反射是现代编程语言中非常重要的一个特性,尤其是在面向对象编程语言中

此前的文章中,我们看到 golang 如何实现面向对象的封装: 通过 GoLang 实现面向对象思想

如果能够熟练运用反射特性,可以在很多情况下写出通用性极强的代码,达到事半功倍的效果,那么,究竟什么是反射,在 golang 中反射又是如何实现的,本文我们就来详细解读。

什么是反射?为什么要使用反射?这是本文开始前必须要解决的两个问题。

2.1. 什么是反射

反射机制是现代编程语言中一个比较高级的特性。 在编译时不知道类型的情况下,通过反射机制可以获取对象的类型、值、方法甚至动态改变对象的成员,这就是反射机制。

2.2. 为什么使用反射

在很多时候,我们都希望代码具备良好的通用性。 最基本的,对于 fmt.Print 函数,他可以接受任意类型的对象作为参数,我们无法罗列出究竟有多少种入参的可能,此时,主动获取入参的类型就可以大大简化代码的编写。 更进一步,对于依赖注入与面向切面等设计模式来说,我们需要为被注入对象动态添加成员,动态调用对象的不同成员。 显然,反射的存在极大地增加了代码的灵活度与通用性。

之前的文章中,我们讲了 golang 的接口: golang 中的接口

golang 的接口作为 golang 语言中运行时类型抽象的主要工具,它的实现与反射机制的实现有着非常密切的关联,他们都涉及 golang 中是如何管理类型的。 golang 中有两种类型:

  1. static type — 静态类型,创建变量时指定的类型,如 var str string,str 的类型 string 就是他的静态类型
  2. concrete type — 运行时类型,如一个变量实现了接口中全部方法,那么这个变量的 concrete type 就是该接口类型

所以,golang 中,反射是必须与接口类型结合使用的。

golang 中的接口使用下面的几个结构实现的:

因为 golang 中指针类型与指向区域的数据类型必须一致且不能变更,这为抽象功能的实现带来了太大的局限,于是 golang 中提供了 unsafe 包,提供了对指针的增强功能,unsafe.Pointer类似于C中的void*,任何类型的指针都可以转换为unsafe.Pointer 类型,unsafe.Pointer 类型也可以转换为任何指针类型。 从上面的代码中,我们看到,在 golang 中,不具有方法的接口类型与具有方法的接口类型是分别通过 eface 与 iface 两种类型实现的。

eface 与 iface 两者都同样是由两个指针来实现的,分别指向接口本身的类型描述结构与接口实现的内存空间。

4.1. 接口类型断言的实现

此前介绍接口的文章中,我们有介绍到接口的类型断言,其实现原理就是通过将断言类型的 _type 与 data 指针指向的数据空间中的 type 进行比较实现的。 因此,即使断言类型与数据类型在内存中是一模一样的,也无法通过断言实现其类型的转换:

虽然在内存中,我们定义的 temprature 与 int 是相同的,但其 _type 值是不同的,因此上述代码抛出了 panic:

panic: interface conversion: interface {} is main.temprature, not int

在 golang 中,reflect 包实现了反射机制,它定义了两个重要的类型:Type 和 Value,分别用来获取接口类型变量的实际类型与值。 获取他们的方法就是 TypeOf 和 ValueOf 方法。 我们修改一下上面的示例代码:

打印出了:

temprature is 5 main.temprature: 5

可以看到,通过 TypeOf 与 ValueOf 方法,我们已经取到了接口变量的类型和实际的值。

让我们来看一下 TypeOf 与 ValueOf 的实现。

6.1. TypeOf 源码

TypeOf 的实现通过 unsafe.Pointer 进行指针类型的强制转换,从而通过返回的实例中获取到内存中数据的实际类型字段。

6.2. ValueOf 源码

ValueOf 的实现相较于 TypeOf 的实现显得略为复杂一些。 在 unpackEface 函数中,同样通过 unsafe.Pointer 将传入参数转换为了 emptyInterface 类型,从而可以获取到传入参数的类型字段与指向实际数据的指针,最终封装为 Value 类型值返回:

这个结构正是 golang 保存任何一个类型变量的存储结构,因此,ValueOf 的返回值可以直接作为变量值来使用。

那么,在实际的使用场景中,反射能够为我们带来哪些便捷的功能呢?敬请期待下一篇文章 — golang 中反射的使用。