序言

第一次接触反射技术是在很多年前学习设计模式的时候，那时在优化Java版简单工厂的实现，当读取配置信息中的的类型字符串后利用反射来创建对象实例，替代了switch case语句的分支判断。
第二次接触反射技术是在几年前微服务架构开始大范围流行的时候，那时在考虑异构微服务的多版本集成问题，支持反射的语言（Java等）的序列化就容易很多，而不支持反射的语言(C++等)的序列化就麻烦一些，不过最后统一选择了序列化工具protobuf，支持跨语言。
第三次接触反射技术是在听某个团队Session的时候，那时在简单分享Golang的反射机制，发现很多同学都没什么感觉，主要原因是大家在产品代码中几乎不会使用到反射技术。

在生活中，反射像一面镜子，通过镜子你可以清楚的看见自己的一切。

reflection.png

在计算机中，反射表示程序能够检查自身结构的一种能力，尤其是类型。通过反射，你可以获取对象类型的详细信息，并可动态操作对象。

众所周知，大多数语言都支持反射，但每种语言的反射模型却不尽相同。笔者在这一年多的Golang实践中，学习或二次开发了很多个框架，其中大部分都涉及反射技术，比如GoConvey，GoMock，GoStub，Monkey和gRPC等，所以本文的主角是Golang反射模型。

反射应用的一个简单案例

我们在讨论反射模型之前，先看看反射应用的一个简单案例：

// Stubs represents a set of stubbed variables that can be reset.
type Stubs struct {
    // stubs is a map from the variable pointer (being stubbed) to the original value.
    stubs   map[reflect.Value]reflect.Value
    origEnv map[string]envVal
}

// Stub replaces the value stored at varToStub with stubVal.
// varToStub must be a pointer to the variable. stubVal should have a type
// that is assignable to the variable.
func (s *Stubs) Stub(varToStub interface{}, stubVal interface{}) *Stubs {
    v := reflect.ValueOf(varToStub)
    stub := reflect.ValueOf(stubVal)

    // Ensure varToStub is a pointer to the variable.
    if v.Type().Kind() != reflect.Ptr {
        panic("variable to stub is expected to be a pointer")
    }

    if _, ok := s.stubs[v]; !ok {
        // Store the original value if this is the first time varPtr is being stubbed.
        s.stubs[v] = reflect.ValueOf(v.Elem().Interface())
    }

    // *varToStub = stubVal
    v.Elem().Set(stub)
    return s
}

// Reset resets all stubbed variables back to their original values.
func (s *Stubs) Reset() {
    for v, originalVal := range s.stubs {
        v.Elem().Set(originalVal)
    }
    s.resetEnv()
}

上面的代码来自GoStub框架，Stub方法可以连续对多个全局变量或函数变量打桩，Reset方法对所有全局变量或函数变量的桩进行回滚。
Stub方法有两个参数，第一个参数是变量的地址，第二个参数是变量的桩。这两个参数的类型都是空接口，在方法处理的开始都转换成了reflect.Value类型。然而，无论怎么转换，第一个参数必须是指针，因为最终目标是要改变指针指向的值，所以要进行“址传递”。当指针校验不通过时（v.Type().Kind() != reflect.Ptr），就会触发panic。Stub方法先在map中保存变量指针和变量初始值，然后修改变量指针指向的值为桩。Reset方法将map中保存的所有变量指针指向的值修改为初始值。

这就是反射应用的一个简单案例。大家先了解大体意思就行，不用太纠结技术细节，等理解反射模型后，就会发现it is a piece of cake。

因为反射建立在类型系统之上，所以我们先从基础知识开始:)

