深入探究 Golang 反射：功能与原理及应用

程序猿k哥2024-07-21 16:14

Hi 亲爱的朋友们，我是 k 哥。今天，咱们来一同探讨下 Golang 反射。

Go 出于通用性的考量，提供了反射这一功能。借助反射功能，我们可以实现通用性更强的函数，传入任意的参数，在函数内通过反射动态调用参数对象的方法并访问它的属性。举例来说，下面的bridge接口为了支持灵活调用任意函数，在运行时根据传入参数funcPtr，通过反射动态调用funcPtr指向的具体函数。

func bridge(funcPtr interface{}, args ...interface{})

再如，ORM框架函数为了支持处理任意参数对象，在运行时根据传入的参数，通过反射动态对参数对象赋值。

type User struct {
        Name string
        Age  int32
}
user := User{}
db.FindOne(&user)

本文将深入探讨Golang反射包reflect的功能和原理。同时，我们学习某种东西，一方面是为了实践运用，另一方面则是出于功利性面试的目的。所以，本文还会为大家介绍反射的典型应用以及高频面试题。

1 关键功能

reflect包提供的功能比较多，但核心功能是把interface变量转化为反射类型对象reflect.Type和reflect.Value，并通过反射类型对象提供的功能，访问真实对象的方法和属性。本文只介绍3个核心功能，其它方法可看官方文档。

1.对象类型转换。通过TypeOf和ValueOf方法，可以将interface变量转化为反射类型对象Type和Value。通过Interface方法，可以将Value转换回interface变量。

type any = interface{}

// 获取反射对象reflect.Type
// 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 any) Type

// 获取反射对象reflect.Value
// ValueOf returns a new Value initialized to the concrete value stored in the interface i. 
// ValueOf(nil) returns the zero Value.
func ValueOf(i any) Value

// 反射对象转换回interface
func (v Value) Interface() (i any)

示例如下：

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    age := 18
    fmt.Println("type: ", reflect.TypeOf(age)) // 输出type:  int
    value := reflect.ValueOf(age)
    fmt.Println("value: ", value) // 输出value:  18

    fmt.Println(value.Interface().(int)) // 输出18
}

2.变量值设置。通过reflect.Value的SetXX相关方法，可以设置真实变量的值。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。

// Set assigns x to the value v. It panics if Value.CanSet returns false. 
// As in Go, x's value must be assignable to v's type and must not be derived from an unexported field.
func (v Value) Set(x Value)
func (v Value) SetInt(x int64)
...

// Elem returns the value that the interface v contains or that the pointer v points to. It panics if v's Kind is not Interface or Pointer. It returns the zero Value if v is nil.
func (v Value) Elem() Value

示例如下：

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

func main() {
    age := 18
    // 通过reflect.ValueOf获取age中的reflect.Value
    // 参数必须是指针才能修改其值
    pointerValue := reflect.ValueOf(&age)
    // Elem和Set方法结合，相当于给指针指向的变量赋值*p=值
    newValue := pointerValue.Elem()
    newValue.SetInt(28)
    fmt.Println(age) // 值被改变，输出28

    // reflect.ValueOf参数不是指针
    pointerValue = reflect.ValueOf(age)
    newValue = pointerValue.Elem() // 如果非指针，直接panic: reflect: call of reflect.Value.Elem on int Value
}

3.方法调用。Method和MethodByName可以获取到具体的方法，Call可以实现方法调用。

// Method returns a function value corresponding to v's i'th method. 
// The arguments to a Call on the returned function should not include a receiver; 
// the returned function will always use v as the receiver. Method panics if i is out of range or if v is a nil interface value.
func (v Value) Method(i int) Value

// MethodByName returns a function value corresponding to the method of v with the given name.
func (v Value) MethodByName(name string) Value

