《Go 语言程序设计》读书笔记(十)反射

Java基础

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2020-6-16

Go语言提供了一种机制在运行时更新变量和检查它们的值、调用它们的方法和它们支持的操作,但是在编译时并不知道这些变量的具体类型。这种机制被称为反射。反射也可以让我们将类型本身作为第一类的值类型处理。

在本章,我们将探讨Go语言的反射特性,看看它可以给语言增加哪些表达力,以及在两个至关重要的API是如何用反射机制的:一个是fmt包提供的字符串格式功能,另一个是类似encoding/jsonencoding/xml提供的针对特定协议的编解码功能。反射是一个复杂的内省技术,不应该随意使用,因此,尽管上面这些包内部都是用反射技术实现的,但是它们自己的API都没有公开反射相关的接口。

为何需要反射

有时候我们需要编写一个函数能够处理任何类型,一个大家熟悉的例子是fmt.Fprintf函数提供的字符串格式化处理逻辑,它可以对任意类型的值格式化并打印,甚至支持用户自定义的类型。让我们也来尝试实现一个类似功能的函数。为了简单起见,我们的函数只接收一个参数,然后返回和fmt.Sprint类似的格式化后的字符串。我们实现的函数名也叫Sprint

我们使用了switch类型分支首先来测试输入参数是否实现了String方法,如果是的话就使用该方法。然后继续增加类型测试分支,检查是否是基于string、int、bool等基础类型的动态类型,并在每种情况下执行相应的格式化操作。

func Sprint(x interface{}) string {
    type stringer interface {
        String() string
    }
    switch x := x.(type) {
    case stringer:
        return x.String()
    case string:
        return x
    case int:
        return strconv.Itoa(x)
    // ...similar cases for int16, uint32, and so on...
    case bool:
        if x {
            return "true"
        }
        return "false"
    default:
        // array, chan, func, map, pointer, slice, struct
        return "???"
    }
}

但是我们如何处理其它类似[]float64map[string][]string等类型呢?我们当然可以添加更多的测试分支,但是这些组合类型的数目基本是无穷的。还有如何处理url.Values等命名的类型呢?虽然类型分支可以识别出底层的基础类型是map[string][]string,但是它并不匹配url.Values类型,因为它们是两种不同的类型,而且switch类型分支也不可能包含每个类似url.Values的类型,这会导致对这些库的循环依赖。

没有一种方法来检查未知类型的表示方式,我们被卡住了。这就是我们为何需要反射的原因

reflect.Type和reflect.Value

反射是由reflect 包提供支持. 它定义了两个重要的类型, Type 和 Value. 一个 Type 表示一个Go类型. 它是一个接口, 有许多方法来区分类型和检查它们的组件, 例如一个结构体的成员或一个函数的参数等. 唯一能反映 reflect.Type 实现的是接口的类型描述信息, 同样的实体标识了动态类型的接口值.

函数 reflect.TypeOf 接受任意的 interface{} 类型, 并返回对应动态类型的reflect.Type:

t := reflect.TypeOf(3)  // a reflect.Type
fmt.Println(t.String()) // "int"
fmt.Println(t)          // "int"

其中 TypeOf(3) 调用将值 3 作为 interface{} 类型参数传入。将一个具体的值转为接口类型会有一个隐式的接口转换操作, 它会创建一个包含两个信息的接口值: 操作数的动态类型(这里是int)和它的动态的值(这里是3)。

因为 reflect.TypeOf 返回的是一个动态类型的接口值, 它总是返回具体的类型. 因此, 下面的代码将打印 "*os.File" 而不是 "io.Writer". 稍后, 我们将看到 reflect.Type 是具有识别接口类型的表达方式功能的.

var w io.Writer = os.Stdout
fmt.Println(reflect.TypeOf(w)) // "*os.File"

要注意的是 reflect.Type 接口是满足 fmt.Stringer 接口的. 因为打印动态类型值对于调试和日志是有帮助的, fmt.Printf 提供了一个简短的 %T 标志参数, 内部使用 reflect.TypeOf 的结果输出:

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

reflect 包中另一个重要的类型是 Value. 一个 reflect.Value 可以持有一个任意类型的值. 函数 reflect.ValueOf 接受任意的 interface{} 类型, 并返回对应动态类型的reflect.Value. 和 reflect.TypeOf 类似, reflect.ValueOf 返回的结果也是对于具体的类型, 但是 reflect.Value 也可以持有一个接口值.

v := reflect.ValueOf(3) // a reflect.Value
fmt.Println(v)          // "3"
fmt.Printf("%v\n", v)   // "3"
fmt.Println(v.String()) // NOTE: "<int Value>"

和 reflect.Type 类似, reflect.Value 也满足 fmt.Stringer 接口, 但是除非 Value 持有的是字符串, 否则 String 只是返回具体的类型. 使用 fmt 包的 %v 标志参数, 将使用 reflect.Values 的结果格式化.

