go中接口interface的使用与原理

1. 接口的基本使用

　　golang中的interface本身是一种类型，它代表一个方法的集合。任何类型只要实现了接口中声明的所有方法，那么该类就实现了该接口。与其他语言不同，golang并不需要显式声明类型实现了某个接口，而是由编译器和runtime进行检查。接口解除了类型依赖， 有助于减少可视方法，屏蔽内部结构和实现细节。

声明

type 接口名 interface{
    方法1
    方法2
    ...
   方法n 
}
type 接口名 interface {
    已声明接口名1
    ...
    已声明接口名n
}
type iface interface{
    tab *itab
    data unsafe.Pointer
}

　　接口变量默认值是nil，如果一个接口不包含任何方法，那么它就是一个空接口，则它可被赋值为任何模型，任何类型也都能转换成empty interface。

　　接口的值简单来说，是由两部分组成的，就是类型和数据，判断两个接口是相等，就是看他们的这两部分是否相等；另外类型和数据都为nil才代表接口是nil。实现接口时，一般先实现类型，再抽象出所需接口。

 var a interface{} 
 var b interface{} = (*int)(nil)
 fmt.Println(a == nil, b == nil)    // true false　

接口自身也是一种结构类型，只是编译器对其做了很多限制：

• 不能有字段
• 不能定义自己的方法
• 只能声明方法，不能实现
• 可嵌入其他接口类型

package main

    import (
        "fmt"
    )

    // 定义一个接口
    type People interface {
        ReturnName() string
    }

    // 定义一个结构体
    type Student struct {
        Name string
    }

    // 定义结构体的一个方法。
    // 突然发现这个方法同接口People的所有方法(就一个)，此时可直接认为结构体Student实现了接口People
    func (s Student) ReturnName() string {
        return s.Name
    }

    func main() {
        cbs := Student{Name:"小明"}

        var a People
        // 因为Students实现了接口所以直接赋值没问题
        // 如果没实现会报错：cannot use cbs (type Student) as type People in assignment:Student does not implement People (missing ReturnName method)
        a = cbs       
        name := a.ReturnName() 
        fmt.Println(name) // 输出"小明"
    }

　　2. 接口嵌套

　　像匿名字段那样嵌入其他接口。嵌入其他接口类型相当于将其声明的方法集中导入。目标类型方法集必须也拥有导入的方法集，才算实现了该接口。这就要求不能有同名方法，不能嵌入自身或循环嵌入。

type stringer interfaceP{
     string（） string
}

type tester interface {
    stringer
    test()
}    

type data struct{}

func (*data) test() {}

func (data) string () string {
    return ""
}

func main() {
    var d data 
    var t tester = &d 
    t.test()
    println(t.string())
}

　　超集接口变量可隐式转换为子集，反过来不行。

3. 接口的实现

golang的接口检测既有静态部分，也有动态部分。

• 静态部分
  对于具体类型(concrete type,包括自定义类型) -> interface，编译器生成对应的itab放到ELF的.rodata段，后续要获取itab时，直接把指针指向存在.rodata的相关偏移地址即可。具体实现可以看golang的提交日志CL 20901、CL 20902。
  对于interface->具体类型(concrete type,包括自定义类型)，编译器提取相关字段进行比较，并生成值

• 动态部分
  在runtime中会有一个全局的hash表，记录了相应type->interface类型转换的itab，进行转换时候，先到hash表中查，如果有就返回成功；如果没有，就检查这两种类型能否转换，能就插入到hash表中返回成功，不能就返回失败。注意这里的hash表不是go中的map，而是一个最原始的使用数组的hash表，使用开放地址法来解决冲突。主要是interface <-> interface（接口赋值给接口、接口转换成另一类型接口）使用到动态生产itab。

interface的结构如下：

接口类型的结构interfacetype

type interfacetype struct {
    typ     _type   
    pkgpath name   //记录定义接口的包名
    mhdr    []imethod  //一个imethod切片，记录接口中定义的那些函数。
}

// imethod表示接口类型上的方法
type imethod struct {
    name nameOff // name of method
    typ  typeOff // .(*FuncType) underneath
}

　　nameOff 和 typeOff 类型是 int32 ，这两个值是链接器负责嵌入的，相对于可执行文件的元信息的偏移量。元信息会在运行期，加载到 runtime.moduledata 结构体中。

