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  • Golang Interface 解析

    转自 https://zhuanlan.zhihu.com/p/27652856

    先看一段代码：

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    func (x interface{}) {
        if x == nil {
            fmt.Println("empty interface")
            return
        }
        fmt.Println("non-empty interface")
    }

    func main() {
        var x *int = nil
        Foo(x)
    }

    上面的例子的输出结果如下

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    $ go run test_interface.go
    non-empty interface

    可能你会感觉奇怪，为什么会是 non-empty inerface，那么继续往下看，你就会知道答案。

    interface 底层结构

    根据 interface 是否包含有 method，底层实现上用两种 struct 来表示：iface 和 eface。eface表示不含 method 的 interface 结构，或者叫 empty interface。对于 Golang 中的大部分数据类型都可以抽象出来 _type 结构，同时针对不同的类型还会有一些其他信息。

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

    type _type struct {
        size       uintptr 
        ptrdata    uintptr // size of memory prefix holding all pointers
        hash       uint32  // hash of type; avoids computation in hash tables
        tflag      tflag   // extra type information flags
        align      uint8   // alignment of variable with this type
        fieldalign uint8   // alignment of struct field with this type
        kind       uint8   // enumeration for C
        alg        *typeAlg  // algorithm table
        gcdata    *byte    // garbage collection data
        str       nameOff  // string form
        ptrToThis typeOff  // type for pointer to this type, may be zero
    }

    iface 表示 non-empty interface 的底层实现。相比于 empty interface，non-empty 要包含一些 method。method 的具体实现存放在 itab.fun 变量里。如果 interface 包含多个 method，这里只有一个 fun 变量怎么存呢？这个下面再细说。

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

    // layout of Itab known to compilers
    // allocated in non-garbage-collected memory
    // Needs to be in sync with
    // ../cmd/compile/internal/gc/reflect.go:/^func.dumptypestructs.
    type itab struct {
        inter  *interfacetype
        _type  *_type
        link   *itab
        bad    int32
        inhash int32      // has this itab been added to hash?
        fun    [1]uintptr // variable sized
    }

    我们使用实际程序来看一下。

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    package main

    import (
        "fmt"
    )

    type MyInterface interface {
        Print()
    }

    type MyStruct struct{}
    func (ms MyStruct) Print() {}

    func main() {
        x := 1
        var y interface{} = x
        var s MyStruct
        var t MyInterface = s
        fmt.Println(y, z)
    }

    查看汇编代码。

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    $ go build -gcflags '-l' -o interface11 interface11.go
    $ go tool objdump -s "main.main" interface11
    TEXT main.main(SB) /Users/kltao/code/go/examples/interface11.go
        interface11.go:15   0x10870f0   65488b0c25a0080000  GS MOVQ GS:0x8a0, CX
        interface11.go:15   0x10870f9   483b6110        CMPQ 0x10(CX), SP
        interface11.go:15   0x10870fd   0f86de000000        JBE 0x10871e1
        interface11.go:15   0x1087103   4883ec70        SUBQ $0x70, SP
        interface11.go:15   0x1087107   48896c2468      MOVQ BP, 0x68(SP)
        interface11.go:15   0x108710c   488d6c2468      LEAQ 0x68(SP), BP
        interface11.go:17   0x1087111   48c744243001000000  MOVQ $0x1, 0x30(SP)
        interface11.go:17   0x108711a   488d057fde0000      LEAQ 0xde7f(IP), AX
        interface11.go:17   0x1087121   48890424        MOVQ AX, 0(SP)
        interface11.go:17   0x1087125   488d442430      LEAQ 0x30(SP), AX
        interface11.go:17   0x108712a   4889442408      MOVQ AX, 0x8(SP)
        interface11.go:17   0x108712f   e87c45f8ff      CALL runtime.convT2E(SB)
        interface11.go:17   0x1087134   488b442410      MOVQ 0x10(SP), AX
        interface11.go:17   0x1087139   4889442438      MOVQ AX, 0x38(SP)
        interface11.go:17   0x108713e   488b4c2418      MOVQ 0x18(SP), CX
        interface11.go:17   0x1087143   48894c2440      MOVQ CX, 0x40(SP)
        interface11.go:19   0x1087148   488d15b1000800      LEAQ 0x800b1(IP), DX
        interface11.go:19   0x108714f   48891424        MOVQ DX, 0(SP)
        interface11.go:19   0x1087153   488d542430      LEAQ 0x30(SP), DX
        interface11.go:19   0x1087158   4889542408      MOVQ DX, 0x8(SP)
        interface11.go:19   0x108715d   e8fe45f8ff      CALL runtime.convT2I(SB)

