Go基础-反射

摘要

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反射是 Go 语言学习的一个难点，但也是非常重要的一个知识点。反射是洞悉 Go 语言类型系统设计的法宝，Go 语言的 ORM 库离不开它，Go 语言的 json 序列化库离不开它，Go 语言的运行时更是离不开它。

反射的目标

• 获取变量的类型信息
  • 例如这个类型的名称、占用字节数、所有的方法列表、所有的内部字段结构、它的底层存储类型等等。
• 动态的修改变量内部字段值
  • 比如 json 的反序列化，你有的是对象内部字段的名称和相应的值，你需要把这些字段的值循环填充到对象相应的字段里。

reflect.Kind

reflect 包定义了十几种内置的「元类型」，每一种元类型都有一个整数编号，这个编号使用 reflect.Kind 类型表示。不同的结构体是不同的类型，但是它们都是同一个元类型 Struct。包含不同子元素的切片也是不同的类型，但是它们都会同一个元类型 Slice。

type Kind uint

const (
    Invalid Kind = iota // 不存在的无效类型
    Bool
    Int
    Int8
    Int16
    Int32
    Int64
    Uint
    Uint8
    Uint16
    Uint32
    Uint64
    Uintptr // 指针的整数类型，对指针进行整数运算时使用
    Float32
    Float64
    Complex64
    Complex128
    Array // 数组类型
    Chan // 通道类型
    Func  // 函数类型
    Interface  // 接口类型
    Map // 字典类型
    Ptr // 指针类型
    Slice // 切片类型
    String // 字符串类型
    Struct // 结构体类型
    UnsafePointer // unsafe.Pointer 类型
)

反射的基础代码

reflect 包提供了两个基础反射方法，分别是 TypeOf() 和 ValueOf() 方法，分别用于获取变量的类型和值，定义如下

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

对结构体变量进行反射

package main

import "fmt"
import "reflect"

func main() {
    var s int = 42
    fmt.Println(reflect.TypeOf(s))
    fmt.Println(reflect.ValueOf(s))
}

--------
int
42

这两个方法的参数是 interface{} 类型，意味着调用时编译器首先会将目标变量转换成 interface{} 类型。在接口小节我们提到接口类型包含两个指针，一个指向类型，一个指向值，上面两个方法的作用就是将接口变量进行解剖分离出类型和值。

• TypeOf(): 方法返回变量的类型信息得到的是一个类型为 reflect.Type 的变量，
• ValueOf(): 方法返回变量的值信息得到的是一个类型为 reflect.Value 的变量。

reflect.Type

它是一个接口类型，里面定义了非常多的方法用于获取和这个类型相关的一切信息。这个接口的结构体实现隐藏在 reflect 包里，每一种类型都有一个相关的类型结构体来表达它的结构信息。

type Type interface {
  ...
  Method(i int) Method  // 获取挂在类型上的第 i'th 个方法
  ...
  NumMethod() int  // 该类型上总共挂了几个方法
  Name() string // 类型的名称
  PkgPath() string // 所在包的名称
  Size() uintptr // 占用字节数
  String() string // 该类型的字符串形式
  Kind() Kind // 元类型
  ...
  Bits() // 占用多少位
  ChanDir() // 通道的方向
  ...
  Elem() Type // 数组，切片，通道，指针，字典(key)的内部子元素类型
  Field(i int) StructField // 获取结构体的第 i'th 个字段
  ...
  In(i int) Type  // 获取函数第 i'th 个参数类型
  Key() Type // 字典的 key 类型
  Len() int // 数组的长度
  NumIn() int // 函数的参数个数
  NumOut() int // 函数的返回值个数
  Out(i int) Type // 获取函数 第 i'th 个返回值类型
  common() *rtype // 获取类型结构体的共同部分
  uncommon() *uncommonType // 获取类型结构体的不同部分
}

所有的类型结构体都包含一个共同的部分信息，这部分信息使用 rtype 结构体描述，rtype 实现了 Type 接口的所有方法。剩下的不同的部分信息各种特殊类型结构体都不一样。可以将 rtype 理解成父类，特殊类型的结构体是子类，会有一些不一样的字段信息。

// 基础类型 rtype 实现了 Type 接口
type rtype struct {
  size uintptr // 占用字节数
  ptrdata uintptr
  hash uint32 // 类型的hash值
  ...
  kind uint8 // 元类型
  ...
}

// 切片类型
type sliceType struct {
  rtype
  elem *rtype // 元素类型
}

// 结构体类型
type structType struct {
  rtype
  pkgPath name  // 所在包名
  fields []structField  // 字段列表
}

...

reflect.Value

不同于 reflect.Type 接口，reflect.Value 是结构体类型，一个非常简单的结构体。

type Value struct {
  typ *rtype  // 变量的类型结构体
  ptr unsafe.Pointer // 数据指针
  flag uintptr // 标志位
}

这个接口体包含变量的类型结构体指针、数据的地址指针和一些标志位信息。里面的类型结构体指针字段就是上面的 rtype 结构体地址，存储了变量的类型信息。标志位里有几个位存储了值的「元类型」。下面我们看个简单的例子

package main

import "reflect"
import "fmt"

func main() {
    type SomeInt int
    var s SomeInt = 42
    var t = reflect.TypeOf(s)
    var v = reflect.ValueOf(s)
    // reflect.ValueOf(s).Type() 等价于 reflect.TypeOf(s)
    fmt.Println(t == v.Type())
    fmt.Println(v.Kind() == reflect.Int) // 元类型
    // 将 Value 还原成原来的变量
    var is = v.Interface()
    fmt.Println(is.(SomeInt))
}

