Go基础篇：类型系统

前言✨

前段时间忙着春招面试，现在也算告一段落，找到一家比较心仪的公司实习，开始慢慢回归状态，这后面几章我会学习go1.19版本的语言特性或者机制：类型系统、接口、断言以及反射的内容，也算是补上之前没有深入底层的内容。

一、什么是类型？

类型的概念在不同的编程语言之间是不同的，可以用许多不同的方式来表达，但都有一些相同点。

1. 类型是用来定义变量、常量、函数参数、函数返回值等值的属性；
2. 在定义的变量上可以执行一组操作，例如：int 类型可以执行 + 和 - 等运算，而对于 string 类型，可以执行连接、空检查等操作；

在Go语言中，类型是用来描述变量、常量、函数参数、函数返回值等值的属性。它定义了变量或表达式可以存储的数据类型，以及可以对其执行的操作。

Go语言中的类型可以分为基本数据类型和引用类型两种。基本数据类型包括整型、浮点型、布尔型、字符串型等，而引用类型包括数组、切片、结构体、接口、channel等。

类型	说明	例子
布尔型	表示真或假的值	true, false
整型	表示整数的值，有不同的位数和符号	int, int8, int16, int32, int64, uint, uint8, uint16, uint32, uint64
浮点型	表示小数的值，有不同的精度	float32, float64
复数型	表示复数的值，由两个浮点数表示实部和虚部	complex64, complex128
字符串型	表示文本的值，使用UTF-8编码	string
数组型	表示固定长度的元素序列，元素类型相同	[3]int, [5]string
切片型	表示可变长度的元素序列，元素类型相同	[]int, []string
映射型	表示键值对的集合，键类型和值类型可以不同	map[string]int, map[int]bool
结构体型	表示一组有名字的字段，字段类型可以不同	struct {name string; age int}
接口型	表示一组方法的集合，用于实现多态和抽象	interface {Read() error; Write() error}
函数型	表示一段可执行的代码，可以有参数和返回值	func(int) int, func(string) (string, error)
通道型	表示用于在不同协程之间传递数据的管道，数据类型相同	chan int, chan string

这些都是 Go 语言的内置类型，给内置类型和接口定义方法是错误的，哪怕用类型别名也一样。

二、类型特性

1、静态类型检查

Go语言是一种静态类型的编程语言，这意味着每个变量都有一个明确的类型，不能随意改变。
类型具有静态类型检查的特性，这意味着在编译时就能够检查出类型错误，避免了在运行时出现类型不匹配的错误。这种特性可以提高程序的可靠性和稳定性，减少调试和修复错误的时间和成本。

例如，如果一个函数需要接收一个整型参数，但是在调用该函数时传入了一个字符串类型的参数。

func IntToString(n int) {
	fmt.Println("IntToString")
}

func main() {
	var n string
	IntToString(n)
}

我们编译一下：

➜ interfaceTest (main) ✗ go build ./main.go
# command-line-arguments
./main.go:13:14: cannot use n (variable of type string) as type int in argument to IntToString

编译器就会在编译时发现这个错误，并提示开发者进行修改。这样就可以避免在运行时出现类型不匹配的错误，提高了程序的可靠性。

2、类型推断

类型推断可以根据变量的值自动推断出其类型，简化了代码的书写。这种特性可以让开发者在不显式指定变量类型的情况下，编写更加简洁、易读的代码。

例如，可以使用以下代码声明一个整型变量：

var x int = 10 // 显式地声明x为int类型，并赋值为10
y := 20 // 语法糖，隐式地声明y为int类型，并赋值为20

在这个例子中，变量 y 的类型会被自动推断为整型。这样就可以避免在声明变量时重复书写类型信息，提高了代码的可读性和简洁性。

三、类型别名和自定义类型

1、类型别名

类型别名是在Go 1.9版本中引入的一个特性，它可以让你为一个已有的类型定义一个新的名称，但是这个新的名称并不是一个新的类型，它只是一个别名，它和原来的类型是完全相同的，可以互换使用。

你可以使用type xxx = type关键字来定义一个类型别名，例如：

type MyInt = int // 定义一个int类型的别名MyInt

// 比如byte和rune就是类型别名，他们的定义如下：
type byte = uint8
type rune = int32

2、自定义类型

在Go语言中，自定义类型是在Go语言中使用type关键字来定义一个新的类型，它可以基于已有的类型或者引用类型来定义，但是它和原来的类型是不同的，它有自己的方法集合和行为。

