GO Generic 入門筆記
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###### tags: `Go`
# 類型安全
## 過往使用interface{}
a和b的類型在執行時才會被檢查，這就增加了出錯的可能性。
```go=
func Add(a, b interface{}) interface{} {
return a.(int) + b.(int) // 需要type assertion，且不安全
}
```
## Generic 類型約束
泛型透過在編譯時期進行類型檢查，来解决這個問題。
```go=
func Add[T Addable](a, b T) T {
return a + b // 類型安全
}
```
Addable是一個類型約束，只允许那些满足某些條件的類型（比如，可以進行加法操作的類型）作为泛型参数。
# 性能議題
Generic 由于其高度抽象，可能會讓人擔心性能損失議題. 但事實上, 在Go語言中, Generic的實現方式是在編譯時期產生特定類型的程式碼, 因此性能損失議題是可以控制評估的.
```go=
// 編譯時期會產生以下程式碼
func Add_int(a, b int) int {
return a + b
}
func Add_float64(a, b float64) float64 {
return a + b
}
```
# 類型參數
## 基礎語法
在Go中，泛型的類型參數通常使用中括號來聲明，緊隨在函數或結構體名稱之後。
```go=
func Add[T any](a, b T) T {
return a + b
}
```
T是一個類型參數, 並且使用了any類型約束, 意味著它可以是任何類型.
## 多類型參數
Go泛型不僅支持單一個類型參數, 還可以定義多個類型參數.
```go=
func Pair[T, U any](a T, b U) (T, U) {
return a, b
}
```
Pair函數接受兩個不同類型約束的參數a和b, 並回傳這兩個參數類型.
# 類型约束
## 内建约束
Go内置了幾種類型约束，如 any，表示任何類型都可以作為參數。
```go=
func PrintSlice[T any](s []T) {
for _, v := range s {
fmt.Println(v)
}
}
```
## 自定義約束
除了内建約束，Go還允許開發者定義自己要的约束條件。這通常是透過interface来實現的。
```go=
// Addable只允許int 或 float64類型
type Addable interface {
int | float64
}
func Add[T Addable](a, b T) T {
return a + b
}
```
Addable 是一个自定義的類型約束.
# 底層類型（Underlying Type）
在Go中，每個類型都有一個底層類型：
對於預先定義的類型，比如 int、float64 等，底層類型就是它們自己。對於類型定義（比如 type MyInt int），底層類型是在類型定義之前的類型。
### ~ 符號的作用
```~``` 符號用于表示與指定类型有相同底層類型的所有類型。當你在類型參數的约束中使用 ```~``` 符號時，你指定了一个類型集合，這個集合包含所有底層類型與约束中指定的類型相同的類型。
假阿設我們有以下類型定義：
```go=
type MyInt int
type YourInt int
```
這裡，MyInt 和 YourInt 都是基于 int 類型定義的。它們的底層類型都是 int。
如果我定義一個函數，我們希望這個函數接受任何底層類型為 int 的類型，我们可以使用 ```~``` 符號来實現这：
```go=
func PrintInt[T ~int](t T) {
fmt.Println(t)
}
```
使用時
```go=
var a int = 5
var b MyInt = 10
var c YourInt = 15
PrintInt(a)
PrintInt(b)
PrintInt(c)
```
在這個例子中，PrintInt 可以接受 int、MyInt 和 YourInt 類型的參數類型，因为它們的底層類型都是 int。
通過使用 ```~``` 符號，Go的泛型允许你編寫更靈活和通用的程式碼架構，同時保持類型安全。
# 泛型函数与泛型結構體
## 泛型函数
Max函數接受a和b只要滿足comparable約束的類型都能作為參數, 並且回傳也是滿足comparable約束的類型.
