Go语言interface实现原理详解

1 前言

1.1 Go汇编

Go语言被定义为一门系统编程语言，与C语言一样通过编译器生成可直接运行的二进制文件。这一点与Java，PHP，Python等编程语言存在很大的不同，这些语言都是运行在基于C语言开发的虚拟机上，如果想深入了解运行原理只需要看懂对应的C语言开发的虚拟机（绝大部分程序员应该都对C语言有基本的了解）。但是如果想深入学习Go语言，就需要对基本的汇编指令和语法有一定的了解（通过汇编可以了解到编译器到底做了什么工作）。
通过下面的例子简单了解如何通过汇编来了解Go语言的运行原理。编辑一个go文本call_function.go，输入如下代码：

     1  package main
     2
     3  func add(a, b int) int {
     4      return a + b
     5  }
     6
     7  func main() {
     8      a := 10
     9      b := 20
    10
    11      c := add(a,  b)
    12      _ = c
    13  }

输入命令go build -gcflags '-l -N' call_function.go生成可执行文件，然后输入命令go tool objdump -s "main.main" call_function查看汇编代码如下：

     1  TEXT main.main(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/call_function.go
     2    call_function.go:7    0x104f380       65488b0c25a0080000  MOVQ GS:0x8a0, CX
     3    call_function.go:7    0x104f389       483b6110        CMPQ 0x10(CX), SP
     4    call_function.go:7    0x104f38d       764c            JBE 0x104f3db
     5    call_function.go:7    0x104f38f       4883ec38        SUBQ $0x38, SP
     6    call_function.go:7    0x104f393       48896c2430      MOVQ BP, 0x30(SP)
     7    call_function.go:7    0x104f398       488d6c2430      LEAQ 0x30(SP), BP
     8    call_function.go:8    0x104f39d       48c74424280a000000  MOVQ $0xa, 0x28(SP)
     9    call_function.go:9    0x104f3a6       48c744242014000000  MOVQ $0x14, 0x20(SP)
    10    call_function.go:11   0x104f3af       488b442428      MOVQ 0x28(SP), AX
    11    call_function.go:11   0x104f3b4       48890424        MOVQ AX, 0(SP)
    12    call_function.go:11   0x104f3b8       488b442420      MOVQ 0x20(SP), AX
    13    call_function.go:11   0x104f3bd       4889442408      MOVQ AX, 0x8(SP)
    14    call_function.go:11   0x104f3c2       e899ffffff      CALL main.add(SB)
    15    call_function.go:11   0x104f3c7       488b442410      MOVQ 0x10(SP), AX
    16    call_function.go:11   0x104f3cc       4889442418      MOVQ AX, 0x18(SP)
    17    call_function.go:13   0x104f3d1       488b6c2430      MOVQ 0x30(SP), BP
    18    call_function.go:13   0x104f3d6       4883c438        ADDQ $0x38, SP
    19    call_function.go:13   0x104f3da       c3          RET
    20    call_function.go:7    0x104f3db       e89083ffff      CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
    21    call_function.go:7    0x104f3e0       eb9e            JMP main.main(SB)

第8~9行汇编代码，分别将SP(栈寄存器)偏移0x28和0x20的地址赋值为0xa和0x14，对应Go代码的第8行和第9行中的对a，b变量赋值，也就是说a变量对应的内存地址是SP+0x28，b变量对应的内存地址是SP+0x20。
然后10~14行汇编代码表示对a，b变量进行拷贝，分别拷贝到SP+0x0和SP+0x8地址，然后调用add方法，这就是通常说到的函数调用时的“值传递”。
输入命令go tool objdump -s "main.add" call_function，可以看到如下的汇编代码：

     1  TEXT main.add(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/call_function.go
     2    call_function.go:3    0x104f360       48c744241800000000  MOVQ $0x0, 0x18(SP)
     3    call_function.go:4    0x104f369       488b442408      MOVQ 0x8(SP), AX
     4    call_function.go:4    0x104f36e       4803442410      ADDQ 0x10(SP), AX
     5    call_function.go:4    0x104f373       4889442418      MOVQ AX, 0x18(SP)
     6    call_function.go:4    0x104f378       c3          RET

