接口与反射

内容纲要

接口是什么

Go 语言不是一种 “传统” 的面向对象编程语言:它里面没有类和继承的概念。

但是 Go 语言里有非常灵活的 接口 概念,通过它可以实现很多面向对象的特性。接口提供了一种方式来 说明 对象的行为:如果谁能搞定这件事,它就可以用在这儿。

接口定义了一组方法(方法集),但是这些方法不包含(实现)代码:它们没有被实现(它们是抽象的)。接口里也不能包含变量。

type Namer interface {
    Method1(param_list) return_type
    Method2(param_list) return_type
    ...
}

上面的 Namer 是一个 接口类型。

(按照约定,只包含一个方法的)接口的名字由方法名加 [e]r 后缀组成,例如 PrinterReaderWriterLoggerConverter 等等。还有一些不常用的方式(当后缀 er 不合适时),比如 Recoverable,此时接口名以 able 结尾,或者以 I 开头(像 .NET 或 Java 中那样)。

Go 语言中的接口都很简短,通常它们会包含 0 个、最多 3 个方法。

不像大多数面向对象编程语言,在 Go 语言中接口可以有值,一个接口类型的变量或一个 接口值 :var ai Namerai 是一个多字(multiword)数据结构,它的值是 nil。它本质上是一个指针,虽然不完全是一回事。指向接口值的指针是非法的,它们不仅一点用也没有,还会导致代码错误。

此处的方法指针表示通过运行时反射能力构建的。

类型(比如结构体)实现接口方法集中的方法,每一个方法的实现说明了此方法是如何作用于该类型的:即实现接口,同时方法集也构成了该类型的接口。实现了 Namer 接口类型的变量可以赋值给 ai (接收者值),此时方法表中的指针会指向被实现的接口方法。当然如果另一个类型(也实现了该接口)的变量被赋值给 ai,这二者(译者注:指针和方法实现)也会随之改变。

类型不需要显式声明它实现了某个接口:接口被隐式地实现。多个类型可以实现同一个接口。

实现某个接口的类型(除了实现接口方法外)可以有其他的方法。

一个类型可以实现多个接口。

接口类型可以包含一个实例的引用, 该实例的类型实现了此接口(接口是动态类型)。

即使接口在类型之后才定义,二者处于不同的包中,被单独编译:只要类型实现了接口中的方法,它就实现了此接口。

所有这些特性使得接口具有很大的灵活性。

package main

import "fmt"

type Shaper interface {
    Area() float32
}

type Square struct {
    side float32
}

func (sq *Square) Area() float32 {
    return sq.side * sq.side
}

func main() {
    sq1 := new(Square)
    sq1.side = 5

    var areaIntf Shaper
    areaIntf = sq1
    // shorter,without separate declaration:
    // areaIntf := Shaper(sq1)
    // or even:
    // areaIntf := sq1
    fmt.Printf("The square has area: %f\n", areaIntf.Area())
}

上面的程序定义了一个结构体 Square 和一个接口 Shaper,接口有一个方法 Area()

main() 方法中创建了一个 Square 的实例。在主程序外边定义了一个接收者类型是 Square 方法的 Area(),用来计算正方形的面积:结构体 Square 实现了接口 Shaper

所以可以将一个 Square 类型的变量赋值给一个接口类型的变量:areaIntf = sq1

现在接口变量包含一个指向 Square 变量的引用,通过它可以调用 Square 上的方法 Area()。当然也可以直接在 Square 的实例上调用此方法,但是在接口实例上调用此方法更令人兴奋,它使此方法更具有一般性。接口变量里包含了接收者实例的值和指向对应方法表的指针。

这是 多态 的 Go 版本,多态是面向对象编程中一个广为人知的概念:根据当前的类型选择正确的方法,或者说:同一种类型在不同的实例上似乎表现出不同的行为

如果 Square 没有实现 Area() 方法,编译器将会给出清晰的错误信息:

cannot use sq1 (type *Square) as type Shaper in assignment:
*Square does not implement Shaper (missing Area method)

如果 Shaper 有另外一个方法 Perimeter(),但是 Square 没有实现它,即使没有人在 Square 实例上调用这个方法,编译器也会给出上面同样的错误。

扩展一下上面的例子,类型 Rectangle 也实现了 Shaper 接口。接着创建一个 Shaper 类型的数组,迭代它的每一个元素并在上面调用 Area() 方法,以此来展示多态行为:

package main

import "fmt"

type Shaper interface {
    Area() float32
}

type Square struct {
    side float32
}

func (sq *Square) Area() float32 {
    return sq.side * sq.side
}

type Rectangle struct {
    length, width float32
}

func (r Rectangle) Area() float32 {
    return r.length * r.width
}

func main() {

    r := Rectangle{5, 3} // Area() of Rectangle needs a value
    q := &Square{5}      // Area() of Square needs a pointer
    // shapes := []Shaper{Shaper(r), Shaper(q)}
    // or shorter
    shapes := []Shaper{r, q}
    fmt.Println("Looping through shapes for area ...")
    for n, _ := range shapes {
        fmt.Println("Shape details: ", shapes[n])
        fmt.Println("Area of this shape is: ", shapes[n].Area())
    }
}

