面向对象 - 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。一个典型的类型系统通常包含如下基本内容：

• 基础类型，如 byte、int、bool、float 等；
• 复合类型，如数组、结构体、指针等；
• 可以指向任意对象的类型（Any 类型）；
• 值语义和引用语义；
• 面向对象，即所有具备面向对象特征（比如成员方法）的类型；
• 接口。

  类型系统描述的是这些内容在一个语言中如何被关联。因为 Java 语言自诞生以来被称为最纯正的面向对象语言，所以就先以Java语言为例说说类型系统。

  在 Java 语言中，存在两套完全独立的类型系统：一套是值类型系统，主要是基本类型，如 byte、int、boolean、char、double 等，这些类型基于值语义；一套是以 Object 类型为根的对象类型系统，这些类型可以定义成员变量和成员方法，可以有虚函数，基于引用语义，只允许在堆上创建（通过使用关键字 new）。Java 语言中的 Any 类型就是整个对象类型系统的根—— java.lang.Object 类型，只有对象类型系统中的实例才可以被 Any 类型引用。值类型想要被 Any 类型引用，需要装箱（boxing）过程，比如 int 类型需要装箱成为 Integer 类型。另外，只有对象类型系统中的类型才可以实现接口，具体方法是让该类型从要实现的接口继承。

  相比之下，Go 语言中的大多数类型都是值语义，并且都可以包含对应的操作方法。在需要的时候，你可以给任何类型（包括内置类型）增加新方法。而在实现某个接口时，无需从该接口继承（事实上，Go 语言根本就不支持面向对象思想中的继承语法），只需要实现该接口要求的所有方法即可。任何类型都可以被 Any 类型引用。Any 类型就是空接口，即 interface{}。

为类型添加方法

  在 Go 语言中，你可以给任意类型（包括内置类型，但不包括指针类型）添加相应的方法，例如：

type Integer int // Go 中没有 Integer 类型，这个是自定义的一个类型，它的类型为 int，听着有点拗口，但这正是 Go 中给内置类型添加方法的方式

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

  在这个例子中，我们定义了一个新类型 Integer，它和 int 没有本质不同，只是它为内置的 int 类型增加了个新方法 Less()。

  这样实现了 Integer 后，就可以让整型像一个普通的类一样使用：

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

  在学其他语言（尤其是 C++ 语言）的时候，很多初学者对面向对象的概念感觉很神秘，不知道那些继承和多态到底是怎么发生的。其实 C++ 等语言中的面向对象都只是相当于在 C 语言基础上添加的一个语法糖，接下来解释一下为什么可以这么理解。

  上面的这个 Integer 例子如果不使用 Go 语言的面向对象特性，而使用之前介绍的面向过程方式实现的话，相应的实现细节将如下所示：

type Integer int

func Integer_Less(a Integer, b Integer) bool {
    return a < b
}

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

  在Go语言中，面向对象的神秘面纱被剥得一干二净。对比下面的两段代码：

func (a Integer) Less(b Integer) bool { // 面向对象
    return a < b
}

func Integer_Less(a Integer, b Integer) bool { // 面向过程
    return a < b
}

a.Less(2) // 面向对象的用法
Integer_Less(a, 2) // 面向过程的用法

  可以看出，面向对象只是换了一种语法形式来表达。C++ 语言的面向对象之所以让有些人迷惑的一大原因就在于其隐藏的 this 指针。一旦把隐藏的 this 指针显露出来，大家看到的就是一个面向过程编程。感兴趣的读者可以去查阅《深度探索C++对象模型》这本书，看看 C++ 语言是如何对应到 C 语言的。而 Java 和 C# 其实都是遵循着 C++ 语言的惯例而设计的，它们的成员方法中都带有一个隐藏的 this 指针。如果你了解 Python 语法，就会知道 Python 的成员方法中会有一个 self 参数，它和 this 指针的作用是完全一样的。

  我们对于一些事物的不理解或者畏惧，原因都在于这些事情所有意无意带有的绚丽外衣和神秘面纱。只要揭开这一层直达本质，就会发现一切其实都很简单。

  在Go语言中没有隐藏的 this 指针这句话的含义是：

• 方法施加的目标（也就是“对象”）显式传递，没有被隐藏起来；
• 方法施加的目标（也就是“对象”）不需要非得是指针，也不用非得叫 this。

  对比Java语言的代码：

class Integer {
    private int val;

    public boolean Less(Integer b) {
        return this.val < b.val;
    }
}

  对于这段 Java 代码，初学者可能会比较难以理解其背后的机制，以及 this 到底从何而来。这主要是因为 Integer 类的 Less() 方法隐藏了第一个参数 Integer* this。如果将其翻译成 C 代码，会更清晰：

struct Integer {
    int val;
};
bool Integer_Less(Integer* this, Integer* b) {
    return this->val < b->val;
}