调用 Value 的 Type 方法将返回具体类型所对应的 reflect.Type:

t := v.Type()           // a reflect.Type
fmt.Println(t.String()) // "int"

一个 reflect.Value 和 interface{} 都能保存任意的值. 所不同的是, 一个空的接口隐藏了值对应的表示方式和所有的公开的方法, 因此只有我们知道具体的动态类型才能使用类型断言来访问内部的值(就像上面那样), 对于内部值并没有特别可做的事情. 相比之下, 一个 reflect.Value 则有很多方法来检查其内容, 无论它的具体类型是什么. 让我们再次尝试实现我们的格式化函数 format.Any.

我们使用 reflect.Value 的 Kind 方法来替代之前的类型 switch. 虽然还是有无穷多的类型, 但是它们的kinds类型却是有限的: Bool, String 和 所有数字类型的基础类型; Array 和 Struct 对应的聚合类型; Chan, Func, Ptr, Slice, 和 Map 对应的引用类似; 接口类型; 还有表示空值的无效类型. (空的 reflect.Value 对应 Invalid 无效类型.)

package format

import (
    "reflect"
    "strconv"
)

// Any formats any value as a string.
func Any(value interface{}) string {
    return formatAtom(reflect.ValueOf(value))
}

// formatAtom formats a value without inspecting its internal structure.
func formatAtom(v reflect.Value) string {
    switch v.Kind() {
    case reflect.Invalid:
        return "invalid"
    case reflect.Int, reflect.Int8, reflect.Int16,
        reflect.Int32, reflect.Int64:
        return strconv.FormatInt(v.Int(), 10)
    case reflect.Uint, reflect.Uint8, reflect.Uint16,
        reflect.Uint32, reflect.Uint64, reflect.Uintptr:
        return strconv.FormatUint(v.Uint(), 10)
    // ...floating-point and complex cases omitted for brevity...
    case reflect.Bool:
        return strconv.FormatBool(v.Bool())
    case reflect.String:
        return strconv.Quote(v.String())
    case reflect.Chan, reflect.Func, reflect.Ptr, reflect.Slice, reflect.Map:
        return v.Type().String() + " 0x" +
            strconv.FormatUint(uint64(v.Pointer()), 16)
    default: // reflect.Array, reflect.Struct, reflect.Interface
        return v.Type().String() + " value"
    }
}

到目前为止, 我们的函数将每个值视作一个不可分割没有内部结构的, 因此它叫 formatAtom. 对于聚合类型(结构体和数组)只是打印类型的值, 对于引用类型(channels, functions, pointers, slices, 和 maps), 用十六进制打印类型的引用地址. 虽然还不够理想, 但是依然是一个重大的进步, 并且 Kind 只关心底层表示, format.Any 也支持新命名的类型. 例如:

var x int64 = 1
var d time.Duration = 1 * time.Nanosecond
fmt.Println(format.Any(x))                  // "1"
fmt.Println(format.Any(d))                  // "1"
fmt.Println(format.Any([]int64{x}))         // "[]int64 0x8202b87b0"
fmt.Println(format.Any([]time.Duration{d})) // "[]time.Duration 0x8202b87e0"

反射访问聚合类型

接下来,让我们看看如何改善聚合数据类型的显示。我们像构建一个用于调试用的Display函数,给定一个聚合类型x,打印这个值对应的完整的结构,同时记录每个发现的每个元素的路径。

在可能的情况下,你应该避免在一个包中暴露和反射相关的接口。我们将定义一个未导出的display函数用于递归处理工作,导出的是Display函数,它只是display函数简单的包装以接受interface{}类型的参数:

func Display(name string, x interface{}) {
    fmt.Printf("Display %s (%T):\n", name, x)
    display(name, reflect.ValueOf(x))
}

