談談Go語言的反射三定律

簡介

Reflection（反射）在計算機中表示 程序能夠檢查自身結構的能力，尤其是類型。它是元編程的一種形式，也是最容易讓人迷惑的一部分。

雖然Go語言沒有繼承的概念，但為了便于理解，如果一個struct A 實現了 interface B的所有方法時，我們稱之為“繼承”。

類型和接口

反射建立在類型系統之上，因此我們從類型基礎知識說起。

Go是靜態類型語言。每個變量都有且只有一個靜態類型，在編譯時就已經確定。比如 int、float32、*MyType、[]byte。 如果我們做出如下聲明：

type MyInt int

var i int
var j MyInt

上面的代碼中，變量 i 的類型是 int，j 的類型是 MyInt。 所以，盡管變量 i 和 j 具有共同的底層類型 int，但它們的靜態類型并不一樣。不經過類型轉換直接相互賦值時，編譯器會報錯。

關于類型，一個重要的分類是 接口類型（interface），每個接口類型都代表固定的方法集合。一個接口變量就可以存儲（或“指向”，接口變量類似于指針）任何類型的具體值，只要這個值實現了該接口類型的所有方法。一組廣為人知的例子是 io.Reader 和 io.Writer， Reader 和 Writer 類型來源于 io包，聲明如下：

// Reader is the interface that wraps the basic Read method.
type Reader interface {
 Read(p []byte) (n int, err error)
}

// Writer is the interface that wraps the basic Write method.
type Writer interface {
 Write(p []byte) (n int, err error)
}

任何實現了 Read（Write）方法的類型，我們都稱之為繼承了 io.Reader（io.Writer）接口。換句話說， 一個類型為 io.Reader 的變量 可以指向（接口變量類似于指針）任何類型的變量，只要這個類型實現了Read 方法：

var r io.Reader
r = os.Stdin
r = bufio.NewReader(r)
r = new(bytes.Buffer)
// and so on

要時刻牢記：不管變量 r 指向的具體值是什么，它的類型永遠是 io.Reader。再重復一次：Go語言是靜態類型語言，變量 r 的靜態類型是 io.Reader。

一個非常非常重要的接口類型是空接口，即：

interface{}

它代表一個空集，沒有任何方法。由于任何具體的值都有 零或更多個方法，因此類型為interface{} 的變量能夠存儲任何值。

有人說，Go的接口是動態類型的。這個說法是錯的！接口變量也是靜態類型的，它永遠只有一個相同的靜態類型。如果在運行時它存儲的值發生了變化，這個值也必須滿足接口類型的方法集合。

由于反射和接口兩者的關系很密切，我們必須澄清這一點。

接口變量的表示

Russ Cox 在2009年寫了一篇文章介紹 Go中接口變量的表示形式，這里我們不需要重復所有的細節，只做一個簡單的總結。

Interface變量存儲一對值：賦給該變量的具體的值、值類型的描述符。更準確一點來說，值就是實現該接口的底層數據，類型是底層數據類型的描述。舉個例子：

var r io.Reader
tty, err := os.OpenFile("/dev/tty", os.O_RDWR, 0)
if err != nil {
 return nil, err
}
r = tty

在這個例子中，變量 r 在結構上包含一個 (value, type) 對：(tty, os.File)。注意：類型 os.File 不僅僅實現了 Read 方法。雖然接口變量只提供 Read 函數的調用權，但是底層的值包含了關于這個值的所有類型信息。所以我們能夠做這樣的類型轉換：

var w io.Writer
w = r.(io.Writer)

上面代碼的第二行是一個類型斷言，它斷定變量 r 內部的實際值也繼承了 io.Writer接口，所以才能被賦值給 w。賦值之后，w 就指向了 (tty, *os.File) 對，和變量 r 指向的是同一個 (value, type) 對。不管底層具體值的方法集有多大，由于接口的靜態類型限制，接口變量只能調用特定的一些方法。

我們繼續往下看：

var empty interface{}
empty = w

這里的空接口變量 empty 也包含 (tty, *os.File) 對。這一點很容易理解：空接口變量可以存儲任何具體值以及該值的所有描述信息。

細心的朋友可能會發現，這里沒有使用類型斷言，因為變量 w 滿足 空接口的所有方法（傳說中的“無招勝有招”）。在前一個例子中，我們把一個具體值 從 io.Reader 轉換為 io.Writer 時，需要顯式的類型斷言，是因為 io.Writer 的方法集合 不是 io.Reader 的子集。