  Go 语言中的面向对象最为直观，也无需支付额外的成本。如果要求对象必须以指针传递，这有时会是个额外成本，因为对象有时很小（比如4字节），用指针传递并不划算。

  只有在你需要修改对象的时候，才必须用指针。它不是 Go 语言的约束，而是一种自然约束。举个例子：

func (a *Integer) Add(b Integer) {
    *a += b
}

  这里为 Integer 类型增加了 Add() 方法。由于 Add() 方法需要修改对象的值，所以需要用指针引用。调用如下：

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

  运行该程序，得到的结果是：a = 3。如果你实现成员方法时传入的不是指针而是值（即传入 Integer，而非 *Integer），如下所示：

func (a Integer) Add(b Integer) {
    a += b
}

  那么运行程序得到的结果是：a = 1，也就是维持原来的值。可以亲自动手尝试一下。究其原因，是因为 Go 语言和 C 语言一样，类型都是基于值传递的。要想修改变量的值，只能传递指针。

  Go 语言包经常使用此功能，比如 http 包中关于 HTTP 头部信息的 Header 类型（参见 $GOROOT/src/pkg/http/header.go）就是通过 Go 内置的 map 类型赋予新的语义来实现的。下面是 Header 类型实现的部分代码:

// Header类型用于表达HTTP头部的键值对信息
type Header map[string][]string

// Add()方法用于添加一个键值对到HTTP头部
// 如果该键已存在，则会将值添加到已存在的值后面
func (h Header) Add(key, value string) {
    textproto.MIMEHeader(h).Add(key, value)
}

// Set()方法用于设置某个键对应的值，如果该键已存在，则替换已存在的值
func (h Header) Set(key, value string) {
    textproto.MIMEHeader(h).Set(key, value)
}

// 还有更多其他方法

  Header 类型其实就是一个 map，但通过为 map 起一个 Header 别名并增加了一系列方法，它就变成了一个全新的类型，但这个新类型又完全拥有 map 的功能。是不是很酷?

  Go 语言包里还有很多类似的例子，这里就不一一列举了。Go 语言毕竟还是一门比较新的语言，学习资源相比 C++/Java/C# 自然会略显缺乏。其实 Go 语言包的实现代码非常精致耐读，是学习 Go 语言编程的最佳示例。大家在学习和工作中一定要记得时常翻看 Go 语言包的代码，这可以达到事半功倍的效果。

值语义和引用语义

  值语义和引用语义的差别在于赋值，比如下面的例子：

b = a
b.Modify()

  如果 b 的修改不会影响 a 的值，那么此类型属于值类型。如果会影响 a 的值，那么此类型是引用类型。

  Go 语言中的大多数类型都基于值语义，包括：

• 基本类型，如 byte、int、bool、float32、float64 和 string 等；
• 复合类型，如数组（array）、结构体（struct）和指针（pointer）等。

  Go 语言中类型的值语义表现得非常彻底。我们之所以这么说，是因为数组。

  如果之前学过 C 语言，就会知道 C 语言中的数组比较特别。通过函数传递一个数组的时候基于引用语义，但是在结构体中定义数组变量的时候基于值语义（表现在为结构体赋值的时候，该数组会被完整地复制）。

  Go 语言中的数组和基本类型没有区别，是很纯粹的值类型，例如：

var a = [3]int{1, 2, 3}
var b = a
b[1]++
fmt.Println(a, b)

  该程序的运行结果如下：

[1 2 3] [1 3 3]。

  这表明 b = a 赋值语句是数组内容的完整复制。要想表达引用，需要用指针：

var a = [3]int{1, 2, 3}
var b = &a
b[1]++
fmt.Println(a, *b)

  该程序的运行结果如下：

[1 3 3] [1 3 3]

  这表明 b = &a 赋值语句是数组内容的引用。变量 b 的类型不是 [3]int，而是 *[3]int 类型。

  Go 语言中有4个类型比较特别，看起来像引用类型（实际上在使用中就可以当做引用类型使用，不需使用 & 获取指针），如下所示。

• 数组切片：指向数组（array）的一个区间。
• map：极其常见的数据结构，提供键值查询能力。
• channel：执行体（goroutine）间的通信设施。
• 接口（interface）：对一组满足某个契约的类型的抽象。

  但是这并不影响我们将 Go 语言类型看做值语义。下面我们来看看这4个类型。

  数组切片本质上是一个区间，你可以大致将 []T 表示为：

type slice struct {
    first *T
    len int
    cap int
}

  因为数组切片内部是指向数组的指针，所以可以改变所指向的数组元素并不奇怪。数组切片类型本身的赋值仍然是值语义。

  map 本质上是一个字典指针，你可以大致将 map[K]V 表示为：

type Map_K_V struct {
    // ...
}

type map[K]V struct {
    impl *Map_K_V
}

  基于指针，我们完全可以自定义一个引用类型，如：

type IntegerRef struct {
    impl *int
}

  channel 和 map 类似，本质上是一个指针。将它们设计为引用类型而不是统一的值类型的原因是，完整复制一个 channel 或 map 并不是常规需求。

  同样，接口具备引用语义，是因为内部维持了两个指针，示意为：

type interface struct {
    data *void
    itab *Itab
}

  接口在 Go 语言中的地位非常重要。