可以使用type关键字来定义自定义类型。自定义类型可以是基本类型的别名，也可以是引用类型的新类型。

定义自定义类型的语法如下：

type TypeName BaseType // TypeName是自定义类型的名称，BaseType是基本类型或引用类型。

例如，可以使用以下代码定义一个自定义类型MyInt，它是int类型的别名：

type MyInt int

在这个例子中，MyInt类型和int类型具有相同的底层类型，但是它们是不同的类型。可以使用MyInt类型来声明变量、函数参数、函数返回值等。

除了基本类型的别名，还可以使用自定义类型来定义新的引用类型。例如，可以使用以下代码定义一个自定义类型Person，它是一个结构体类型：

type Person struct {
    Name string
    Age int
}

在这个例子中，Person类型是一个由Name和Age两个字段组成的结构体类型。可以使用Person类型来声明变量、函数参数、函数返回值等。

3、类型别名和自定义类型的区别

类型别名与自定义类型表面上看只有一个等号的差异，但他们的使用场景却完全不一样，我们通过下面的这段代码来理解它们之间的区别：

type test struct {
}

// 类型别名
type MyTest1 = test
type MyTest2 = MyTest1

// 自定义类型
type MyTest3 test
type MyTest4 MyTest3

func (test) Print(str string) {
	fmt.Println("======", str)
}

func (MyTest1) Print1(str string) {
	fmt.Println("-----", str)
}

func (MyTest2) Print2(str string) {
	fmt.Println("+++++", str)
}

func (MyTest3) Print3(str string) {
	fmt.Println("!!!!!", str)
}

func (MyTest4) Print4(str string) {
	fmt.Println("、、、、、", str)
}

func TestTypeSystem(t *testing.T) {
	var m1 MyTest1
	fmt.Printf("type of MyTest1:%T\n", m1)
	m1.Print("MyTest1")
	m1.Print1("MyTest1")
	m1.Print2("MyTest1")

	var m2 MyTest2
	fmt.Printf("type of MyTest2:%T\n", m2)
	m2.Print("MyTest2")
	m2.Print1("MyTest2")
	m2.Print2("MyTest2")

	var m3 MyTest3
	fmt.Printf("type of MyTest3:%T\n", m3)
	// m3.Print undefined (type MyTest3 has no field or method Print)
	//m3.Print("MyTest3")
	m3.Print3("MyTest3")
	// m3.Print4 undefined (type MyTest3 has no field or method Print4)
	//m3.Print4("MyTest3")

	var m4 MyTest4
	fmt.Printf("type of MyTest4:%T\n", m4)
	// m4.Print undefined (type MyTest4 has no field or method Print)
	//m4.Print("MyTest4")
	// m4.Print3 undefined (type MyTest4 has no field or method Print3)
	//m4.Print3("MyTest4")
	m4.Print4("MyTest4")
}

测试运行一下

结果显示 m1 和 m2 的类型是 typeSystemTest.test，表示 typeSystemTest 包下定义的 test 类型。m3 的类型是 MyTest3。m4 的类型是 MyTest4。
MyTest1 和 MyTest2 类型只会在代码中存在，编译完成时并不会有MyTest1 和 MyTest2类型，他们底层都是类型。
我们可以看出他们之间最大的区别：

• 类型别名和原来的类型是完全相同的，可以互换使用。
• 自定义类型是一个新的类型，它和原来的类型是不同的，它有自己的方法集合和行为。

四、类型底层结构

1、类型元数据

在Go语言中无论是内置类型还是自定义类型他们都有类型描述，也就是类型元数据，每种类型元数据都是全局唯一的，_type结构体包含了类型的名称、大小、对齐方式、哈希函数、比较函数等信息。

在runtime._type 中定义了类型元数据的结构体：

type _type struct {
	size       uintptr
	ptrdata    uintptr // size of memory prefix holding all pointers
	hash       uint32
	tflag      tflag
	align      uint8
	fieldAlign uint8
	kind       uint8
	// function for comparing objects of this type
	// (ptr to object A, ptr to object B) -> ==?
	equal func(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool
	// gcdata stores the GC type data for the garbage collector.
	// If the KindGCProg bit is set in kind, gcdata is a GC program.
	// Otherwise it is a ptrmask bitmap. See mbitmap.go for details.
	gcdata    *byte
	str       nameOff
	ptrToThis typeOff
}

