Go 概念[译]：泛型介绍

Go 1.18 版本增加了对泛型的支持。泛型是我们自 Go 开源以来最大的变动。本文介绍这个新功能。我们会介绍要点，而不是涵盖所有细节。如果想要所有细节和更多描述，包括例子，可以查看 proposal document。查阅 updated langue spec 获取更准确的描述。

泛型是一种独立于已有的特定类型的编码方式。编写函数和类型可以使用类型集的其中一个。

泛型为 Go 语言添加了3个重大的功能：

1. 函数和类型的类型参数
2. 接口作为类型集，包括没有方法的类型。
3. 类型推断，当调用函数时，它允许在大多情况下忽略类型参数。

Type Parameters（类型参数）

函数和类型如今允许有类型参数。一个类型参数列表看起来像普通的参数列表，只不过他使用中括号，而不是小括号。

为了展示它如何工作的，我们从一个作用于浮点数的非泛型函数 Min 开始：

func Min(x, y float64) float64 {
    if x < y {
        return x
    }
    return y
}

我们可以增加类型参数，让这个函数泛化，使其支持不同类型的参数。在这个例子里，我们增加一个类型参数 T，然后把 float64 替代成 T。

import "golang.org/x/exp/constraints"

func GMin[T constraints.Ordered](x, y T) T {
    if x < y {
        return x
    }
    return y
}

现在可以附带一个类型参数，调用这个这个函数，像这样：

x := GMin[int](2, 3)

给GMin提供类型参数（本例中是int）的过程，叫做"实例化"(instantiation)。实例化分为两步。第一，编译器会把泛型函数或类型的类型参数，替换成各自的类型。第二，编译器验证类型参数是否满足条件约束，这个后面会讲，如果第二步失败了，实例化失败，程序也会编译不通过。

实例化成功以后，我们得到一个非泛化的普通函数。比如

fmin := GMin[float64]
m := fmin(2.71, 3.14)

实例化GMin[float64]得到的fmin，和Min(x, y float64)效果一样，我们可以在函数调用中使用它。

类型参数也可以用在定义类型的场景。

type Tree[T interface{}] struct {
    left, right *Tree[T]
    value       T
}

func (t *Tree[T]) Lookup(x T) *Tree[T] { ... }

var stringTree Tree[string]

泛型结构体Tree存着类型参数T。泛型可以有用方法，像例子中的LoopUp一样。使用泛型前，必须先实例化。Tree[string]就是使用string实例化Tree。

类型集（Type Sets）

我们深入一点，类型实参可以用作实例化类型参数.

普通函数的每个参数都有各自的类型。比如，上面的非泛型函数Min的参数是float64，允许传入的参数值都必须是浮点的。

同样的，类型参数本身是个类型，它的定义了一系列的类型。这个元类型(meta-type)称作类型约束（type constraint）。

泛型函数GMin中，类型约束(constraints.Ordered)是从 constraints 包导入的。Ordered约束描述了可以被排序的一系列类型，可排序意味着可比较（< ，<=，> 等操作符）。这个类型约束可以确保传给GMin的参数值都是可比较的。这也就是说GMin 函数体用到的类型参数可用作比较。

Go 语言中，类型约束必须是接口(interface)。一个接口类型可以作为值类型，也可以作为元类型。接口定义了方法集，所以显然类型约束也需要实现对应的方法。但是constraints.Ordered是个接口，而操作符 < 不是一个方法。

为了解决这个问题，我们扩展了接口。

最新 Go 规格规定，接口定义了一个方法集（method set）。任何类型实现了这些方法，也实现了接口。

换个角度看，接口定义了类型集（type set），实现了方法的类型，都可以算作类型集的一员。

这两个角度引出同一个结果：对于每个方法集，我们都可以想象成实现对应方法的类型集，也是被接口定义的类型集。

不过，对于我们而言，类型集的视角比方法集的视角更具优势：我们可以显式地增加类型到类型集，从而以新的方式控制类型集。

我们扩展了接口的语法以达到目的。比如，interface{int|string|bool} 定义了包含了int、string、bool 的一个类型集。

换种说法就是只有int,string,bool 才能满足这个接口。

我们看下 constraints.Ordered 的定义：

type Ordered interface {
    Integer|Float|~string
}

这个声明说的是，Ordered接口是所有的整形、浮点型、字符串类型的集合。竖线表示并集。Integer、Float也是定义在constraints包的接口类型。注意的是Ordered接口是没有定义任何方法的。

对于类型约束，我们通常不关心具体的类型，如string。我们感兴趣的是所有的string类型。这就是~的作用。表达式~string意味着底层是string类型的所有类型的集合。包括string本身和其他所有像 type MyString string 这种自定义的类型。

当然我们依然希望在接口中定义方法，并且我们希望向后兼容。在 Go 1.18 一个接口可以像之前一样包含方法和内嵌其他接口，不同的是，它还能内嵌非接口类型，并集，和底层类型集。

当我们使用类型约束，接口规定的类型集明确哪些类型参数是被允许的。在泛型的函数体，如果参数是 P,约束是 C, 对 P 的操作必须是适用于所有 C 类型集。

被用作约束的接口可能会定义接口名（比如 Ordered）,或者是字面量的形式用在参数列表。比如

[S interface{~[]E}, E interface{}]

这里 S 必须是个切片，切片元素的类型不做限制。

因为这很常见，所以用作约束条件的接口 interface{} 可以省略，也就是简化成：

[S ~[]E, E interface{}]

因为空接口在类型参数和普通代码中很常见，Go 1.18 预声明了 any 作为空接口的别名。有了它，上面的代码我们可以写作：

[S ~[]E, E any]

