Go语言设计与实现 -- 反射

Go的反射有哪些应用？

• IDE中代码的自动补全
• 对象序列化
• fmt函数的相关实现
• ORM框架

什么情况下需要使用反射？

• 不能明确函数调用哪个接口，需要根据传入的参数在运行时决定。
• 不能明确传入函数的参数类型，需要在运行时处理任意对象。

反射对性能有消耗，而且可读性低，能不用就不要用反射。

如何比较两个对象完全相同？

Go中提供了一个函数可以实现这个功能：

func DeepEqual(x, y interface{}) bool

DeepEqual 函数的参数是两个 interface，实际上也就是可以输入任意类型，输出 true 或者 flase 表示输入的两个变量是否是“深度”相等。

先明白一点，如果是不同的类型，即使是底层类型相同，相应的值也相同，那么两者也不是“深度”相等。

例如这个代码：

type MyInt int
type YourInt intfunc main() {m := MyInt(1)y := YourInt(1)fmt.Println(reflect.DeepEqual(m, y))
}

这个代码的结果是false。

上面的代码中，m, y 底层都是 int，而且值都是 1，但是两者静态类型不同，前者是 MyInt，后者是 YourInt，因此两者不是“深度”相等。

来看一下源码：

func DeepEqual(x, y any) bool {if x == nil || y == nil {return x == y}v1 := ValueOf(x)v2 := ValueOf(y)if v1.Type() != v2.Type() {return false}return deepValueEqual(v1, v2, make(map[visit]bool))
}

首先查看两者是否有一个是 nil 的情况，这种情况下，只有两者都是 nil，函数才会返回 true

接着，使用反射，获取x，y 的反射对象，并且立即比较两者的类型，根据前面的内容，这里实际上是动态类型，如果类型不同，直接返回 false。

最后，最核心的内容在子函数 deepValueEqual 中。

然后我们来看一下deepValueEqual的源码：

// Tests for deep equality using reflected types. The map argument tracks
// comparisons that have already been seen, which allows short circuiting on
// recursive types.
func deepValueEqual(v1, v2 Value, visited map[visit]bool) bool {if !v1.IsValid() || !v2.IsValid() {return v1.IsValid() == v2.IsValid()}if v1.Type() != v2.Type() {return false}// We want to avoid putting more in the visited map than we need to.// For any possible reference cycle that might be encountered,// hard(v1, v2) needs to return true for at least one of the types in the cycle,// and it's safe and valid to get Value's internal pointer.hard := func(v1, v2 Value) bool {switch v1.Kind() {case Pointer:if v1.typ.ptrdata == 0 {// go:notinheap pointers can't be cyclic.// At least, all of our current uses of go:notinheap have// that property. The runtime ones aren't cyclic (and we don't use// DeepEqual on them anyway), and the cgo-generated ones are// all empty structs.return false}fallthroughcase Map, Slice, Interface:// Nil pointers cannot be cyclic. Avoid putting them in the visited map.return !v1.IsNil() && !v2.IsNil()}return false}if hard(v1, v2) {// For a Pointer or Map value, we need to check flagIndir,// which we do by calling the pointer method.// For Slice or Interface, flagIndir is always set,// and using v.ptr suffices.ptrval := func(v Value) unsafe.Pointer {switch v.Kind() {case Pointer, Map:return v.pointer()default:return v.ptr}}addr1 := ptrval(v1)addr2 := ptrval(v2)if uintptr(addr1) > uintptr(addr2) {// Canonicalize order to reduce number of entries in visited.// Assumes non-moving garbage collector.addr1, addr2 = addr2, addr1}// Short circuit if references are already seen.typ := v1.Type()v := visit{addr1, addr2, typ}if visited[v] {return true}// Remember for later.visited[v] = true}switch v1.Kind() {case Array:for i := 0; i < v1.Len(); i++ {if !deepValueEqual(v1.Index(i), v2.Index(i), visited) {return false}}return truecase Slice:if v1.IsNil() != v2.IsNil() {return false}if v1.Len() != v2.Len() {return false}if v1.UnsafePointer() == v2.UnsafePointer() {return true}// Special case for []byte, which is common.if v1.Type().Elem().Kind() == Uint8 {return bytealg.Equal(v1.Bytes(), v2.Bytes())}for i := 0; i < v1.Len(); i++ {if !deepValueEqual(v1.Index(i), v2.Index(i), visited) {return false}}return truecase Interface:if v1.IsNil() || v2.IsNil() {return v1.IsNil() == v2.IsNil()}return deepValueEqual(v1.Elem(), v2.Elem(), visited)case Pointer:if v1.UnsafePointer() == v2.UnsafePointer() {return true}return deepValueEqual(v1.Elem(), v2.Elem(), visited)case Struct:for i, n := 0, v1.NumField(); i < n; i++ {if !deepValueEqual(v1.Field(i), v2.Field(i), visited) {return false}}return truecase Map:if v1.IsNil() != v2.IsNil() {return false}if v1.Len() != v2.Len() {return false}if v1.UnsafePointer() == v2.UnsafePointer() {return true}for _, k := range v1.MapKeys() {val1 := v1.MapIndex(k)val2 := v2.MapIndex(k)if !val1.IsValid() || !val2.IsValid() || !deepValueEqual(val1, val2, visited) {return false}}return truecase Func:if v1.IsNil() && v2.IsNil() {return true}// Can't do better than this:return falsecase Int, Int8, Int16, Int32, Int64:return v1.Int() == v2.Int()case Uint, Uint8, Uint16, Uint32, Uint64, Uintptr:return v1.Uint() == v2.Uint()case String:return v1.String() == v2.String()case Bool:return v1.Bool() == v2.Bool()case Float32, Float64:return v1.Float() == v2.Float()case Complex64, Complex128:return v1.Complex() == v2.Complex()default:// Normal equality sufficesreturn valueInterface(v1, false) == valueInterface(v2, false)}
}