第3~5行汇编代码表示，将SP+0x8和SP+0x10地址的值相加，并复制到SP+0x18地址。
为什么在main函数中，a和b变量分别复制到了SP+0x0和SP+0x8地址，但是在add函数中，却将SP+0x8和SP+0x10地址的值进行相加呢？
这是因为在main函数中的汇编代码14行中，调用call执行时CPU会执行一次压栈操作，将函数调用完成以后需要返回的地址存在SP-0x8的地址处，并执行一次SP=SP-0x8的操作（具体操作可以百度一下）。所以在add函数里面的SP+0x8和SP+0x10地址就对应着main函数中的SP+0x0和SP+0x8地址。
具体过程如下图：

go函数调用.jpg

1.2 Go指针

Go的库代码中大量使用了一些指针进行内存操作。但是在Go语言中指针变量是不能进行运算的，所以不能像C语言那样方便的对内存进行偏移寻址，但是Go中提供了unsafe包来对指针计算运算。
下面的例子可以说明使用方式：

     1  package main
     2
     3  import (
     4      "fmt"
     5      "unsafe"
     6  )
     7
     8  type Struct1 struct {
     9      A int64
    10      B int64
    11      C int64
    12  }
    13
    14  type Struct2 struct {
    15      A int64
    16      B int64
    17      C int64
    18  }
    19
    20  func main() {
    21      struct1 := Struct1 {
    22          A : 1,
    23          B : 2,
    24          C : 3,
    25      }
    26
    27      struct2 := new(Struct2)
    28
    29      var src uintptr = uintptr(unsafe.Pointer(&struct1))
    30      var dst uintptr = uintptr(unsafe.Pointer(struct2))
    31      for i := 0; i < 24; i++ {
    32          *(*uint8)(unsafe.Pointer(dst + uintptr(i))) = *(*uint8)(unsafe.Pointer(src + uintptr(i)))
    33      }
    34
    35      fmt.Println("struct1=%v||struct2=%v", struct1, *struct2);
    36  }

在上面的例子将struct1对应内存的值复制到struct2对应的内存中，从例子中可以看出可以看到Go语言中

unsafe.Pointer类似于C中的void*，任何类型的指针都可以转换为unsafe.Pointer 类型，unsafe.Pointer 类型也可以转换为任何指针类型；
uintptr可以存go中的任何变量，如果想对指针进行运算，必须先把指针转换为uintptr。

2 Go的interface的实现

在Go语言中interface是一个非常重要的概念，也是与其它语言相比存在很大特色的地方。interface也是一个Go语言中的一种类型，是一种比较特殊的类型，存在两种interface，一种是带有方法的interface，一种是不带方法的interface。Go语言中的所有变量都可以赋值给空interface变量，实现了interface中定义方法的变量可以赋值给带方法的interface变量，并且可以通过interface直接调用对应的方法，实现了其它面向对象语言的多态的概念。

2.1 内部定义

两种不同的interface在Go语言内部被定义成如下的两种结构体（源码基于Go的1.9.2版本）：

// 没有方法的interface
type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

// 记录着Go语言中某个数据类型的基本特征
type _type struct {
    size       uintptr
    ptrdata    uintptr
    hash       uint32
    tflag      tflag
    align      uint8
    fieldalign uint8
    kind       uint8
    alg        *typeAlg
    gcdata    *byte
    str       nameOff
    ptrToThis typeOff
}

// 有方法的interface
type iface struct {
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}

type itab struct {
    inter  *interfacetype
    _type  *_type
    link   *itab
    hash   uint32
    bad    bool
    inhash bool
    unused [2]byte
    fun    [1]uintptr
}

// interface数据类型对应的type
type interfacetype struct {
    typ     _type
    pkgpath name
    mhdr    []imethod
}

