谈谈Go语言的反射三定律

简介

reflection（反射）在计算机中表示 程序能够检查自身结构的能力，尤其是类型。它是元编程的一种形式，也是最容易让人迷惑的一部分。

虽然go语言没有继承的概念，但为了便于理解，如果一个struct a 实现了 interface b的所有方法时，我们称之为“继承”。

类型和接口

反射建立在类型系统之上，因此我们从类型基础知识说起。

go是静态类型语言。每个变量都有且只有一个静态类型，在编译时就已经确定。比如 int、float32、*mytype、[]byte。 如果我们做出如下声明：

type myint int

var i int
var j myint

上面的代码中，变量 i 的类型是 int，j 的类型是 myint。 所以，尽管变量 i 和 j 具有共同的底层类型 int，但它们的静态类型并不一样。不经过类型转换直接相互赋值时，编译器会报错。

关于类型，一个重要的分类是 接口类型（interface），每个接口类型都代表固定的方法集合。一个接口变量就可以存储（或“指向”，接口变量类似于指针）任何类型的具体值，只要这个值实现了该接口类型的所有方法。一组广为人知的例子是 io.reader 和 io.writer， reader 和 writer 类型来源于 io包，声明如下：

// 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)
}

任何实现了 read（write）方法的类型，我们都称之为继承了 io.reader（io.writer）接口。换句话说， 一个类型为 io.reader 的变量 可以指向（接口变量类似于指针）任何类型的变量，只要这个类型实现了read 方法：

var r io.reader
r = os.stdin
r = bufio.newreader(r)
r = new(bytes.buffer)
// and so on

要时刻牢记：不管变量 r 指向的具体值是什么，它的类型永远是 io.reader。再重复一次：go语言是静态类型语言，变量 r 的静态类型是 io.reader。

一个非常非常重要的接口类型是空接口，即：

interface{}

它代表一个空集，没有任何方法。由于任何具体的值都有 零或更多个方法，因此类型为interface{} 的变量能够存储任何值。

有人说，go的接口是动态类型的。这个说法是错的！接口变量也是静态类型的，它永远只有一个相同的静态类型。如果在运行时它存储的值发生了变化，这个值也必须满足接口类型的方法集合。

由于反射和接口两者的关系很密切，我们必须澄清这一点。

接口变量的表示

russ cox 在2009年写了一篇文章介绍 go中接口变量的表示形式，这里我们不需要重复所有的细节，只做一个简单的总结。

interface变量存储一对值：赋给该变量的具体的值、值类型的描述符。更准确一点来说，值就是实现该接口的底层数据，类型是底层数据类型的描述。举个例子：

var r io.reader
tty, err := os.openfile("/dev/tty", os.o_rdwr, 0)
if err != nil {
 return nil, err
}
r = tty

在这个例子中，变量 r 在结构上包含一个 (value, type) 对：(tty, os.file)。注意：类型 os.file 不仅仅实现了 read 方法。虽然接口变量只提供 read 函数的调用权，但是底层的值包含了关于这个值的所有类型信息。所以我们能够做这样的类型转换：

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

上面代码的第二行是一个类型断言，它断定变量 r 内部的实际值也继承了 io.writer接口，所以才能被赋值给 w。赋值之后，w 就指向了 (tty, *os.file) 对，和变量 r 指向的是同一个 (value, type) 对。不管底层具体值的方法集有多大，由于接口的静态类型限制，接口变量只能调用特定的一些方法。

我们继续往下看：

var empty interface{}
empty = w

这里的空接口变量 empty 也包含 (tty, *os.file) 对。这一点很容易理解：空接口变量可以存储任何具体值以及该值的所有描述信息。

细心的朋友可能会发现，这里没有使用类型断言，因为变量 w 满足 空接口的所有方法（传说中的“无招胜有招”）。在前一个例子中，我们把一个具体值 从 io.reader 转换为 io.writer 时，需要显式的类型断言，是因为 io.writer 的方法集合 不是 io.reader 的子集。

另外需要注意的一点是，(value, type) 对中的 type 必须是 具体的类型（struct或基本类型），不能是 接口类型。 接口类型不能存储接口变量。

关于接口，我们就介绍到这里，下面我们看看go语言的反射三定律。

反射第一定律：反射可以将“接口类型变量”转换为“反射类型对象”。

注：这里反射类型指 reflect.type 和 reflect.value。

从用法上来讲，反射提供了一种机制，允许程序在运行时检查接口变量内部存储的 (value, type) 对。在最开始，我们先了解下 reflect 包的两种类型：type 和 value。这两种类型使访问接口内的数据成为可能。它们对应两个简单的方法，分别是 reflect.typeof 和 reflect.valueof，分别用来读取接口变量的 reflect.type 和 reflect.value 部分。当然，从 reflect.value 也很容易获取到 reflect.type。目前我们先将它们分开。