这个代码的思路很清晰，就是分别递归调用deepValueEqual函数，一直递归到最进本的数据类型，比较int, string等可以直接得出true或者false，再一层层的返回，最终得到深度相等的比较结果。

Go语言是如何实现反射的？

interface，它是 Go 语言实现抽象的一个非常强大的工具。当向接口变量赋予一个实体类型的时候，接口会存储实体的类型信息，反射就是通过接口的类型信息实现的，反射建立在类型的基础上。

Go 语言在 reflect 包里定义了各种类型，实现了反射的各种函数，通过它们可以在运行时检测类型的信息、改变类型的值。

type和interface

我们需要先介绍一下什么叫做静态类型，什么叫做动态类型。

静态类型

所谓的静态类型（即 static type），就是变量声明的时候的类型。

var age int   // int 是静态类型
var name string  // string 也是静态类型

它是你在编码时，肉眼可见的类型。

动态类型

所谓的 动态类型（即 concrete type，也叫具体类型）是 程序运行时系统才能看见的类型。

这是什么意思呢？

我们都知道 空接口 可以承接什么问题类型的值，什么 int 呀，string 呀，都可以接收。

比如下面这几行代码

var i interface{}   i = 18  
i = "Go编程时光"  

第一行：我们在给 i 声明了 interface{} 类型，所以 i 的静态类型就是 interface{}

第二行：当我们给变量 i 赋一个 int 类型的值时，它的静态类型还是 interface{}，这是不会变的，但是它的动态类型此时变成了 int 类型。

第三行：当我们给变量 i 赋一个 string 类型的值时，它的静态类型还是 interface{}，它还是不会变，但是它的动态类型此时又变成了 string 类型。

从以上，可以知道，不管是 i=18 ，还是 i="Go编程时光"，都是当程序运行到这里时，变量的类型，才发生了改变，这就是我们最开始所说的 动态类型是程序运行时系统才能看见的类型。

Go 语言中，每个变量都有一个静态类型，在编译阶段就确定了的，比如 int, float64, []int 等等。注意，这个类型是声明时候的类型，不是底层数据类型。

Go官方的博客里面就举过一个例子：

type MyInt int 
var i int 
var j MyInt

尽管 i，j 的底层类型都是 int，但我们知道，他们是不同的静态类型，除非进行类型转换，否则，i 和 j 不能同时出现在等号两侧。j 的静态类型就是 MyInt。

