Go 接口：深入內部原理
接口的基本概念不在這裡贅述，詳情請看第十六章：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) // true
}
前面的只是對比，說明interface can hold everything。我們需要注意的最後兩個判斷：
u是一個User類型的空指針，println(u == nil)輸出true是意料之內；- 將
u賦值給obj後，println(obj == nil)輸出的是false，意料之外
為什麼把空指針u賦值給interface後，obj就不是nil了嗎？那它會是什麼呢？
通過gdb工具調試，我們看到interface原來是長這樣的：
(gdb) ptype obj
type = struct runtime.eface {
runtime._type *_type;
void *data;
}
通過goland斷點看一下obj裏面到底了什麼
可以看出來data是用來存儲數據，_type用來存儲類型：
- 當
obj = 1時，底層的eface的兩個屬性都是有值的； - 當
obj = u時，底層的eface的data屬性為空，_type屬性非空 - 當
obj = nil時，底層的eface的data和_type屬於都為空
對應結構體類型的比較，要求結構體中的所有字段都相等時兩個變量才是相等的，因為eface的_type屬於非空，所以當將u賦值給obj後，println(obj == nil輸出的是false。
這就引出了另一個問題，當執行
obj = u這行代碼時，golang runtime是如何把靜態類型的值u轉換成eface結構的呢？
當給接口賦值時
接着上面的問題，我們通過下面這段簡單代碼，看看是如何把一個靜態類型值轉換成eface的
package main
import "fmt"
func main() {
var a int64 = 123
var i interface{} = a // 這一行進行轉換
fmt.Println(i)
}
通過命令go tool compile -N -l -S main.go將其轉成彙編代碼
紅框內的正是第 7 行對應的彙編指CALL runtime.convT64(SB)（彙編代碼可以直接調用 Go func），我們可以在runtime包中找到對應的函數函數
// 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) // 分配內存，（size, _type, needzero)
*(*uint64)(x) = val // 複製
}
return
}
eface, iface
通過上面的實驗，我們了解了接口的底層結構是eface。實際上，Golang 根據接口是否包含方法，將接口分為兩類：
eface：不包含任何綁定方法的接口- 比如：空接口
interface{}
- 比如：空接口
iface：包含綁定方法的接口- 比如：os.Writer
type Writer interface { Write(p []byte) (n int, err error) }
eface
eface的數據結構：
type eface struct {
_type *_type
data unsafe.Pointer
}
這個我們應該比較熟悉了，在上面的實驗中我們已經見過了：_type 和 data 屬性，分別代表底層的指向的類型信息和指向的值信息指針。
我們在看一下_type屬性，它的類型是又是一個結構體：
type _type struct {
size uintptr // 類型的大小
ptrdata uintptr // 包含所有指針的內存前綴的大小
hash uint32 // 類型的 hash 值，此處提前計算好，可以避免在哈希表中計算
tflag tflag // 額外的類型信息標誌，此處為類型的 flag 標誌，主要用於反射
align uint8 // 對應變量與該類型的內存對齊大小
fieldAlign uint8 // 對應類型的結構體的內存對齊大小
kind uint8 // 類型的枚舉值, 包含 Go 語言中的所有類型，例如：`kindBool`、`kindInt`、`kindInt8`、`kindInt16` 等
equal func(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool // 用於比較此對象的回調函數
gcdata *byte // 存儲垃圾收集器的 GC 類型數據
str nameOff
ptrToThis typeOff
}
總結來說：runtime 只需在這裡查詢，就能得到與類型相關的所有信息（位元組大小、類型標誌、內存對齊等）。
iface
iface的數據結構：
type iface struct {
tab *itab
data unsafe.Pointer
}
與iface相比，它們的data屬性是一樣的，用於存儲數據；不同的是，因為iface不僅要存儲類型信息，還要存儲接口綁定的方法，所有需要使用itab結構來存儲兩者信息。我們看一下itab：
type itab struct {
inter *interfacetype // 接口的類型信息
_type *_type // 具體類型信息
hash uint32 // _type.hash 的副本，用於目標類型和接口變量的類型對比判斷
_ [4]byte
fun [1]uintptr // 存儲接口的方法集的具體實現的地址，其包含一組函數指針，實現了接口方法的動態分派，且每次在接口發生變更時都會更
}
總結來講，接口的數據結構基本表示形式比較簡單，就是類型和值描述。再根據其具體的區別，例如是否包含方法集，具體的接口類型等進行組合使用。
iface，接口綁定的 method 你存到了哪裡？
通過上節，我們知道iface可以存儲接口綁定的方法。從其結構體也能看出來iface.tab.fun字段就是用來干這個事。但是，我有一個疑問：fun類型是長度為 1 的指針數組，難道它就只能存一個 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是一個實現了接口Animal所有方法的結構體，所以一個接口obj嘗試通過類型斷言轉換成Animal接口是，是可以成功的。通過 Debug 調試，當我執行cc, _ := obj.(Animal)這行代碼時，內部回去調 assertE2I2方法然後返回
