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Golang的反射reflect深入理解和示例

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Golang的反射reflect深入理解和示例

【记录于2018年2月】

编程语言中反射的概念

在计算机科学领域,反射是指一类应用,它们能够自描述和自控制。也就是说,这类应用通过采用某种机制来实现对自己行为的描述(self-representation)和监测(examination),并能根据自身行为的状态和结果,调整或修改应用所描述行为的状态和相关的语义。

每种语言的反射模型都不同,并且有些语言根本不支持反射。Golang语言实现了反射,反射机制就是在运行时动态的调用对象的方法和属性,官方自带的reflect包就是反射相关的,只要包含这个包就可以使用。

多插一句,Golang的gRPC也是通过反射实现的。

interface 和 反射

在讲反射之前,先来看看Golang关于类型设计的一些原则

  • 变量包括(type, value)两部分

    • 理解这一点就知道为什么nil != nil了
  • type 包括 static type和concrete type. 简单来说 static type是你在编码是看见的类型(如int、string),concrete type是runtime系统看见的类型

  • 类型断言能否成功,取决于变量的concrete type,而不是static type. 因此,一个 reader变量如果它的concrete type也实现了write方法的话,它也可以被类型断言为writer.

接下来要讲的反射,就是建立在类型之上的,Golang的指定类型的变量的类型是静态的(也就是指定int、string这些的变量,它的type是static type),在创建变量的时候就已经确定,反射主要与Golang的interface类型相关(它的type是concrete type),只有interface类型才有反射一说。

在Golang的实现中,每个interface变量都有一个对应pair,pair中记录了实际变量的值和类型:

(value, type)
复制代码

value是实际变量值,type是实际变量的类型。一个interface{}类型的变量包含了2个指针,一个指针指向值的类型【对应concrete type】,另外一个指针指向实际的值【对应value】。

例如,创建类型为*os.File的变量,然后将其赋给一个接口变量r:

tty, err := os.OpenFile("/dev/tty", os.O_RDWR, 0)

var r io.Reader
r = tty
复制代码

接口变量r的pair中将记录如下信息:(tty, *os.File),这个pair在接口变量的连续赋值过程中是不变的,将接口变量r赋给另一个接口变量w:

var w io.Writer
w = r.(io.Writer)
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接口变量w的pair与r的pair相同,都是:(tty, *os.File),即使w是空接口类型,pair也是不变的。

interface及其pair的存在,是Golang中实现反射的前提,理解了pair,就更容易理解反射。反射就是用来检测存储在接口变量内部(值value;类型concrete type) pair对的一种机制。

Golang的反射reflect

reflect的基本功能TypeOf和ValueOf

既然反射就是用来检测存储在接口变量内部(值value;类型concrete type) pair对的一种机制。那么在Golang的reflect反射包中有什么样的方式可以让我们直接获取到变量内部的信息呢? 它提供了两种类型(或者说两个方法)让我们可以很容易的访问接口变量内容,分别是reflect.ValueOf() 和 reflect.TypeOf(),看看官方的解释

// ValueOf returns a new Value initialized to the concrete value
// stored in the interface i.  ValueOf(nil) returns the zero 
func ValueOf(i interface{}) Value {...}

翻译一下:ValueOf用来获取输入参数接口中的数据的值,如果接口为空则返回0


// TypeOf returns the reflection Type that represents the dynamic type of i.
// If i is a nil interface value, TypeOf returns nil.
func TypeOf(i interface{}) Type {...}

翻译一下:TypeOf用来动态获取输入参数接口中的值的类型,如果接口为空则返回nil

复制代码

reflect.TypeOf()是获取pair中的type,reflect.ValueOf()获取pair中的value,示例如下:

package main

import (
	"fmt"
	"reflect"
)

func main() {
	var num float64 = 1.2345

	fmt.Println("type: ", reflect.TypeOf(num))
	fmt.Println("value: ", reflect.ValueOf(num))
}