可以看到两种类型的interface在内部实现时都是定义成了一个2个字段的结构体，所以任何一个interface变量都是占用16个byte的内存空间。
在Go语言中_type这个结构体非常重要，记录着某种数据类型的一些基本特征，比如这个数据类型占用的内存大小（size字段），数据类型的名称（nameOff字段）等等。每种数据类型都存在一个与之对应的_type结构体（Go语言原生的各种数据类型，用户自定义的结构体，用户自定义的interface等等）。如果是一些比较特殊的数据类型，可能还会对_type结构体进行扩展，记录更多的信息，比如interface类型，就会存在一个interfacetype结构体，除了通用的_type外，还包含了另外两个字段pkgpath和mhdr，后文在对这两个字段的作用进行解析。除此之外还有其它类型的数据结构对应的结构体，比如structtype，chantype，slicetype，有兴趣的可以在$GOROOT/src/runtime/type.go文件中查看。

iface和eface的内存分布.jpg

2.2 赋值

存在对没有方法的interface变量和有方法的interface变量赋值这两种不同的情况。分别详解这两种不同的赋值过程。

没有方法的interface变量赋值
对没有方法的interface变量赋值时编译器做了什么工作？创建一个eface.go文件，代码如下：

     1  package main
     2
     3  type Struct1 struct {
     4      A int64
     5      B int64
     6  }
     7
     8  func main() {
     9      s := new(Struct1)
    10      var i interface{}
    11      i = a
    12
    13      _ = i
    14  }

输入命令go build -gcflags '-l -N' eface.go，go tool objdump -s "main.main" eface，查看汇编代码。

     1  TEXT main.main(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/eface.go
     2    eface.go:8        0x104f360       4883ec38        SUBQ $0x38, SP
     3    eface.go:8        0x104f364       48896c2430      MOVQ BP, 0x30(SP)
     4    eface.go:8        0x104f369       488d6c2430      LEAQ 0x30(SP), BP
     5    eface.go:9        0x104f36e       48c7042400000000    MOVQ $0x0, 0(SP)
     6    eface.go:9        0x104f376       48c744240800000000  MOVQ $0x0, 0x8(SP)
     7    eface.go:9        0x104f37f       488d0424        LEAQ 0(SP), AX
     8    eface.go:9        0x104f383       4889442410      MOVQ AX, 0x10(SP)
     9    eface.go:10       0x104f388       48c744242000000000  MOVQ $0x0, 0x20(SP)
    10    eface.go:10       0x104f391       48c744242800000000  MOVQ $0x0, 0x28(SP)
    11    eface.go:11       0x104f39a       488b442410      MOVQ 0x10(SP), AX
    12    eface.go:11       0x104f39f       4889442418      MOVQ AX, 0x18(SP)
    13    eface.go:11       0x104f3a4       488d0dd5670000      LEAQ 0x67d5(IP), CX
    14    eface.go:11       0x104f3ab       48894c2420      MOVQ CX, 0x20(SP)
    15    eface.go:11       0x104f3b0       4889442428      MOVQ AX, 0x28(SP)
    16    eface.go:14       0x104f3b5       488b6c2430      MOVQ 0x30(SP), BP
    17    eface.go:14       0x104f3ba       4883c438        ADDQ $0x38, SP

汇编代码第5~6行给结构体Struct1分配了空间SP+0x0和SP+0x8，第7~8行把这个结构体的地址放在存入了SP+0x10地址，这个地址就是变量s，第9~10行给interface类型的变量i分配了SP+0x20和SP+0x28，第13~14行把结构体A对应的_type的地址赋值到SP+0x20，然后把a变量赋值到了SP+0x28。这就是对没有方法的interface进行赋值的过程。赋值完以后的内存分配如下图：

没有方法的interface赋值.jpg

有方法的interface变量赋值
如下一段代码在内存的分布

     1  package main
     2
     3  type I interface {
     4      Add()
     5      Del()
     6  }
     7
     8  type Struct1 struct {
     9      A int64
    10      B int64
    11  }
    12
    13  func (a *Struct1) Add() {
    14      a.A = a.A + 1
    15      a.B = a.B + 1
    16  }
    17
    18  func (a *Struct1) Del() {
    19      a.A = a.A - 1
    20      a.B = a.B - 1
    21  }
    22
    23  func main() {
    24      a := new(Struct1)
    25      var i I
    26      i = a
    27
    28      i.Add()
    29      i.Del()
    30  }

