行版的Size也在不断增加，从最初的几十M到如今的上百M。本地电脑里多安装几个Go版本，(解压后)几个G就没有了，此外Size大也让下载时间变得更长，尤其是一些网络环境不好的地区。

为什么Go发行版Size越来越大呢？这很大程度是因为Go发行版中包含了GOROOT下所有软件包的预编译.a文件，以go 1.19的macos版本为例，在\$GOROOT/pkg下，我们看到下面这些.a文件，用du查看一下占用的磁盘空间，达111M：

$ls
archive/    database/   fmt.a       index/      mime/       plugin.a    strconv.a   time/
bufio.a     debug/      go/     internal/   mime.a      reflect/    strings.a   time.a
bytes.a     embed.a     hash/       io/     net/        reflect.a   sync/       unicode/
compress/   encoding/   hash.a      io.a        net.a       regexp/     sync.a      unicode.a
container/  encoding.a  html/       log/        os/     regexp.a    syscall.a   vendor/
context.a   errors.a    html.a      log.a       os.a        runtime/    testing/
crypto/     expvar.a    image/      math/       path/       runtime.a   testing.a
crypto.a    flag.a      image.a     math.a      path.a      sort.a      text/

$du -sh
111M    .

而整个pkg目录的size为341M，占Go 1.19版本总大小495M的近70%。

于是在Go社区提议下，Go团队决定从Go 1.20开始发行版不再为GOROOT中的大多数软件包提供预编译的.a文件，新版本将只包括GOROOT中使用cgo的几个软件包的.a文件。

因此Go 1.20版本中，GOROOT下的源码将像其他用户包那样在构建后被缓存到本机cache中。此外，go install也不会为GOROOT软件包安装.a文件，除非是那些使用cgo的软件包。这样Go发行版的size将最多减少三分之二。

取而代之的是，这些包将在需要时被构建并缓存在构建缓存中，就像已经为GOROOT之外的非主包所做的那样。此外，go install也不会为GOROOT软件包安装.a文件，除非是那些使用cgo的软件包。这些改变是为了减少Go发行版的大小，在某些情况下可以减少三分之二。

3) 扩展代码覆盖率(coverage)报告到应用本身

想必大家都用过go test的输出过代码覆盖率，go test会在unit test代码中注入代码以统计unit test覆盖的被测试包路径，下面是代码注入的举例：

func ABC(x int) {
    if x < 0 {
        bar()
    }
}

注入代码后：

func ABC(x int) {GoCover_0_343662613637653164643337.Count[9] = 1;
  if x < 0 {GoCover_0_343662613637653164643337.Count[10] = 1;
    bar()
  }
}

像GoCover_xxx这样的代码会被放置到每条分支路径下。

不过go test -cover也有一个问题，那就是它只是适合针对包收集数据并提供报告，它无法针对应用整体给出代码覆盖度报告。

Go 1.20版本中有关的“extend code coverage testing to include applications”的proposal就是来扩展代码覆盖率的，可以支持对应用整体的覆盖率统计和报告。

该特性在Go 1.20版本中也将作为实验性特性，默认是off的。该方案通过go build -cover方式生成注入了覆盖率统计代码的应用程序，在应用执行过程中，报告会被生成到指定目录下，我们依然可以通过go tool cover来查看这个整体性报告。

此外，新proposal在实现原理上与go test -cover差不多，都是source-to-source的方案，这样后续也可以统一维护。当然Go编译器也会有一些改动。

4) 废弃-i flag

这个是一个早计划好的“废弃动作”。自从Go 1.10引入go build cache后，go build/install/test -i就不会再将编译好的包安装到\$GOPATH/pkg下面了。

3. Go标准库

1) 支持wrap multiple errors

Go 1.20增加了一种将多个error包装(wrap)为一个error的机制，方便从打包后的错误的Error方法中一次性得到包含一系列关于该错误的相关错误的信息。

这个机制增加了一个(匿名)接口和一个函数：

interface {
    Unwrap() []error
}

func Join(errs ...error) error

同时增强了像fmt.Errorf这样的函数的语义，当在Errorf中使用多个%w verb时，比如：

e := errors.Errorf("%w, %w, %w", e1, e2, e3)