运行结果:
type:  float64
value:  1.2345
复制代码

说明

  1. reflect.TypeOf: 直接给到了我们想要的type类型,如float64、int、各种pointer、struct 等等真实的类型

  2. reflect.ValueOf:直接给到了我们想要的具体的值,如1.2345这个具体数值,或者类似&{1 "Allen.Wu" 25} 这样的结构体struct的值

  3. 也就是说明反射可以将“接口类型变量”转换为“反射类型对象”,反射类型指的是reflect.Type和reflect.Value这两种

从relfect.Value中获取接口interface的信息

当执行reflect.ValueOf(interface)之后,就得到了一个类型为”relfect.Value”变量,可以通过它本身的Interface()方法获得接口变量的真实内容,然后可以通过类型判断进行转换,转换为原有真实类型。不过,我们可能是已知原有类型,也有可能是未知原有类型,因此,下面分两种情况进行说明。

已知原有类型【进行“强制转换”】

已知类型后转换为其对应的类型的做法如下,直接通过Interface方法然后强制转换,如下:

realValue := value.Interface().(已知的类型)
复制代码

示例如下:

package main

import (
	"fmt"
	"reflect"
)

func main() {
	var num float64 = 1.2345

	pointer := reflect.ValueOf(&num)
	value := reflect.ValueOf(num)

	// 可以理解为“强制转换”,但是需要注意的时候,转换的时候,如果转换的类型不完全符合,则直接panic
	// Golang 对类型要求非常严格,类型一定要完全符合
	// 如下两个,一个是*float64,一个是float64,如果弄混,则会panic
	convertPointer := pointer.Interface().(*float64)
	convertValue := value.Interface().(float64)

	fmt.Println(convertPointer)
	fmt.Println(convertValue)
}

运行结果:
0xc42000e238
1.2345
复制代码
说明
  1. 转换的时候,如果转换的类型不完全符合,则直接panic,类型要求非常严格!
  2. 转换的时候,要区分是指针还是指
  3. 也就是说反射可以将“反射类型对象”再重新转换为“接口类型变量”

未知原有类型【遍历探测其Filed】

很多情况下,我们可能并不知道其具体类型,那么这个时候,该如何做呢?需要我们进行遍历探测其Filed来得知,示例如下:

package main

import (
	"fmt"
	"reflect"
)

type User struct {
	Id   int
	Name string
	Age  int
}

func (u User) ReflectCallFunc() {
	fmt.Println("Allen.Wu ReflectCallFunc")
}

func main() {

	user := User{1, "Allen.Wu", 25}

	DoFiledAndMethod(user)

}

// 通过接口来获取任意参数,然后一一揭晓
func DoFiledAndMethod(input interface{}) {

	getType := reflect.TypeOf(input)
	fmt.Println("get Type is :", getType.Name())

	getValue := reflect.ValueOf(input)
	fmt.Println("get all Fields is:", getValue)

	// 获取方法字段
	// 1. 先获取interface的reflect.Type,然后通过NumField进行遍历
	// 2. 再通过reflect.Type的Field获取其Field
	// 3. 最后通过Field的Interface()得到对应的value
	for i := 0; i < getType.NumField(); i++ {
		field := getType.Field(i)
		value := getValue.Field(i).Interface()
		fmt.Printf("%s: %v = %v\n", field.Name, field.Type, value)
	}

	// 获取方法
	// 1. 先获取interface的reflect.Type,然后通过.NumMethod进行遍历
	for i := 0; i < getType.NumMethod(); i++ {
		m := getType.Method(i)
		fmt.Printf("%s: %v\n", m.Name, m.Type)
	}
}

运行结果:
get Type is : User
get all Fields is: {1 Allen.Wu 25}
Id: int = 1
Name: string = Allen.Wu
Age: int = 25
ReflectCallFunc: func(main.User)

复制代码
说明

通过运行结果可以得知获取未知类型的interface的具体变量及其类型的步骤为:

  1. 先获取interface的reflect.Type,然后通过NumField进行遍历
  2. 再通过reflect.Type的Field获取其Field
  3. 最后通过Field的Interface()得到对应的value

