go反射 vs java范型 vs cpp模板

0 简述

Go语言并不支持范型编程（某些内置函数是支持范型的，但是用户自定义函数不支持范型），但是可以借助reflect来一定程度上弥补这部分能力的缺失，因为要靠运行时计算所以有运行时开销，性能比不上真正的范型实现。

Java支持真正的“范型”，泛型编程的好处是，编译时对类型安全性进行检查，并且模板参数可以是任意类型不用做类型转换，既安全又方便。由于是在编译时进行类型检查，并且Java编译器会对类、方法、变量级别的模板参数进行类型擦除（Type Erasure，简单理解就是将模板参数替换成Object类型或者第一个Bound的类型），无运行时开销，比Go借助反射模拟范型性能好，也不用像C++一样拷贝代码引起编译速度下降或者代码尺寸膨胀。点击查看：Java-Type-Erasure。

C++通过“模板”来支持“范型”编程，之所以加引号，是因为C++不是真正的支持范型编程，模板特例化时编译器其实是生成了一个新类的代码。C++模板是通过Macro来进行处理的，相当于复制、粘贴了类模板的代码，并替换了模板参数类型。简言之，就是一个高级的Macro处理系统。但是因为拷贝了代码，代码膨胀导致了编译速度下降、文件尺寸增加。

网上有很多相关的讨论，这里举个示例简单总结一下。

1 C++ 类模板

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
class Calc{
    T t1;
    T t2;
public:
    T Add(T t1, T t2) {
        return t1 + t2;
    }
};

int main() {
    Calc<int> calc_int;
    auto sum_int = calc_int.Add(1, 2);
    cout << "1 + 2 = " << sum_int << endl;

    Calc<float> calc_flt;
    auto sum_flt = calc_flt.Add(1.1, 2.2);
    cout << "1.1 + 2.2 = " << sum_flt << endl;

    return 0;
}

这里其实是创建了两个不同的类，objdump -dS可以很清晰地看到至少创建了两个不同的方法Add(T, T)，可能会有人认为这是函数重载中的name mangling，其实不是，确实是生成了两个不同的类型，这个可以通过DWARF相关信息看出来，首先g++ -s main.cpp得到汇编后文件main.s，然后查看该文件内容并搜索Calc，下面两个分别表示Calc<float>模板实例以及Calc<int>模板实例，二者确实属于两个不同的类型，一个是用Ltypes95来标识，一个是用Ltypes47来标识。

2 Java范型

Java中范型的实现依赖于Java中的类继承机制、类型擦除、类型转换来实现，最终只会有一个类的示例。

编译时，编译器会对模板参数T进行类型擦除，这里有两种处理的情形：

• 模板参数T，没有绑定一个类型（如T extends Comparable），那么类型擦除后，模板参数T会用Object进行替代，同时生成对应的类型转换的代码；
• 模板参数T，有限制类型（如T extends Comparable限定了模板实参必须实现Comparable接口），那么类型擦除后，模板参数T就用这第一个bound的类型Comparable代替，同时生成对应的类型转换代码。

需要注意的是，编译时类型擦除虽然会对源码做一定的调整，某些信息看似丢失了，比如List<String> lst被擦除后变为了List<Object> lst，在运行时我们依然可以通过反射机制来获取lst的元素类型为String，则是为什么呢？这是因为类型擦除并不是删除所有类型信息，模板实参的信息会以某种形式保存下来，以便反射时使用。

// 类型擦除前代码
List<String> lst = new ArrayList();
lst.Add("hello");
lst.Add("world");
Iterator it = lst.iterator();
for ; it.hasNext(); {
    String el = it.Next();
}

// 类型擦除后代码
List lst = new ArrayList();            // 模板实参String，擦除为Object
lst.Add("hello");                    // hello为String，IS-A Object关系成立
lst.Add("world");                   // ...
Iterator it = lst.iterator();       
for ; it.hasNext(); {
    String el = (String) it.Next(); // 编译器自动插入类型转换的代码
}

由此可见，Java的范型实现，既不会像C++那样多创建类导致代码体积膨胀，也不会带来运行时开销，也没有破坏反射依赖的信息。

3 go反射

Go1不支持范型，但是它可以结合interface{}以及reflection来模拟范型。反射的性能大约有几百ns级别的性能损耗，和范型实现比，还是存在一定的性能差距。

Go2已经中已经计划支持泛型了，拭目以待。

总结

对“泛型”这个宽泛的术语，对比了c++、java、go的一些支持和实现上的差异。

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