    代码 17 行 var y interface{} = x 调用了函数 runtime.convT2E，将 int 类型的 x 转换成 empty interface。代码 19 行 var t MyInterface = s 将 MyStruct 类型转换成 non-empty interface: MyInterface。

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    func convT2E(t *_type, elem unsafe.Pointer) (e eface) {
        ...
      
        x := newobject(t)
        typedmemmove(t, x, elem)
        e._type = t
        e.data = x
        return
    }

    func convT2I(tab *itab, elem unsafe.Pointer) (i iface) {
        t := tab._type
        
        ...
      
        x := newobject(t)
        typedmemmove(t, x, elem)
        i.tab = tab
        i.data = x
        return
    }

    看上面的函数原型，可以看出中间过程编译器将根据我们的转换目标类型的 empty interface 还是 non-empty interface，来对原数据类型进行转换（转换成 <_type, unsafe.Pointer> 或者 <itab, unsafe.Pointer>）。这里对于 struct 满不满足 interface 的类型要求（也就是 struct 是否实现了 interface 的所有 method），是由编译器来检测的。

    itab

    iface 结构中最重要的是 itab 结构。itab 可以理解为 pair 。当然 itab 里面还包含一些其他信息，比如 interface 里面包含的 method 的具体实现。下面细说。itab 的结构如下。

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    type itab struct {
        inter  *interfacetype
        _type  *_type
        link   *itab
        bad    int32
        inhash int32      // has this itab been added to hash?
        fun    [1]uintptr // variable sized
    }

    其中 interfacetype 包含了一些关于 interface 本身的信息，比如 package path，包含的 method。上面提到的 iface 和 eface 是数据类型（built-in 和 type-define）转换成 interface 之后的实体的 struc 大专栏  Golang Interface 解析t 结构，而这里的 interfacetype 是我们定义 interface 时候的一种抽象表示。

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    type interfacetype struct {
        typ     _type
        pkgpath name
        mhdr    []imethod
    }

    type imethod struct {   //这里的 method 只是一种函数声明的抽象，比如  func Print() error
        name nameOff
        ityp typeOff
    }

    _type 表示 concrete type。fun 表示的 interface 里面的 method 的具体实现。比如 interface type 包含了 method A, B，则通过 fun 就可以找到这两个 method 的具体实现。这里有个问题 fun 是长度为 1 的 uintptr 数组，那么怎么表示多个 method 呢？看一下测试程序。

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    package main

    type MyInterface interface {
        Print()
        Hello()
        World()
        AWK()
    }

    func Foo(me MyInterface) {
        me.Print()
        me.Hello()
        me.World()
        me.AWK()
    }

    type MyStruct struct {}

    func (me MyStruct) Print() {}
    func (me MyStruct) Hello() {}
    func (me MyStruct) World() {}
    func (me MyStruct) AWK() {}

    func main() {
        var me MyStruct
        Foo(me)
    }

    看一下函数调用对应的汇编代码。

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    $ go build -gcflags '-l' -o interface8 interface8.go
    $ go tool objdump -s "main.Foo" interface8
    TEXT main.Foo(SB) /Users/kltao/code/go/examples/interface8.go
        interface8.go:10    0x104c060   65488b0c25a0080000  GS MOVQ GS:0x8a0, CX
        interface8.go:10    0x104c069   483b6110        CMPQ 0x10(CX), SP
        interface8.go:10    0x104c06d   7668            JBE 0x104c0d7
        interface8.go:10    0x104c06f   4883ec10        SUBQ $0x10, SP
        interface8.go:10    0x104c073   48896c2408      MOVQ BP, 0x8(SP)
        interface8.go:10    0x104c078   488d6c2408      LEAQ 0x8(SP), BP
        interface8.go:11    0x104c07d   488b442418      MOVQ 0x18(SP), AX
        interface8.go:11    0x104c082   488b4830        MOVQ 0x30(AX), CX //取得 Print 函数地址
        interface8.go:11    0x104c086   488b542420      MOVQ 0x20(SP), DX
        interface8.go:11    0x104c08b   48891424        MOVQ DX, 0(SP)
        interface8.go:11    0x104c08f   ffd1            CALL CX     // 调用 Print()
        interface8.go:12    0x104c091   488b442418      MOVQ 0x18(SP), AX
        interface8.go:12    0x104c096   488b4828        MOVQ 0x28(AX), CX //取得 Hello 函数地址
        interface8.go:12    0x104c09a   488b542420      MOVQ 0x20(SP), DX
        interface8.go:12    0x104c09f   48891424        MOVQ DX, 0(SP)
        interface8.go:12    0x104c0a3   ffd1            CALL CX           //调用 Hello()
        interface8.go:13    0x104c0a5   488b442418      MOVQ 0x18(SP), AX
        interface8.go:13    0x104c0aa   488b4838        MOVQ 0x38(AX), CX //取得 World 函数地址
        interface8.go:13    0x104c0ae   488b542420      MOVQ 0x20(SP), DX 
        interface8.go:13    0x104c0b3   48891424        MOVQ DX, 0(SP)
        interface8.go:13    0x104c0b7   ffd1            CALL CX           //调用 World()
        interface8.go:14    0x104c0b9   488b442418      MOVQ 0x18(SP), AX
        interface8.go:14    0x104c0be   488b4020        MOVQ 0x20(AX), AX //取得 AWK 函数地址
        interface8.go:14    0x104c0c2   488b4c2420      MOVQ 0x20(SP), CX
        interface8.go:14    0x104c0c7   48890c24        MOVQ CX, 0(SP)
        interface8.go:14    0x104c0cb   ffd0            CALL AX           //调用 AWK()
        interface8.go:15    0x104c0cd   488b6c2408      MOVQ 0x8(SP), BP
        interface8.go:15    0x104c0d2   4883c410        ADDQ $0x10, SP
        interface8.go:15    0x104c0d6   c3          RET
        interface8.go:10    0x104c0d7   e8f48bffff      CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
        interface8.go:10    0x104c0dc   eb82            JMP main.Foo(SB)

