Go 编程模式：Functional Options

2020年12月22日陈皓评论 15 条评论 49,956 人阅读

在本篇文章中，我们来讨论一下Functional Options这个编程模式。这是一个函数式编程的应用案例，编程技巧也很好，是目前在Go语言中最流行的一种编程模式。但是，在我们正式讨论这个模式之前，我们需要先来看看要解决什么样的问题。

本文是全系列中第3 / 10篇：Go编程模式

配置选项问题

在我们编程中，我们会经常性的需要对一个对象（或是业务实体）进行相关的配置。比如下面这个业务实体（注意，这仅只是一个示例）：

type Server struct {
    Addr     string
    Port     int
    Protocol string
    Timeout  time.Duration
    MaxConns int
    TLS      *tls.Config
}

在这个 Server 对象中，我们可以看到：

要有侦听的IP地址 Addr 和端口号 Port ，这两个配置选项是必填的（当然，IP地址和端口号都可以有默认值，当这里我们用于举例认为是没有默认值，而且不能为空，需要必填的）。
然后，还有协议 Protocol 、 Timeout 和MaxConns 字段，这几个字段是不能为空的，但是有默认值的，比如：协议是tcp, 超时30秒和最大链接数1024个。
还有一个 TLS 这个是安全链接，需要配置相关的证书和私钥。这个是可以为空的。

所以，针对于上述这样的配置，我们需要有多种不同的创建不同配置 Server 的函数签名，如下所示（代码比较宽，需要左右滚动浏览）：

func NewDefaultServer(addr string, port int) (*Server, error) {
  return &Server{addr, port, "tcp", 30 * time.Second, 100, nil}, nil
}

func NewTLSServer(addr string, port int, tls *tls.Config) (*Server, error) {
  return &Server{addr, port, "tcp", 30 * time.Second, 100, tls}, nil
}

func NewServerWithTimeout(addr string, port int, timeout time.Duration) (*Server, error) {
  return &Server{addr, port, "tcp", timeout, 100, nil}, nil
}

func NewTLSServerWithMaxConnAndTimeout(addr string, port int, maxconns int, timeout time.Duration, tls *tls.Config) (*Server, error) {
  return &Server{addr, port, "tcp", 30 * time.Second, maxconns, tls}, nil
}

因为Go语言不支持重载函数，所以，你得用不同的函数名来应对不同的配置选项。

配置对象方案

要解决这个问题，最常见的方式是使用一个配置对象，如下所示：

type Config struct {
    Protocol string
    Timeout  time.Duration
    Maxconns int
    TLS      *tls.Config
}

我们把那些非必输的选项都移到一个结构体里，于是 Server 对象变成了：

type Server struct {
    Addr string
    Port int
    Conf *Config
}

于是，我们只需要一个 NewServer() 的函数了，在使用前需要构造 Config 对象。

func NewServer(addr string, port int, conf *Config) (*Server, error) {
    //...
}

//Using the default configuratrion
srv1, _ := NewServer("localhost", 9000, nil) 

conf := ServerConfig{Protocol:"tcp", Timeout: 60*time.Duration}
srv2, _ := NewServer("locahost", 9000, &conf)

这段代码算是不错了，大多数情况下，我们可能就止步于此了。但是，对于有洁癖的有追求的程序员来说，他们能看到其中有一点不好的是，Config 并不是必需的，所以，你需要判断是否是 nil 或是 Empty – Config{}这让我们的代码感觉还是有点不是很干净。

Builder模式

如果你是一个Java程序员，熟悉设计模式的一定会很自然地使用上Builder模式。比如如下的代码：

User user = new User.Builder()
  .name("Hao Chen")
  .email("[email protected]")
  .nickname("左耳朵")
  .build();

