Go 接口：深入内部原理

接口的基本概念不在这里赘述，详情请看第十六章：接口

nil 非空？

package main

func main() {
   var obj interface{}
   obj = 1
   println(obj == 1)  // true
   obj = "hello"
   println(obj == "hello")  // true

   type User struct {

   }
   var u *User
   obj = u
   println(u == nil)  // true
   println(obj == nil)  // false
}

前面的只是对比，说明interface can hold everything。我们需要注意的最后两个判断：

u是一个User类型的空指针，println(u == nil)输出true是意料之内；
将u赋值给obj后，println(obj == nil)输出的是false，意料之外

为什么把空指针u赋值给interface后，obj就不是nil了吗？那它会是什么呢？

通过gdb工具调试，我们看到interface原来是长这样的：

(gdb) ptype obj 
type = struct runtime.eface {
    runtime._type *_type;
    void *data;
}

通过goland断点看一下obj里面到底了什么

可以看出来data是用来存储数据，_type用来存储类型：

当obj = 1时，底层的eface的两个属性都是有值的；
当obj = u时，底层的eface的data属性为空，_type属性非空
当obj = nil时，底层的eface的data和_type属于都为空

对应结构体类型的比较，要求结构体中的所有字段都相等时两个变量才是相等的，因为eface的_type属于非空，所以当将u赋值给obj后，println(obj == nil输出的是false。

这就引出了另一个问题，当执行obj = u这行代码时，golang runtime是如何把静态类型的值u转换成eface结构的呢？

当给接口赋值时

接着上面的问题，我们通过下面这段简单代码，看看是如何把一个静态类型值转换成eface的

package main

import "fmt"

func main() {
   var a int64 = 123
   var i interface{} = a  // 这一行进行转换
   fmt.Println(i)
}

通过命令go tool compile -N -l -S main.go将其转成汇编代码

红框内的正是第 7 行对应的汇编指CALL runtime.convT64(SB)（汇编代码可以直接调用 Go func），我们可以在runtime包中找到对应的函数函数

// runtime/iface.go
func convT64(val uint64) (x unsafe.Pointer) {
   if val < uint64(len(staticuint64s)) {
      x = unsafe.Pointer(&staticuint64s[val])
   } else {
      x = mallocgc(8, uint64Type, false) // 分配内存，（size, _type, needzero) 
      *(*uint64)(x) = val // 复制
   }
   return
}

eface, iface

通过上面的实验，我们了解了接口的底层结构是eface。实际上，Golang 根据接口是否包含方法，将接口分为两类：

eface：不包含任何绑定方法的接口
- 比如：空接口 interface{}

iface：包含绑定方法的接口

比如：os.Writer

    type Writer interface {
       Write(p []byte) (n int, err error)
    }

eface

eface的数据结构：

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

这个我们应该比较熟悉了，在上面的实验中我们已经见过了：_type 和 data 属性，分别代表底层的指向的类型信息和指向的值信息指针。

我们在看一下_type属性，它的类型是又是一个结构体：

type _type struct {
   size       uintptr // 类型的大小
   ptrdata    uintptr // 包含所有指针的内存前缀的大小
   hash       uint32  // 类型的 hash 值，此处提前计算好，可以避免在哈希表中计算
   tflag      tflag   // 额外的类型信息标志，此处为类型的 flag 标志，主要用于反射
   align      uint8   // 对应变量与该类型的内存对齐大小
   fieldAlign uint8   // 对应类型的结构体的内存对齐大小
   kind       uint8   // 类型的枚举值, 包含 Go 语言中的所有类型，例如：`kindBool`、`kindInt`、`kindInt8`、`kindInt16` 等
   equal func(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool  // 用于比较此对象的回调函数
   gcdata    *byte    // 存储垃圾收集器的 GC 类型数据
   str       nameOff
   ptrToThis typeOff
}

总结来说：runtime 只需在这里查询，就能得到与类型相关的所有信息（字节大小、类型标志、内存对齐等）。

iface

iface的数据结构：

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

与iface相比，它们的data属性是一样的，用于存储数据；不同的是，因为iface不仅要存储类型信息，还要存储接口绑定的方法，所有需要使用itab结构来存储两者信息。我们看一下itab：

type itab struct {
   inter *interfacetype  // 接口的类型信息
   _type *_type          // 具体类型信息
   hash  uint32          // _type.hash 的副本，用于目标类型和接口变量的类型对比判断
   _     [4]byte
   fun   [1]uintptr      // 存储接口的方法集的具体实现的地址，其包含一组函数指针，实现了接口方法的动态分派，且每次在接口发生变更时都会更
}