输出:

Looping through shapes for area ...
Shape details:  {5 3}
Area of this shape is:  15
Shape details:  &{5}
Area of this shape is:  25

在调用 shapes[n].Area() 时,只知道 shapes[n] 是一个 Shaper 对象,最后它摇身一变成为了一个 SquareRectangle 对象,并且表现出了相对应的行为。

也许从现在开始你将看到通过接口如何产生 更干净、更简单 及 更具有扩展性 的代码。

下面是一个更具体的例子:有两个类型 stockPositioncar,它们都有一个 getValue() 方法,我们可以定义一个具有此方法的接口 valuable。接着定义一个使用 valuable 类型作为参数的函数 showValue(),所有实现了 valuable 接口的类型都可以用这个函数。

package main

import "fmt"

type stockPosition struct {
    ticker     string
    sharePrice float32
    count      float32
}

/* method to determine the value of a stock position */
func (s stockPosition) getValue() float32 {
    return s.sharePrice * s.count
}

type car struct {
    make  string
    model string
    price float32
}

/* method to determine the value of a car */
func (c car) getValue() float32 {
    return c.price
}

/* contract that defines different things that have value */
type valuable interface {
    getValue() float32
}

func showValue(asset valuable) {
    fmt.Printf("Value of the asset is %f\n", asset.getValue())
}

func main() {
    var o valuable = stockPosition{"GOOG", 577.20, 4}
    showValue(o)
    o = car{"BMW", "M3", 66500}
    showValue(o)
}

接口嵌套接口

一个接口可以包含一个或多个其他的接口,这相当于直接将这些内嵌接口的方法列举在外层接口中一样。

比如接口 File 包含了 ReadWriteLock 的所有方法,它还额外有一个 Close() 方法。

type ReadWrite interface {
    Read(b Buffer) bool
    Write(b Buffer) bool
}

type Lock interface {
    Lock()
    Unlock()
}

type File interface {
    ReadWrite
    Lock
    Close()
}

类型断言:如何检测和转换接口变量的类型

一个接口类型的变量 varI 中可以包含任何类型的值,必须有一种方式来检测它的 动态 类型,即运行时在变量中存储的值的实际类型。在执行过程中动态类型可能会有所不同,但是它总是可以分配给接口变量本身的类型。通常我们可以使用 类型断言 来测试在某个时刻 varI 是否包含类型 T 的值

v := varI.(T)       // unchecked type assertion

varI 必须是一个接口变量,否则编译器会报错:invalid type assertion: varI.(T) (non-interface type (type of varI) on left)

类型断言可能是无效的,虽然编译器会尽力检查转换是否有效,但是它不可能预见所有的可能性。如果转换在程序运行时失败会导致错误发生。更安全的方式是使用以下形式来进行类型断言:

if v, ok := varI.(T); ok {  // checked type assertion
    Process(v)
    return
}
// varI is not of type T

如果转换合法,vvarI 转换到类型 T 的值,ok 会是 true;否则 v 是类型 T 的零值,okfalse,也没有运行时错误发生。

应该总是使用上面的方式来进行类型断言。

多数情况下,我们可能只是想在 if 中测试一下 ok 的值,此时使用以下的方法会是最方便的:

if _, ok := varI.(T); ok {
    // ...
}
package main

import (
    "fmt"
    "math"
)

type Square struct {
    side float32
}

type Circle struct {
    radius float32
}

type Shaper interface {
    Area() float32
}

func main() {
    var areaIntf Shaper
    sq1 := new(Square)
    sq1.side = 5

    areaIntf = sq1
    // Is Square the type of areaIntf?
    if t, ok := areaIntf.(*Square); ok {
        fmt.Printf("The type of areaIntf is: %T\n", t)
    }
    if u, ok := areaIntf.(*Circle); ok {
        fmt.Printf("The type of areaIntf is: %T\n", u)
    } else {
        fmt.Println("areaIntf does not contain a variable of type Circle")
    }
}

func (sq *Square) Area() float32 {
    return sq.side * sq.side
}

func (ci *Circle) Area() float32 {
    return ci.radius * ci.radius * math.Pi
}

程序行中定义了一个新类型 Circle,它也实现了 Shaper 接口。 t, ok := areaIntf.(*Square); ok 测试 areaIntf 里是否一个包含 Square 类型的变量,结果是确定的;然后我们测试它是否包含一个 Circle 类型的变量,结果是否定的。

如果忽略 areaIntf.(*Square) 中的 * 号,会导致编译错误:impossible type assertion: Square does not implement Shaper (Area method has pointer receiver)