仿照上面这个模式，我们可以把上面代码改写成如下的代码（注：下面的代码没有考虑出错处理，其中关于出错处理的更多内容，请参看《Go 编程模式：出错处理》）：

//使用一个builder类来做包装
type ServerBuilder struct {
  Server
}

func (sb *ServerBuilder) Create(addr string, port int) *ServerBuilder {
  sb.Server.Addr = addr
  sb.Server.Port = port
  //其它代码设置其它成员的默认值
  return sb
}

func (sb *ServerBuilder) WithProtocol(protocol string) *ServerBuilder {
  sb.Server.Protocol = protocol 
  return sb
}

func (sb *ServerBuilder) WithMaxConn( maxconn int) *ServerBuilder {
  sb.Server.MaxConns = maxconn
  return sb
}

func (sb *ServerBuilder) WithTimeOut( timeout time.Duration) *ServerBuilder {
  sb.Server.Timeout = timeout
  return sb
}

func (sb *ServerBuilder) WithTLS( tls *tls.Config) *ServerBuilder {
  sb.Server.TLS = tls
  return sb
}

func (sb *ServerBuilder) Build() (Server) {
  return  sb.Server
}

于是就可以以如下的方式来使用了

sb := ServerBuilder{}
server, err := sb.Create("127.0.0.1", 8080).
  WithProtocol("udp").
  WithMaxConn(1024).
  WithTimeOut(30*time.Second).
  Build()

上面这样的方式也很清楚，不需要额外的Config类，使用链式的函数调用的方式来构造一个对象，只需要多加一个Builder类，这个Builder类似乎有点多余，我们似乎可以直接在Server 上进行这样的 Builder 构造，的确是这样的。但是在处理错误的时候可能就有点麻烦（需要为Server结构增加一个error 成员，破坏了Server结构体的“纯洁”），不如一个包装类更好一些。

如果我们想省掉这个包装的结构体，那么就轮到我们的Functional Options上场了，函数式编程。

Functional Options

首先，我们先定义一个函数类型：

type Option func(*Server)

然后，我们可以使用函数式的方式定义一组如下的函数：

func Protocol(p string) Option {
    return func(s *Server) {
        s.Protocol = p
    }
}
func Timeout(timeout time.Duration) Option {
    return func(s *Server) {
        s.Timeout = timeout
    }
}
func MaxConns(maxconns int) Option {
    return func(s *Server) {
        s.MaxConns = maxconns
    }
}
func TLS(tls *tls.Config) Option {
    return func(s *Server) {
        s.TLS = tls
    }
}

上面这组代码传入一个参数，然后返回一个函数，返回的这个函数会设置自己的 Server 参数。例如：

当我们调用其中的一个函数用 MaxConns(30) 时
其返回值是一个 func(s* Server) { s.MaxConns = 30 } 的函数。

这个叫高阶函数。在数学上，就好像这样的数学定义，计算长方形面积的公式为： rect(width, height) = width * height; 这个函数需要两个参数，我们包装一下，就可以变成计算正方形面积的公式：square(width) = rect(width, width) 也就是说，squre(width)返回了另外一个函数，这个函数就是rect(w,h) 只不过他的两个参数是一样的。即：f(x) = g(x, x)

好了，现在我们再定一个 NewServer()的函数，其中，有一个可变参数 options 其可以传出多个上面上的函数，然后使用一个for-loop来设置我们的 Server 对象。

func NewServer(addr string, port int, options ...func(*Server)) (*Server, error) {

  srv := Server{
    Addr:     addr,
    Port:     port,
    Protocol: "tcp",
    Timeout:  30 * time.Second,
    MaxConns: 1000,
    TLS:      nil,
  }
  for _, option := range options {
    option(&srv)
  }
  //...
  return &srv, nil
}

于是，我们在创建 Server 对象的时候，我们就可以这样来了。

s1, _ := NewServer("localhost", 1024)
s2, _ := NewServer("localhost", 2048, Protocol("udp"))
s3, _ := NewServer("0.0.0.0", 8080, Timeout(300*time.Second), MaxConns(1000))