通过运行结果可以得知获取未知类型的interface的所属方法(函数)的步骤为:

  1. 先获取interface的reflect.Type,然后通过NumMethod进行遍历
  2. 再分别通过reflect.Type的Method获取对应的真实的方法(函数)
  3. 最后对结果取其Name和Type得知具体的方法名
  4. 也就是说反射可以将“反射类型对象”再重新转换为“接口类型变量”
  5. struct 或者 struct 的嵌套都是一样的判断处理方式

通过reflect.Value设置实际变量的值

reflect.Value是通过reflect.ValueOf(X)获得的,只有当X是指针的时候,才可以通过reflec.Value修改实际变量X的值,即:要修改反射类型的对象就一定要保证其值是“addressable”的。

示例如下:

package main

import (
	"fmt"
	"reflect"
)

func main() {

	var num float64 = 1.2345
	fmt.Println("old value of pointer:", num)

	// 通过reflect.ValueOf获取num中的reflect.Value,注意,参数必须是指针才能修改其值
	pointer := reflect.ValueOf(&num)
	newValue := pointer.Elem()

	fmt.Println("type of pointer:", newValue.Type())
	fmt.Println("settability of pointer:", newValue.CanSet())

	// 重新赋值
	newValue.SetFloat(77)
	fmt.Println("new value of pointer:", num)

	////////////////////
	// 如果reflect.ValueOf的参数不是指针,会如何?
	pointer = reflect.ValueOf(num)
	//newValue = pointer.Elem() // 如果非指针,这里直接panic,“panic: reflect: call of reflect.Value.Elem on float64 Value”
}

运行结果:
old value of pointer: 1.2345
type of pointer: float64
settability of pointer: true
new value of pointer: 77
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说明

  1. 需要传入的参数是* float64这个指针,然后可以通过pointer.Elem()去获取所指向的Value,注意一定要是指针
  2. 如果传入的参数不是指针,而是变量,那么
    • 通过Elem获取原始值对应的对象则直接panic
    • 通过CanSet方法查询是否可以设置返回false
  3. newValue.CantSet()表示是否可以重新设置其值,如果输出的是true则可修改,否则不能修改,修改完之后再进行打印发现真的已经修改了。
  4. reflect.Value.Elem() 表示获取原始值对应的反射对象,只有原始对象才能修改,当前反射对象是不能修改的
  5. 也就是说如果要修改反射类型对象,其值必须是“addressable”【对应的要传入的是指针,同时要通过Elem方法获取原始值对应的反射对象】
  6. struct 或者 struct 的嵌套都是一样的判断处理方式

通过reflect.ValueOf来进行方法的调用

这算是一个高级用法了,前面我们只说到对类型、变量的几种反射的用法,包括如何获取其值、其类型、如果重新设置新值。但是在工程应用中,另外一个常用并且属于高级的用法,就是通过reflect来进行方法【函数】的调用。比如我们要做框架工程的时候,需要可以随意扩展方法,或者说用户可以自定义方法,那么我们通过什么手段来扩展让用户能够自定义呢?关键点在于用户的自定义方法是未可知的,因此我们可以通过reflect来搞定

示例如下:

package main

import (
	"fmt"
	"reflect"
)

type User struct {
	Id   int
	Name string
	Age  int
}

func (u User) ReflectCallFuncHasArgs(name string, age int) {
	fmt.Println("ReflectCallFuncHasArgs name: ", name, ", age:", age, "and origal User.Name:", u.Name)
}

func (u User) ReflectCallFuncNoArgs() {
	fmt.Println("ReflectCallFuncNoArgs")
}

// 如何通过反射来进行方法的调用?
// 本来可以用u.ReflectCallFuncXXX直接调用的,但是如果要通过反射,那么首先要将方法注册,也就是MethodByName,然后通过反射调动mv.Call

func main() {
	user := User{1, "Allen.Wu", 25}
	
	// 1. 要通过反射来调用起对应的方法,必须要先通过reflect.ValueOf(interface)来获取到reflect.Value,得到“反射类型对象”后才能做下一步处理
	getValue := reflect.ValueOf(user)