首先，我们下看 reflect.typeof：

package main

import (
 "fmt"
 "reflect"
)

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

这段代码会打印出：

type: float64

你可能会疑惑：为什么没看到接口？这段代码看起来只是把一个 float64类型的变量 x 传递给 reflect.typeof，并没有传递接口。事实上，接口就在那里。查阅一下typeof 的文档，你会发现 reflect.typeof 的函数签名里包含一个空接口：

// typeof returns the reflection type of the value in the interface{}.
func typeof(i interface{}) type

我们调用 reflect.typeof(x) 时，x 被存储在一个空接口变量中被传递过去； 然后reflect.typeof 对空接口变量进行拆解，恢复其类型信息。

函数 reflect.valueof 也会对底层的值进行恢复（这里我们忽略细节，只关注可执行的代码）：

var x float64 = 3.4
fmt.println("value:", reflect.valueof(x))

上面这段代码打印出：

value: <float64 value>

类型 reflect.type 和 reflect.value 都有很多方法，我们可以检查和使用它们。这里我们举几个例子。类型 reflect.value 有一个方法 type()，它会返回一个 reflect.type 类型的对象。type和 value都有一个名为 kind 的方法，它会返回一个常量，表示底层数据的类型，常见值有：uint、float64、slice等。value类型也有一些类似于int、float的方法，用来提取底层的数据。int方法用来提取 int64, float方法用来提取 float64，参考下面的代码：

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())

上面这段代码会打印出：

type: float64
kind is float64: true
value: 3.4

还有一些用来修改数据的方法，比如setint、setfloat，在讨论它们之前，我们要先理解“可修改性”（settability），这一特性会在“反射第三定律”中进行详细说明。

反射库提供了很多值得列出来单独讨论的属性。首先是介绍下value 的 getter 和 setter 方法。为了保证api 的精简，这两个方法操作的是某一组类型范围最大的那个。比如，处理任何含符号整型数，都使用 int64。也就是说 value 类型的int 方法返回值为 int64类型，setint 方法接收的参数类型也是 int64 类型。实际使用时，可能需要转化为实际的类型：

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.

第二个属性是反射类型变量（reflection object）的 kind 方法 会返回底层数据的类型，而不是静态类型。如果一个反射类型对象包含一个用户定义的整型数，看代码：

type myint int
var x myint = 7
v := reflect.valueof(x)

上面的代码中，虽然变量 v 的静态类型是myint，不是 int，kind 方法仍然返回 reflect.int。换句话说， kind 方法不会像 type 方法一样区分 myint 和 int。

反射第二定律：反射可以将“反射类型对象”转换为“接口类型变量”。

和物理学中的反射类似，go语言中的反射也能创造自己反面类型的对象。

根据一个 reflect.value 类型的变量，我们可以使用 interface 方法恢复其接口类型的值。事实上，这个方法会把 type 和 value 信息打包并填充到一个接口变量中，然后返回。其函数声明如下：

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

然后，我们可以通过断言，恢复底层的具体值：

y := v.interface().(float64) // y will have type float64.
fmt.println(y)

上面这段代码会打印出一个 float64 类型的值，也就是 反射类型变量 v 所代表的值。

事实上，我们可以更好地利用这一特性。标准库中的 fmt.println 和 fmt.printf 等函数都接收空接口变量作为参数，fmt 包内部会对接口变量进行拆包（前面的例子中，我们也做过类似的操作）。因此，fmt 包的打印函数在打印 reflect.value 类型变量的数据时，只需要把 interface 方法的结果传给 格式化打印程序：

fmt.println(v.interface())

你可能会问：问什么不直接打印 v ，比如 fmt.println(v)？ 答案是 v 的类型是 reflect.value，我们需要的是它存储的具体值。由于底层的值是一个 float64，我们可以格式化打印：

fmt.printf("value is %7.1e\n", v.interface())

上面代码的打印结果是：

3.4e+00

同样，这次也不需要对 v.interface() 的结果进行类型断言。空接口值内部包含了具体值的类型信息，printf 函数会恢复类型信息。

简单来说，interface 方法和 valueof 函数作用恰好相反，唯一一点是，返回值的静态类型是 interface{}。

我们重新表述一下：go的反射机制可以将“接口类型的变量”转换为“反射类型的对象”，然后再将“反射类型对象”转换过去。

反射第三定律：如果要修改“反射类型对象”，其值必须是“可写的”（settable）。

这条定律很微妙，也很容易让人迷惑。但是如果你从第一条定律开始看，应该比较容易理解。

下面这段代码不能正常工作，但是非常值得研究：

var x float64 = 3.4
v := reflect.valueof(x)
v.setfloat(7.1) // error: will panic.