反射跟interface{}的关系十分密切，因此我们需要先学习一下interface{}的原理。

interface{}

非空interface{}

type iface struct {tab  *itabdata unsafe.Pointer
}type itab struct {inter *interfacetype_type *_typehash  uint32 // copy of _type.hash. Used for type switches._     [4]bytefun   [1]uintptr // variable sized. fun[0]==0 means _type does not implement inter.
}type interfacetype struct {typ     _typepkgpath namemhdr    []imethod
}type _type struct {size       uintptrptrdata    uintptr // size of memory prefix holding all pointershash       uint32tflag      tflagalign      uint8fieldAlign uint8kind       uint8// function for comparing objects of this type// (ptr to object A, ptr to object B) -> ==?equal func(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool// gcdata stores the GC type data for the garbage collector.// If the KindGCProg bit is set in kind, gcdata is a GC program.// Otherwise it is a ptrmask bitmap. See mbitmap.go for details.gcdata    *bytestr       nameOffptrToThis typeOff
}

itab主要由具体类型_type和结构类型interfacetype组成。

我们可以用一张图来理顺中间的关系：

空interface{}

type eface struct {_type *_typedata  unsafe.Pointer
}

相比 iface，eface 就比较简单了。只维护了一个 _type 字段，表示空接口所承载的具体的实体类型。data 描述了具体的值。

接口变量可以存储任何实现了接口定义的所有方法的变量。

Go中常见的接口Reader和Writer接口：

type Reader interface {Read(p []byte) (n int, err error)
}type Writer interface {Write(p []byte) (n int, err error)
}

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

首先声明 r 的类型是 io.Reader，注意，这是 r 的静态类型，此时它的动态类型为 nil，并且它的动态值也是 nil。

之后，r = tty 这一语句，将 r 的动态类型变成 *os.File，动态值则变成非空，表示打开的文件对象。这时，r 可以用<value, type>对来表示为： <tty, *os.File>。

注意看上图，此时虽然 fun 所指向的函数只有一个 Read 函数，其实 *os.File 还包含 Write 函数，也就是说 *os.File 其实还实现了 io.Writer 接口。因此下面的断言语句可以执行：

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

之所以用断言，而不能直接赋值，是因为 r 的静态类型是 io.Reader，并没有实现 io.Writer 接口。断言能否成功，看 r 的动态类型是否符合要求。

这样，w 也可以表示成 <tty, *os.File>，仅管它和 r 一样，但是 w 可调用的函数取决于它的静态类型 io.Writer，也就是说它只能有这样的调用形式： w.Write() 。w 的内存形式如下图：

最后，我们再来一个赋值：

var empty interface{}
empty = w

由于 empty 是一个空接口，因此所有的类型都实现了它，w 可以直接赋给它，不需要执行断言操作。

从上面的三张图可以看到，interface包含三部分的信息：_type是类型信息，*data指向实际类型的实际值，itab包含实际类型的信息，包括大小，包路径，还包含绑定在类型上的各种方法。

反射的基本函数

reflect包里面定义了一个接口和一个结构体，reflect.Type是一个接口，reflect.Value是一个结构体，它们提供很多函数来存储在接口里面的类型信息。

reflect.Type 主要提供关于类型相关的信息，所以它和 _type 关联比较紧密；reflect.Value 则结合 _type 和 data 两者，因此程序员可以获取甚至改变类型的值。

reflect包中提供了两个基础的关于反射的函数来获取上述的接口和结构体：

func TypeOf(i interface{}) Type 
func ValueOf(i interface{}) Value

TypeOf函数用来提取一个接口中值的类型信息。由于它的输入参数是一个空的interface{}，调用这个函数的时候，实参会先被转化为interface{}类型。这样，实参的类型信息，方法集，值信息都存储到interface{}变量里了。

func TypeOf(i interface{}) Type {eface := *(*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i))return toType(eface.typ)
}

