本文是對(duì)泛型的基本思想及其在 Go 中的實(shí)現(xiàn)的一個(gè)比較容易理解的介紹，同時(shí)也是對(duì)圍繞泛型的各種性能討論的簡(jiǎn)單總結(jié)。首先，我們來(lái)看看泛型所解決的核心問(wèn)題。

問(wèn)題

假設(shè)我們想實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的 tree 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)持有一個(gè)值。在 Go 1.18 之前，實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的典型方法如下：

type Node struct {
    value interface{}
}

這在大多數(shù)情況下都很好用，但它也有一些缺點(diǎn)。

首先，interface{} 可以是任何東西。如果我們想限制 value 可能持有的類(lèi)型，例如整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)，我們只能在運(yùn)行時(shí)檢查這個(gè)限制。

func (n Node) IsValid() bool {
    switch n.value.(type) {
        case int, float32, float64:
            return true
        default:
            return false
    }
}

這樣并不可能在編譯時(shí)限制類(lèi)型，像上面這樣的類(lèi)型判斷在許多 Go 庫(kù)中都是很常見(jiàn)的做法。

第二，對(duì) Node 中的值進(jìn)行處理是非常繁瑣和容易出錯(cuò)的。對(duì)值做任何事情都會(huì)涉及到某種類(lèi)型的斷言，即使你可以安全地假設(shè)值持有一個(gè) int 值。

number, ok := node.value.(int)
if !ok {
    // ...
}

double := number * 2

這些只是使用 interface{} 的一些不便之處，它沒(méi)有提供類(lèi)型安全，并有可能導(dǎo)致難以恢復(fù)的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。

解決方法

我們不打算接受任意數(shù)據(jù)類(lèi)型或具體類(lèi)型，而是定義一個(gè)叫做 T 的 占位符類(lèi)型 作為值的類(lèi)型。請(qǐng)注意，這段代碼還不會(huì)通過(guò)編譯。

type Node[T] struct {
    value T
}

首先需要聲明泛型類(lèi)型 T，這是在結(jié)構(gòu)或函數(shù)名稱(chēng)后面方括號(hào)里面使用的。

T 可以是任何類(lèi)型，只有在實(shí)例化一個(gè)具有明確類(lèi)型的 Node 時(shí)，T 才會(huì)被推導(dǎo)為該類(lèi)型。

n := Node[int]{
    value: 5,
}

泛型 Node 被實(shí)例化為 Node[int](整數(shù)節(jié)點(diǎn))，所以 T 是一個(gè) int。

類(lèi)型約束

上面的實(shí)現(xiàn)里，T 的聲明缺少一個(gè)必要的信息：類(lèi)型約束。

類(lèi)型約束用于進(jìn)一步限制可以作為 T 的可能類(lèi)型。Go 本身提供了一些預(yù)定義的類(lèi)型約束，但也可以使用自定義的類(lèi)型約束。

type Node[T any] struct {
    value T
}

任意類(lèi)型(any)約束允許 T 實(shí)際上是任何類(lèi)型。如果節(jié)點(diǎn)值需要進(jìn)行比較，有一個(gè) comparable 類(lèi)型約束，滿足這個(gè)預(yù)定義約束的類(lèi)型可以使用 == 進(jìn)行比較。

type Node[T comparable] struct {
    value T
}

任何類(lèi)型都可以作為一個(gè)類(lèi)型約束。Go 1.18 引入了一種新的 interface 語(yǔ)法，可以嵌入其他數(shù)據(jù)類(lèi)型。

type Numeric interface {
    int | float32 | float64
}

這意味著一個(gè)接口不僅可以定義一組方法，還可以定義一組類(lèi)型。使用 Numeric 接口作為類(lèi)型約束，意味著值可以是整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)。

type Node[T Numeric] struct {
    value T
}

重獲類(lèi)型安全

相對(duì)于使用 interface{}，泛型類(lèi)型參數(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)在于，T 的最終類(lèi)型在編譯時(shí)就會(huì)被推導(dǎo)出來(lái)。為 T 定義一個(gè)類(lèi)型約束，完全消除了運(yùn)行時(shí)檢查。如果用作 T 的類(lèi)型不滿足類(lèi)型約束，代碼就不會(huì)編譯通過(guò)。

在編寫(xiě)泛型代碼時(shí)，你可以像已經(jīng)知道 T 的最終類(lèi)型一樣寫(xiě)代碼。

func (n Node[T]) Value() T {
    return n.value
}

上面的函數(shù)返回 n.Value，它的類(lèi)型是 T。因此，返回值是 T，如果 T 是一個(gè)整數(shù)，那么返回類(lèi)型就已知是 int。因此，返回值可以直接作為一個(gè)整數(shù)使用，不需要任何類(lèi)型斷言。

n := Node[int]{
    value: 5,
}

double := n.Value() * 2

在編譯時(shí)恢復(fù)類(lèi)型安全使 Go 代碼更可靠，更不容易出錯(cuò)。

泛型使用場(chǎng)景

在 Ian Lance Taylor 的 When To Use Generics 中列出了泛型的典型使用場(chǎng)景，歸結(jié)為三種主要情況：

• 使用內(nèi)置的容器類(lèi)型，如 slices、maps 和 channels
• 實(shí)現(xiàn)通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如 linked list 或 tree
• 編寫(xiě)一個(gè)函數(shù)，其實(shí)現(xiàn)對(duì)許多類(lèi)型來(lái)說(shuō)都是一樣的，比如一個(gè)排序函數(shù)

