golang类型推断与隐式类型转换

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前言

golang类型推断可以省略类型,像写动态语言代码一样,让编程变得更加简单,同时也保留了静态类型的安全性。 类型推断往往也伴随着类型的隐式转换,二者均与golang的编译器有关。在了解了golang的类型推断与隐式类型转换原理后,将对如下问题信手拈来——下述代码能通过编译吗?b的值是什么类型?

// eg.1
a := 1.1
b := 1 + a
// eg.2
a := 1
b := 1.1 + a
// eg.3
a1 := 1
a2 := 1.1
b := a1 + a2
// eg.4
const b = 3 * 0.333
// eg.5
const a int = 1.0
const b = a * 0.333
// eg.6
const a = 1.0/3
b := &a

要弄清楚上述示例,在了解变量类型推断之前,最好先了解常量的隐式类型转换。

一、常量的隐式类型转换

1.常量的声明

未命名常量只在编译期间存在,不会存储在内存中;而命名常量存在于内存静态区,不允许修改。

考虑如下代码:

const k = 5

5就是未命名常量,而k即为命名常量,当编译后k的值为5,而等号右边的5不再存在。

常量不允许取址。

const k = 5
addr := &k
// invalid operation: cannot take address of k (untyped int constant 5)

2.常量的类型转换

兼容的类型可以进行隐式转换。例如:

const c int = 123
const c int = 123.0
const c int = 123.1 // cannot use 123.1 (untyped float constant) as int value in constant declaration (truncated)

const c float64 = 123.0
const c float64 = 123

运算中的隐式转换

例如:

const c = 1/2    // 1和2类型相同,无隐式转换发生
const c = 1/2.0  // 整数优先转换为浮点数1.0, c的结果为0.5(float64)
const a int = 1
const c = a * 1.1 // *左边的a是已定义类型的常量,因此1.1将被转换为int,但浮点数1.1与整形不兼容,无法进行转换,因此编译器会报错
//  (untyped float constant) truncated to int 
  • 除位运算、未定义常量外,运算符两边的操作数类型必须相同
  • 如果运算符两边是不同类型的未定义常量(untyped constant),则隐式转换的优先级为:
    • 整数(int) <符文数(rune)<浮点数(float)<复数(Imag)

基于上述说明,前言中的示例4、5、6均可迎刃而解。

3.隐式转换的原理

常量隐式转换的统一在编译时的类型检查阶段完成。通过defaultlit2函数进行处理。其中,l和r分别代表运算符左右两边的节点。

// go/src/cmd/compile/internal/typecheck/const.go
func defaultlit2(l ir.Node, r ir.Node, force bool) (ir.Node, ir.Node) {
	if l.Type() == nil || r.Type() == nil {
            return l, r
	}

	if !l.Type().IsInterface() && !r.Type().IsInterface() {
            // Can't mix bool with non-bool, string with non-string.
            if l.Type().IsBoolean() != r.Type().IsBoolean() {
                return l, r
            }
            if l.Type().IsString() != r.Type().IsString() {
                return l, r
            }
	}
	if !l.Type().IsUntyped() {
            r = convlit(r, l.Type())
            return l, r
	}
	if !r.Type().IsUntyped() {
            l = convlit(l, r.Type())
            return l, r
	}
	if !force {
            return l, r
	}
	// Can't mix nil with anything untyped.
	if ir.IsNil(l) || ir.IsNil(r) {
            return l, r
	}
	t := defaultType(mixUntyped(l.Type(), r.Type()))
	l = convlit(l, t)
	r = convlit(r, t)
	return l, r
}

从源代码中可以看到,如果左右两边均不是接口类型,那么:

bool型不能与非bool型进行转换,即

c := true + 12 // 错误

string型不能与非string型进行转换, 即

c := "123" + 12 // 错误

nil不能与任意未定义类型进行转换,即

c := nil + 12 // 错误

如果操作符左边的节点有定义类型,则将操作符右边的节点转换为左边节点的类型,即

const a int = 1
const b int = 1.0
const c = a + 1.0 // 1.0转换为a的类型int
const c = a + b // b的类型已经在前面转换为int

