本文是對泛型的基本思想及其在 Go 中的實現(xiàn)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(jié)。首先，我們來看看泛型所解決的核心問題。

問題

假設(shè)我們想實現(xiàn)一個簡單的 tree 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個節(jié)點持有一個值。在 Go 1.18 之前，實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的典型方法如下：

type Node struct {
    value interface{}
}

這在大多數(shù)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(shù)和浮點數(shù)，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。

第二，對 Node 中的值進(jìn)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(shè)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(dǎo)致難以恢復(fù)的運行時錯誤。

解決方法

我們不打算接受任意數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)或函數(shù)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(dǎo)為該類型。

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

泛型 Node 被實例化為 Node[int](整數(shù)節(jié)點)，所以 T 是一個 int。

類型約束

上面的實現(xiàn)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(jìn)一步限制可以作為 T 的可能類型。Go 本身提供了一些預(yù)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(jié)點值需要進(jìn)行比較，有一個 comparable 類型約束，滿足這個預(yù)定義約束的類型可以使用 == 進(jìn)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(shù)據(jù)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(shù)或浮點數(shù)。

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(shù)的巨大優(yōu)勢在于，T 的最終類型在編譯時就會被推導(dǎo)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(jīng)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(shù)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(shù)，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(shù)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(fù)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(jié)為三種主要情況：

• 使用內(nèi)置的容器類型，如 slices、maps 和 channels
• 實現(xiàn)通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如 linked list 或 tree
• 編寫一個函數(shù)，其實現(xiàn)對許多類型來說都是一樣的，比如一個排序函數(shù)

一般來說，當(dāng)你不想對你所操作的值的內(nèi)容做出假設(shè)時，可以考慮使用泛型。我們例子中的 Node 并不太關(guān)心它持有的值。

當(dāng)不同的類型有不同的實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)，首先需要了解一般情況下實現(xiàn)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(jìn)行的討論的簡要介紹。你大概率不太需要關(guān)心 Go 中泛型的性能。

虛擬方法表

在編譯器中實現(xiàn)泛型的一種方法是使用 Virtual Method Table。泛型函數(shù)被修改成只接受指針作為參數(shù)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(shù)。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(shù)需要調(diào)用這些對象的方法，它就不能再這樣做了。該函數(shù)只有一個指向?qū)ο蟮闹羔槪恢浪鼈兊姆椒ㄔ谀睦?。因此，它需要一個可以查詢方法的內(nèi)存地址的表格：Virtual Method Table。這種所謂的動態(tài)調(diào)度已經(jīng)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(xiàn)泛型，還可以用來實現(xiàn)其他類型的多態(tài)性。然而，推導(dǎo)這些指針和調(diào)用虛擬函數(shù)要比直接調(diào)用函數(shù)慢，而且使用 Virtual Method Table 會阻止編譯器進(jìn)行優(yōu)化。

單態(tài)化

一個更簡單的方法是單態(tài)化(Monomorphization)，編譯器為每個被調(diào)用的數(shù)據(jù)類型生成一個泛型函數(shù)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(shù)是用兩個整數(shù)調(diào)用的，編譯器在對代碼進(jìn)行單態(tài)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(yōu)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(diào)用不僅更有效率，而且還能適用整個編譯器的優(yōu)化鏈。不過，這樣做的代價是編譯時長，為所有相關(guān)類型生成泛型函數(shù)的副本是非常耗時的。

Go 的實現(xiàn)

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(xiàn)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(shù)副本的數(shù)量。它不是為每個類型創(chuàng)建一個副本，而是為內(nèi)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(nèi)存中看起來都不一樣，因此泛型函數(shù)將為所有這些類型復(fù)制副本。

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

結(jié)論

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

在性能討論中經(jīng)常被忽略的是，所有這些好處和成本只涉及到函數(shù)的調(diào)用。通常情況下，大部分的執(zhí)行時間是在函數(shù)內(nèi)部使用的。調(diào)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(yōu)化函數(shù)實現(xiàn)，再考慮調(diào)用開銷。