	// 一定要指定参数为正确的方法名
	// 2. 先看看带有参数的调用方法
	methodValue := getValue.MethodByName("ReflectCallFuncHasArgs")
	args := []reflect.Value{reflect.ValueOf("wudebao"), reflect.ValueOf(30)}
	methodValue.Call(args)

	// 一定要指定参数为正确的方法名
	// 3. 再看看无参数的调用方法
	methodValue = getValue.MethodByName("ReflectCallFuncNoArgs")
	args = make([]reflect.Value, 0)
	methodValue.Call(args)
}


运行结果:
ReflectCallFuncHasArgs name:  wudebao , age: 30 and origal User.Name: Allen.Wu
ReflectCallFuncNoArgs

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说明

  1. 要通过反射来调用起对应的方法,必须要先通过reflect.ValueOf(interface)来获取到reflect.Value,得到“反射类型对象”后才能做下一步处理

  2. reflect.Value.MethodByName这.MethodByName,需要指定准确真实的方法名字,如果错误将直接panic,MethodByName返回一个函数值对应的reflect.Value方法的名字。

  3. []reflect.Value,这个是最终需要调用的方法的参数,可以没有或者一个或者多个,根据实际参数来定。

  4. reflect.Value的 Call 这个方法,这个方法将最终调用真实的方法,参数务必保持一致,如果reflect.Value'Kind不是一个方法,那么将直接panic。

  5. 本来可以用u.ReflectCallFuncXXX直接调用的,但是如果要通过反射,那么首先要将方法注册,也就是MethodByName,然后通过反射调用methodValue.Call

Golang的反射reflect性能

Golang的反射很慢,这个和它的API设计有关。在 java 里面,我们一般使用反射都是这样来弄的。

Field field = clazz.getField("hello");
field.get(obj1);
field.get(obj2);
复制代码

这个取得的反射对象类型是 java.lang.reflect.Field。它是可以复用的。只要传入不同的obj,就可以取得这个obj上对应的 field。

但是Golang的反射不是这样设计的:

type_ := reflect.TypeOf(obj)
field, _ := type_.FieldByName("hello")
复制代码

这里取出来的 field 对象是 reflect.StructField 类型,但是它没有办法用来取得对应对象上的值。如果要取值,得用另外一套对object,而不是type的反射

type_ := reflect.ValueOf(obj)
fieldValue := type_.FieldByName("hello")
复制代码

这里取出来的 fieldValue 类型是 reflect.Value,它是一个具体的值,而不是一个可复用的反射对象了,每次反射都需要malloc这个reflect.Value结构体,并且还涉及到GC。

小结

Golang reflect慢主要有两个原因

  1. 涉及到内存分配以及后续的GC;

  2. reflect实现里面有大量的枚举,也就是for循环,比如类型之类的。

总结

上述详细说明了Golang的反射reflect的各种功能和用法,都附带有相应的示例,相信能够在工程应用中进行相应实践,总结一下就是:

  • 反射可以大大提高程序的灵活性,使得interface{}有更大的发挥余地

    • 反射必须结合interface才玩得转
    • 变量的type要是concrete type的(也就是interface变量)才有反射一说
  • 反射可以将“接口类型变量”转换为“反射类型对象”

    • 反射使用 TypeOf 和 ValueOf 函数从接口中获取目标对象信息
  • 反射可以将“反射类型对象”转换为“接口类型变量

    • reflect.value.Interface().(已知的类型)
    • 遍历reflect.Type的Field获取其Field
  • 反射可以修改反射类型对象,但是其值必须是“addressable”

    • 想要利用反射修改对象状态,前提是 interface.data 是 settable,即 pointer-interface
  • 通过反射可以“动态”调用方法

  • 因为Golang本身不支持模板,因此在以往需要使用模板的场景下往往就需要使用反射(reflect)来实现

参考链接

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