怎么样，是不是高度的整洁和优雅？不但解决了使用 Config 对象方式的需要有一个config参数，但在不需要的时候，是放 nil 还是放 Config{}的选择困难，也不需要引用一个Builder的控制对象，直接使用函数式编程的试，在代码阅读上也很优雅。

所以，以后，大家在要玩类似的代码时，强烈推荐使用Functional Options这种方式，这种方式至少带来了如下的好处：

直觉式的编程
高度的可配置化
很容易维护和扩展
自文档
对于新来的人很容易上手
没有什么令人困惑的事（是nil 还是空）

参考文档

“Self referential functions and design” by Rob Pike
http://commandcenter.blogspot.com.au/2014/01/self-referential-functions-and-design.html

(全文完)

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《Go 编程模式：Functional Options》的相关评论

这些 Option 函数被暴露出来，是不是可以用来创建不合法的对象呢？比如某个对象当一些选项被设置时，另外一些对象就不能被设置。或者要求一些选项满足某个条件。builder pattern 里可以在 build 这一步进行验证，但是这些 Option 函数，可以用于已经创建好的对象、强行在创建后再作改变并且不用经过验证？

carver说道：

2021年01月24日 22:06

可以在调用完所有的 Option 后，对创建好的对象进行验证，就像是在 build 这一步中做一样

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尝试使用cxx实现类似写法

namespace go {
using std::string;
namespace time {
    using Duration = int64_t;
    constexpr auto Second = 1LL;
} // namespace time
namespace tls {
    using Config = string;
}

struct Server {
    string addr;
    int port;
    string protocol;
    time::Duration timeout;
    int max_conns;
    tls::Config *tls_;
};

using Option = std::function<void(Server &s)>;

auto Protocol(string p) -> Option
{
    return [p](Server &s) { s.protocol = p; };
}
auto Timeout(time::Duration timeout) -> Option
{
    return [timeout](Server &s) { s.timeout = timeout; };
}
auto MaxConns(int max_conns) -> Option
{
    return [max_conns](Server &s) { s.max_conns = max_conns; };
}
auto TLS(tls::Config *tls_) -> Option
{
    return [tls_](Server &s) { s.tls_ = tls_; };
}

Server NewServer(string addr,
                 int port,
                 std::initializer_list options = {})
{
    Server s{ addr, port };
    for (auto &option : options) {
        option(s);
    }
    return s;
}

void UsageServer()
{
    auto s1 = NewServer("localhost", 1024);
    auto s2 = NewServer("localhost", 2048, { Protocol("udp") });
    auto s3 = NewServer("0.0.0.0", 8080,
                        { Timeout(300 * time::Second), MaxConns(1000) });
}
} // namespace go

Dup4说道：

2022年01月19日 22:15

是不是要写成 std::initializer_list<Option> options = {})

回复

// 忘记默认值了
Server NewServer(string addr,
                 int port,
                 std::initializer_list options = {})
{
    Server s{ addr, port, "tcp", 30 * time::Second, 1000, nullptr };
    for (auto &option : options) {
        option(s);
    }
    return s;
}

Builder 模式一节文章引用错别字了，正确应为“出错处理”

陈皓说道：

2020年12月28日 23:19

谢谢，已更正

回复

请问Haoel，这个算是匿名函数的终极玩法吗

刚好看到 Prometheus 源码，discovery.NewManager() 使用了 Functional Options 这种模式：func NewManager(ctx context.Context, logger log.Logger, options …func(*Manager)) *Manager {…}

配置对象方案，第二行，非必输。应该为非必须吧。

Functional Options模式讲解的很易懂，但是这个设计模式或者说技巧，是否还有更抽象的理解或者其他的使用场景呢？

nvid说道：

2022年01月08日 17:56

我理解的：functional options本质上是把一系列行为作为可变参数传递进去，传递行为灵活性可以更好。

回复

sb := ServerBuilder{}
server, err := sb.Create(“127.0.0.1”, 8080).
WithProtocol(“udp”).
WithMaxConn(1024).
WithTimeOut(30*time.Second).
Build()
按上文中给的方法，返回值只有server

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