这里的 emptyInterface 和上面提到的 eface 是一回事（字段名略有差异，字段是相同的），并且在不同的源码包：前者在 reflect 包，后者在 runtime 包。 eface.typ 就是动态类型。

type emptyInterface struct {typ  *rtypeword unsafe.Pointer
}

然后toType函数只是做了一个类型转换而已：

func toType(t *rtype) Type {if t == nil {return nil}return t
}

注意看，返回值Type实际上是一个接口，定义了很多方法，用来获取类型的相关的各种信息，而*rtype实现了Type接口。

type Type interface {// Methods applicable to all types.// 此类型的变量对齐后占用的字节数Align() int// 如果是struct自动，对齐后占用的字节数FieldAlign() int// 返回类型方法集李的第`i`(传入的参数)个方法Method(int) Method// 通过名称获取方法MethodByName(string) (Method, bool)// 获取类型方法集里导出的方法个数NumMethod() int// 类型名称Name() string// 返回类型所在的路径，如: encoding/base64PkgPath() string// 返回类型的大小，和unsafe.Sizeof功能类似Size() uintptr// 返回类型的字符串表示形式String() string// 返回类型的类型值Kind() Kind// 类型是否实现了接口 uImplements(u Type) bool// 是否可以赋值给 uAssignableTo(u Type) bool// 是否可以类型转换成 uConvertibleTo(u Type) bool// 类型是否可以比较Comparable() bool// 类型占据的位数Bits() int// 返回通道的方向，只能是chan类型调用ChanDir() ChanDir// 返回类型是否是可变参数，只能是func类型调用IsVariadic() bool// 返回内部子元素类型, 只能由类型Array, Chan, Map, Ptr, or Slice调用Elem() Type// 返回结构体类型的第i个字段，只能是结构体类型调用// 如果i超过了字段数，就会panicField(i int) StructField// 返回嵌套的结构体的字段FieldByIndex(index []int) StructField// 通过字段名获取字段FieldByName(name string) (StructField, bool)// 返回名称符合func函数的字段FieldByNameFunc(match func(string) bool) (StructField, bool)// 获取函数类型的第i个参数的类型In(i int) Type// 返回map的key类型，只能由类型map调用Key() Type// 返回Array的长度，只能由Array调用Len() int// 返回类型字段的数量，只能由类型Struct调用NumField() int// 返回函数类型的输入参数个数NumIn() int// 返回函数类型的返回值个数NumOut() int// 返回函数类型的第i个值的类型Out(i int) Type// 返回类型结构体的相同部分common() *rtype// 返回类型结构体的不同部分uncommon() *uncommonType
}

可见Type定义了非常多的方法，通过它们可以获取到类型的所有信息。

注意到Type方法集的倒数第二个方法common返回的rtype类型，它和_type是一回事，而且源代码里面也注释了，两边要保持同步。

type rtype struct {size       uintptrptrdata    uintptrhash       uint32tflag      tflagalign      uint8fieldAlign uint8kind       uint8alg        *typeAlggcdata     *bytestr        nameOffptrToThis  typeOff
}

所有的类型都会包含 rtype 这个字段，表示各种类型的公共信息；另外，不同类型包含自己的一些独特的部分。

比如下面的 arrayType 和 chanType 都包含 rytpe，而前者还包含 slice，len 等和数组相关的信息；后者则包含 dir 表示通道方向的信息。

// arrayType represents a fixed array type.
type arrayType struct {rtype `reflect:"array"`elem  *rtype // array element typeslice *rtype // slice typelen   uintptr
}// chanType represents a channel type.
type chanType struct {rtype `reflect:"chan"`elem  *rtype  // channel element typedir   uintptr // channel direction (ChanDir)
}

注意到，Type 接口实现了 String() 函数，满足 fmt.Stringer 接口，因此使用 fmt.Println 打印的时候，输出的是 String() 的结果。另外，fmt.Printf() 函数，如果使用 %T 来作为格式参数，输出的是 reflect.TypeOf 的结果，也就是动态类型。例如：

fmt.Printf("%T", 3) // int

TypeOf函数讲完了，我们接下来来看一下ValueOf函数。返回值reflect.Value表示interface{}里面存储的实际变量，它能提供实际变量的各种信息。

源码如下：

func ValueOf(i interface{}) Value {if i == nil {return Value{}}// ……return unpackEface(i)
}// 分解 eface
func unpackEface(i interface{}) Value {e := (*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i))t := e.typif t == nil {return Value{}}f := flag(t.Kind())if ifaceIndir(t) {f |= flagIndir}return Value{t, e.word, f}
}

