【Golang】泛型与类型约束

一、环境

Go 1.20.2

二、没有泛型的Go

假设现在我们需要写一个函数，实现：
1）输入一个切片参数，切片类型可以是[]int或[]float64，然后将所有元素相加的“和”返回
2）如果是int切片，返回int类型；如果是float64切片，返回float64类型

当然，最简单的方法是写两个函数SumSliceInt(s []int)、SumSliceFloat64(s []float64)来分别支持不同类型的切片，但是这样会导致大部分代码重复冗余，不是很优雅。那么有没有办法只写一个函数呢？

我们知道，在Go中所有的类型都实现了interface{}接口，所以如果想让一个变量支持多种数据类型，我们可以将这个变量声明为interface{}类型，例如var slice interface{}，然后使用类型断言（.(type)）来判断这个变量的类型。

interface{} + 类型断言：

// any是inerface{}的别名，两者是完全相同的：type any = interface{}
func SumSlice(slice any) (any, error) {switch s := slice.(type) {case []int:sum := 0for _, v := range s {sum += v}return sum, nilcase []float64:sum := float64(0)for _, v := range s {sum += v}return sum, nildefault:return nil, fmt.Errorf("unsupported slice type: %T", slice)}
}

从上述代码可见，虽然使用interface{}类型可以实现在同一个函数内支持两种不同切片类型，但是每个case块内的代码仍然是高度相似和重复的，代码冗余的问题没有得到根本的解决。

三、泛型的优点

幸运的是，在Go 1.18之后开始支持了泛型（Generics），我们可以使用泛型来解决这个问题：

func SumSlice[T interface{ int | float64 }](slice []T) T {var sum T = 0for _, v := range slice {sum += v}return sum
}

是不是简洁了很多？而且，泛型相比interface{}还有以下优势：

• 可复用性：提高了代码的可复用性，减少代码冗余。
• 类型安全性：泛型在编译时就会进行类型安全检查，可以确保编译出来的代码就是类型安全的；而interface{}是在运行时才进行类型判断，如果编写的代码在类型判断上有bug或缺漏，就会导致Go在运行过程中报错。
• 性能：不同类型的数据在赋值给interface{}变量时，会有一个隐式的装箱操作，从interface{}取数据时也会有一个隐式的拆箱操作，而泛型就不存在装箱拆箱过程，没有额外的性能开销。

四、理解泛型

（一）定义

编写一个函数，输入a、b两个泛型参数，返回它们的和：

// T的名字可以更改，改成K、V、MM之类的都可以，只是一般比较常用的是T
// 这是一个不完整的错误例子
func Sum(a, b T) T {return a + b
}

大写字母T的名字叫类型参数（Type parameter），代表a、b参数是泛型，可以接受多种类型，但具体可以接受哪些类型呢？在上面的定义中并没有给出这部分信息，要知道，并不是所有的类型都可以相加的，因此这里就引出了约束的概念，我们需要对T可以接受的类型范围作出约束：

// 正确例子
func Sum[T interface{ int | float64 }](a, b T) T {return a + b
}

中括号[]之间的空间用于定义类型参数，支持定义一个或多个

• T：类型参数的名字
• interface{ int | float64 }：对T的类型约束（Type Constraint），必须是一个接口，约束T只可以是int或float64

为了简化写法，类型约束中的interface{}在某些情况下是可以省略的，所以可以简写成：

func Sum[T int | float64](a, b T) T {return a + b
}

interface{}不能省略的一些情况：

// 当接口中包含方法时，不能省略
func Contains[T interface{ Equal() bool }](num T) {
}

可以定义多个类型参数：

func Add[T int, E float64](a T, b E) E {return E(a) + b
}

（二）调用

以上面的Sum泛型函数为例，完整的调用写法为：

Sum[int](1, 2)
Sum[float64](1.1, 2.2)

[]之间的内容称为类型实参（Type argument），是告诉编译器传过去的函数实参具体是什么类型。但大多数时候，编译器都可以自动推导出该类型，无需我们主动告知，这个功能叫函数实参类型推导（Function argument type inference）。所以可以简写成：

// 简写，跟调用普通函数一样的写法
Sum(1, 2)
Sum(1.1, 2.2)

需要注意的是，在调用这个函数时，a、b两个参数的类型必须一致，要么两个都是int，要么都是float64，不能一个是int一个是float64：

Sum(1, 2.3) // 编译会报错

什么时候不能简写？

// 当类型参数T仅用在返回值，没有用在函数参数列表时
func Foo[T int | float64]() T {return 1
}
Foo() // 报错：cannot infer T
Foo[int]() // OK
Foo[float64]() // OK