有方法的interface赋值.jpg

这些内存地址都可以使用gdb调试时得到

(gdb) p i
$11 = {tab = 0x10a70e0 <Struct1,main.I>, data = 0xc42001a0c0}
(gdb) p a
$12 = (struct main.Struct1 *) 0xc42001a0c0
(gdb) p i.tab
$13 = (runtime.itab *) 0x10a70e0 <Struct1,main.I>
(gdb) p i.tab.inter
$14 = (runtime.interfacetype *) 0x105dc60 <type.*+59232>
(gdb) p i.tab._type
$15 = (runtime._type *) 0x105d200 <type.*+56576>

通过对内存地址的打印，可以很清晰的看出在对有方法的interface变量进行赋值时的内存分布。Struct1类型和interface I类型都存在内存记录着各自的_type结构体信息，在将Struct1类型的变量赋值给interface I类型时，会有一个itab类型的结构体将Struct1类型和interface I类型关联起来。
上面的例子都是将一个指针赋值给interface变量，如果是将一个值赋值给interface变量。会先对分配一块空间保存该值的副本，然后将该interface变量的data字段指向这个新分配的空间。将一个值赋值给interface变量时，操作的都是该值的一个副本。

2.3 方法的调用

上面对有方法的interface进行赋值后，是如何实现通过接口变量实现了函数调用呢？参考下面的汇编代码

     1  TEXT main.main(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/iface.go
     2    iface.go:23       0x104f3e0       65488b0c25a0080000  MOVQ GS:0x8a0, CX
     3    iface.go:23       0x104f3e9       483b6110        CMPQ 0x10(CX), SP
     4    iface.go:23       0x104f3ed       0f8687000000        JBE 0x104f47a
     5    iface.go:23       0x104f3f3       4883ec38        SUBQ $0x38, SP
     6    iface.go:23       0x104f3f7       48896c2430      MOVQ BP, 0x30(SP)
     7    iface.go:23       0x104f3fc       488d6c2430      LEAQ 0x30(SP), BP
     8    iface.go:23       0x104f401       488d0578ff0000      LEAQ 0xff78(IP), AX
     9    iface.go:24       0x104f408       48890424        MOVQ AX, 0(SP)
    10    iface.go:24       0x104f40c       e86fcefbff      CALL runtime.newobject(SB)
    11    iface.go:24       0x104f411       488b442408      MOVQ 0x8(SP), AX
    12    iface.go:24       0x104f416       4889442410      MOVQ AX, 0x10(SP)
    13    iface.go:25       0x104f41b       48c744242000000000  MOVQ $0x0, 0x20(SP)
    14    iface.go:25       0x104f424       48c744242800000000  MOVQ $0x0, 0x28(SP)
    15    iface.go:26       0x104f42d       488b442410      MOVQ 0x10(SP), AX
    16    iface.go:26       0x104f432       4889442418      MOVQ AX, 0x18(SP)
    17    iface.go:26       0x104f437       488d0da27c0500      LEAQ 0x57ca2(IP), CX
    18    iface.go:26       0x104f43e       48894c2420      MOVQ CX, 0x20(SP)
    19    iface.go:26       0x104f443       4889442428      MOVQ AX, 0x28(SP)
    20    iface.go:28       0x104f448       488b442420      MOVQ 0x20(SP), AX
    21    iface.go:28       0x104f44d       488b4020        MOVQ 0x20(AX), AX
    22    iface.go:28       0x104f451       488b4c2428      MOVQ 0x28(SP), CX
    23    iface.go:28       0x104f456       48890c24        MOVQ CX, 0(SP)
    24    iface.go:28       0x104f45a       ffd0            CALL AX
    25    iface.go:29       0x104f45c       488b442420      MOVQ 0x20(SP), AX
    26    iface.go:29       0x104f461       488b4028        MOVQ 0x28(AX), AX
    27    iface.go:29       0x104f465       488b4c2428      MOVQ 0x28(SP), CX
    28    iface.go:29       0x104f46a       48890c24        MOVQ CX, 0(SP)
    29    iface.go:29       0x104f46e       ffd0            CALL AX
    30    iface.go:30       0x104f470       488b6c2430      MOVQ 0x30(SP), BP
    31    iface.go:30       0x104f475       4883c438        ADDQ $0x38, SP
    32    iface.go:30       0x104f479       c3          RET
    33    iface.go:23       0x104f47a       e8f182ffff      CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
    34    iface.go:23       0x104f47f       e95cffffff      JMP main.main(SB)