总结来讲，接口的数据结构基本表示形式比较简单，就是类型和值描述。再根据其具体的区别，例如是否包含方法集，具体的接口类型等进行组合使用。

iface，接口绑定的 method 你存到了哪里？

通过上节，我们知道iface可以存储接口绑定的方法。从其结构体也能看出来iface.tab.fun字段就是用来干这个事。但是，我有一个疑问：fun类型是长度为 1 的指针数组，难道它就只能存一个 method？

type Animal interface {
   Speak () string
   Move()
   Attack()
}

type Lion struct {

}

func (l Lion) Speak() string {
   return "Uh....."
}

func (l Lion) Move() {
}

func (l Lion) Attack() {
}

func main() {
    lion := Lion{}
    var obj interface{} = lion
    cc, _ := obj.(Animal)
    fmt.Println(cc.Speak()) // Un....
}

Lion是一个实现了接口Animal所有方法的结构体，所以一个接口obj尝试通过类型断言转换成Animal接口是，是可以成功的。通过 Debug 调试，当我执行cc, _ := obj.(Animal)这行代码时，内部回去调 assertE2I2方法然后返回

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
}

所以返回的cc变量实际上是一个iface结构体，因为iface无法导出我们看不到内部数据，但我们可以通过在 main 程序中把iface结构体定义一封，通过指针操作进行转换：

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

type itab struct {
   inter *interfacetype
   _type *_type
   hash  uint32 // copy of _type.hash. Used for type switches.
   _     [4]byte
   fun   [1]uintptr // variable sized. fun[0]==0 means _type does not implement inter.
}
...

func main() {
   lion := Lion{}
   var obj interface{} = lion
   cc, _ := obj.(Animal)
   fmt.Println(cc.Speak())  // Uh.....

   dd := *(*iface)(unsafe.Pointer(&cc))  // 当cc转成 iface 接口体
   fmt.Printf("%v\n", dd)
   fmt.Printf("%+V", cc)
}

通过 debug 可以看到，接口Animal对应的eface的一个完整的数据

tab里面保存了类型和绑定方法的数据：inter.mhdr的长度为 3，看起来是存储了 3 个方法的名字和类型，fun里存储了一个指针，应该就是第一个方法的地址了。下面这段代码可以证实：

// itab 的初始化
func (m *itab) init() string {
   inter := m.inter
   typ := m._type
   x := typ.uncommon()

   // ni的值为接口绑定的方法数量
   ni := len(inter.mhdr)
   nt := int(x.mcount)
   // 我猜 xmhdr 是真实存储接口的方法的地方
   xmhdr := (*[1 << 16]method)(add(unsafe.Pointer(x), uintptr(x.moff)))[:nt:nt]
   j := 0
   methods := (*[1 << 16]unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&m.fun[0]))[:ni:ni]
   var fun0 unsafe.Pointer
imethods:
   // 遍历3个方案
   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)
         // 通过遍历 xmhdr，如果和mhrd[k]的名字、类型并且pkgpath都相等，就找到了
         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 {
                  // 获取方法的地址
                  ifn := typ.textOff(t.ifn)
                  if k == 0 {
                     // 记录第一个方法的地址
                     fun0 = ifn // we'll set m.fun[0] at the end
                  } else {
                     methods[k] = ifn
                  }
               }
               continue imethods
            }
         }
      }
      // didn't find method
      m.fun[0] = 0
      return iname
   }
   // func[0] = 第一个方法的地址
   m.fun[0] = uintptr(fun0)
   return ""
}

总结一下，在将一个不确定的interface{}类型断言成某个特定接口时，runtime 会将原来的数据、方法以iface的数据结构进行返回。iface实际上只保存第一个方法的地址，其他的方法通过偏移量就能找到，偏移的信息保存在 mhdr 中（待验证）

类型断言是怎么做到的

Go 是强类型的语言，变量类型、函数传参的类型一定定义就不能变换。这为程序的类型提供了安全稳定的保证，但也为程序的编码带来更多的工作量。比如我们去是实现一个加法函数，需要对不同的类型都写一遍，并且使用起来也不方便：

func addInt(a, b int) int { return a + b }
func addInt32(a, b int32) int32 { return a + b }
func addInt64(a, b int64) int64 { return a + b }
func addFloat32(a, b float32) float32 { return a + b }
func addFloat64(a, b float64) float64 { return a + b }