在display函数中,我们使用了前面定义的打印基础类型——基本类型、函数和chan等——元素值的formatAtom函数,但是我们会使用reflect.Value的方法来递归显示聚合类型的每一个成员或元素。

func display(path string, v reflect.Value) {
    switch v.Kind() {
    case reflect.Invalid:
        fmt.Printf("%s = invalid\n", path)
    case reflect.Slice, reflect.Array:
        for i := 0; i < v.Len(); i++ {
            display(fmt.Sprintf("%s[%d]", path, i), v.Index(i))
        }
    case reflect.Struct:
        for i := 0; i < v.NumField(); i++ {
            fieldPath := fmt.Sprintf("%s.%s", path, v.Type().Field(i).Name)
            display(fieldPath, v.Field(i))
        }
    case reflect.Map:
        for _, key := range v.MapKeys() {
            display(fmt.Sprintf("%s[%s]", path,
                formatAtom(key)), v.MapIndex(key))
        }
    case reflect.Ptr:
        if v.IsNil() {
            fmt.Printf("%s = nil\n", path)
        } else {
            display(fmt.Sprintf("(*%s)", path), v.Elem())
        }
    case reflect.Interface:
        if v.IsNil() {
            fmt.Printf("%s = nil\n", path)
        } else {
            fmt.Printf("%s.type = %s\n", path, v.Elem().Type())
            display(path+".value", v.Elem())
        }
    default: // basic types, channels, funcs
        fmt.Printf("%s = %s\n", path, formatAtom(v))
    }
}

让我们针对不同类型分别讨论。

Slice和数组: 两种的处理逻辑是一样的。Len方法返回slice或数组值中的元素个数,Index(i)活动索引i对应的元素,返回的也是一个reflect.Value类型的值;如果索引i超出范围的话将导致panic异常,这些行为和数组或slice类型内建的len(a)a[i]等操作类似。display针对序列中的每个元素递归调用自身处理,我们通过在递归处理时向path附加“[i]”来表示访问路径。

虽然reflect.Value类型带有很多方法,但是只有少数的方法对任意值都是可以安全调用的。例如,Index方法只能对Slice、数组或字符串类型的值调用,其它类型如果调用将导致panic异常。

结构体: NumField方法报告结构体中成员的数量,Field(i)reflect.Value类型返回第i个成员的值。成员列表包含了匿名成员在内的全部成员。通过在path添加“.f”来表示成员路径,我们必须获得结构体对应的reflect.Type类型信息,包含结构体类型和第i个成员的名字。要注意的是,结构体中未导出的成员对反射也是可见的。

Maps: MapKeys方法返回一个reflect.Value类型的slice,每一个都对应map的可以。和往常一样,遍历map时顺序是随机的。MapIndex(key)返回map中key对应的value。我们向path添加“[key]”来表示访问路径。

指针: Elem方法返回指针指向的变量,还是reflect.Value类型。即使指针是nil,这个操作也是安全的,在这种情况下指针是Invalid无效类型,但是我们可以用IsNil方法来显式地测试一个空指针,这样我们可以打印更合适的信息。我们在path前面添加“*”,并用括弧包含以避免歧义。

接口: 再一次,我们使用IsNil方法来测试接口是否是nil,如果不是,我们可以调用v.Elem()来获取接口对应的动态值,并且打印对应的类型和值。

获取结构体成员标签

我们使用构体成员标签用于设置对应JSON对应的名字。其中json成员标签让我们可以选择成员的名字和抑制零值成员的输出。在本节,我们将看到如果通过反射机制获取成员标签。

结构体类型的 reflect.Value的reflect.Type的Field方法将返回一个reflect.StructField,里面含有每个成员的名字、类型和可选的成员标签等信息。其中成员标签信息对应reflect.StructTag类型的字符串,并且它提供了Get方法用于解析和根据特定key提取子串,例如下面的http:”…”形式的子串。

下面的search函数是一个HTTP请求处理函数。它定义了一个匿名结构体类型的变量,用结构体的每个成员表示HTTP请求的参数。其中结构体成员标签指明了对于请求参数的名字,为了减少URL的长度这些参数名通常都是神秘的缩略词。Unpack将请求参数填充到合适的结构体成员中,这样我们可以方便地通过合适的类型类来访问这些参数。

import "gopl.io/ch12/params"

// search implements the /search URL endpoint.
func search(resp http.ResponseWriter, req *http.Request) {
    var data struct {
        Labels     []string `http:"l"`
        MaxResults int      `http:"max"`
        Exact      bool     `http:"x"`
    }
    data.MaxResults = 10 // set default
    if err := params.Unpack(req, &data); err != nil {
        http.Error(resp, err.Error(), http.StatusBadRequest) // 400
        return
    }