汇编代码的第17行和18行，将itab的地址加载到SP+0x20地址处，第20，21行，24行将SP+0x20的值加载到AX寄存器，然后将AX+0x20地址的值加载到AX寄存器，CALL AX就实现了add方法的调用，其中第22行和23行的作用是将interface里面data字段的地址传递给了add方法。

iface函数调用.jpg

通过对itab结构体进行分析，可以看到偏移0x20处为fun字段，其中0x20处为add函数的入口地址，0x28处就是del函数的入口地址。

2.4 断言的实现

在Go语言中，经常需要对一个interface变量进行断言

     1  package main
     2
     3  type Struct1 struct {
     4      A int64
     5  }
     6
     7  func main() {
     8      a := new(Struct1)
     9
    10      var i interface{}
    11      i = a
    12
    13      b, ok := i.(Struct1)
    14      if ok {
    15          _ = b
    16      }
    17  }

生成汇编代码进行分析

     1  TEXT main.main(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/assert.go
     2    assert.go:7       0x104f360       4883ec48        SUBQ $0x48, SP
     3    assert.go:7       0x104f364       48896c2440      MOVQ BP, 0x40(SP)
     4    assert.go:7       0x104f369       488d6c2440      LEAQ 0x40(SP), BP
     5    assert.go:8       0x104f36e       48c744241000000000  MOVQ $0x0, 0x10(SP)
     6    assert.go:8       0x104f377       488d442410      LEAQ 0x10(SP), AX
     7    assert.go:8       0x104f37c       4889442420      MOVQ AX, 0x20(SP)
     8    assert.go:10      0x104f381       48c744243000000000  MOVQ $0x0, 0x30(SP)
     9    assert.go:10      0x104f38a       48c744243800000000  MOVQ $0x0, 0x38(SP)
    10    assert.go:11      0x104f393       488b442420      MOVQ 0x20(SP), AX
    11    assert.go:11      0x104f398       4889442428      MOVQ AX, 0x28(SP)
    12    assert.go:11      0x104f39d       488d0d1c680000      LEAQ 0x681c(IP), CX
    13    assert.go:11      0x104f3a4       48894c2430      MOVQ CX, 0x30(SP)
    14    assert.go:11      0x104f3a9       4889442438      MOVQ AX, 0x38(SP)
    15    assert.go:13      0x104f3ae       488b442438      MOVQ 0x38(SP), AX
    16    assert.go:13      0x104f3b3       488b4c2430      MOVQ 0x30(SP), CX
    17    assert.go:13      0x104f3b8       488d1581ed0000      LEAQ 0xed81(IP), DX
    18    assert.go:13      0x104f3bf       4839d1          CMPQ DX, CX
    19    assert.go:13      0x104f3c2       7402            JE 0x104f3c6
    20    assert.go:13      0x104f3c4       eb3f            JMP 0x104f405
    21    assert.go:13      0x104f3c6       488b00          MOVQ 0(AX), AX
    22    assert.go:13      0x104f3c9       b901000000      MOVL $0x1, CX
    23    assert.go:13      0x104f3ce       eb00            JMP 0x104f3d0

汇编的第12行，17行，18行可以看出，将Struct1对应的_type结构体的地址赋值给interface以后。在进行断言的时候，原理就是将interface变量_type字段的与Struct1对应的_type结构地址进行对比。
在本例子中，第12行的IP寄存器对应的值是0x104f39d，0x681c(IP)对应的地址为0x1055BB9，第17行的IP寄存器对应的值是0x104f3b8，0xed81(IP)对应的地址为0x105E139，貌似并不相同。可能是对Go的汇编中对IP寄存器的理解存在偏差，找了几个小时资料都没找到原因。