4. 接口值的结构iface和eface

 为了性能，golang专门分了两种interface，eface和iface，eface就是空接口，iface就是有方法的接口。

type iface struct { 
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}

type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

type itab struct {
    inter *interfacetype   //inter接口类型
    _type *_type   //_type数据类型
    hash  uint32  //_type.hash的副本。用于类型开关。 hash哈希的方法
    _     [4]byte
    fun   [1]uintptr  // 大小可变。 fun [0] == 0表示_type未实现inter。 fun函数地址占位符
}

　　iface结构体中的data是用来存储实际数据的，runtime会申请一块新的内存，把数据考到那，然后data指向这块新的内存。

itab中的hash方法拷贝自_type.hash；fun是一个大小为1的uintptr数组，当fun[0]为0时，说明_type并没有实现该接口，当有实现接口时，fun存放了第一个接口方法的地址，其他方法一次往下存放，这里就简单用空间换时间，其实方法都在_type字段中能找到，实际在这记录下，每次调用的时候就不用动态查找了。

4.1 全局的itab table

iface.go:

const itabInitSize = 512

// 注意：如果更改这些字段，请在itabAdd的mallocgc调用中更改公式。
type itabTableType struct {
    size    uintptr             // 条目数组的长度。始终为2的幂。
    count   uintptr             // 当前已填写的条目数。
    entries [itabInitSize]*itab // really [size] large
}

　　可以看出这个全局的itabTable是用数组在存储的，size记录数组的大小，总是2的次幂。count记录数组中已使用了多少。entries是一个*itab数组，初始大小是512。

5. 接口类型转换

　　把一个具体的值，赋值给接口，会调用conv系列函数，例如空接口调用convT2E系列、非空接口调用convT2I系列，为了性能考虑，很多特例的convT2I64、convT2Estring诸如此类，避免了typedmemmove的调用。

func convT2E(t *_type, elem unsafe.Pointer) (e eface) {
    if raceenabled {
        raceReadObjectPC(t, elem, getcallerpc(), funcPC(convT2E))
    }
    if msanenabled {
        msanread(elem, t.size)
    }
    x := mallocgc(t.size, t, true)
    // TODO: 我们分配一个清零的对象只是为了用实际数据覆盖它。
    //确定如何避免归零。同样在下面的convT2Eslice，convT2I，convT2Islice中。
    typedmemmove(t, x, elem)
    e._type = t
    e.data = x
    return
}

func convT2I(tab *itab, elem unsafe.Pointer) (i iface) {
    t := tab._type
    if raceenabled {
        raceReadObjectPC(t, elem, getcallerpc(), funcPC(convT2I))
    }
    if msanenabled {
        msanread(elem, t.size)
    }
    x := mallocgc(t.size, t, true)
    typedmemmove(t, x, elem)
    i.tab = tab
    i.data = x
    return
}

func convT2I16(tab *itab, val uint16) (i iface) {
    t := tab._type
    var x unsafe.Pointer
    if val == 0 {
        x = unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
    } else {
        x = mallocgc(2, t, false)
        *(*uint16)(x) = val
    }
    i.tab = tab
    i.data = x
    return
}

func convI2I(inter *interfacetype, i iface) (r iface) {
    tab := i.tab
    if tab == nil {
        return
    }
    if tab.inter == inter {
        r.tab = tab
        r.data = i.data
        return
    }
    r.tab = getitab(inter, tab._type, false)
    r.data = i.data
    return
}

　　可以看出：

• 具体类型转空接口，_type字段直接复制源的type；mallocgc一个新内存，把值复制过去，data再指向这块内存。
• 具体类型转非空接口，入参tab是编译器生成的填进去的，接口指向同一个入参tab指向的itab；mallocgc一个新内存，把值复制过去，data再指向这块内存。
• 对于接口转接口，itab是调用getitab函数去获取的，而不是编译器传入的。