类型系统

顾名思义，类型系统是指一个语言的类型体系结构，是一门编程语言的地基。一个典型的类型系统统筹包括如下几本内容：

• 基本类型，如int，bool，float，string等
• 复合类型，如数组，结构体，指针等
• Any类型
• 值语义和引用语义
• 类
• 接口

Golang与Python不同，变量类型是静态的，即变量在创建的时候类型就已经确定。
我们对变量做如下声明：

type MyInt int

var i int
var j MyInt

变量i的类型是int，而变量j的类型是MyInt，虽然底层类型都是int，但是它们的静态类型并不一样，当不经过类型转换直接相互赋值时，编译器会报错。

Golang中的指针相对C/C++语言进行了大量的简化，没有”强大“的指针计算功能，仅仅代表变量的地址，属于复合类型。当指针类型作为函数参数类型时，为“址传递”。
Golang中有四种类型比较特殊，为引用类型，分别为slice，map，channel和interface。当引用类型作为函数参数类型时，为“引用传递”，只能使modify操作生效，而add操作不能生效。要想使add操作生效，必须使用“址传递”，所以json.Unmarshal时引用类型的变量也要进行“址传递”。反过来说，如果没有add操作，则就没有必要进行“址传递”，“引用传递”的效率也很高。
其他类型作为函数参数类型时均为“值传递”。

在Golang中，可以给任意自定义类型添加相应的方法，指针类型除外。

type Integer int
func (a Integer) Less(b Integer) bool { 
    return a < b
 }

Integer和int属于不同的静态类型，更重要的是Integer可以像普通的类一样使用：

func main() {
    var a Integer = 1 
    if a.Less(2) {
        fmt.Println(a, "Less 2")
    }
}

Golang中的struct和其它语言中的class有同等重要的地位，但是Golang放弃了包括继承在内的大量面向对象特性，通过组合来解决所有问题（通过匿名组合来模拟继承的一部分功能）。

Golang中的interface是整个类型系统的基石：

• 非侵入式：一个类只要实现了接口要求的所有函数，就说这个类实现了该接口
• 接口赋值：既可以将对象实例赋值给接口，也可以将一个接口赋值给另一个接口
• 接口查询：可以直接了当地询问接口指向的对象实例是否实现了另一个接口
• 类型查询：可以直接了当地询问接口指向的对象实例的类型
• 接口组合：可以认为接口组合式类型匿名组合的一个特殊场景
• Any类型：任意类型都实现了零个或多个方法，那就是说任意类型都实现了空接口interface{}，即interface{}是可以指向任意对象的Any类型

反射模型

在Golang的实现中，每个interface变量都有一个对应的pair，pair中记录了实际变量的值和类型，即(value, type)。在基本的层面上，反射只是一个检查存储在interface变量中的value和type的算法，value和type用类型reflect.Value和reflect.Type描述。
尽管从reflect.Value也很容易得到reflect.Type（reflect.Value.Type()），但为了让value和type在概念上进行分离，我们更习惯用pair进行表达。

经过学习和实践，我们将Golang中的反射模型形式化表达如下：

interface --> (value, type)
(value, type) --> (value, kind)
(value, type) --> interface
(value, type) --> (value1, type)

interface --> (value, type)

定义类File：

type File struct { 
    ...
}
func (f *File) Read(buf []byte) (n int, err error) ｛
    ...
｝

func (f *File) Write(buf []byte) (n int, err error) ｛
    ...
｝

func (f *File) Seek(off int64, whence int) (pos int64, err error) ｛
    ...
｝

func (f *File) Close() error ｛
    ...
｝

定义接口Reader，Writer和Closer：

type Reader interface {
    Read(buf []byte) (n int, err error)
}

type Writer interface {
    Write(buf []byte) (n int, err error)
}

type Closer interface {
    Close() error
}

尽管File类并没有从这些接口继承，甚至可以不知道这些接口的存在，但是File类却实现了这些接口：

f := &File{}
var r Reader
r = f
var w Writer
w = r.(Writer)
var c Closer
c = w.(Closer)

空接口可以直接赋值：

var e interface{}
e = c

上面代码中，r，w，c和e的pair均为(f, *File)。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。

如何从接口变量中获取value和type信息？
通过reflect.ValueOf函数获取value，通过reflect.TypeOf函数获取type：

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

type MyInt int

func main() {
    var i MyInt = 10
    fmt.Println("value: ", reflect.ValueOf(i))
    fmt.Println("type: ", reflect.TypeOf(i))
}