另外需要注意的一點是，(value, type) 對中的 type 必須是 具體的類型（struct或基本類型），不能是 接口類型。 接口類型不能存儲接口變量。

關于接口，我們就介紹到這里，下面我們看看Go語言的反射三定律。

反射第一定律：反射可以將“接口類型變量”轉換為“反射類型對象”。

注：這里反射類型指 reflect.Type 和 reflect.Value。

從用法上來講，反射提供了一種機制，允許程序在運行時檢查接口變量內部存儲的 (value, type) 對。在最開始，我們先了解下 reflect 包的兩種類型：Type 和 Value。這兩種類型使訪問接口內的數據成為可能。它們對應兩個簡單的方法，分別是 reflect.TypeOf 和 reflect.ValueOf，分別用來讀取接口變量的 reflect.Type 和 reflect.Value 部分。當然，從 reflect.Value 也很容易獲取到 reflect.Type。目前我們先將它們分開。

首先，我們下看 reflect.TypeOf：

package main

import (
 "fmt"
 "reflect"
)

func main() {
 var x float64 = 3.4
 fmt.Println("type:", reflect.TypeOf(x))
}

這段代碼會打印出：

type: float64

你可能會疑惑：為什么沒看到接口？這段代碼看起來只是把一個 float64類型的變量 x 傳遞給 reflect.TypeOf，并沒有傳遞接口。事實上，接口就在那里。查閱一下TypeOf 的文檔，你會發現 reflect.TypeOf 的函數簽名里包含一個空接口：

// TypeOf returns the reflection Type of the value in the interface{}.
func TypeOf(i interface{}) Type

我們調用 reflect.TypeOf(x) 時，x 被存儲在一個空接口變量中被傳遞過去； 然后reflect.TypeOf 對空接口變量進行拆解，恢復其類型信息。

函數 reflect.ValueOf 也會對底層的值進行恢復（這里我們忽略細節，只關注可執行的代碼）：

var x float64 = 3.4
fmt.Println("value:", reflect.ValueOf(x))

上面這段代碼打印出：

value: <float64 Value>

類型 reflect.Type 和 reflect.Value 都有很多方法，我們可以檢查和使用它們。這里我們舉幾個例子。類型 reflect.Value 有一個方法 Type()，它會返回一個 reflect.Type 類型的對象。Type和 Value都有一個名為 Kind 的方法，它會返回一個常量，表示底層數據的類型，常見值有：Uint、Float64、Slice等。Value類型也有一些類似于Int、Float的方法，用來提取底層的數據。Int方法用來提取 int64, Float方法用來提取 float64，參考下面的代碼：

var x float64 = 3.4
v := reflect.ValueOf(x)
fmt.Println("type:", v.Type())
fmt.Println("kind is float64:", v.Kind() == reflect.Float64)
fmt.Println("value:", v.Float())

上面這段代碼會打印出：

type: float64
kind is float64: true
value: 3.4

還有一些用來修改數據的方法，比如SetInt、SetFloat，在討論它們之前，我們要先理解“可修改性”（settability），這一特性會在“反射第三定律”中進行詳細說明。

反射庫提供了很多值得列出來單獨討論的屬性。首先是介紹下Value 的 getter 和 setter 方法。為了保證API 的精簡，這兩個方法操作的是某一組類型范圍最大的那個。比如，處理任何含符號整型數，都使用 int64。也就是說 Value 類型的Int 方法返回值為 int64類型，SetInt 方法接收的參數類型也是 int64 類型。實際使用時，可能需要轉化為實際的類型：

var x uint8 = 'x'
v := reflect.ValueOf(x)
fmt.Println("type:", v.Type())       // uint8.
fmt.Println("kind is uint8: ", v.Kind() == reflect.Uint8) // true.
x = uint8(v.Uint())    // v.Uint returns a uint64.