对于那些特定类型的值，如果是零值，那么不会mallocgc一块新内存，data会指向zeroVal[0]。

5.1 接口转接口

func assertI2I2(inter *interfacetype, i iface) (r iface, b bool) {
    tab := i.tab
    if tab == nil {
        return
    }
    if tab.inter != inter {
        tab = getitab(inter, tab._type, true)
        if tab == nil {
            return
        }
    }
    r.tab = tab
    r.data = i.data
    b = true
    return
}

func assertE2I(inter *interfacetype, e eface) (r iface) {
    t := e._type
    if t == nil {
        // 显式转换需要非nil接口值。
        panic(&TypeAssertionError{nil, nil, &inter.typ, ""})
    }
    r.tab = getitab(inter, t, false)
    r.data = e.data
    return
}

func assertE2I2(inter *interfacetype, e eface) (r iface, b bool) {
    t := e._type
    if t == nil {
        return
    }
    tab := getitab(inter, t, true)
    if tab == nil {
        return
    }
    r.tab = tab
    r.data = e.data
    b = true
    return
}

　　我们看到有两种用法：

• 返回值是一个时，不能转换就panic。
• 返回值是两个时，第二个返回值标记能否转换成功

　　此外，data复制的是指针，不会完整拷贝值。每次都malloc一块内存，那么性能会很差，因此，对于一些类型，golang的编译器做了优化。

5.2 接口转具体类型

　　接口判断是否转换成具体类型，是编译器生成好的代码去做的。我们看个empty interface转换成具体类型的例子：

var EFace interface{}
var j int

func F4(i int) int{
    EFace = I
    j = EFace.(int)
    return j
}

func main() {
    F4(10)
}

反汇编：
　　go build -gcflags '-N -l' -o tmp build.go
　　go tool objdump -s "main.F4" tmp
　　可以看汇编代码：

MOVQ main.EFace(SB), CX       //CX = EFace.typ
LEAQ type.*+60128(SB), DX    //DX = &type.int
CMPQ DX, CX.                         //if DX == AX

　　可以看到empty interface转具体类型，是编译器生成好对比代码，比较具体类型和空接口是不是同一个type，而不是调用某个函数在运行时动态对比。

5.3 非空接口类型转换

var tf Tester
var t testStruct

func F4() int{
    t := tf.(testStruct)
    return t.i
}

func main() {
    F4()
}
//反汇编
MOVQ main.tf(SB), CX   // CX = tf.tab(.inter.typ)
LEAQ go.itab.main.testStruct,main.Tester(SB), DX // DX = <testStruct,Tester>对应的&itab(.inter.typ)
CMPQ DX, CX //

　　可以看到，非空接口转具体类型，也是编译器生成的代码，比较是不是同一个itab，而不是调用某个函数在运行时动态对比。

6. 获取itab的流程

　　golang interface的核心逻辑就在这，在get的时候，不仅仅会从itabTalbe中查找，还可能会创建插入，itabTable使用容量超过75%还会扩容。看下代码:

func getitab(inter *interfacetype, typ *_type, canfail bool) *itab {
    if len(inter.mhdr) == 0 {
        throw("internal error - misuse of itab")
    }

    // 简单的情况
    if typ.tflag&tflagUncommon == 0 {
        if canfail {
            return nil
        }
        name := inter.typ.nameOff(inter.mhdr[0].name)
        panic(&TypeAssertionError{nil, typ, &inter.typ, name.name()})
    }

    var m *itab

    //首先，查看现有表以查看是否可以找到所需的itab。
    //这是迄今为止最常见的情况，因此请不要使用锁。
    //使用atomic确保我们看到该线程完成的所有先前写入更新itabTable字段（在itabAdd中使用atomic.Storep）。
    t := (*itabTableType)(atomic.Loadp(unsafe.Pointer(&itabTable)))
    if m = t.find(inter, typ); m != nil {
        goto finish
    }

    // 未找到。抓住锁，然后重试。
    lock(&itabLock)
    if m = itabTable.find(inter, typ); m != nil {
        unlock(&itabLock)
        goto finish
    }

