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
  • 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:

  1. (value, type)

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：

  1. tty, err := os.OpenFile("/dev/tty", os.O_RDWR, 0)
  3. var r io.Reader
  4. r = tty

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:

  1. var w io.Writer
  2. w = r.(io.Writer)

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。

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "io"
  6.     "os"
  7. )
  10. func main() {
  11.     tty, err := os.OpenFile("/dev/tty", os.O_RDWR, 0)
  12.     if err != nil {
  13.         fmt.Println("open file error", err)
  14.         return
  15.     }
  17.     var r io.Reader
  18.     r = tty
  20.     var w io.Writer
  21.     w = r.(io.Writer)
  22.     w.Write([]byte("HELLO THIS IS A TEST!!!\n"))
  23. }

再比如:

  1. package main
  3. import "fmt"
  5. type Reader interface {
  6.     ReadBook()
  7. }
  9. type Writer interface {
  10.     WriteBook()
  11. }
  13. //具体类型
  14. type Book struct {
  15. }
  17. func (this *Book) ReadBook() {
  18.     fmt.Println("Read a book.")
  19. }
  21. func (this *Book) WriteBook() {
  22.     fmt.Println("Write a book.")
  23. }
  25. func main() {
  26.     b := &Book{}
  28.     var r Reader
  29.     r = b
  31.     r.ReadBook()
  33.     var w Writer
  34.     w = r.(Writer)
  35.     w.WriteBook()
  36. }

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

  1. // ValueOf returns a new Value initialized to the concrete value
  2. // stored in the interface i.  ValueOf(nil) returns the zero 
  3. func ValueOf(i interface{}) Value {...}
  5. //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
  8. // TypeOf returns the reflection Type that represents the dynamic type of i.
  9. // If i is a nil interface value, TypeOf returns nil.
  10. func TypeOf(i interface{}) Type {...}
  12. //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

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

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "reflect"
  6. )
  8. func main() {
  9.     var num float64 = 1.2345
  11.     fmt.Println("type: ", reflect.TypeOf(num))
  12.     fmt.Println("value: ", reflect.ValueOf(num))
  13. }
  15. 运行结果:
  16. type:  float64
  17. value:  1.2345

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：

  1. realValue := value.Interface().(已知的类型)

示例如下：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "reflect"
  6. )
  8. func main() {
  9.     var num float64 = 1.2345
  11.     pointer := reflect.ValueOf(&num)
  12.     value := reflect.ValueOf(num)
  14.     // 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
  15.     // Golang 对类型要求非常严格，类型一定要完全符合
  16.     // 如下两个，一个是*float64，一个是float64，如果弄混，则会panic
  17.     convertPointer := pointer.Interface().(*float64)
  18.     convertValue := value.Interface().(float64)
  20.     fmt.Println(convertPointer)
  21.     fmt.Println(convertValue)
  22. }
  24. 运行结果：
  25. 0xc42000e238
  26. 1.2345

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:

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "reflect"
  6. )
  8. type User struct {
  9.     Id   int
  10.     Name string
  11.     Age  int
  12. }
  14. func (u User) ReflectCallFunc() {
  15.     fmt.Println("Allen.Wu ReflectCallFunc")
  16. }
  18. func main() {
  20.     user := User{1, "Allen.Wu", 25}
  22.     DoFiledAndMethod(user)
  24. }
  26. // 通过接口来获取任意参数，然后一一揭晓
  27. func DoFiledAndMethod(input interface{}) {
  29.     getType := reflect.TypeOf(input)
  30.     fmt.Println("get Type is :", getType.Name())
  32.     getValue := reflect.ValueOf(input)
  33.     fmt.Println("get all Fields is:", getValue)
  35.     // 获取方法字段
  36.     // 1. 先获取interface的reflect.Type，然后通过NumField进行遍历
  37.     // 2. 再通过reflect.Type的Field获取其Field
  38.     // 3. 最后通过Field的Interface()得到对应的value
  39.     for i := 0; i < getType.NumField(); i++ {
  40.         field := getType.Field(i)
  41.         value := getValue.Field(i).Interface()
  42.         fmt.Printf("%s: %v = %v\n", field.Name, field.Type, value)
  43.     }
  45.     // 获取方法
  46.     // 1. 先获取interface的reflect.Type，然后通过.NumMethod进行遍历
  47.     for i := 0; i < getType.NumMethod(); i++ {
  48.         m := getType.Method(i)
  49.         fmt.Printf("%s: %v\n", m.Name, m.Type)
  50.     }
  51. }
  53. 运行结果：
  54. get Type is : User
  55. get all Fields is: {1 Allen.Wu 25}
  56. Id: int = 1
  57. Name: string = Allen.Wu
  58. Age: int = 25
  59. ReflectCallFunc: func(main.User)