第二個屬性是反射類型變量（reflection object）的 Kind 方法 會返回底層數據的類型，而不是靜態類型。如果一個反射類型對象包含一個用戶定義的整型數，看代碼：

type MyInt int
var x MyInt = 7
v := reflect.ValueOf(x)

上面的代碼中，雖然變量 v 的靜態類型是MyInt，不是 int，Kind 方法仍然返回 reflect.Int。換句話說， Kind 方法不會像 Type 方法一樣區分 MyInt 和 int。

反射第二定律：反射可以將“反射類型對象”轉換為“接口類型變量”。

和物理學中的反射類似，Go語言中的反射也能創造自己反面類型的對象。

根據一個 reflect.Value 類型的變量，我們可以使用 Interface 方法恢復其接口類型的值。事實上，這個方法會把 type 和 value 信息打包并填充到一個接口變量中，然后返回。其函數聲明如下：

// Interface returns v's value as an interface{}.
func (v Value) Interface() interface{}

然后，我們可以通過斷言，恢復底層的具體值：

y := v.Interface().(float64) // y will have type float64.
fmt.Println(y)

上面這段代碼會打印出一個 float64 類型的值，也就是 反射類型變量 v 所代表的值。

事實上，我們可以更好地利用這一特性。標準庫中的 fmt.Println 和 fmt.Printf 等函數都接收空接口變量作為參數，fmt 包內部會對接口變量進行拆包（前面的例子中，我們也做過類似的操作）。因此，fmt 包的打印函數在打印 reflect.Value 類型變量的數據時，只需要把 Interface 方法的結果傳給 格式化打印程序：

fmt.Println(v.Interface())

你可能會問：問什么不直接打印 v ，比如 fmt.Println(v)？ 答案是 v 的類型是 reflect.Value，我們需要的是它存儲的具體值。由于底層的值是一個 float64，我們可以格式化打印：

fmt.Printf("value is %7.1e\n", v.Interface())

上面代碼的打印結果是：

3.4e+00

同樣，這次也不需要對 v.Interface() 的結果進行類型斷言。空接口值內部包含了具體值的類型信息，Printf 函數會恢復類型信息。

簡單來說，Interface 方法和 ValueOf 函數作用恰好相反，唯一一點是，返回值的靜態類型是 interface{}。

我們重新表述一下：Go的反射機制可以將“接口類型的變量”轉換為“反射類型的對象”，然后再將“反射類型對象”轉換過去。

反射第三定律：如果要修改“反射類型對象”，其值必須是“可寫的”（settable）。

這條定律很微妙，也很容易讓人迷惑。但是如果你從第一條定律開始看，應該比較容易理解。

下面這段代碼不能正常工作，但是非常值得研究：

var x float64 = 3.4
v := reflect.ValueOf(x)
v.SetFloat(7.1) // Error: will panic.

如果你運行這段代碼，它會拋出拋出一個奇怪的異常：

panic: reflect.Value.SetFloat using unaddressable value

這里問題不在于值 7.1 不能被尋址，而是因為變量 v 是“不可寫的”。“可寫性”是反射類型變量的一個屬性，但不是所有的反射類型變量都擁有這個屬性。

我們可以通過 CanSet 方法檢查一個 reflect.Value 類型變量的“可寫性”。對于上面的例子，可以這樣寫：

var x float64 = 3.4
v := reflect.ValueOf(x)
fmt.Println("settability of v:", v.CanSet())

上面這段代碼打印結果是：

settability of v: false

對于一個不具有“可寫性”的 Value類型變量，調用 Set 方法會報出錯誤。首先，我們要弄清楚什么“可寫性”。

“可寫性”有些類似于尋址能力，但是更嚴格。它是反射類型變量的一種屬性，賦予該變量修改底層存儲數據的能力。“可寫性”最終是由一個事實決定的：反射對象是否存儲了原始值。舉個代碼例子：

var x float64 = 3.4
v := reflect.ValueOf(x)

這里我們傳遞給 reflect.ValueOf 函數的是變量 x 的一個拷貝，而非 x 本身。想象一下，如果下面這行代碼能夠成功執行：

v.SetFloat(7.1)

答案是：如果這行代碼能夠成功執行，它不會更新 x ，雖然看起來變量 v 是根據 x 創建的。相反，它會更新 x 存在于 反射對象 v 內部的一個拷貝，而變量 x 本身完全不受影響。這會造成迷惑，并且沒有任何意義，所以是不合法的。“可寫性”就是為了避免這個問題而設計的。