    其中 0x18(SP) 对应的 itab 的地址。fun 在 x86-64 机器上对应 itab 内的地址偏移为 8+8+8+4+4 = 32 = 0x20，也就是 0x20(AX) 对应的 fun 的值，此时存放的 AWK 函数地址。然后 0x28(AX) = &Hello，0x30(AX) = &Print，0x38(AX) = &World。对的，每次函数是按字典序排序存放的。

    我们再来看一下函数地址究竟是怎么写入的？首先 Golang 中的 uintptr 一般用来存放指针的值，这里对应的就是函数指针的值（也就是函数的调用地址）。但是这里的 fun 是一个长度为 1 的 uintptr 数组。我们看一下 runtime 包的 additab 函数。

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    func additab(m *itab, locked, canfail bool) {
        ...
        *(*unsafe.Pointer)(add(unsafe.Pointer(&m.fun[0]), uintptr(k)*sys.PtrSize)) = ifn
        ...
    }

    上面的代码的意思是在 fun[0] 的地址后面依次写入其他 method 对应的函数指针。熟悉 C++ 的同学可以类比 C++ 的虚函数表指针来看。

    剩下的还有 bad，link，inhash。其中 bad 是一个表征 itab 状态的变量。而这里的 link 是 *itab 类型，是不是表示 interface 的嵌套呢？并不是，interface 的嵌套也是把 method 平铺而已。link 要和 inhash 一起来说。在 runtime 包里面有一个 hash 表，通过 hash[hashitab(interface_type, concrete_type)] 可以取得 itab，这是出于性能方面的考虑。主要代码如下，这里就不再赘述了。

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    const (
        hashSize = 1009
    )

    var (
        ifaceLock mutex // lock for accessing hash
        hash      [hashSize]*itab
    )

    func itabhash(inter *interfacetype, typ *_type) uint32 {
        // compiler has provided some good hash codes for us.
        h := inter.typ.hash
        h += 17 * typ.hash
        // TODO(rsc): h += 23 * x.mhash ?
        return h % hashSize
    }

    func additab(...) {
        ...
        h := itabhash(inter, typ)
        m.link = hash[h]
        m.inhash = 1
        atomicstorep(unsafe.Pointer(&hash[h]), unsafe.Pointer(m))
    }

    3. Type Assertion

    我们知道使用 interface type assertion (中文一般叫断言) 的时候需要注意，不然很容易引入 panic。

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    func do(v interface{}) {
        n := v.(int)    // might panic
    }

    func do(v interface{}) {
        n, ok := v.(int)
        if !ok {
            // 断言失败处理
        }
    }

    这个过程体现在下面的几个函数上。

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    // The assertXXX functions may fail (either panicking or returning false,
    // depending on whether they are 1-result or 2-result).
    func assertI2I(inter *interfacetype, i iface) (r iface) {
        tab := i.tab
        if tab == nil {
            // explicit conversions require non-nil interface value.
            panic(&TypeAssertionError{"", "", inter.typ.string(), ""})
        }
        if tab.inter == inter {
            r.tab = tab
            r.data = i.data
            return
        }
        r.tab = getitab(inter, tab._type, false)
        r.data = i.data
        return
    }
    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
    }

    // 类似
    func assertE2I(inter *interfacetype, e eface) (r iface)
    func assertE2I2(inter *interfacetype, e eface) (r iface, b bool)

    4. 总结

    从某种意义上来说，Golang 的 interface 也是一种多态的体现。对比其他支持多态特性的语言，实现还是略有差异，很难说谁好谁坏。
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