```go=
func Max[T comparable](a, b T) T {
if a > b {
return a
}
return b
}
```
## 泛型結構體
除了常用在函數上, 也支持泛型結構體。
Box 是一个泛型結構體，它有一个 Content 屬性，類型為 T。
```go=
type Box[T any] struct {
Content T
}
```
## 泛型成員方法
在泛型結構體中，你还可以定義泛型成員方法。
```go=
func (b Box[T]) Empty() bool {
return b.Content == nil
}
```
# Go泛型進階特性
本节将聚焦于Go泛型的高级特性，涵盖类型列表、泛型与接口的交互，以及在现实世界中的应用场景。
## 類型列表
### 類型組合
Go泛型允许使用類型組合，在一個约束中指定多種允許的類型。
```go=
type Numeric interface {
int | float64
}
func Sum[T Numeric](s []T) T {
var total T
for _, v := range s {
total += v
}
return total
}
```
Numeric 約束允许 int 和 float64 類型，使得 Sum 函数能在這兩種類型的slice上進行操作。
### 多约束
多约束的概念，即一个介面類型需要满足多个介面(Union)。
介面的聯合（Union）。這允許一個介面可以由多個介面組成，一個類型只需要滿足其中任何一個介面即可。
```go=
type Serializable interface {
json.Marshaler | xml.Marshaler
}
```
```Serializable``` 是一個接口，它由兩個介面組成：```json.Marshaler``` 和 ```xml.Marshaler```。這意味著，任何實現了 ```json.Marshaler```或 ```xml.Marshaler``` 介面的類型都被認為實現了 ```Serializable``` 介面。這稱為多約束或介面聯合。
# 泛型与介面的交互
## 泛型作为介面的方法
你可以在介面中定義包含泛型的方法。
```go=
type Container[T any] interface {
Add(element T)
Get(index int) T
}
```
這裡的 Container 介面可以用於任何類型的容器，如slice、list或自定義容器類型，只要這些容器實現了 Add 和 Get 方法。
## 使用介面约束泛型
與泛型约束相似，介面也可以用于约束泛型類型。
```go=
type HumanLike interface {
IsHuman() bool
}
func PrintIfHuman[T HumanLike](entity T) {
if entity.IsHuman() {
fmt.Println(entity)
}
}
```
```HumanLike``` 是一個介面，```IsHuman``` 是它的一個方法。
```PrintIfHuman``` 是一個函數，它接受一個泛型參數 T，並且這個參數被約束為必須滿足 HumanLike 介面。
# 泛型的常見場景
## 泛型資料結構
在實際應用中，泛型通常用于實現通用的資料結構，比如鏈表、佇列和堆棧。
```go=
type Stack[T any] struct {
elements []T
}
func (s *Stack[T]) Push(element T) {
s.elements = append(s.elements, element)
}
func (s *Stack[T]) Pop() T {
element := s.elements[len(s.elements)-1]
s.elements = s.elements[:len(s.elements)-1]
return element
}
```
Stack[T any] 定義了一個泛型結構體，T 是一個類型參數，可以是任何類型。
elements []T 是一个slice，用于儲存stack中的元素。slice的元素類型是泛型類型 T。
這個泛型stack的實現是類型安全的，意味著如果建立了一個 Stack[int]，你只能向其中添加 int 類型的元素，嘗試使用其他類型的元素会在編譯時報錯。這提供了强類型檢查的同時保持了程式碼的靈活性和可重用性。
## 用于演算法的實現
泛型也在算法的實現中有廣泛被應用，特别是那些不依赖于具体類型的演算法。
```go=
func Sort[T Ordered](arr []T) []T {
// 排序演算法的實現
}
```
```[T Ordered]``` 是泛型類型参数部分。```T``` 是類型参数，而 ```Ordered``` 是對 ```T``` 的約束。
```Ordered``` 是Go的一个预先定義好的介面，用于表示類型是可以排序的（即支持 <, <=, >, >= 操作）。
```(arr []T)``` 是函数的参数，表示函数接受一个 T 類型的slice。
```[]T``` 是函数回傳類型，表示函数回傳一个 T 類型的slice。
# Go泛型實作例子
## 泛型實作一个简单的array list
### 定義
一个泛型array list需要能夠進行Add、Delete和Get元素。我们可以使用泛型来定義這樣的資料結構。
```go=
type ArrayList[T any] struct {
items []T
}
func (al *ArrayList[T]) Add(item T) {
al.items = append(al.items, item)
}
func (al *ArrayList[T]) Get(index int) (T, error) {
if index < 0 || index >= len(al.items) {
return zero(T), errors.New("Index out of bounds")
}
return al.items[index], nil
}
func (al *ArrayList[T]) Delete(index int) error {
if index < 0 || index >= len(al.items) {
return errors.New("Index out of bounds")
}
al.items = append(al.items[:index], al.items[index+1:]...)
return nil
}
```
### 使用
有一個ArrayList[int]，我们加入整數 1 和 2，然後嘗試取得索引為 1 的元素。
```go=
al := &ArrayList[int]{}
al.Add(1)
al.Add(2)
element, err := al.Get(1) // output：element=2, err=nil
err = al.Delete(0) // 删除索引为 0 的元素
```
## 使用泛型打造快取元件
### 定义
快取元件通常需要儲存任意類型的數據並能够在给定的時間内存取它们。我我們可以使用泛型和Go的内建 map 類型来實現。
```go=
type Cache[T any] struct {
store map[string]T
}
func (c *Cache[T]) Set(key string, value T) {
c.store[key] = value
}
func (c *Cache[T]) Get(key string) (T, bool) {
value, exists := c.store[key]
return value, exists
}
```
### 使用
```go=
c := &Cache[string]{store: make(map[string]string)}
c.Set("name", "John")
value, exists := c.Get("name") // output：value="John", exists=true
```
## 泛型實作快速排序
### 定義
快速排序不依賴于具體的資料類型，因此很適合使用泛型来實現。
```go=
func QuickSort[T comparable](arr []T) []T {
if len(arr) < 2 {
return arr
}
pivot := arr[len(arr)/2]
var less, pivotList, greater []T
for _, x := range arr {
if x < pivot {
less = append(less, x)
} else if x > pivot {
greater = append(greater, x)
} else {
pivotList = append(pivotList, x)
}
}
less = QuickSort(less)
greater = QuickSort(greater)
// 合併結果
less = append(less, pivotList...)
less = append(less, greater...)
return less
}
```
```go=
arr := []int{3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5}
sortedArr := QuickSort(arr)
fmt.Println(sortedArr) // output: [1 1 2 3 4 5 5 6 9]
```
參考[Tutorial: Getting started with generics](https://go.dev/doc/tutorial/generics)
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