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：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "reflect"
  6. )
  8. func main() {
  10.     var num float64 = 1.2345
  11.     fmt.Println("old value of pointer:", num)
  13.     // 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
  14.     pointer := reflect.ValueOf(&num)
  15.     newValue := pointer.Elem()
  17.     fmt.Println("type of pointer:", newValue.Type())
  18.     fmt.Println("settability of pointer:", newValue.CanSet())
  20.     // 重新赋值
  21.     newValue.SetFloat(77)
  22.     fmt.Println("new value of pointer:", num)
  24.     ////////////////////
  25.     // 如果reflect.ValueOf的参数不是指针，会如何？
  26.     pointer = reflect.ValueOf(num)
  27.     //newValue = pointer.Elem() // 如果非指针，这里直接panic，“panic: reflect: call of reflect.Value.Elem on float64 Value”
  28. }
  30. 运行结果：
  31. old value of pointer: 1.2345
  32. type of pointer: float64
  33. settability of pointer: true
  34. new value of pointer: 77

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：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "reflect"
  6. )
  8. type User struct {
  9.     Id   int
  10.     Name string
  11.     Age  int
  12. }
  14. func (u User) ReflectCallFuncHasArgs(name string, age int) {
  15.     fmt.Println("ReflectCallFuncHasArgs name: ", name, ", age:", age, "and origal User.Name:", u.Name)
  16. }
  18. func (u User) ReflectCallFuncNoArgs() {
  19.     fmt.Println("ReflectCallFuncNoArgs")
  20. }
  22. // 如何通过反射来进行方法的调用？
  23. // 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
  25. func main() {
  26.     user := User{1, "Allen.Wu", 25}
  28.     // 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
  29.     getValue := reflect.ValueOf(user)
  31.     // 一定要指定参数为正确的方法名
  32.     // 2. 先看看带有参数的调用方法
  33.     methodValue := getValue.MethodByName("ReflectCallFuncHasArgs")
  34.     args := []reflect.Value{reflect.ValueOf("wudebao"), reflect.ValueOf(30)}
  35.     methodValue.Call(args)
  37.     // 一定要指定参数为正确的方法名
  38.     // 3. 再看看无参数的调用方法
  39.     methodValue = getValue.MethodByName("ReflectCallFuncNoArgs")
  40.     args = make([]reflect.Value, 0)
  41.     methodValue.Call(args)
  42. }
  45. 运行结果：
  46. ReflectCallFuncHasArgs name:  wudebao , age: 30 and origal User.Name: Allen.Wu
  47. ReflectCallFuncNoArgs

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。

  1. Field field = clazz.getField("hello");
  2. field.get(obj1);
  3. field.get(obj2);

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:

  1. type_ := reflect.TypeOf(obj)
  2. field, _ := type_.FieldByName("hello")

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

  1. type_ := reflect.ValueOf(obj)
  2. fieldValue := type_.FieldByName("hello")

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。

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

反射的基本原理

反射