----------
true
true
42

Value 结构体的 Type() 方法也可以返回变量的类型信息，它可以作为 reflect.TypeOf() 函数的替代品，没有区别。通过 Value 结构体提供的 Interface() 方法可以将 Value 还原成原来的变量值。

Value 这个结构体虽然很简单，但是附着在 Value 上的方法非常之多，主要是用来方便用户读写 ptr 字段指向的数据内存。虽然我们也可以通过 unsafe 包来精细操控内存，但是使用过于繁琐，使用 Value 结构体提供的方法会更加简单直接。

func (v Value) SetLen(n int)  // 修改切片的 len 属性
func (v Value) SetCap(n int) // 修改切片的 cap 属性
func (v Value) SetMapIndex(key, val Value) // 修改字典 kv
func (v Value) Send(x Value) // 向通道发送一个值
func (v Value) Recv() (x Value, ok bool) // 从通道接受一个值
// Send 和 Recv 的非阻塞版本
func (v Value) TryRecv() (x Value, ok bool)
func (v Value) TrySend(x Value) bool

// 获取切片、字符串、数组的具体位置的值进行读写
func (v Value) Index(i int) Value
// 根据名称获取结构体的内部字段值进行读写
func (v Value) FieldByName(name string) Value
// 将接口变量装成数组，一个是类型指针，一个是数据指针
func (v Value) InterfaceData() [2]uintptr
// 根据名称获取结构体的方法进行调用
// Value 结构体的数据指针 ptr 可以指向方法体
func (v Value) MethodByName(name string) Value
...

值得注意的是，观察 Value 结构体提供的很多方法，其中有不少会返回 Value 类型。比如反射数组类型的 Index(i int) 方法，它会返回一个新的 Value 对象，这个对象的类型指向数组内部子元素的类型，对象的数据指针会指向数组指定位置子元素所在的内存。

理解 Go 语言官方的反射三大定律

官方对 Go 语言的反射功能做了一个抽象的描述，总结出了三大定律，分别是

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

第一个定律的意思是反射将接口变量转换成反射对象 Type 和 Value，这个很好理解，就是下面这两个方法的功能

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

第二个定律的意思是反射可以通过反射对象 Value 还原成原先的接口变量，这个指的就是 Value 结构体提供的 Interface() 方法。注意它得到的是一个接口变量，如果要换成成原先的变量还需要经过一次造型。

func (v Value) Interface() interface{}

前两个定律比较简单，它的意思可以使用前面画的反射关系图来表达。第三个定律的功能不是很好理解，它的意思是想用反射功能来修改一个变量的值，前提是这个值可以被修改。

值类型的变量是不可以通过反射来修改，因为在反射之前，传参的时候需要将值变量转换成接口变量，值内容会被浅拷贝，反射对象 Value 指向的数据内存地址不是原变量的内存地址，而是拷贝后的内存地址。这意味着如果值类型变量可以通过反射功能来修改，那么修改操作根本不会影响到原变量的值，那就白白修改了。所以 reflect 包就直接禁止了通过反射来修改值类型的变量。我们看个例子

package main

import "reflect"

func main() {
    var s int = 42
    var v = reflect.ValueOf(s)
    v.SetInt(43)
}

---------
panic: reflect: reflect.Value.SetInt using unaddressable value

goroutine 1 [running]:
reflect.flag.mustBeAssignable(0x82)
    /usr/local/go/src/reflect/value.go:234 +0x157
reflect.Value.SetInt(0x107a1a0, 0xc000016098, 0x82, 0x2b)
    /usr/local/go/src/reflect/value.go:1472 +0x2f
main.main()
    /Users/qianwp/go/src/github.com/pyloque/practice/main.go:8 +0xc0
exit status 2

尝试通过反射来修改整型变量失败了，程序直接抛出了异常。下面我们来尝试通过反射来修改指针变量指向的值，这个是可行的。

package main

import "fmt"
import "reflect"

func main() {
    var s int = 42
    // 反射指针类型
    var v = reflect.ValueOf(&s)
    // 要拿出指针指向的元素进行修改
    v.Elem().SetInt(43)
    fmt.Println(s)
}

-------
43

可以看到变量 s 的值确实被修改成功了，不过这个例子修改的是指针指向的值而不是修改指针变量本身，如果不使用 Elem() 方法进行修改也会抛出一样的异常。

结构体也是值类型，也必须通过指针类型来修改。下面我们尝试使用反射来动态修改结构体内部字段的值。

package main

import "fmt"
import "reflect"

type Rect struct {
    Width int
    Height int
}

func SetRectAttr(r *Rect, name string, value int) {
    var v = reflect.ValueOf(r)
    var field = v.Elem().FieldByName(name)
    field.SetInt(int64(value))
}

func main() {
    var r = Rect{50, 100}
    SetRectAttr(&r, "Width", 100)
    SetRectAttr(&r, "Height", 200)
    fmt.Println(r)
}

-----
{100 200}