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深度思考：为什么需要泛型？

2024-02-22 23

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简介： 深度思考：为什么需要泛型？

不知道大家平时在进行后端编程的时候有没有考虑过一个概念：泛型编程，就像面向对象、面向接口编程一样，很常用以致于用成为了大家广泛的习惯，在后端常用编程语言中，无论是Java、C++都支持泛型编程，而在2022年的3月份，随着Go1.18稳定版本的发布，Go自1.18版本起，也支持了“泛型(Generics)”这一特性，这同时也是Go语言在语法层面的一次重大改变。

虽然之前在使用Java进行编程时经常用到泛型，但是未曾思考过到底为什么需要泛型？没有泛型会怎样？泛型带来了什么作用？泛型的实现原理是怎样的？等等问题。

因为Go1.18版本发布已有几个月的时间，各个IDE也陆续支持Go语言泛型编码，因此也通过一些资料学习了Go语言泛型这个新特性，并且对此做了一些思考，想以一篇文章来向大家分享自己的思考经验和见解，同时也会以实际代码的方式使用Java、Go语言的泛型特性，剖析其原理，下面开始正文。

1 什么是泛型？

维基百科提到：最初泛型编程这个概念来自于缪斯·大卫和斯捷潘诺夫. 亚历山大合著的“泛型编程”一文。那篇文章对泛型编程的诠释是：“泛型编程的中心思想是对具体的、高效的算法进行抽象，以获得通用的算法，然后这些算法可以与不同的数据表示法结合起来，产生各种各样有用的软件”。说白了就是将算法与类型解耦，实现算法更广泛的复用。

在我看来，泛型是同接口类似，也是编程的一种规范，也可以说是一种风格，泛型编程可以让开发者在编写代码时约束变量、容器、对象、结构体的类型，对类型清晰的掌握可以减少bug的产生，增强代码的可读性，让抽象变得更加具体和实用。基于泛型的程序，由于传入的参数不同，程序会实现不同的功能。这也被叫做一种多态现象，叫做参数化多态（Parametric Polymorphism）。

2 编程语言中泛型编程的实例

2.1 Java泛型编程

请移步这篇文章《玩转Java泛型》

2.2 Go泛型编程

package main
import "fmt"
type MyList[T any] struct {
   Items []Item[T]
}
type Item[T any] struct {
   Index int
   Value T
}
func (list *MyList[T]) AddItem(i T) {
   item := Item[T]{Value: i, Index: len(list.Items)}
   list.Items = append(list.Items, item)
}
func (list *MyList[T]) GetItem(index int) T {
   l := list.Items
   var val T
   for i := range l {
      if l[i].Index == index {
         val = l[i].Value
      }
   }
   return val
}
func (list *MyList[T]) Print() {
   for i := range list.Items {
      fmt.Println(list.Items[i])
   }
}
type MyHashMap[K comparable, V any] struct {
   Value map[K]V
}
func (m *MyHashMap[K, V]) SetValue(k K, v V) {
   m.Value[k] = v
}
func (m *MyHashMap[K, V]) GetValue(k K) V {
   return m.Value[k]
}
func (m *MyHashMap[K, V]) Print() {
   for k := range m.Value {
      fmt.Println(k, m.Value[k])
   }
}
func main() {
   list := MyList[int]{}
   list.AddItem(1)
   list.AddItem(2)
   item := list.GetItem(7)
   list.Print()
   hashMap := MyHashMap[string, int]{map[string]int{"A": 1, "B": 2}}
   hashMap.SetValue("s", 2)
   value := hashMap.GetValue("s")
   hashMap.Print()
}

具体Go泛型编程内容可以看下这篇文章哈：《一文搞懂Go1.18泛型新特性》

3 为什么需要泛型？

回答这个问题之前，我们不妨思考下，在一些场景下如果没有泛型会怎样：

public class Main {
    static class Score {
        String name;
        int num;
        public Score(String name, int num) {
            this.name = name;
            this.num = num;
        }
    }
    public static int getSum(List<Score> scores) {
        int sum = 0;
        for (Score score : scores) {
            sum += score.num;
        }
        return sum;
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<Score> scores = Arrays.asList(
                new Score("zs", 100),
                new Score("ls", 80),
                new Score("ww", 90.5) //编译不通过
        );
        int sum = getSum(scores);
        System.out.println(sum);
    }
}

没有泛型时解决上述问题：

public class Main {
    static class Score {
        String name;
        int num;
        public Score(String name, int num) {
            this.name = name;
            this.num = num;
        }
    }
    static class Score2 {
        String name;
        float num;
        public Score2(String name, float num) {
            this.name = name;
            this.num = num;
        }
    }
    public static int getIntSum(List<Score> scores) {
        int sum = 0;
        for (Score score : scores) {
            sum += score.num;
        }
        return sum;
    }
    public static float getFloatSum(List<Score2> scores) {
        float sum = 0;
        for (Score2 score : scores) {
            sum += score.num;
        }
        return sum;
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<Score> scores = Arrays.asList(
                new Score("zs", 100),
                new Score("ls", 80)
        );
        List<Score2> scores2 = Arrays.asList(
                new Score2("zs", 89.5f),
                new Score2("ls", 80.5f)
        );
        int sum = getIntSum(scores);
        float sum2 = getFloatSum(scores2);
        System.out.println(sum+sum2);
    }
}

接下来我们引入泛型：

public class Main {
    static class Score<T> {
        String name;
        T num;
        public Score(String name, T num) {
            this.name = name;
            this.num = num;
        }
    }
    public static int getIntSum(List<Score<Integer>> scores) {
        int sum = 0;
        for (Score<Integer> score : scores) {
            sum += score.num;
        }
        return sum;
    }
    public static float getFloatSum(List<Score<Float>> scores) {
        float sum = 0;
        for (Score<Float> score : scores) {
            sum += score.num;
        }
        return sum;
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<Score<Integer>> scores = Arrays.asList(
                new Score("zs", 100),
                new Score("ls", 80)
        );
        List<Score<Float>> scores2 = Arrays.asList(
                new Score("zs", 89.5f),
                new Score("ls", 80.5f)
        );
        int sum = getIntSum(scores);
        float sum2 = getFloatSum(scores2);
        System.out.println(sum+sum2);
    }
}

所以，使用泛型的原因：

泛化
类型安全
消除强制类型转换
向后兼容

图示：

4 总结泛型的实现原理

大多数静态类型语言的泛型实现都是在编译期进行，也就是编译的前端实现，主要的技术包括类型擦除、具体化和基于元编程等进行的，比如Java的泛型就是基于类型擦除实现，在编译前端进行类型检查即可，编译之后的字节码不管有没有泛型都是一样的，运行时也是如此。而Go语言的泛型实现则不同，Go使用类似于具体化的方式实现泛型，就是在运行时使用类型信息，根据类型参数创建不同的具体类型的变量。