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)你不想對(duì)你所操作的值的內(nèi)容做出假設(shè)時(shí)，可以考慮使用泛型。我們例子中的 Node 并不太關(guān)心它持有的值。

當(dāng)不同的類(lèi)型有不同的實(shí)現(xiàn)時(shí)，泛型就不是一個(gè)好的選擇。另外，不要把 Read(r io.Reader) 這樣的接口函數(shù)簽名改為 Read[T io.Reader](r T) 這樣的通用簽名。

性能

要了解泛型的性能及其在 Go 中的實(shí)現(xiàn)，首先需要了解一般情況下實(shí)現(xiàn)泛型的兩種最常見(jiàn)方式。

這是對(duì)各種性能的深入研究和圍繞它們進(jìn)行的討論的簡(jiǎn)要介紹。你大概率不太需要關(guān)心 Go 中泛型的性能。

虛擬方法表

在編譯器中實(shí)現(xiàn)泛型的一種方法是使用 Virtual Method Table。泛型函數(shù)被修改成只接受指針作為參數(shù)的方式。然后，這些值被分配到堆上，這些值的指針被傳遞給泛型函數(shù)。這樣做是因?yàn)橹羔樋雌饋?lái)總是一樣的，不管它指向的是什么類(lèi)型。

如果這些值是對(duì)象，而泛型函數(shù)需要調(diào)用這些對(duì)象的方法，它就不能再這樣做了。該函數(shù)只有一個(gè)指向?qū)ο蟮闹羔槪恢浪鼈兊姆椒ㄔ谀睦铩Ｒ虼耍枰粋€(gè)可以查詢方法的內(nèi)存地址的表格：Virtual Method Table。這種所謂的動(dòng)態(tài)調(diào)度已經(jīng)被 Go 和 Java 等語(yǔ)言中的接口所使用。

Virtual Method Table 不僅可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)泛型，還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)其他類(lèi)型的多態(tài)性。然而，推導(dǎo)這些指針和調(diào)用虛擬函數(shù)要比直接調(diào)用函數(shù)慢，而且使用 Virtual Method Table 會(huì)阻止編譯器進(jìn)行優(yōu)化。

單態(tài)化

一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法是單態(tài)化(Monomorphization)，編譯器為每個(gè)被調(diào)用的數(shù)據(jù)類(lèi)型生成一個(gè)泛型函數(shù)的副本。

func max[T Numeric](a, b T) T {
    // ...
}

larger := max(3, 5)

由于上面顯示的max函數(shù)是用兩個(gè)整數(shù)調(diào)用的，編譯器在對(duì)代碼進(jìn)行單態(tài)化時(shí)將為 int 生成一個(gè) max 的副本。

func maxInt(a, b int) int {
    // ...
}

larger := maxInt(3, 5)

最大的優(yōu)勢(shì)是，Monomorphization 帶來(lái)的運(yùn)行時(shí)性能明顯好于使用 Virtual Method Table。直接方法調(diào)用不僅更有效率，而且還能適用整個(gè)編譯器的優(yōu)化鏈。不過(guò)，這樣做的代價(jià)是編譯時(shí)長(zhǎng)，為所有相關(guān)類(lèi)型生成泛型函數(shù)的副本是非常耗時(shí)的。

Go 的實(shí)現(xiàn)

這兩種方法中哪一種最適合 Go?快速編譯很重要，但運(yùn)行時(shí)性能也很重要。為了滿足這些要求，Go 團(tuán)隊(duì)決定在實(shí)現(xiàn)泛型時(shí)混合兩種方法。

Go 使用 Monomorphization，但試圖減少需要生成的函數(shù)副本的數(shù)量。它不是為每個(gè)類(lèi)型創(chuàng)建一個(gè)副本，而是為內(nèi)存中的每個(gè)布局生成一個(gè)副本：int、float64、Node 和其他所謂的 "值類(lèi)型" 在內(nèi)存中看起來(lái)都不一樣，因此泛型函數(shù)將為所有這些類(lèi)型復(fù)制副本。

與值類(lèi)型相反，指針和接口在內(nèi)存中總是有相同的布局。編譯器將為指針和接口的調(diào)用生成一個(gè)泛型函數(shù)的副本。就像 Virtual Method Table 一樣，泛型函數(shù)接收指針，因此需要一個(gè)表來(lái)動(dòng)態(tài)地查找方法地址。在 Go 實(shí)現(xiàn)中的字典與虛擬方法表的性能特點(diǎn)相同。

結(jié)論

這種混合方法的好處是，你在使用值類(lèi)型的調(diào)用中獲得了 Monomorphization 的性能優(yōu)勢(shì)，而只在使用指針或接口的調(diào)用中付出了 Virtual Method Table 的成本。

在性能討論中經(jīng)常被忽略的是，所有這些好處和成本只涉及到函數(shù)的調(diào)用。通常情況下，大部分的執(zhí)行時(shí)間是在函數(shù)內(nèi)部使用的。調(diào)用方法的性能開(kāi)銷(xiāo)可能不會(huì)成為性能瓶頸，即使是這樣，也要考慮先優(yōu)化函數(shù)實(shí)現(xiàn)，再考慮調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)。