如果你运行这段代码，它会抛出抛出一个奇怪的异常：

panic: reflect.value.setfloat using unaddressable value

这里问题不在于值 7.1 不能被寻址，而是因为变量 v 是“不可写的”。“可写性”是反射类型变量的一个属性，但不是所有的反射类型变量都拥有这个属性。

我们可以通过 canset 方法检查一个 reflect.value 类型变量的“可写性”。对于上面的例子，可以这样写：

var x float64 = 3.4
v := reflect.valueof(x)
fmt.println("settability of v:", v.canset())

上面这段代码打印结果是：

settability of v: false

对于一个不具有“可写性”的 value类型变量，调用 set 方法会报出错误。首先，我们要弄清楚什么“可写性”。

“可写性”有些类似于寻址能力，但是更严格。它是反射类型变量的一种属性，赋予该变量修改底层存储数据的能力。“可写性”最终是由一个事实决定的：反射对象是否存储了原始值。举个代码例子：

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

这里我们传递给 reflect.valueof 函数的是变量 x 的一个拷贝，而非 x 本身。想象一下，如果下面这行代码能够成功执行：

v.setfloat(7.1)

答案是：如果这行代码能够成功执行，它不会更新 x ，虽然看起来变量 v 是根据 x 创建的。相反，它会更新 x 存在于 反射对象 v 内部的一个拷贝，而变量 x 本身完全不受影响。这会造成迷惑，并且没有任何意义，所以是不合法的。“可写性”就是为了避免这个问题而设计的。

这看起来很诡异，事实上并非如此，而且类似的情况很常见。考虑下面这行代码：

f(x)

上面的代码中，我们把变量 x 的一个拷贝传递给函数，因此不期望它会改变 x 的值。如果期望函数 f 能够修改变量 x，我们必须传递 x 的地址（即指向 x 的指针）给函数 f，如下：

f(&x)

你应该很熟悉这行代码，反射的工作机制是一样的。如果你想通过反射修改变量 x，就咬吧想要修改的变量的指针传递给 反射库。

首先，像通常一样初始化变量 x，然后创建一个指向它的 反射对象，名字为 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())

这段代码的输出是：

type of p: *float64
settability of p: false

反射对象 p 是不可写的，但是我们也不像修改 p，事实上我们要修改的是 *p。为了得到 p 指向的数据，可以调用 value 类型的 elem 方法。elem 方法能够对指针进行“解引用”，然后将结果存储到反射 value类型对象 v中：

v := p.elem()
fmt.println("settability of v:", v.canset())

在上面这段代码中，变量 v 是一个可写的反射对象，代码输出也验证了这一点：

settability of v: true

由于变量 v 代表 x， 因此我们可以使用 v.setfloat 修改 x 的值：

v.setfloat(7.1)
fmt.println(v.interface())
fmt.println(x)

上面代码的输出如下：

7.1
7.1

反射不太容易理解，reflect.type 和 reflect.value 会混淆正在执行的程序，但是它做的事情正是编程语言做的事情。你只需要记住：只要反射对象要修改它们表示的对象，就必须获取它们表示的对象的地址。

结构体（struct）

在前面的例子中，变量 v 本身并不是指针，它只是从指针衍生而来。把反射应用到结构体时，常用的方式是 使用反射修改一个结构体的某些字段。只要拥有结构体的地址，我们就可以修改它的字段。

下面通过一个简单的例子对结构体类型变量 t 进行分析。

首先，我们创建了反射类型对象，它包含一个结构体的指针，因为后续会修改。

然后，我们设置 typeoft 为它的类型，并遍历所有的字段。

注意：我们从 struct 类型提取出每个字段的名字，但是每个字段本身也是常规的 reflect.value 对象。

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())
}

上面这段代码的输出如下：

0: a int = 23
1: b string = skidoo

这里还有一点需要指出：变量 t 的字段都是首字母大写的（暴露到外部），因为struct中只有暴露到外部的字段才是“可写的”。

由于变量 s 包含一个“可写的”反射对象，我们可以修改结构体的字段：

f.interface())s.field(0).setint(77)
s.field(1).setstring("sunset strip")
fmt.println("t is now", t)

上面代码的输出如下：

t is now {77 sunset strip}

如果变量 s 是通过 t ，而不是 &t 创建的，调用 setint 和 setstring 将会失败，因为 t 的字段不是“可写的”。

结论

最后再次重复一遍反射三定律：

    1.反射可以将“接口类型变量”转换为“反射类型对象”。

    2.反射可以将“反射类型对象”转换为“接口类型变量”。

    3.如果要修改“反射类型对象”，其值必须是“可写的”（settable）。

一旦你理解了这些定律，使用反射将会是一件非常简单的事情。它是一件强大的工具，使用时务必谨慎使用，更不要滥用。

关于反射，我们还有很多内容没有讨论，包括基于管道的发送和接收、内存分配、使用slice和map、调用方法和函数，这些话题我们会在后续的文章中介绍。请大家继续关注。

原作者 rob pike，翻译oscar