// Call calls the function v with the input arguments in. For example, if len(in) == 3, v.Call(in) represents the Go call v(in[0], in[1], in[2]). 
// Call panics if v's Kind is not Func. It returns the output results as Values
func (v Value) Call(in []Value) []Value

示例如下：

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

type User struct {
    Age int
}

func (u User) ReflectCallFunc(name string) {
    fmt.Printf("age %d ,name %+v\n", u.Age, name)
}

func main() {
    user := User{18}

    // 1. 通过reflect.ValueOf(interface)来获取到reflect.Value
    getValue := reflect.ValueOf(user)

    methodValue := getValue.MethodByName("ReflectCallFunc")
    args := []reflect.Value{reflect.ValueOf("k哥")}
    // 2. 通过Call调用方法
    methodValue.Call(args) // 输出age 18 ,name k哥
}

2 原理

Go语言反射是建立在Go类型系统和interface设计之上的，因此在聊reflect包原理之前，不得不提及Go的类型和interface底层设计。

2.1 静态类型和动态类型

在Go中，每个变量都会在编译时确定一个静态类型。所谓静态类型（static type），就是变量声明时候的类型。比如下面的变量i，静态类型是interface

var i interface{}

所谓动态类型（concrete type，也叫具体类型），是指程序运行时系统才能看见的，变量的真实类型。比如下面的变量i，静态类型是interface，但真实类型是int

var i interface{}   

i = 18

2.2 interface底层设计

对于任意一个静态类型是interface的变量，Go运行时都会存储变量的值和动态类型。比如下面的变量age，会存储值和动态类型(18, int)

var age interface{}
age = 18

2.3 reflect原理

reflect是基于interface实现的。通过interface底层数据结构的动态类型和数据，构造反射对象。

reflect.TypeOf获取interface底层的动态类型，从而构造出reflect.Type对象。通过Type，可以获取变量包含的方法、字段等信息。

// 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 {
    eface := *(*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i)) // eface为interface底层结构
    return toType(eface.typ) // eface.typ就是interface底层的动态类型
}

func toType(t *rtype) Type {
    if t == nil {
        return nil
    }
    return t
}

reflect.ValueOf获取interface底层的Type和数据，封装成reflect.Value对象。

type Value struct {
    // typ holds the type of the value represented by a Value.
    typ *rtype // 动态类型

    // Pointer-valued data or, if flagIndir is set, pointer to data.
    // Valid when either flagIndir is set or typ.pointers() is true.
    ptr unsafe.Pointer // 数据指针

    // flag holds metadata about the value.
    // The lowest bits are flag bits:
    //  - flagStickyRO: obtained via unexported not embedded field, so read-only
    //  - flagEmbedRO: obtained via unexported embedded field, so read-only
    //  - flagIndir: val holds a pointer to the data
    //  - flagAddr: v.CanAddr is true (implies flagIndir)
    //  - flagMethod: v is a method value.
    // The next five bits give the Kind of the value.
    // This repeats typ.Kind() except for method values.
    // The remaining 23+ bits give a method number for method values.
    // If flag.kind() != Func, code can assume that flagMethod is unset.
    // If ifaceIndir(typ), code can assume that flagIndir is set.
    flag // 标记位，用于标记此value是否是方法、是否是指针等

}

type flag uintptr

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

// unpackEface converts the empty interface i to a Value.
func unpackEface(i interface{}) Value {
    // interface底层结构
    e := (*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i))
    // NOTE: don't read e.word until we know whether it is really a pointer or not.
    // 动态类型
    t := e.typ
    if t == nil {
        return Value{}
    }
    // 标记位，用于标记此value是否是方法、是否是指针等
    f := flag(t.Kind())
    if ifaceIndir(t) {
        f |= flagIndir
    }
    return Value{t, e.word, f} // t为类型，e.word为数据，
}