如果操作符左边的节点为未命名常量,而右边的节点有定义类型,则将左边节点的类型转换为右边节点的类型,即

const a int = 1
const c = 1.0 + a // 1.0转换为a的类型int

综上所述,可以得出:

任何时候,已定义类型的常量都不会发生类型转换。换言之,编译器不允许对变量标识符引用的值进行强制类型转换。即无关优先级,下述c=xx代码中的a、b均不会发生类型转换,只能是为定义类型的常量1.0转换为a、b的类型。

const a int = 1
const b int = 1.0
const c = a + 1.0
const c = a + b 
const c = 1.0 + b

二、变量的类型推断

golang使用特殊的操作符":="用于变量的类型推断,且其只能作用于函数或方法体内部。

操作符":="在《go语言实战》中有个名字叫“短变量声明操作符”

初识go语言的人总是会有疑问,下面三个语句有啥差别:

a := 123 
var a = 123
var a int = 123.0

从结果上来说,上述三个语句是等效的。但编译阶段的执行细节是不同的。

1.类型推断的原理

编译器的执行过程为:词法(token)解析->语法(syntax)分析->抽象语法树(ast)构建->类型检查->生成中间代码->代码优化->生成机器码。

类型推断发生于前四个阶段,即词法(token)解析->语法(syntax)分析->抽象语法树(ast)构建->类型检查为例:

在词法解析阶段, 会将赋值语句右边的常量123解析为一个未定义的类型,称为未定义常量。编译器会逐个读取该常量的UTF-8字符,首个字符为"的则为字符串,首个字符为'0'-'9'的则为数字, 数字中包含"."号的则为浮点数。

// go/src/cmd/compile/internal/syntax/scanner.go
func (s *scanner) next() {
  ...
  switch s.ch {
	case '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9':
          s.number(false)

	case '"':
          s.stdString()

	case '`':
          s.rawString()

	case '\'':
          s.rune()
    ...
  }
}

在语法分析阶段,会对解析的词进行具体的语法分析。例如上述s.number(false)就是依次扫描123三个符文(rune)然后按照无小数点的数字来做具体分析。

当无小数点符号.时,如果首字符为'0', 则扫描下一位字符,'x'、'o'、'b'分别代表我们写的代码表示的是十六进制、八进制及二进制数字。当首字符不是'0'时,每一位字符均作为十进制数字进行处理。

当有小数点时(seenPoint=true),每一位字符均作为十进制浮点数字面类型处理(FloatLit)

// go/src/cmd/compile/internal/syntax/scanner.go
func (s *scanner) number(seenPoint bool) {
  ...
  base := 10        // number base
  ...
  // integer part
  if !seenPoint {
      if s.ch == '0' {
          s.nextch()
          switch lower(s.ch) {
          case 'x':
              s.nextch()
              base, prefix = 16, 'x'
          case 'o':
              s.nextch()
              base, prefix = 8, 'o'
          case 'b':
              s.nextch()
              base, prefix = 2, 'b'
          default:
              base, prefix = 8, '0'
              digsep = 1 // leading 0
          }
      digsep |= s.digits(base, &invalid)
      ...
      }
	...
  }
  // fractional part
  if seenPoint {
          kind = FloatLit
          digsep |= s.digits(base, &invalid)
  }
 ...
}

最后a := 123 整个语句会被解析为一个赋值语句AssignStmt,通过如下结构体进行表示:

// go/src/cmd/compile/internal/syntax/nodes.go
type (
  ...
  AssignStmt struct {
      Op       Operator // 0 means no operation
      Lhs, Rhs Expr     // Rhs == nil means Lhs++ (Op == Add) or Lhs-- (Op == Sub)
      simpleStmt
  }
  ...
)

基于语法分析的结果,整个代码结构会被构建为一颗抽象语法树(ast)。抽象语法树是go编译器的中间结果ir(intermediate representation),赋值语句AssignStmt会被构建为ir.AssignStmt:=符号两边的字符被构建为节点ir.Node

