前言

原文：A gentle introduction to generics in Go byDominik Braun

萬俊峰Kevin：我看了覺得文章非常簡單易懂，就征求了作者同意，翻譯出來給大家分享一下。

本文是對泛型的基本思想及其在 Go 中的實現的一個比較容易理解的介紹，同時也是對圍繞泛型的各種性能討論的簡單總結。首先，我們來看看泛型所解決的核心問題。

問題

假設我們想實現一個簡單的tree數據結構。每個節點持有一個值。在 Go 1.18 之前，實現這種結構的典型方法如下。

type?Node?struct?{
????value?interface{}
}

這在大多數情況下都很好用，但它也有一些缺點。

首先，interface{}可以是任何東西。如果我們想限制value可能持有的類型，例如整數和浮點數，我們只能在運行時檢查這個限制。

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限制類型，像上面這樣的類型判斷在許多 Go 庫中都是很常見的做法。這里有 go-zero 項目中的例子。

第二，對 Node 中的值進行處理是非常繁瑣和容易出錯的。對值做任何事情都會涉及到某種類型的斷言，即使你可以安全地假設值持有一個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，它沒有提供類型安全，并有可能導致難以恢復的運行時錯誤。

解決方法

我們不打算接受任意數據類型或具體類型，而是定義一個叫做T的占位符類型作為值的類型。請注意，這段代碼還不會通過編譯。

type?Node[T]?struct?{
????value?T
}

首先需要聲明泛型類型T，這是在結構或函數名稱后面方括號里面使用的。

T可以是任何類型，只有在實例化一個具有明確類型的Node時，T才會被推導為該類型。

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

泛型Node被實例化為Node[int]（整數節點），所以T是一個int。

類型約束

上面的實現里，T的聲明缺少一個必要的信息：類型約束。

類型約束用于進一步限制可以作為T的可能類型。Go 本身提供了一些預定義的類型約束，但也可以使用自定義的類型約束。

type?Node[T?any]?struct?{
????value?T
}

任意類型（any）約束允許T實際上是任何類型。如果節點值需要進行比較，有一個comparable類型約束，滿足這個預定義約束的類型可以使用==進行比較。

type?Node[T?comparable]?struct?{
????value?T
}

任何類型都可以作為一個類型約束。Go 1.18 引入了一種新的interface語法，可以嵌入其他數據類型。

type?Numeric?interface?{
????int?|?float32?|?float64
}

這意味著一個接口不僅可以定義一組方法，還可以定義一組類型。使用Numeric接口作為類型約束，意味著值可以是整數或浮點數。

type?Node[T?Numeric]?struct?{
????value?T
}

重獲類型安全

相對于使用interface{}，泛型類型參數的巨大優勢在于，T的最終類型在編譯時就會被推導出來。為T定義一個類型約束，完全消除了運行時檢查。如果用作T的類型不滿足類型約束，代碼就不會編譯通過。

在編寫泛型代碼時，你可以像已經知道T的最終類型一樣寫代碼。

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

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

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

double?:=?n.Value()?*?2

在編譯時恢復類型安全使 Go 代碼更可靠，更不容易出錯。

泛型使用場景

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

• 使用內置的容器類型，如slices、maps和channels
• 實現通用的數據結構，如linked list或tree
• 編寫一個函數，其實現對許多類型來說都是一樣的，比如一個排序函數

一般來說，當你不想對你所操作的值的內容做出假設時，可以考慮使用泛型。我們例子中的Node并不太關心它持有的值。

當不同的類型有不同的實現時，泛型就不是一個好的選擇。另外，不要把Read(r io.Reader)這樣的接口函數簽名改為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 中的實現，首先需要了解一般情況下實現泛型的兩種最常見方式。

這是對各種性能的深入研究和圍繞它們進行的討論的簡要介紹。你大概率不太需要關心 Go 中泛型的性能。

虛擬方法表

在編譯器中實現泛型的一種方法是使用Virtual Method Table。泛型函數被修改成只接受指針作為參數的方式。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。這樣做是因為指針看起來總是一樣的，不管它指向的是什么類型。

如果這些值是對象，而泛型函數需要調用這些對象的方法，它就不能再這樣做了。該函數只有一個指向對象的指針，不知道它們的方法在哪里。因此，它需要一個可以查詢方法的內存地址的表格：Virtual Method Table。這種所謂的動態調度已經被 Go 和 Java 等語言中的接口所使用。

Virtual Method Table不僅可以用來實現泛型，還可以用來實現其他類型的多態性。然而，推導這些指針和調用虛擬函數要比直接調用函數慢，而且使用Virtual Method Table會阻止編譯器進行優化。

單態化

一個更簡單的方法是單態化（Monomorphization），編譯器為每個被調用的數據類型生成一個泛型函數的副本。

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

larger?:=?max(3,?5)

由于上面顯示的max函數是用兩個整數調用的，編譯器在對代碼進行單態化時將為int生成一個max的副本。

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

larger?:=?maxInt(3,?5)

最大的優勢是，Monomorphization帶來的運行時性能明顯好于使用Virtual Method Table。直接方法調用不僅更有效率，而且還能適用整個編譯器的優化鏈。不過，這樣做的代價是編譯時長，為所有相關類型生成泛型函數的副本是非常耗時的。

Go 的實現

這兩種方法中哪一種最適合 Go？快速編譯很重要，但運行時性能也很重要。為了滿足這些要求，Go 團隊決定在實現泛型時混合兩種方法。

Go 使用Monomorphization，但試圖減少需要生成的函數副本的數量。它不是為每個類型創建一個副本，而是為內存中的每個布局生成一個副本：int、float64、Node和其他所謂的"值類型"在內存中看起來都不一樣，因此泛型函數將為所有這些類型復制副本。

與值類型相反，指針和接口在內存中總是有相同的布局。編譯器將為指針和接口的調用生成一個泛型函數的副本。就像Virtual Method Table一樣，泛型函數接收指針，因此需要一個表來動態地查找方法地址。在 Go 實現中的字典與虛擬方法表的性能特點相同。

結論

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

在性能討論中經常被忽略的是，所有這些好處和成本只涉及到函數的調用。通常情況下，大部分的執行時間是在函數內部使用的。調用方法的性能開銷可能不會成為性能瓶頸，即使是這樣，也要考慮先優化函數實現，再考慮調用開銷。