3 应用

工作中，反射常见应用场景有以下两种：

1.不知道接口调用哪个函数，根据传入参数在运行时通过反射调用。例如以下这种桥接模式：

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

// 函数内通过反射调用funcPtr
func bridge(funcPtr interface{}, args ...interface{}) {
    n := len(args)
    inValue := make([]reflect.Value, n)
    for i := 0; i < n; i++ {
        inValue[i] = reflect.ValueOf(args[i])
    }
    function := reflect.ValueOf(funcPtr)
    function.Call(inValue)
}

func call1(v1 int, v2 int) {
    fmt.Println(v1, v2)
}
func call2(v1 int, v2 int, s string) {
    fmt.Println(v1, v2, s)
}
func main() {
    bridge(call1, 1, 2)         // 输出1 2
    bridge(call2, 1, 2, "test") // 输出1 2 test
}

2.不知道传入函数的参数类型，函数需要在运行时处理任意参数对象，这种需要对结构体对象反射。典型应用场景是ORM，orm示例如下：

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

type User struct {
    Name string
    Age  int32
}

func FindOne(x interface{}) {
    sv := reflect.ValueOf(x)
    sv = sv.Elem()
    // 对于orm，改成从db里查出来再通过反射设置进去
    sv.FieldByName("Name").SetString("k哥")
    sv.FieldByName("Age").SetInt(18)
}

func main() {
    user := &User{}
    FindOne(user)
    fmt.Println(*user) // 输出 {k哥 18}
}

4 高频面试题

1.reflect（反射包）如何获取字段 tag？

通过反射包获取tag。步骤如下:

  1. 通过reflect.TypeOf生成反射对象reflect.Type

  2. 通过reflect.Type获取Field

  3. 通过Field访问tag

    package main

    import (
    "fmt"
    "reflect"
    )

    type User struct {
    Name string json:"name" otherTag:"name"
    age string json:"age"
    }

    func main() {
    user := User{}
    userType := reflect.TypeOf(user)
    field := userType.Field(0)
    fmt.Println(field.Tag.Get("json"), field.Tag.Get("otherTag")) // 输出name name

     field = userType.Field(1)
 fmt.Println(field.Tag.Get("json")) // 输出age

    }

2.为什么 json 包不能导出私有变量的 tag？

从1中的例子中可知，反射可以访问私有变量age的tag。json包之所以不能导出私有变量，是因为json包的实现，将私有变量的tag跳过了。

func typeFields(t reflect.Type) structFields {
    // Scan f.typ for fields to include.
    for i := 0; i < f.typ.NumField(); i++ {
        sf := f.typ.Field(i)
        // 非导出成员(私有变量)，忽略tag
        if !sf.IsExported() {
            // Ignore unexported non-embedded fields.
            continue
        }
        tag := sf.Tag.Get("json")
        if tag == "-" {
            continue
        }          
    }
}

3.json包里使用的时候，结构体里的变量不加tag能不能正常转成json里的字段？

  1. 如果是私有成员，不能转，因为json包会忽略私有成员的tag信息。比如下面的demo中，User结构体中的a和b都不能json序列化。

  2. 如果是公有成员。

  • 不加tag，可以正常转为json里的字段，json的key跟结构体内字段名一致。比如下面的demo，User中的C序列化后，key和结构体字段名保持一致是C。

  • 加了tag，从struct转json的时候，json的key跟tag的值一致。比如下面的demo，User中的D序列化后是d。

    package main

    import (
    "encoding/json"
    "fmt"
    )

    type User struct {
    a string // 小写无tag
    b string json:"b" //小写+tag
    C string //大写无tag
    D string json:"d" //大写+tag
    }

    func main() {
    u := User{
    a: "1",
    b: "2",
    C: "3",
    D: "4",
    }
    fmt.Printf("%+v\n", u) // 输出{a:1 b:2 C:3 D:4}
    jsonInfo, _ := json.Marshal(u)
    fmt.Printf("%+v\n", string(jsonInfo)) // 输出{"C":"3","d":"4"}
    }

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