运行时输出的结果是：

value:  10
type:  main.MyInt

可见type中描述的是静态类型。

(value, type) --> (value, kind)

(value, type)中的type描述的是静态类型，那如何才能知道底层类型？

reflect.Type有一个Kind方法，而通过Kind方法返回一个常量来表示底层类型：

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
)

type MyInt int

func main() {
    var i MyInt = 10
    fmt.Println("type: ", reflect.TypeOf(i))
    fmt.Println("type.Kind: ", reflect.TypeOf(i).Kind())
}

运行时输出的结果是：

type:  main.MyInt
type.Kind:  int

底层类型在reflect包中有详细的定义：

// A Kind represents the specific kind of type that a Type represents.
// The zero Kind is not a valid kind.
type Kind uint

const (
    Invalid Kind = iota
    Bool
    Int
    Int8
    Int16
    Int32
    Int64
    Uint
    Uint8
    Uint16
    Uint32
    Uint64
    Uintptr
    Float32
    Float64
    Complex64
    Complex128
    Array
    Chan
    Fun
    Interface
    Map
    Ptr
    Slice
    String
    Struct
    UnsafePointer
)

(value, type) --> interface

reflect.Value可以使用Interface方法还原接口值，该方法高效的打包类型和值信息到接口值中，并返回这个结果:

func (v Value) Interface() (i interface{}) {
    return valueInterface(v, true)
}

当得到一个类型为reflect.Value的变量，可以通过下面的方式转换变量的类型：

t := v.Interface().(T)

当类型查询成功后，t就可以使用T的成员和方法。

reflect.Value除过能直接转换成Interface{}，还可以直接转换成基本类型，比如：

func (v Value) Bool() bool
func (v Value) Bytes() []byte
func (v Value) Int() int64
func (v Value) Float() float64
...

以Int方法为例，如果v.Kind()不是Int, Int8, Int16, Int32, 活着Int64，会触发panic。

(value, type) --> (value1, type)

reflect.Value变量是通过reflect.Value(n)获得的，n可能是值也可能是指针。

当n是值时，不能通过reflect.Value修改n的值：

n := 3.4
v := reflect.ValueOf(n)
fmt.Println("settability of v:", v.CanSet())
v.SetFloat(4.1)

运行上面的代码，结果如下：

settability of v: false
panic: reflect: reflect.Value.SetFloat using unaddressable value

当n是指针时，可以通过reflect.Value修改n指向的变量的值：

m := 3.4
n := &m
p := reflect.ValueOf(n)
v := p.Elem()
fmt.Println("settability of v:", v.CanSet())
v.SetFloat(4.1)
fmt.Println("m: ", m)

运行上面的代码，结果如下：

settability of v: true
m:  4.1

进阶话题

对结构的反射操作

对于结构的反射操作并没有根本的不同，只是用了reflect.Value和reflect.Type的Field方法按索引获取对应的成员，比如：

type Student struct {
    Id   int
    Name string
}

s := Student{100032, "zxl"}
v := reflect.ValueOf(s)
t := v.Type()
for i := 0; i < v.NumField(); i++ {
    f := v.Field(i)
    fmt.Printf("%d: %s %s = %v\n", i,
        t.Field(i).Name, f.Type(), f.Interface())
}

运行上面的代码，结果如下：

0: Id int = 100032
1: Name string = zxl

如果想修改结构体中成员的值时，则

• v.CanSet()必须为true
• 该成员名必须大写（可导出）

type Student struct {
    Id   int
    Name string
}

s := Student{100032, "zxl"}
v := reflect.ValueOf(&s).Elem()
t := v.Type()
v.Field(0).SetInt(230001)
v.Field(1).SetString("lxz")
for i := 0; i < v.NumField(); i++ {
    f := v.Field(i)
    fmt.Printf("%d: %s %s = %v\n", i,
        t.Field(i).Name, f.Type(), f.Interface())
}