3 Go的反射

反射是一种强大的语言特性，可以“动态”的调用方法，获取结构体运行时的一些特征，很多框架的实现都离不开反射。Go的反射就是通过interface类型来实现的。

3.1 反射获取变量的信息

Go的反射包主要存在两个重要的结构体。

     1  type Value struct {
     2      typ *rtype
     3      ptr unsafe.Pointer
     4      flag
     5  }
     6
     7  func ValueOf(i interface{}) Value {
     8  }
     9
    10  type Type interface {
    11      Align() int
    12      FieldAlign() int
    13      Method(int) Method
    14      Name() string
    15      //一堆方法
    16      //....
    17  }
    18
    19  func TypeOf(i interface{}) Type {
    20      eface := *(*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i))
    21      return toType(eface.typ)
    22  }
    23
    24  type emptyInterface struct {
    25      typ  *rtype
    26      word unsafe.Pointer
    27  }

任何一个变量可以通过调用ValueOf来获取到变量的Value结构体，通过TypeOf方法来获取变量的Type接口类型。通过TypeOf方法获取到的Type接口实际上就是该变量对应的_type。
通过前面的分析，当通过TypeOf方法获取到变量的_type结构体后，很容易获取到该变量的一些基本信息，比如_type结构体中的各种字段都可以直接获取到。

3.2 反射修改变量的值

     1  package main
     2
     3  import (
     4      "reflect"
     5  )
     6
     7  func main() {
     8      var x int64 = 10
     9
    10      reflect.ValueOf(x).SetInt(20)
    11
    12      reflect.ValueOf(&x).SetInt(20)
    13
    14      reflect.ValueOf(&x).Elem().SetInt(20)
    15  }

上面的例子中，第10行，12行都会报panic，只有第14行能修改变量的值。在使用ValueOf获取到Value结构体以后，flag字段记录着值能否进行修改，这样应该是为了避免误操作，保证api调用者明确了解到是否需要修改值。

3.3 反射修改结构体变量字段的值

如果需要通过反射修改某结构体里面各个字段的值。

     1  package main
     2
     3  import (
     4      "reflect"
     5      "fmt"
     6  )
     7
     8  type Struct1 struct {
     9      A int64
    10      B int64
    11      C int64
    12  }
    13
    14  func main() {
    15      P := new(Struct1)
    16
    17      V := reflect.ValueOf(P).Elem()
    18      V.FieldByName("A").SetInt(100)
    19      V.FieldByName("B").SetInt(200)
    20      V.FieldByName("C").SetInt(300)
    21
    22      fmt.Printf("%v", P)
    23  }

上面的代码中，需要根据结构体字段的名称对各个字段的值进行修改，内部是如何实现的呢？

自定义struct内存分布.jpg

每一个自定义的struct类型都存在这一个对应的structType结构体，该结构体记录了每个字段structField。通过对比structField里面的name字段，就可以获取到某个字段的type和偏移量。从而对具体的值进行修改。

3.4 反射动态调用方法

动态的调用方法是怎么实现的？

     1  package main
     2
     3  import (
     4      "reflect"
     5  )
     6
     7  type Struct1 struct {
     8      A int64
     9      B int64
    10      C int64
    11  }
    12
    13  func (p *Struct1) Set() {
    14      p.A = 200
    15  }
    16
    17  func main() {
    18      P := new(Struct1)
    19      P.A = 100
    20      P.B = 200
    21      P.C = 300
    22
    23      V := reflect.ValueOf(P)
    24
    25      params := make([]reflect.Value, 0)
    26      V.MethodByName("Set").Call(params)
    27  }

结构体的方法在内存中存在如下的分布

反射获取方法.jpg

在编译过程中，结构体对应方法的相关信息都已经存在于内存中，分配了一块uncommonType的结构体跟在fields字段后面。根据内存的分布，如果需要根据一个结构体的名称获取到方法并且执行，只需要根据uncommonType结构中的moff字段去获取方法相关信息的地址块，然后逐个对比名称是否为想要获取的方法进行调用。

4 总结

本文从实现原理上分析了Go语言中interface类型和反射包的使用，相信各位读者以后再使用Go的interface类型和反射包时能做到胸有成竹，也能够对分析Go语言的其它特性提供思路。

作者：喻家山车神
链接：https://www.jianshu.com/p/70003e0f49d1
来源：简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

posted @ 2020-01-15 15:52 jimshi 阅读(536) 评论(0) 编辑收藏举报

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