基于interface can hold everything，我们通过使用interface{}当入参类型，用一个函数来实现：

func add(a, b interface{}) interface{} {
   switch av := a.(type) {
   case int:
      if bv, ok := b.(int); ok {
         return av + bv
      }
      panic("bv is not int")
   case int32:
      if bv, ok := b.(int32); ok {
         return av + bv
      }
      panic("bv is not int32")
   ...
   case float64:
      if bv, ok := b.(float64); ok {
         return av + bv
      }
      panic("bv is not float64")

   }

   panic("illegal a and b")
}

func main() {
    var a int64 = 1
    var b int64 = 4
    c := add(a, b)
    fmt.Println(c)  // 5
}

可能会有人问：add函数的参数变量类型是interface{}了，它在函数里面是后如何把从interface{}中的带变量？（答案就是eface）

第一步int64 -> eface

注意这行代码 c := add(a, b)，翻译成汇编的话：

0x002f 00047 (main.go:132)      FUNCDATA      $2, "".main.stkobj(SB)
0x002f 00047 (main.go:142)      MOVQ    $1, "".a+56(SP)
0x0038 00056 (main.go:143)      MOVQ    $4, "".b+48(SP)
0x0041 00065 (main.go:144)      MOVQ    "".a+56(SP), AX
0x0046 00070 (main.go:144)      MOVQ    AX, (SP)
0x004a 00074 (main.go:144)      PCDATA  $1, $0
0x004a 00074 (main.go:144)      CALL    runtime.convT64(SB)

注意最后一行runtime.convT64，上面提到过，这里的操作就拷贝一份值给到函数add

func convT64(val uint64) (x unsafe.Pointer) {
    if val < uint64(len(staticuint64s)) {
      x = unsafe.Pointer(&staticuint64s[val])
    } else {
      x = mallocgc(8, uint64Type, false)
      *(*uint64)(x) = val
    }
    return
}

第二步从eface中得到类型信息

为了验证我们的猜想，我们在add函数入口处通过类型转换把interface{} a转成eface dd来看一它的具体数据长什么样
```
func add(a, b interface{}) interface{} {
    dd := *(*eface)(unsafe.Pointer(&a))
    fmt.Println(dd)
    switch av := a.(type) {
    case int:
      if bv, ok := b.(int); ok {
         return av + bv
      }
      panic("bv is not int")
   }
   ...
```
通过 debug 看到的 dd 数据如下：

注意dd._type.kind字段的只为 6，在src/runtime/typekind.go文件中，维护了每个类型对应一个常量
```
const (
   kindBool = 1 + iota
   kindInt
   kindInt8
   kindInt16
   kindInt32
   kindInt64 // 6
   kindUint
   kindUint8
   kindUint16
   kindUint32
   kindUint64
   kindUintptr
   kindFloat32
   ...
)
```
可以看到，int64对应的常量值正好是 6。这也就解释通过类型断言获取将interface{}转成具体类型的原理。

总结

接口的作用

在 Go 运行时，为方便内部传递数据、操作数据，使用interface{}作为存储数据的媒介，大大降低了开发成本。这个媒介存储了数据的位置、数据的类型，有这两个信息，就能代表一切变量，即interface can hold everything。
接口也作为一种抽象的能力，通过定义一个接口所需实现的方法，等同于对如何判定这个 struct 是不是这类接口完成了明确的定义，即必须是接口绑定的所有方法。通过这种能力，可以在编码上做到很大程度的解耦，接口就好比上下游开发者之间协议。

接口的内部存储有两类

Golang 根据接口是否包含方法，将接口分为两类：

eface：不包含任何绑定方法的接口
- 比如：空接口 interface{}
iface：包含绑定方法的接口
- 比如：os.Writer

二者之间的差别在与eface多存了接口绑定的方法信息。

当心，变成接口后，判空不准

判空的条件是结构体的所有字段都为nil才行，当nil的固定类型值转成接口后，接口的数据值为nil，但是类型值不为nil会导致判空失败。

解决的方案是：函数返回参数不要写出接口类型，在外部先做判空，在转成接口。

posted @ 2022-07-23 11:34 Zioyi 阅读(749) 评论(0) 编辑收藏举报

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