Go 1.18泛型的局限性初探

前言

Go 1.18 版本之後正式引入泛型，它被稱作類型參數（type parameters），本文初步介紹 Go 中泛型的使用。長期以來 go 都沒有泛型的概念，只有接口 interface 偶爾類似的充當泛型的作用，然而接口終究無法滿足一些基本的泛型需求，比如這篇文章里，我們會嘗試用 Go 的泛型循序漸進地實現一些常見的函數式特性，從而探索 Go 泛型的優勢和不足。

Go 1.18

在 Go1.18 可以通過如下命令安裝體驗:

go install golang.org/dl/go1.18@latest
go1.18 download

例1: 泛型版本的求和函數

import (
	"golang.org/x/exp/constraints"
)

func Sum[T constraints.Integer](values ...T) T {
	var sum T
	for _, v := range values {
		sum += v
	}
	return sum
}

constraints 原本是放在標準庫的包，但是近期被移除了，改到了 x/exp 中，參見 #50792

這個版本實現了對任意多個同類型的整數求和。Sum 後面的中括號 [] 內就是定義類型參數的地方，其中 T 為類型參數名，constraints.Integer 是對該類型參數的約束，即 T 應該滿足的條件，在這裡我們要求 T 是一個整數。剩下的代碼就和普通沒有泛型的代碼一致了，只不過後面 T 可以當作一個類型來使用。

泛型語法

  • 函數名後可以附帶一個方括號，包含了該函數涉及的類型參數（Type Paramters）的列表：func F[T any](p T) { ... }

  • 這些類型參數可以在函數參數和函數體中（作為類型）被使用

  • 自定義類型也可以有類型參數列表：type M[T any] []T

  • 每個類型參數對應一個類型約束，上述的 any 就是預定義的匹配任意類型的約束

  • 類型約束在語法上以 interface 的形式存在，在 interface 中嵌入類型 T 可以表示這個類型必須是 T:

type Integer1 interface {
    int
}
  • 嵌入單個類型意義不大，我們可以用 | 來描述類型的 union:
type Integer2 interface {
    int ｜ int8 | int16 | int32 | int64
}
  • ~T 語法可以表示該類型的「基礎類型」是 T，比如說我們的自定義類型 type MyInt int 不滿足上述的 Integer1 約束，但滿足以下的約束:
type Integer3 interface {
    ~int
}

高階函數實例

filter 操作是高階函數的經典應用，它接受一個函數 f（func (T) bool）和一個線性表 l（[] T），對 l 中的每個元素應用函數 f，如結果為 true，則將該元素加入新的線性表裡，否則丟棄該元素，最後返回新的線性表。

func Filter[T any](f func(T) bool, src []T) []T {
        var dst []T
        for _, v := range src {
                if f(v) {
                        dst = append(dst, v)
                }
        }
        return dst
}

func main() {
        src := []int{-2, -1, -0, 1, 2}
        dst := Filter(func(v int) bool { return v >= 0 }, src)
        fmt.Println(dst)
}
// Output:
// [0 1 2]

讓人開心的改變 : )

實現一個三元操作

眾所周知Go語言不支持三元運算符操作，現在有了泛型，讓我們來模擬一個:

// IFF if yes return a else b
func IFF[T any](yes bool, a, b T) T {
	if yes {
		return a
	}
	return b
}

// IFN if yes return func, a() else b().
func IFN[T any](yes bool, a, b func() T) T {
	if yes {
		return a()
	}
	return b()
}

func main() {
        a := -1
	assert.Equal(t, utils.IFF(a > 0, a, 0), 0)
	assert.Equal(t, utils.IFN(a > 0, func() int { return a }, func() int { return 0 }), 0)
}

令人沮喪 😦

泛型類型系統的不足

眾多函數式特性的實現依賴於一個強大類型系統，Go 的類型系統顯然不足以勝任, 在 Go 語言中引入泛型之後，類型系統有哪些水土不服的地方。

編譯期類型判斷

當我們在寫一段泛型代碼里的時候，有時候會需要根據 T 實際上的類型決定接下來的流程，可 Go 的完全沒有提供在編譯期操作類型的能力。運行期的 workaround 當然有，怎麼做呢：將 T 轉化為 interface{}，然後做一次 type assertion, 比如我想實現一個通用的字符串類型到數字類型的轉換函數:

import "strconv"

type Number interface {
	int | int32 | int64 | uint32 | uint64 | float64
}

func Str2Number[N Number](strNumber string) (N, error) {
	var num N
	switch (interface{})(num).(type) {
	case int:
		cn, err := strconv.Atoi(strNumber)
		return N(cn), err
	case int32:
		cn, err := strconv.ParseInt(strNumber, 10, 32)
		return N(cn), err
	case int64:
		cn, err := strconv.ParseInt(strNumber, 10, 64)
		return N(cn), err
	case uint32:
		cn, err := strconv.ParseUint(strNumber, 10, 32)
		return N(cn), err
	case uint64:
		cn, err := strconv.ParseUint(strNumber, 10, 64)
		return N(cn), err
	case float64:
		cn, err := strconv.ParseFloat(strNumber, 64)
		return N(cn), err
	}
	return 0, nil
}

無法辨認「基礎類型」

在類型約束中可以用 ~T 的語法約束所有 基礎類型為 T 的類型，這是 Go 在語法層面上首次暴露出「基礎類型」的概念，在之前我們只能通過 reflect.(Value).Kind 獲取。而在 type assertion 和 type switch 里並沒有對應的語法處理「基礎類型」:

type Int interface {
        ~int ｜ ~uint
}

func IsSigned[T Int](n T) {
        switch (interface{})(n).(type) {
        case int:
                fmt.Println("signed")
        default:
                fmt.Println("unsigned")
        }
}

func main() {
        type MyInt int
        IsSigned(1)
        IsSigned(MyInt(1))
}
// Output:
// signed
// unsigned

乍一看很合理，MyInt 確實不是 int。那我們要如何在函數不了解 MyInt 的情況下把它當 int 處理呢, 比較抱歉的是目前在1.18中沒辦法對這個進行處理。

類型約束不可用於 type assertion

一個直觀的想法是單獨定義一個 Signed 約束，然後判斷 T 是否滿足 Signed:

type Signed interface {
        ~int
}

func IsSigned[T Int](n T) {
        if _, ok := (interface{})(n).(Signed); ok {
                fmt.Println("signed")
        } else {
                fmt.Println("unsigned")
        }
}

但很可惜，類型約束不能用於 type assertion/switch，編譯器報錯如下：

interface contains type constraints

儘管讓類型約束用於 type assertion 可能會引入額外的問題，但犧牲這個支持讓 Go 的類型表達能力大大地打了折扣。

總結

  • 確實可以實現部分函數式特性能以更通用的方式。

  • 靈活度比代碼生成更高 ，用法更自然，但細節上的小問題很多。

  • 1.18 的泛型在引入 type paramters 語法之外並沒有其他大刀闊斧的改變，導致泛型和這個語言的其他部分顯得有些格格不入，也使得泛型的能力受限。 至少在 1.18 里，我們要忍受泛型中存在的種種不一致。

  • 受制於 Go 類型系統的表達能力，我們無法表示複雜的類型約束，自然也無法實現完備的函數式特性。

推廣

推廣下個人項目，目前也正在使用Go 1.18的特性也踩了很多坑：

YoyoGo is a simple, light and fast , dependency injection based micro-service framework written in Go. Support Nacos ,Consoul ,Etcd ,Eureka ,kubernetes.

//github.com/yoyofx/yoyogo

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