（三）类型约束（Type Constraint）

1）接口与约束

Go 使用interface定义类型约束。我们知道，在引入泛型之前，interface中只可以声明一组未实现的方法，或者内嵌其它interface，例如：

// 普通接口
type Driver interface {SetName(name string) (int, error)GetName() string
}// 内嵌接口
type ReaderStringer interface {io.Readerfmt.Stringer
}

接口里的所有方法称之为方法集（Method set）。

引入泛型之后，interface里面可以声明的元素丰富了很多，可以是任何 Go 类型，包括基本类型、接口、方法等等，甚至struct结构体都可以，接口里的这些元素称为类型集（Type set）：

// 基本类型约束
type MyInt interface {int
}// 结构体类型约束
type Point interface {struct{ X, Y int }
}// 内嵌其它约束
type MyNumber interface {MyInt
}// 联合（Unions）类型约束，不同类型元素之间是“或”的关系
// 如果元素是一个接口，这个接口不能包含任何方法！
type MyFloat interface {float32 | float64
}

有了丰富的类型集支持，我们就可以更加方便的使用接口对类型参数T的类型作出约束，既可以约束为基本类型（int、float32、string…），也可以约束它必须实现一组方法，灵活性大大增加。

因此前面的Sum函数还可以改写成：

// 原始例子：
// func Sum[T int | float64](a, b T) T {
//	 return a + b
// }type MyNumber interface {int | float64
}func Sum[T MyNumber](a, b T) T {return a + b
}

2）结构体类型约束

Go 还允许我们使用复合类型字面量来定义约束。例如，我们可以定义一个约束，类型元素是一个具有特定结构的struct：

type Point interface {struct{ X, Y int }
}

然而，需要注意的是，虽然我们可以编写受此类结构体类型约束的泛型函数，但在当前版本的 Go 中，函数无法访问结构体的字段，例如：

func GetX[T Point](p T) int {return p.X  // p.X undefined (type T has no field or method X)
}

3）类型近似（Type Approximations）

我们知道，在Go中可以创建新的类型，例如：

type MyString string

MyString是一个新的类型，底层类型是string。

在类型约束中，有时候我们可能并不关心上层类型，只要底层类型符合要求就可以，这时候就可以使用类型近似符号：~。

// 创建新类型
type MyString string// 定义类型约束
type AnyStr interface {~string
}// 定义泛型函数
func Foo[T AnyStr](param T) T {return param
}func main() {var p1 string = "aaa"var p2 MyString = "bbb"Foo(p1)Foo(p2) // 虽然p2是MyString类型，但也可以通过泛型函数的类型约束检查
}

需要注意的是，类型近似中的类型，必须是底层类型，而且不能是接口类型：

type MyInt inttype I0 interface {~MyInt // 错误! MyInt不是底层类型, int才是~error // 错误! error是接口
}

4）泛型与结构体

前面都是以泛型函数为讲述例子，但其实泛型还可以用在struct结构体上。

假设我们现在要创建一个struct结构体，里面含有一个data泛型属性，类型是一个int或float64的切片：

type List[T int | float64] struct {data []T
}

给这个结构体增加一个Sum方法，用于对切片求和：

func (l *List[T]) Sum() T {var sum Tfor _, v := range l.data {sum += v}return sum
}

实例化结构体，并调用Sum方法：

list := &List[int]{data: []int{1, 2, 3}}
sum := list.Sum()
fmt.Println(sum) // 输出：6

（四）一些错误示例

下面列出一些错误使用泛型的例子。

1）联合约束中的类型元素限制

联合约束中的类型元素不能是包含方法的接口：

// 错误
type ReaderStringer interface {io.Reader | fmt.Stringer // 错误，io.Reader和fmt.Stringer是包含方法的接口
}// 正确
type MyInt interface {int
}
type MyFloat interface {float32
}
type MyNumber interface {MyInt | MyFloat // 正确，MyInt和MyFloat接口里面没有包含方法
}

联合约束中的类型元素不能含有comparable接口：

type Number interface {comparable | int // 含有comparable，报错
}

2）不含方法的接口只能用于类型参数

不含方法的接口只能用于类型参数，不能用于变量、函数参数、返回值的类型声明：

type NoMethods interface {int
}// 错误
func Foo(param NoMethods) NoMethods {return param
}// 错误
var param NoMethods// 正确
func Foo[T NoMethods](param T) T {return param
}

五、参阅

• Golang泛型
• An Introduction To Generics