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變量實際上是一個iface結構體，因為iface無法導出我們看不到內部數據，但我們可以通過在 main 程序中把iface結構體定義一封，通過指針操作進行轉換：
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)) // 當cc轉成 iface 接口體
fmt.Printf("%v\n", dd)
fmt.Printf("%+V", cc)
}
通過 debug 可以看到，接口Animal對應的eface的一個完整的數據
tab裏面保存了類型和綁定方法的數據：inter.mhdr的長度為 3，看起來是存儲了 3 個方法的名字和類型，fun里存儲了一個指針，應該就是第一個方法的地址了。下面這段代碼可以證實：
// itab 的初始化
func (m *itab) init() string {
inter := m.inter
typ := m._type
x := typ.uncommon()
// ni的值為接口綁定的方法數量
ni := len(inter.mhdr)
nt := int(x.mcount)
// 我猜 xmhdr 是真實存儲接口的方法的地方
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:
// 遍歷3個方案
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)
// 通過遍歷 xmhdr，如果和mhrd[k]的名字、類型並且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 {
// 獲取方法的地址
ifn := typ.textOff(t.ifn)
if k == 0 {
// 記錄第一個方法的地址
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] = 第一個方法的地址
m.fun[0] = uintptr(fun0)
return ""
}
總結一下，在將一個不確定的interface{}類型斷言成某個特定接口時，runtime 會將原來的數據、方法以iface的數據結構進行返回。iface實際上只保存第一個方法的地址，其他的方法通過偏移量就能找到，偏移的信息保存在 mhdr 中（待驗證）
類型斷言是怎麼做到的
Go 是強類型的語言，變量類型、函數傳參的類型一定定義就不能變換。這為程序的類型提供了安全穩定的保證，但也為程序的編碼帶來更多的工作量。比如我們去是實現一個加法函數，需要對不同的類型都寫一遍，並且使用起來也不方便：
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 }
基於interface can hold everything，我們通過使用interface{}當入參類型，用一個函數來實現：
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
}
可能會有人問：add函數的參數變量類型是interface{}了， 它在函數裏面是後如何把從interface{}中的帶變量？（答案就是eface）
-
第一步
int64->eface注意這行代碼
c := add(a, b)，翻譯成彙編的話：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)注意最後一行
runtime.convT64，上面提到過，這裡的操作就拷貝一份值給到函數addfunc 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 } -
第二步從
eface中得到類型信息為了驗證我們的猜想，我們在
add函數入口處通過類型轉換把interface{} a轉成eface dd來看一它的具體數據長什麼樣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") } ...通過 debug 看到的 dd 數據如下：
注意dd._type.kind字段的只為 6，在src/runtime/typekind.go文件中，維護了每個類型對應一個常量const ( kindBool = 1 + iota kindInt kindInt8 kindInt16 kindInt32 kindInt64 // 6 kindUint kindUint8 kindUint16 kindUint32 kindUint64 kindUintptr kindFloat32 ... )可以看到，
int64對應的常量值正好是 6。這也就解釋通過類型斷言獲取將interface{}轉成具體類型的原理。
總結
接口的作用
- 在 Go 運行時，為方便內部傳遞數據、操作數據，使用
interface{}作為存儲數據的媒介，大大降低了開發成本。這個媒介存儲了數據的位置、數據的類型，有這兩個信息，就能代表一切變量，即interface can hold everything。 - 接口也作為一種抽象的能力，通過定義一個接口所需實現的方法，等同於對
如何判定這個 struct 是不是這類接口完成了明確的定義，即必須是接口綁定的所有方法。通過這種能力，可以在編碼上做到很大程度的解耦，接口就好比上下游開發者之間協議。
接口的內部存儲有兩類
Golang 根據接口是否包含方法，將接口分為兩類：
eface：不包含任何綁定方法的接口- 比如：空接口
interface{}
- 比如：空接口
iface：包含綁定方法的接口- 比如：os.Writer
二者之間的差別在與eface多存了接口綁定的方法信息。
當心，變成接口後，判空不準
判空的條件是結構體的所有字段都為nil才行，當nil的固定類型值轉成接口後，接口的數據值為nil，但是類型值不為nil會導致判空失敗。
解決的方案是：函數返回參數不要寫出接口類型，在外部先做判空，在轉成接口。