接口作为类型集是一种强大的机制，也是 Go 的类型约束的关键。现在，使用新语法的接口只能用作类型约束。但是不难想象，明确了类型约束的接口将会在泛型中发挥多大的用处。

类型推断 (Type inference)

最新的主要语言特性是类型推断。从某个角度上说，这是最复杂的语言变更，但是它让人们在写代码调用泛型函数时，使用比较自然的风格。

函数参数类型推断

使用类型参数（形参）需要传递类型参数（实参），这会使代码冗余。回到我们上文提过的 GMin 泛型函数：

func GMin[T constraints.Ordered](x, y T) T { ... }

类型参数 T 用作定义 x、 y。正如我们早前说的，调用时可以传入具体的类型。

var a, b, m float64

m = GMin[float64](a, b) // explicit type argument

在很多场景编译器可以从普通参数推断出 T 的类型参数。这可以使代码更短，同时保持清晰。

var a, b, m float64

m = GMin(a, b) // 没有类型参数

根据函数实参来推断形参的类型的机制，称之为函数参数类型推断(function argument type inference)

函数参数类型推断仅用于函数参数，不作用于函数返回值或者只在函数体的类型参数。比如，它不适用于像 MakeT[T any]() T 只使用 T 作为结果的函数。

约束类型推断（Constraint type inference）

Go 语言支持另一种类型推断，约束类型推断。为了描述这些，我们来看看另一个例子：

// Scale 返回一个 s 的复制，s 的所有元素乘以 c
// 这个实现是有问题的
func Scale[E constraints.Integer](s []E, c E) []E {
    r := make([]E, len(s))
    for i, v := range s {
        r[i] = v * c
    }
    return r
}

这个泛型函数用于所有整形的切片。

假设我们有一个底层是 []int32 的 Point 类型，同时有着自定义方法。

type Point []int32

func (p Point) String() string {
    // Details not important.
}

既然 Point 是一个整形的切片，我们可以把它传给 Scale 函数：

// ScaleAndPrint 把 Point 的元素乘以 2，再打印
func ScaleAndPrint(p Point) {
    r := Scale(p, 2)
    fmt.Println(r.String()) // 无法编译通过
}

然而这编译不会通过，并报类似这种错误 r.String undefined (type []int32 has no field or method String)。

问题在于, Scale 方法返回值是 []E, E 是切片元素的类型。当我们调用 Scale(Point) 时，底层类型是 []int32，我们返回的类型是 []int32，而不是 Point。这并不是我们预期的。

为了解决这个问题，我们增加 Scale 函数的切片参数的类型参数。

func Scale[S ~[]E, E constraints.Integer](s S, c E) S {
    r := make(S, len(s))
    for i, v := range s {
        r[i] = v * c
    }
    return r
}

我们定义一个新的切片类型的类型参数 S。我们约束s的底层类型是 S 而不是 []E，返回值是 S。既然 S 的约束是整数，效果和以前一样：第一个参数必须是整形切片。唯一的区别是，函数体我们把make([]E, len(s))改成make(S, len(s))。

如果参数是普通切片，新旧函数的表现是一样的，但如果我们传递的参数是 Point，新的函数返回值是 Point。这是符合我们预期的。使用新版本的 Scale，ScaleAndPrint 可以编译通过并如我们预期地运行。

公平地问一句：为什么不显示地指明类型参数还能成功调用 Scale? 也就是说，为什么我们可以写Scale(p, 2)，而不是写Scale[Point, int32](p, 2)？我们的新版Scale函数有两个参数：S和E。调用Scale没有传递任何类型参数，编译器的函数参数类型推断推断出 S 的类型是 Point。但是函数还有一个类型参数E，用于约束乘数c。对应的函数值是 2，由于 2 无类型的常量，函数参数类型推断机制无法检测出E的当前类型（最多推断出 2 的默认类型 int，但这是错误的）。相反，编译器推断E是切片的元素类型的过程，称作约束类型推断。

约束类型推断是从类型参数约束推导出类型参数。当一个类型参数是由另一个类型参数定义的时候，会用到它。当类型参数中的一个是已知的，约束会通过它推断出其他参数的类型。

这适用的其中一个场景是，当一个约束使用 ~type 定义某种类型，然后这个约束被用在另一个类型约束上。比如在 Scale 中，S 是 ~[]E,E 是定义在另一个参数上。如果我们知道 S 的类型，就可以推断出 E 的类型。S是一个切片类型，E是切片的元素。

实践中的类型推断

类型推断的细节非常复杂，但是使用起来很简单：只有成功或失败。如果推断成功，类型参数可以忽略，此时可以像调用普通函数一样调用泛型函数。如果推断失败，编译器会报错，我们据此调整就行。

增加类型推断时，我们试着在推断能力和复杂性之间取得平衡。我们想要确保，编译器推断类型时，不会出现意外的类型。我们注意在推断不出时报错，而不是推断出错误的类型。可能目前不是十全十美，但是我们会将来还会进一步优化。结果将是更多的程序无需指明类型参数。目前已经不用指明类型参数的程序，将来也不用。

结论

泛型是 1.18 的重大新特性。这些新语言变更需要经过生产环境的测试。这需要更多的人编写和使用泛型代码。我们相信，这个特性实现良好且质量高。然而，不像 Go 的其他方面，我们无法实际生产经验来支持这种信念。因此，虽然我们鼓励在合适的地方使用泛型，但也请在生产环境中也请小心谨慎。

抛开谨慎的说法，我们也很激动有泛型可用，希望它能使 Go 开发者更加高效。

引用

[1] An Introduction To Generics(https://go.dev/blog/intro-generics)