Golang的Interface是个什么鬼

问题概述

Golang的interface，和别的语言是不同的。它不需要显式的implements，只要某个struct实现了interface里的所有函数，编译器会自动认为它实现了这个interface。第一次看到这种设计的时候，我的第一反应是：What the fuck?这种奇葩的设计方式，和主流OO语言显式implement或继承的区别在哪儿呢？

直到看了SICP以后，我的观点发生了变化：Golang的这种方式和Java、C++之流并无本质区别，都是实现多态的具体方式。而所谓多态，就是“一个接口，多种实现”。

SICP里详细解释了为什么同一个接口，需要根据不同的数据类型，有不同的实现；以及如何做到这一点。在这里没有OO的概念，先把OO放到一边，从原理上看一下这是怎么做到的。

先把大概原理放在这里，然后再举例子。为了实现多态，需要维护一张全局的查找表，它的功能是根据类型名和方法名，返回对应的函数入口。当我增加了一种类型，需要把新类型的名字、相应的方法名和实际函数入口添加到表里。这基本上就是所谓的动态绑定了，类似于C++里的vtable。对于SICP中使用的lisp语言来说，这些工作需要手动完成。而对于java，则通过implements完成了这项工作。而golang则用了更加激进的方式，连implements都省了，编译器自动发现自动绑定。

一个复数包的例子

SICP里以复数为例，我用clojure、java和golang分别实现了一下，代码放在https://github.com/nanoix9/golang-interface。这里的目的是实现一个复数包，它支持直角坐标（rectangular）和极坐标（polar）两种实现方式，但是两者以相同的形式提供对外的接口，包括获取实部、虚部、模、辐角四个操作，文中简单起见，仅以获取实部为例。代码中有完整的内容。

Clojure版

对于直角坐标，用一个两个元素的列表表示它，分别是实部和虚部。

(defn make-rect [r i] (list r i))

对于极坐标，也是含有两个元素的列表，分别表示模和辐角

(defn make-polar [abs arg] (list abs arg))

现在要加一个“取实部”的函数get-real。问题来了，我希望这个函数能同时处理两种坐标，而且对于使用者来说，无论使用哪种坐标表示，get-real函数的行为是一致的。最简单的想法是，增加一个tag字段用于区分两种类型，然后get-real根据类型信息执行不同的操作。

为此，定义attach-tag、get-tag和get-content函数用于关联标签、提取标签和提取内容：

(defn attach-tag [tag data] (list tag data))
(defn get-tag [data-with-tag] (first data-with-tag))
(defn get-content [data-with-tag] (second data-with-tag))

在构造复数的函数中加入tag

(defn make-rect [r i] (attach-tag 'rect (list r i)))
(defn make-polar [abs arg] (attach-tag 'polar (list abs arg)))

get-real函数首先获取tag，根据直角坐标或极坐标执行不同的操作

(defn get-real [c]
  (let [tag (get-tag c)
        num (get-content c)]
    (cond (= tag 'rect) (first num)
          (= tag 'polar) (* (first num) (Math/cos (second num)))
          :else (println "Unknown complex type:" tag))))

但是这样有个问题，如果要加第三种类型怎么办？必须修改get-real函数。也就是说，要增加一种实现，必须改动函数主入口。有没有方法避免呢？答案就是采用前面的查找表（当然这不是唯一方法，SICP中还介绍了消息传递方法，这里就不介绍了）。这个查找表提供get-op和put-op两个方法

 (defn get-op [tag op-name] ...
 (defn put-op [tag op-name func] ...)

这里只给出原型，get-op根据类型名和方法名，获取对应的函数入口。而put-op向表中增加类型名、方法名和函数入口。这张表的内容直观上可以这么理解

tag\op-name	'get-real	'get-image	...
'rect	get-real-rect	get-image-rect	...
'polar	get-real-polar	get-image-polar	...

于是get-real函数可以这样实现：首先每种类型各自将自己的函数入口添加到查找表

(defn install-rect []
  (letfn [(get-real [c] (first c))]
    put-op 'rect 'get-real get-real))

(defn install-polar []
  (letfn [(get-real [c] (* (first c) (Math/cos (second c))))]
    put-op 'polar 'get-real get-real))

(install-rect)
(install-polar)

注意这里用了局部函数letfn，所以两种类型都用get-real作为函数名并不冲突。

定义apply-generic函数，用来从查找表中获取函数入口，并把tag去掉，将内容和剩余参数送给获取到的函数

(defn apply-generic [op-name tagged-data & args]
  (let [tag (get-tag tagged-data)
        content (get-content tagged-data)
        func (get-op tag op-name)]
    (if (null? func)
        (println "No entry for data type" tag "and method" op-name))
        (apply func (cons content args))))

get-real函数可以实现了

（defn get-real [c]
    (apply-generic 'get-real c))

Java版

Java实现复数包就不需要这么麻烦了，编译器完成了大部分工作。当然Java是静态语言，还有类型检查。

public interface Complex {
    public double getReal();
    ...
}

public class ComplexRect implements Complex {

    private double real;
    private double image;

    public double getReal() {
        return real;
    }

    ...
}

public class ComplexPolar implements Complex {

    private double abs;
    private double arg;

    public double getReal() {
        return abs * Math.cos(arg);
    }

    ...
}

Golang版

Golang和Java的差别就是省去了implements

type Complex interface {
    GetReal() float64
    ...
}

type ComplexRect struct {
    real, image float64
}

func (c ComplexRect) GetReal() float64 {
    return c.real
}

...

type ComplexPolar struct {
    abs, arg float64
}

func (c ComplexPolar) GetReal() float64 {
    return c.abs * math.Cos(c.arg)
}

...

乍一看看不出ComplexRect和Complex之间有什么关系，它是隐含的，编译器自动发现。这样的做法更灵活，比如增加一个新的接口类型，编译器会自动发现那些struct实现了该接口，而无需修改struct的代码。如果是java，就必须修改源代码，显式的implements。

总结

通过这个问题，我意识到，OO只不过是一种方法，其实本没有什么对象。至于为什么要OO，最根本的，是要实现“一个接口，多种实现”，这就要求接口是稳定的，而实现有可能是多变的。如果接口也是经常变的，那就没必要把接口抽象出来了。至于代码结构是否反映了世界的继承/组合等关系，这并不重要，也不是根本的。重要的是，将稳定的接口和不稳定的实现分离，使得改动某个模块的时候，不至于影响到其他部分。这是软件本质上的复杂性提出的要求，对于大型软件来说，模块的分解和隔离尤为重要。

为了达到这个目的，C++实现了vtable，Java提供了interface，Golang则自动发现这种关系。可以用OO，也可以不用OO。无论语言提供了哪种方式，背后的思想是统一的。甚至我们可以在语言特性满足不了需求的时候，自己实现相关的机制，例如spring，通过xml完成依赖注入，这使得可以在不改动源代码的情况下，用一种实现替换另一种实现。