    // 条目尚不存在。进行新输入并添加。
    m = (*itab)(persistentalloc(unsafe.Sizeof(itab{})+uintptr(len(inter.mhdr)-1)*sys.PtrSize, 0, &memstats.other_sys))
    m.inter = inter
    m._type = typ
    m.init()
    itabAdd(m)
    unlock(&itabLock)
finish:
    if m.fun[0] != 0 {
        return m
    }
    if canfail {
        return nil
    }
    //仅当转换时才会发生，使用ok形式已经完成一次，我们得到了一个缓存的否定结果。
    //缓存的结果不会记录，缺少接口函数，因此初始化再次获取itab，以获取缺少的函数名称。
    panic(&TypeAssertionError{concrete: typ, asserted: &inter.typ, missingMethod: m.init()})
}

　　流程如下：

• 先用t保存全局itabTable的地址，然后使用t.find去查找，这样是为了防止查找过程中，itabTable被替换导致查找错误。
• 如果没找到，那么就会上锁，然后使用itabTable.find去查找，这样是因为在第一步查找的同时，另外一个协程写入，可能导致实际存在却查找不到，这时上锁避免itabTable被替换，然后直接在itaTable中查找。
• 再没找到，说明确实没有，那么就根据接口类型、数据类型，去生成一个新的itab，然后插入到itabTable中，这里可能会导致hash表扩容，如果数据类型并没有实现接口，那么根据调用方式，该报错报错，该panic panic。

　　这里我们可以看到申请新的itab空间时，内存空间的大小是unsafe.Sizeof(itab{})+uintptr(len(inter.mhdr)-1)*sys.PtrSize，参照前面接受的结构，len(inter.mhdr)就是接口定义的方法数量，因为字段fun是一个大小为1的数组，所以len(inter.mhdr)-1，在fun字段下面其实隐藏了其他方法接口地址。

6.1 在itabTable中查找itab find

func itabHashFunc(inter *interfacetype, typ *_type) uintptr {
    // 编译器为我们提供了一些很好的哈希码。
    return uintptr(inter.typ.hash ^ typ.hash)
}

   // find在t中找到给定的接口/类型对。
   // 如果不存在给定的接口/类型对，则返回nil。
func (t *itabTableType) find(inter *interfacetype, typ *_type) *itab {
    // 使用二次探测实现。
     //探测顺序为h（i）= h0 + i *（i + 1）/ 2 mod 2 ^ k。
     //我们保证使用此探测序列击中所有表条目。
    mask := t.size - 1
    h := itabHashFunc(inter, typ) & mask
    for i := uintptr(1); ; i++ {
        p := (**itab)(add(unsafe.Pointer(&t.entries), h*sys.PtrSize))
        // 在这里使用atomic read，所以如果我们看到m！= nil，我们也会看到m字段的初始化。
        // m := *p
        m := (*itab)(atomic.Loadp(unsafe.Pointer(p)))
        if m == nil {
            return nil
        }
        if m.inter == inter && m._type == typ {
            return m
        }
        h += I
        h &= mask
    }
}

　　从注释可以看到，golang使用的开放地址探测法，用的是公式h(i) = h0 + i*(i+1)/2 mod 2^k，h0是根据接口类型和数据类型的hash字段算出来的。以前的版本是额外使用一个link字段去连到下一个slot，那样会有额外的存储，性能也会差写，在1.11中我们看到有了改进。

6.2 检查并生成itab init

// init用所有代码指针填充m.fun数组m.inter / m._type对。 如果该类型未实现该接口，将m.fun [0]设置为0，并返回缺少的接口函数的名称。
//可以在同一m上多次调用此函数，即使同时调用也可以。
func (m *itab) init() string {
    inter := m.inter
    typ := m._type
    x := typ.uncommon()