Errorf将返回一个将e1, e2, e3打包完的且实现了上述带有Unwrap() []error方法的接口的错误类型实例。

Join函数的语义是将传入的所有err打包成一个错误类型实例，该实例同样实现了上述带有Unwrap() []error方法的接口，且该错误实例的类型的Error方法会返回换行符间隔的错误列表。

我们看一下下面这个例子：

package main

import (
    "errors"
    "fmt"
)

type MyError struct {
    s string
}

func (e *MyError) Error() string {
    return e.s
}

func main() {
    e1 := errors.New("error1")
    e2 := errors.New("error2")
    e3 := errors.New("error3")
    e4 := &MyError{
        s: "error4",
    }
    e := fmt.Errorf("%w, %w, %w, %w", e1, e2, e3, e4)

    fmt.Printf("e = %s\n", e.Error()) // error1 error2, error3, error4
    fmt.Println(errors.Is(e, e1)) // true

    var ne *MyError
    fmt.Println(errors.As(e, &ne)) // true
    fmt.Println(ne == e4) // true
}

我们首先在Go 1.19编译运行上面程序：

e = error1 %!w(*errors.errorString=&{error2}), %!w(*errors.errorString=&{error3}), %!w(*main.MyError=&{error4})
false
false
false

显然Go 1.19的fmt.Errorf函数尚不支持多%w verb。

而Go 1.20编译上面程序的运行结果为：

e = error1 error2, error3, error4
true
true
true

将fmt.Errorf一行换为：

e := errors.Join(e1, e2, e3, e4)

再运行一次的结果为：

e = error1
error2
error3
error4
true
true
true

即Join函数打包后的错误类型实例类型的Error方法会返回换行符间隔的错误列表。

2) 新增arena实验包

Go是带GC语言，虽然Go GC近几年持续改进，绝大多数场合都不是大问题了。但是在一些性能敏感的领域，GC过程占用的可观算力还是让应用吃不消。

降GC消耗，主要思路就是减少堆内存分配、减少反复的分配与释放。Go社区的某些项目为了减少内存GC压力，在mmaped内存上又建立一套GC无法感知到的简单内存管理机制并在适当场合应用。但这些自实现的、脱离GC的内存管理都有各自的问题。

Go 1.18版本发布前，arena这个proposal就被提上了日程，arena包又是google内部的一个实验包，据说效果还不错的(在改进grpc的protobuf反序列化实验上)，可以节省15%的cpu和内存消耗。但proposal一出，便收到了来自各方的comment，该proposal在Go 1.18和Go 1.19一度处于hold状态，直到Go 1.20才纳入到试验特性，我们可以通过GOEXPERIMENT=arena开启该机制。

arena包主要思路其实是“整体分配，零碎使用，再整体释放”，以最大程度减少对GC的压力。关于arena包，等进一步完善后，后续可能会有专门文章分析。

3) time包变化

time包增加了三个时间layout格式常量，相信不用解释，大家也知道如何使用：

    DateTime   = "2006-01-02 15:04:05"
    DateOnly   = "2006-01-02"
    TimeOnly   = "15:04:05"

time包还为Time增加了Compare方法，适用于time之间的>=和<=比较：

// Compare returns -1 if t1 is before t2, 0 if t1 equals t2 or 1 if t1 is after t2.
func (t1 Time) Compare(t2 Time) int

此外，time包的RFC3339时间格式是使用最广泛的时间格式，其解析性能在Go 1.20中得到优化，提升了70%左右，格式化性能提升30%。

4. 其他

• Go 1.17版本将作为Go 1.20的bootstrap编译器;
• Go编译器性能提升3%；
• Go工具链将根据GO[arch]环境变量的设置自动设置相关build tags；
• 标准库增加crypto/ecdh包，提供安全的、基于byte切片的ECDH API；
• bytes, strings包增加Clone函数；
• strings包增加CutPrefix和CutSuffix函数；
• text/template的解析性能提升40%。

5. 参考资料

• Go 1.20 milestone – https://github.com/golang/go/milestone/250
• Exploring Go’s Profile-Guided Optimizations – https://www.polarsignals.com/blog/posts/2022/09/exploring-go-profile-guided-optimizations/
• What’s coming to go 1.20 – https://twitter.com/mvdan_/status/1588242469577117696

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