_type结构体中的字段含义如下：

• size：类型大小，单位是字节；
• ptrdata：指针数据的大小，也就是类型中所有指针类型字段占用内存的大小；
• hash：类型的哈希值，用于运行时的快速比较；
• tflag：类型标志，记录了一些元信息，比如类型是否包含不导出的字段；
• align：类型的对齐方式，也就是类型在内存中的对齐倍数。看这篇文章《Go高性能编程-了解内存对齐以及Go中的类型如何对齐保证》深入了解这个字段的意义；
• fieldalign：类型作为结构体字段时的对齐方式；
• kind：类型的种类，也就是基本类型还是复合类型等；
• alg：类型算法表，包含了哈希函数和比较函数等；
• gcdata：垃圾回收数据，用于标记类型中哪些部分是指针；
• str：类型名称在字符串表中的偏移量；
• ptrToThis：指向该类型指针的类型在类型表中的偏移量。

2、其他描述信息

基本数据类型只需要一个 _type 类型描述结构体就足够，但是引用类型在自身_type 存储之后，还需要额外描述信息来补充。

比如 slicetype 类型元数据结构体:

type slicetype struct {
	typ  _type
	elem *_type
}

在 slice 类型元数据后面还记录了一个 elem 的类型元数据，指向其存储元素的类型元数据。如果是 string 类型的 slice，那 elem 指针指向的就是 string 类型的元数据。

3、uncommontype

在Go语言中，自定义类型的类型元数据可以通过reflect包中的TypeOf函数获取。对于非常规类型（如struct、interface、chan等），其类型元数据可能包含在uncommontype结构体中。

uncommontype结构体中包含了一些非常规类型的元数据信息。

type uncommontype struct {
	pkgpath nameOff
	mcount  uint16 // number of methods
	xcount  uint16 // number of exported methods
	moff    uint32 // offset from this uncommontype to [mcount]method
	_       uint32 // unused
}

uncommontype结构体中的字段含义如下：

• pkgpath：包路径，记录了类型所在的包；
• mcount：方法数量，记录了类型关联的所有方法的个数；
• xcount：导出方法数量，记录了类型关联的可导出方法的个数；
• moff：方法偏移量，记录了从该uncommontype结构体到方法元数据数组的偏移量；
• _：未使用，占位符。

uncommontype结构体的作用是描述类型的元数据，比如包路径和方法信息。它只有在类型有以下情况之一时才会存在：

• 类型关联了至少一个方法；
• 类型是一个非导出类型（首字母小写）；
• 类型是一个反射类型（实现了reflect.Type接口）。

uncommontype结构体通常紧跟在_type结构体后面，通过_type结构体中的tflag字段可以判断是否存在uncommontype结构体。

五、小结

我们知道了 uncommontype结构体定义了方法的个数和uncommontype结构体到方法元数据数组的偏移量。现在通过实例了解类型系统以及如何找到他的方法数组。

method结构体的作用是描述类型关联的方法的元数据，比如方法名和方法签名。它是一个数组元素，由uncommontype结构体中的moff字段指向：

type method struct {
	name nameOff
	mtyp typeOff
	ifn  textOff
	tfn  textOff
}

method结构体中的字段含义如下：

• name：方法名，记录了方法的名称；
• mtyp：方法类型，记录了方法的类型信息，比如参数和返回值；
• ifn：接口函数，记录了方法在接口中的实现函数的地址；
• tfn：类型函数，记录了方法在类型中的实现函数的地址。

例如，我们基于 []string 定义一个新类型 MySlice，并定义两个方法：

type MySlice []string

func (ms MySlice) Len() {
	fmt.Println(len(ms))
}

func (ms MySlice) Cap() {
	fmt.Println(cap(ms))
}

func TestType(t *testing.T) {
	var ms MySlice
	// cannot use []string{…} (value of type []string) as type string in argument to append
	// ms = append(ms, []string{"aaaa", "bbbb", "cccc"})
	ms = append(ms, MySlice{"aaaa", "bbbb", "cccc"}...)
	ms.Len()
	ms.Cap()
	fmt.Println(ms)
}