    // ...rest of handler...
    fmt.Fprintf(resp, "Search: %+v\n", data)
}
// Unpack populates the fields of the struct pointed to by ptr
// from the HTTP request parameters in req.
func Unpack(req *http.Request, ptr interface{}) error {
    if err := req.ParseForm(); err != nil {
        return err
    }

    // Build map of fields keyed by effective name.
    fields := make(map[string]reflect.Value)
    v := reflect.ValueOf(ptr).Elem() // the struct variable
    for i := 0; i < v.NumField(); i++ {
        fieldInfo := v.Type().Field(i) // a reflect.StructField
        tag := fieldInfo.Tag           // a reflect.StructTag
        name := tag.Get("http")
        if name == "" {
            name = strings.ToLower(fieldInfo.Name)
        }
        fields[name] = v.Field(i)
    }

    // Update struct field for each parameter in the request.
    for name, values := range req.Form {
        f := fields[name]
        if !f.IsValid() {
            continue // ignore unrecognized HTTP parameters
        }
        for _, value := range values {
            if f.Kind() == reflect.Slice {
                elem := reflect.New(f.Type().Elem()).Elem()
                if err := populate(elem, value); err != nil {
                    return fmt.Errorf("%s: %v", name, err)
                }
                f.Set(reflect.Append(f, elem))
            } else {
                if err := populate(f, value); err != nil {
                    return fmt.Errorf("%s: %v", name, err)
                }
            }
        }
    }
    return nil
}

注:我们可以通过调用reflect.ValueOf(&x).Elem(),来获取任意变量x对应的可取地址的Value。

显示类型的方法集

reflect.Type和reflect.Value都提供了一个Method方法。每次t.Method(i)调用将一个reflect.Method的实例,对应一个用于描述一个方法的名称和类型的结构体。每次v.Method(i)方法调用都返回一个reflect.Value以表示对应的值,也就是说一个方法是绑定到它的接收者的。使用reflect.Value.Call方法,将可以调用一个Func类型的Value,但是下面这个例子中只用到了它的类型。

我们的最后一个例子是使用reflect.Type来打印任意值的类型和枚举它的方法:

func Print(x interface{}) {
    v := reflect.ValueOf(x)
    t := v.Type()
    fmt.Printf("type %s\n", t)

    for i := 0; i < v.NumMethod(); i++ {
        methType := v.Method(i).Type()
        fmt.Printf("func (%s) %s%s\n", t, t.Method(i).Name,
            strings.TrimPrefix(methType.String(), "func"))
    }
}

下面是属于time.Duration*strings.Replacer两个类型的方法:

methods.Print(time.Hour)
// Output:
// type time.Duration
// func (time.Duration) Hours() float64
// func (time.Duration) Minutes() float64
// func (time.Duration) Nanoseconds() int64
// func (time.Duration) Seconds() float64
// func (time.Duration) String() string

methods.Print(new(strings.Replacer))
// Output:
// type *strings.Replacer
// func (*strings.Replacer) Replace(string) string
// func (*strings.Replacer) WriteString(io.Writer, string) (int, error)

反射的使用建议

通过反射可以实现哪些功能。反射是一个强大并富有表达力的工具,但是它应该被小心地使用。

基于反射的代码是比较脆弱的,对于每一个会导致编译器报告类型错误的问题,在反射中都有与之相对应的问题,不同的是编译器会在构建时马上报告错误,而反射则是在真正运行到的时候才会抛出panic异常,可能是写完代码很久之后的时候了,而且程序也可能运行了很长的时间。绝大多数使用反射的程序都需要非常小心地检查每个reflect.Value对于值的类型、是否可取地址,还有是否可以被修改等。

避免这种因反射而导致的脆弱性的问题的最好方法是将所有的反射相关的使用控制在包的内部,如果可能的话避免在包的API中直接暴露reflect.Value类型,这样可以限制一些非法输入。如果无法做到这一点,在每个有风险的操作前应做额外的类型检查。以标准库中的代码为例,当fmt.Printf收到一个非法的操作数是,它并不会抛出panic异常,而是打印相关的错误信息。程序虽然还有BUG,但是会更加容易诊断。

fmt.Printf("%d %s\n", "hello", 42) // "%!d(string=hello) %!s(int=42)"

反射同样降低了程序的安全性,还影响了自动化重构和分析工具的准确性,因为它们无法识别运行时才能确认的类型信息。

作者:Kevin