    // inter和typ都有按名称排序的方法，
     //并且接口名称是唯一的，
     //因此可以在锁定步骤中对两者进行迭代；
     //循环是O（ni + nt）而不是O（ni * nt）。
    ni := len(inter.mhdr)
    nt := int(x.mcount)
    xmhdr := (*[1 << 16]method)(add(unsafe.Pointer(x), uintptr(x.moff)))[:nt:nt]
    j := 0
imethods:
    for k := 0; k < ni; k++ {
        i := &inter.mhdr[k]
        itype := inter.typ.typeOff(i.ityp)
        name := inter.typ.nameOff(i.name)
        iname := name.name()
        ipkg := name.pkgPath()
        if ipkg == "" {
            ipkg = inter.pkgpath.name()
        }
        for ; j < nt; j++ {
            t := &xmhdr[j]
            tname := typ.nameOff(t.name)
            if typ.typeOff(t.mtyp) == itype && tname.name() == iname {
                pkgPath := tname.pkgPath()
                if pkgPath == "" {
                    pkgPath = typ.nameOff(x.pkgpath).name()
                }
                if tname.isExported() || pkgPath == ipkg {
                    if m != nil {
                        ifn := typ.textOff(t.ifn)
                        *(*unsafe.Pointer)(add(unsafe.Pointer(&m.fun[0]), uintptr(k)*sys.PtrSize)) = ifn
                    }
                    continue imethods
                }
            }
        }
        // didn't find method
        m.fun[0] = 0
        return iname
    }
    m.hash = typ.hash
    return ""
}

　　这个方法会检查interface和type的方法是否匹配，即type有没有实现interface。假如interface有n中方法，type有m中方法，那么匹配的时间复杂度是O(n x m)，由于interface、type的方法都按字典序排，所以O(n+m)的时间复杂度可以匹配完。在检测的过程中，匹配上了，依次往fun字段写入type中对应方法的地址。如果有一个方法没有匹配上，那么就设置fun[0]为0，在外层调用会检查fun[0]==0，即type并没有实现interface。

　　这里我们还可以看到golang中continue的特殊用法，要直接continue到外层的循环中，那么就在那一层的循环上加个标签，然后continue 标签。

6.3 把itab插入到itabTable中 itabAdd

// itabAdd将给定的itab添加到itab哈希表中。
//必须保持itabLock。
func itabAdd(m *itab) {
    // 设置了mallocing时，错误可能导致调用此方法，通常是因为这是在恐慌时调用的。
    //可靠地崩溃，而不是仅在需要增长时崩溃哈希表。
    if getg().m.mallocing != 0 {
        throw("malloc deadlock")
    }

    t := itabTable
    if t.count >= 3*(t.size/4) { // 75% 负载系数
        // 增长哈希表。
        // t2 = new（itabTableType）+一些其他条目我们撒谎并告诉malloc我们想要无指针的内存，因为所有指向的值都不在堆中。
        t2 := (*itabTableType)(mallocgc((2+2*t.size)*sys.PtrSize, nil, true))
        t2.size = t.size * 2

        // 复制条目。
        //注意：在复制时，其他线程可能会寻找itab和找不到它。没关系，他们将尝试获取Itab锁，因此请等到复制完成。
        if t2.count != t.count {
            throw("mismatched count during itab table copy")
        }
        // 发布新的哈希表。使用原子写入：请参阅getitab中的注释。
        atomicstorep(unsafe.Pointer(&itabTable), unsafe.Pointer(t2))
        // 采用新表作为我们自己的表。
        t = itabTable
        // 注意：旧表可以在此处进行GC处理。
    }
    t.add(m)
}
// add将给定的itab添加到itab表t中。
//必须保持itabLock。
func (t *itabTableType) add(m *itab) {
    //请参阅注释中的有关探查序列的注释。
    //将新的itab插入探针序列的第一个空位。
    mask := t.size - 1
    h := itabHashFunc(m.inter, m._type) & mask
    for i := uintptr(1); ; i++ {
        p := (**itab)(add(unsafe.Pointer(&t.entries), h*sys.PtrSize))
        m2 := *p
        if m2 == m {
            //给定的itab可以在多个模块中使用并且由于全局符号解析的工作方式，
            //指向itab的代码可能已经插入了全局“哈希”。
            return
        }
        if m2 == nil {
            // 在这里使用原子写，所以如果读者看到m，它也会看到正确初始化的m字段。
            // NoWB正常，因为m不在堆内存中。
            // *p = m
            atomic.StorepNoWB(unsafe.Pointer(p), unsafe.Pointer(m))
            t.count++
            return
        }
        h += I
        h &= mask
    }
}

　　可以看到，当hash表使用达到75%或以上时，就会进行扩容，容量是原来的2倍，申请完空间，就会把老表中的数据插入到新的hash表中。然后使itabTable指向新的表，最后把新的itab插入到新表中。