运行上面的代码，结果如下：

0: Id int = 230001
1: Name string = lxz

通过反射创建一个匿名函数

假设函数FuncReturing的功能是创建一个匿名函数：

func FuncReturning(funcType reflect.Type, results ...interface{}) reflect.Value {
    var resultValues []reflect.Value
    for i, r := range results {
        var retValue reflect.Value
        if r == nil {
            retValue = reflect.Zero(funcType.Out(i))
        } else {
            tempV := reflect.New(funcType.Out(i))
            tempV.Elem().Set(reflect.ValueOf(r))
            retValue = tempV.Elem()
        }
        resultValues = append(resultValues, retValue)
    }
    return reflect.MakeFunc(funcType, func(_ []reflect.Value) []reflect.Value {
        return resultValues
    })
}

函数FuncReturing的第一个参数funcType用于描述匿名函数的类型，其余参数results是一个变参（本质是数组切片的语法糖），用于匿名函数的返回值的输入:

• 当results中的元素r等于nil时，我们不能直接使用reflect.ValueOf(nil)，而是生成一个reflect.Value零值
• 当results中的元素r不等于nil时，我们不能直接使用reflect.ValueOf(r)，而是先使用reflect.New生成一个reflect.Value对象，然后设置这个对象的数据

最后通过reflect.MakeFunc生成一个funcType类型的匿名函数。

注：为了简单起见，例子中的匿名函数只关注返回值，而对参数不care。

通过反射调用函数或方法

在反射中，函数或方法的底层类型都是reflect.Func。如果要调用函数或方法的话，可以使用reflect.Value的Call方法，参数和返回值类型都是[]reflect.Value。

通过反射调用函数

示例代码：

func prints(i int) string {
    fmt.Println("i =", i)
    return strconv.Itoa(i)
}

func main() {
    v := reflect.ValueOf(prints)
    params := make([]reflect.Value, 1)
    params[0] = reflect.ValueOf(20)
    fmt.Println("result:", v.Call(params)[0])
}

运行上面的代码，结果如下：

i = 20
result: 20

通过反射调用方法

方法和函数可以说在本质上是相同的，只不过方法与一个对象进行了绑定，方法是对象的一种行为，比如：

type Student struct {
    id   int
    name string
}

func (s *Student) SetId(id int) {
    s.id = id
}

func (s *Student) SetName(name string) {
    s.name = name
}

func (s *Student) String() string {
    return "id = " + strconv.Itoa(s.id) + ", " + "name = " + s.name
}

使用reflect.Value的MethodByName方法:

func main() {
    s := &Student{100032, "zxl"}
    v := reflect.ValueOf(s)
    fmt.Println("Before:", v.MethodByName("String").Call(nil)[0])

    params := make([]reflect.Value, 1)
    params[0] = reflect.ValueOf(230001)
    v.MethodByName("SetId").Call(params)

    params[0] = reflect.ValueOf("lxz")
    v.MethodByName("SetName").Call(params)

    fmt.Println("After:", v.MethodByName("String").Call(nil)[0])
}

运行上面的代码，结果如下：

Before: id = 100032, name = zxl
After: id = 230001, name = lxz

使用reflect.Value的Method方法:

func main() {
    s := &Student{100032, "zxl"}
    v := reflect.ValueOf(s)
    fmt.Println("Before:", v.Method(2).Call(nil)[0])

    params := make([]reflect.Value, 1)
    params[0] = reflect.ValueOf(230001)
    v.Method(0).Call(params)

    params[0] = reflect.ValueOf("lxz")
    v.Method(1).Call(params)

    fmt.Println("After:", v.Method(2).Call(nil)[0])
}

运行上面的代码，结果如下：

Before: id = 100032, name = zxl
After: id = 230001, name = lxz

小结

本文先通过一个简单案例来说明Golang反射技术的价值，接着简单回顾了类型系统，然后详细阐述了Golang反射模型：

interface --> (value, type)
(value, type) --> (value, kind)
(value, type) --> interface
(value, type) --> (value1, type)

最后又加了几道关于进阶话题的菜：

• 对结构的反射操作
• 通过反射创建一个匿名函数
• 通过反射调用函数或方法

希望对读者理解Golang反射模型有一定的帮助。