這看起來很詭異，事實上并非如此，而且類似的情況很常見。考慮下面這行代碼：

f(x)

上面的代碼中，我們把變量 x 的一個拷貝傳遞給函數，因此不期望它會改變 x 的值。如果期望函數 f 能夠修改變量 x，我們必須傳遞 x 的地址（即指向 x 的指針）給函數 f，如下：

f(&x)

你應該很熟悉這行代碼，反射的工作機制是一樣的。如果你想通過反射修改變量 x，就咬吧想要修改的變量的指針傳遞給 反射庫。

首先，像通常一樣初始化變量 x，然后創建一個指向它的 反射對象，名字為 p：

var x float64 = 3.4
p := reflect.ValueOf(&x) // Note: take the address of x.
fmt.Println("type of p:", p.Type())
fmt.Println("settability of p:", p.CanSet())

這段代碼的輸出是：

type of p: *float64
settability of p: false

反射對象 p 是不可寫的，但是我們也不像修改 p，事實上我們要修改的是 *p。為了得到 p 指向的數據，可以調用 Value 類型的 Elem 方法。Elem 方法能夠對指針進行“解引用”，然后將結果存儲到反射 Value類型對象 v中：

v := p.Elem()
fmt.Println("settability of v:", v.CanSet())

在上面這段代碼中，變量 v 是一個可寫的反射對象，代碼輸出也驗證了這一點：

settability of v: true

由于變量 v 代表 x， 因此我們可以使用 v.SetFloat 修改 x 的值：

v.SetFloat(7.1)
fmt.Println(v.Interface())
fmt.Println(x)

上面代碼的輸出如下：

7.1
7.1

反射不太容易理解，reflect.Type 和 reflect.Value 會混淆正在執行的程序，但是它做的事情正是編程語言做的事情。你只需要記住：只要反射對象要修改它們表示的對象，就必須獲取它們表示的對象的地址。

結構體（struct）

在前面的例子中，變量 v 本身并不是指針，它只是從指針衍生而來。把反射應用到結構體時，常用的方式是 使用反射修改一個結構體的某些字段。只要擁有結構體的地址，我們就可以修改它的字段。

下面通過一個簡單的例子對結構體類型變量 t 進行分析。

首先，我們創建了反射類型對象，它包含一個結構體的指針，因為后續會修改。

然后，我們設置 typeOfT 為它的類型，并遍歷所有的字段。

注意：我們從 struct 類型提取出每個字段的名字，但是每個字段本身也是常規的 reflect.Value 對象。

type T struct {
 A int
 B string
}
t := T{23, "skidoo"}
s := reflect.ValueOf(&t).Elem()
typeOfT := s.Type()
for i := 0; i < s.NumField(); i++ {
 f := s.Field(i)
 fmt.Printf("%d: %s %s = %v\n", i,
  typeOfT.Field(i).Name, f.Type(), f.Interface())
}

上面這段代碼的輸出如下：

0: A int = 23
1: B string = skidoo

這里還有一點需要指出：變量 T 的字段都是首字母大寫的（暴露到外部），因為struct中只有暴露到外部的字段才是“可寫的”。

由于變量 s 包含一個“可寫的”反射對象，我們可以修改結構體的字段：

f.Interface())s.Field(0).SetInt(77)
s.Field(1).SetString("Sunset Strip")
fmt.Println("t is now", t)

上面代碼的輸出如下：

t is now {77 Sunset Strip}

如果變量 s 是通過 t ，而不是 &t 創建的，調用 SetInt 和 SetString 將會失敗，因為 t 的字段不是“可寫的”。

結論

最后再次重復一遍反射三定律：

    1.反射可以將“接口類型變量”轉換為“反射類型對象”。

    2.反射可以將“反射類型對象”轉換為“接口類型變量”。

    3.如果要修改“反射類型對象”，其值必須是“可寫的”（settable）。

一旦你理解了這些定律，使用反射將會是一件非常簡單的事情。它是一件強大的工具，使用時務必謹慎使用，更不要濫用。

關于反射，我們還有很多內容沒有討論，包括基于管道的發送和接收、內存分配、使用slice和map、調用方法和函數，這些話題我們會在后續的文章中介紹。請大家繼續關注億速云。

原作者 Rob Pike，翻譯Oscar