类型判断:type-switch

接口变量的类型也可以使用一种特殊形式的 switch 来检测:type-switch

switch t := areaIntf.(type) {
case *Square:
    fmt.Printf("Type Square %T with value %v\n", t, t)
case *Circle:
    fmt.Printf("Type Circle %T with value %v\n", t, t)
case nil:
    fmt.Printf("nil value: nothing to check?\n")
default:
    fmt.Printf("Unexpected type %T\n", t)
}

变量 t 得到了 areaIntf 的值和类型, 所有 case 语句中列举的类型(nil 除外)都必须实现对应的接口(在上例中即 Shaper),如果被检测类型没有在 case 语句列举的类型中,就会执行 default 语句。

可以用 type-switch 进行运行时类型分析,但是在 type-switch 不允许有 fallthrough

func classifier(items ...interface{}) {
    for i, x := range items {
        switch x.(type) {
        case bool:
            fmt.Printf("Param #%d is a bool\n", i)
        case float64:
            fmt.Printf("Param #%d is a float64\n", i)
        case int, int64:
            fmt.Printf("Param #%d is a int\n", i)
        case nil:
            fmt.Printf("Param #%d is a nil\n", i)
        case string:
            fmt.Printf("Param #%d is a string\n", i)
        default:
            fmt.Printf("Param #%d is unknown\n", i)
        }
    }
}

可以这样调用此方法:classifier(13, -14.3, "BELGIUM", complex(1, 2), nil, false)

在处理来自于外部的、类型未知的数据时,比如解析诸如 JSON 或 XML 编码的数据,类型测试和转换会非常有用。

测试一个值是否实现了某个接口

假定 v 是一个值,然后我们想测试它是否实现了 Stringer 接口,可以这样做:

type Stringer interface {
    String() string
}

if sv, ok := v.(Stringer); ok {
    fmt.Printf("v implements String(): %s\n", sv.String()) // note: sv, not v
}

Printf 函数就是如此检测类型是否可以打印自身的。

接口是一种契约,实现类型必须满足它,它描述了类型的行为,规定类型可以做什么。接口彻底将类型能做什么,以及如何做分离开来,使得相同接口的变量在不同的时刻表现出不同的行为,这就是多态的本质。

编写参数是接口变量的函数,这使得它们更具有一般性。

使用接口使代码更具有普适性。

标准库里到处都使用了这个原则,如果对接口概念没有良好的把握,是不可能理解它是如何构建的。

空接口(泛型)

空接口或者最小接口 不包含任何方法,它对实现不做任何要求:

type Any interface {}

任何其他类型都实现了空接口(它不仅仅像 Java/C#Object 引用类型),anyAny 是空接口一个很好的别名或缩写。

空接口类似 Java/C# 中所有类的基类: Object 类,二者的目标也很相近。

可以给一个空接口类型的变量 var val interface {} 赋任何类型的值。

package main
import "fmt"

var i = 5
var str = "ABC"

type Person struct {
    name string
    age  int
}

type Any interface{}

func main() {
    var val Any
    val = 5
    fmt.Printf("val has the value: %v\n", val)
    val = str
    fmt.Printf("val has the value: %v\n", val)
    pers1 := new(Person)
    pers1.name = "Rob Pike"
    pers1.age = 55
    val = pers1
    fmt.Printf("val has the value: %v\n", val)
    switch t := val.(type) {
    case int:
        fmt.Printf("Type int %T\n", t)
    case string:
        fmt.Printf("Type string %T\n", t)
    case bool:
        fmt.Printf("Type boolean %T\n", t)
    case *Person:
        fmt.Printf("Type pointer to Person %T\n", t)
    default:
        fmt.Printf("Unexpected type %T", t)
    }
}

在上面的例子中,接口变量 val 被依次赋予一个 intstringPerson 实例的值,然后使用 type-switch 来测试它的实际类型。每个 interface {} 变量在内存中占据两个字长:一个用来存储它包含的类型,另一个用来存储它包含的数据或者指向数据的指针。

构建通用类型或包含不同类型变量的数组

我们看到了能被搜索和排序的 int 数组、float 数组以及 string 数组,那么对于其他类型的数组呢,是不是我们必须得自己编程实现它们?

现在我们知道该怎么做了,就是通过使用空接口。让我们给空接口定一个别名类型 Element:type Element interface{}

然后定义一个容器类型的结构体 Vector,它包含一个 Element 类型元素的切片:

type Vector struct {
    a []Element
}

Vector 里能放任何类型的变量,因为任何类型都实现了空接口,实际上 Vector 里放的每个元素可以是不同类型的变量。我们为它定义一个 At() 方法用于返回第 i 个元素:

func (p *Vector) At(i int) Element {
    return p.a[i]
}

再定一个 Set() 方法用于设置第 i 个元素的值:

func (p *Vector) Set(i int, e Element) {
    p.a[i] = e
}

Vector 中存储的所有元素都是 Element 类型,要得到它们的原始类型(unboxing:拆箱)需要用到类型断言。TODO:The compiler rejects assertions guaranteed to fail,类型断言总是在运行时才执行,因此它会产生运行时错误。

© 版权声明
THE END
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