// go/src/cmd/compile/internal/ir/node.go
// An AssignStmt is a simple assignment statement: X = Y.
// If Def is true, the assignment is a :=.
type AssignStmt struct {
  miniStmt
  X   Node
  Def bool
  Y   Node
}
// A Node is the abstract interface to an IR node.
type Node interface {
  ...
  // Source position.
  Pos() src.XPos
  SetPos(x src.XPos)
  ...
  // Fields specific to certain Ops only.
  Type() *types.Type
  SetType(t *types.Type)
  Val() constant.Value
  SetVal(v constant.Value)
  ...
  // Typecheck values:
  //  0 means the node is not typechecked
  //  1 means the node is completely typechecked
  //  2 means typechecking of the node is in progress
  //  3 means the node has its type from types2, but may need transformation
  Typecheck() uint8
  SetTypecheck(x uint8)
}

最后,编译器会对抽象语法树的节点进行类型检查(typecheck)。检查的过程中,会将右边的节点rhs的类型r.Type()赋值给左边的节点lhs,因此最终变量a的类型(Kind)即为123的类型,为整型(types.TINT, go/src/cmd/compile/internal/types/type.go)。

// go/src/cmd/compile/internal/typecheck/stmt.go
// type check assignment.
// if this assignment is the definition of a var on the left side,
// fill in the var's type.
func tcAssign(n *ir.AssignStmt) {
  ...
  lhs, rhs := []ir.Node{n.X}, []ir.Node{n.Y}
  assign(n, lhs, rhs)
  ...
}
func assign(stmt ir.Node, lhs, rhs []ir.Node) {
  ...
  assignType := func(i int, typ *types.Type) {
    checkLHS(i, typ)
    if typ != nil {
      checkassignto(typ, lhs[i])
    }
  }
  ...
  assignType(0, r.Type())
  ...
}
// go/src/cmd/compile/internal/typecheck/typecheck.go
func checkassignto(src *types.Type, dst ir.Node) {
  ...
  if op, why := Assignop(src, dst.Type()); op == ir.OXXX {
      base.Errorf("cannot assign %v to %L in multiple assignment%s", src, dst, why)
      return
  }
 }

三、类型推断示例分析

根据上述原理,再看这三个表达式有何编译的执行过程有何不同:

a := 123 
var a = 123
var a int = 123.0

a := 123 会显式的触发类型推断,编译器解析右边的每一个字符为十进制数字(IntLit),然后构建为一个整型节点,在类型检查的时候,将其类型赋值给左边的节点变量a

由于var a = 123左边的a未显式指定其类型,因此仍然会触发类型推断,ir.AssignStmt.Def=false,过程同上,依然在类型检查的时候,将123的类型赋值给左边的a

对于var a int = 123.0, 由于123.0包含小数点'.',编译器解析右边的每一个字符为十进制浮点数(FloatLit),由于赋值操作符=左边显式定义了a的类型为int, 因此在类型检查阶段,右边的123.0会发生隐式类型转换,因为类型兼容,会转换为整型123。因此对于显式指定类型的表达式不会发生类型推断。

同理,结合类型转换的原理,前言中的示例1、2、3便可迎刃而解。

总结

  • 常量不允许取址。
  • 运算符两边的操作数类型必须相同。
  • 如果运算符两边是不同类型的未定义常量(untyped constant),则会发生隐式转换,且转换的优先级为:
  • 整数(int) <符文数(rune)<浮点数(float)<复数(Imag)。
  • 如果运算符的某一边是已定义类型常量(变量标识符),则该已定义类型的常量任何时候都不会发生类型转换。因为编译器不允许对变量标识符引用的值进行强制类型转换
  • :=会显式的触发类型推断,其只能作用于函数或方法体内。
  • 不指定类型的var变量声明,也会触发类型推断,可声明于局部也可声明在全局。
  • 指定类型的var变量声明,不会触发类型推断(因为类型已经显式指定了),但有可能发生类型隐式转换。

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