从源码看，比较简单：将先将 i 转换成 *emptyInterface 类型， 再将它的 typ 字段和 word 字段以及一个标志位字段组装成一个 Value 结构体，而这就是 ValueOf 函数的返回值，它包含类型结构体指针、真实数据的地址、标志位。

Value 结构体定义了很多方法，通过这些方法可以直接操作 Value 字段 ptr 所指向的实际数据：

// 设置切片的 len 字段，如果类型不是切片，就会panicfunc (v Value) SetLen(n int)// 设置切片的 cap 字段func (v Value) SetCap(n int)// 设置字典的 kvfunc (v Value) SetMapIndex(key, val Value)// 返回切片、字符串、数组的索引 i 处的值func (v Value) Index(i int) Value// 根据名称获取结构体的内部字段值func (v Value) FieldByName(name string) Value// ……// 用来获取 int 类型的值
func (v Value) Int() int64// 用来获取结构体字段（成员）数量
func (v Value) NumField() int// 尝试向通道发送数据（不会阻塞）
func (v Value) TrySend(x reflect.Value) bool// 通过参数列表 in 调用 v 值所代表的函数（或方法
func (v Value) Call(in []Value) (r []Value) // 调用变参长度可变的函数
func (v Value) CallSlice(in []Value) []Value

另外，通过 Type() 方法和 Interface() 方法可以打通 interface、Type、Value 三者。Type() 方法也可以返回变量的类型信息，与 reflect.TypeOf() 函数等价。Interface() 方法可以将 Value 还原成原来的 interface。

总结一下：TypeOf() 函数返回一个接口，这个接口定义了一系列方法，利用这些方法可以获取关于类型的所有信息； ValueOf() 函数返回一个结构体变量，包含类型信息以及实际值。

上图中，rtye 实现了 Type 接口，是所有类型的公共部分。emptyface 结构体和 eface 其实是一个东西，而 rtype 其实和 _type 是一个东西，只是一些字段稍微有点差别，比如 emptyface 的 word 字段和 eface 的 data 字段名称不同，但是数据型是一样的。

反射的三大的定律

根据 Go 官方关于反射的博客，反射有三大定律：

1. Reflection goes from interface value to reflection object.
2. Reflection goes from reflection object to interface value.
3. To modify a reflection object, the value must be settable.

第一条是最基本的：反射是一种检测存储在 interface 中的类型和值机制。这可以通过 TypeOf 函数和 ValueOf 函数得到。

第二条实际上和第一条是相反的机制，它将 ValueOf 的返回值通过 Interface() 函数反向转变成 interface 变量。

前两条就是说 接口型变量 和 反射类型对象 可以相互转化，反射类型对象实际上就是指的前面说的 reflect.Type 和 reflect.Value。

第三条不太好懂：如果需要操作一个反射变量，那么它必须是可设置的。反射变量可设置的本质是它存储了原变量本身，这样对反射变量的操作，就会反映到原变量本身；反之，如果反射变量不能代表原变量，那么操作了反射变量，不会对原变量产生任何影响，这会给使用者带来疑惑。所以第二种情况在语言层面是不被允许的。

举一个经典例子：

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

执行上面的代码会产生 panic，原因是反射变量 v 不能代表 x 本身，为什么？因为调用 reflect.ValueOf(x) 这一行代码的时候，传入的参数在函数内部只是一个拷贝，是值传递，所以 v 代表的只是 x 的一个拷贝，因此对 v 进行操作是被禁止的。

可设置是反射变量 Value 的一个性质，但不是所有的 Value 都是可被设置的。

就像在一般的函数里那样，当我们想改变传入的变量时，使用指针就可以解决了。

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

输出是这样的：

type of p: *float64settability of p: false

p 还不是代表 x，p.Elem() 才真正代表 x，这样就可以真正操作 x 了：

v := p.Elem()v.SetFloat(7.1)fmt.Println(v.Interface()) // 7.1fmt.Println(x) // 7.1

关于第三条，记住一句话：如果想要操作原变量，反射变量 Value 必须要 hold 住原变量的地址才行。

参考自：码神桃花源的博客。