Runtime: 理解Golang中接口interface的底层实现

By admin

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接口类型是Golang中是一种非常非常常见的数据类型，每个开发人员都很有必要知道它到底是如何使用的，如果了解了它的底层实现就对开发就更有帮助了。

接口的定义

在Golang中 interface 通常是指实现了一 组抽象方法的集合，它提供了一种无侵入式的方式。当你实现了一个接口中指定的所有方法的时候，那么就实现了这个接口，在Golang中对它的实现并不需要 implements 关键字。

有时候我们称这种模型叫做鸭子模型（Duck typing），维基百科对鸭子模型的定义是

”If it looks like a duck, swims like a duck, and quacks like a duck, then it probably is a duck.“

翻译过来就是 ”如果它看起来像鸭子，像鸭子一样游泳，像鸭子一样嘎嘎叫，那他就可以认为是鸭子“。

Go 不同版本之间interface的结构可能不太一样，但整体都差不多，这里使用的Go版本为 1.15.6。

数据结构

Go 中 interface 在运行时可分 eface 和 iface 两种数据结构，我们先看一下对它们的定义：

一种是 eface， 表示空接口，指未包含任何方法的接口。如定义一个变量 var x interface{}，还有我们经常使用的标准库中的 func Println(a ...interface{}) (n int, err error) {} 都必于 eface 类型，标准库中有许多这类的接口。

另一种是 iface，表示包含至少一个方法的接口。

根据两者的定义可知 iface 是 eface 的一个子集，那么为什么不直接使用eface呢? 主要原因还是为了做一些性能优化。

对数据结构的定义若不指定的话，默认位于 [src/runtime/runtime2.go](https://github.com/golang/go/blob/go1.15.6/src/runtime/runtime2.go#L208-L211)。

这里需要提醒一下大家，对于 doSomething(v interface{}) 这类的用法， v 的类型是 interface{} 类型, 并非是任意类型，这一点十分重要。当将一个值传递给函数的时候，go将会做类型转换操作，所有的值类型在运行时只有一种类型，v 的静态类型是 interface。

eface 结构体

我们看一下空接口的结构体定义

// src/runtime/runtime2.go
type eface struct {
	_type *_type
	data  unsafe.Pointer
}

eface 结构体主要包含两个字段，共16字节。 _type：这个是运行时 [runtime._type](https://github.com/golang/go/blob/go1.15.6/src/runtime/type.go#L27-L48) 指针类型，表示数据类型 data: 表示数据指针

runtime._type 结构定义如下

// src/runtime/type.go

// Needs to be in sync with ../cmd/link/internal/ld/decodesym.go:/^func.commonsize,
// ../cmd/compile/internal/gc/reflect.go:/^func.dcommontype and
// ../reflect/type.go:/^type.rtype.
// ../internal/reflectlite/type.go:/^type.rtype.
type _type struct {
	size       uintptr
	ptrdata    uintptr // size of memory prefix holding all pointers
	hash       uint32
	tflag      tflag
	align      uint8
	fieldAlign uint8
	kind       uint8
	// function for comparing objects of this type
	// (ptr to object A, ptr to object B) -> ==?
	equal func(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool
	// gcdata stores the GC type data for the garbage collector.
	// If the KindGCProg bit is set in kind, gcdata is a GC program.
	// Otherwise it is a ptrmask bitmap. See mbitmap.go for details.
	gcdata    *byte
	str       nameOff
	ptrToThis typeOff
}

字段说明 size: 存储的数据类型占用的空间大小，分配内存时需要这个信息 ptrdata: hash: 快速判断确定类型是否相等 equal: 判断两个对象是否为相等 gcdata: 存储gc类型数据。

iface 结构体 iface 结构体关系图

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

同样包含两个字段，只有第一个字段不一样，这里是tab。iface 同 eface 一样，也是共占用16字节。

我们看下 [runtime.itab](https://github.com/golang/go/blob/go1.15.6/src/runtime/runtime2.go#L827-L837) 的数据结构

// 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.dumptabs.
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.
}

runtime.itab 结构体是接口类型中的核心组成部分，每个itab占用32字节。

hash: 字段拷贝自 _type.hash，用于类型切换。当我们想将 interface 类型转换成具体类型时，可以使用该字段快速判断目标类型和具体类型 runtime._type 是否一致 fun: 固定大小的数组。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？

你可能会觉得奇怪，为什么 fun 数组的大小为1，要是接口定义了多个方法可怎么办？实际上，这里存储的是第一个方法的函数指针。如果 fun[0] 为 `` 时，说明 _type 并没有实现该接口。否则表示已经实现，如果有更多的方法，在它之后的内存空间里继续存储。从汇编角度来看，通过增加地址就能获取到这些函数指针，没什么影响。顺便提一句，这些方法是按照函数名称的字典序进行排列的。

inter 是一个 interfacetype 类型，类型定义如下：

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

typ: 接口类型 pkgpath: 包名 mhdr: 方法集列表

在go中除了interfacetpe 外，还有一些类似的类型，如 arraytype、maptype、chartype、chantype 和 slicetype 等,它们都可以在 [src/runtime/type.go](https://github.com/golang/go/blob/go1.15.6/src/runtime/type.go) 文件里找到。

Go语言各种数据类型都是在 _type 字段的基础上，增加一些额外的字段来进行管理的：

type arraytype struct {
	typ   _type
	elem  *_type
	slice *_type
	len   uintptr
}

type chantype struct {
	typ _type
	elem *_type
	dir uintptr
}

type slicetype struct {
	typ _type
	elem *_type
}

type functype struct {
	typ      _type
	inCount  uint16
	outCount uint16
}

type ptrtype struct {
	typ  _type
	elem *_type
}

type structtype struct {
	typ _type
	pkgPath name
	fields []structfield
}
type structfield struct {
	name       name
	typ        *_type
	offsetAnon uintptr
}

这些数据类型的结构体定义，是反射实现的基础。

imethtod 结构体定义

type imethod struct {
	name nameOff
	ityp typeOff
}

nameOff 和 typeOff 都是 int32 别名定义。

类型转换

在实现一个接口时候，一般有有两种实现方式， 使用 值接收者 方法实现或者使用 指针接收者 实现，两者又有何区别呢？这里会涉及一些go汇编的语法，如果不太熟悉的话，建议先了解一下，阅读 这里。

在类型转换时，将使用一系列 convXXX 函数。如空接口将调用 [convT2E](https://github.com/golang/go/blob/go1.15.6/src/runtime/iface.go#L311-L332) 系列函数，非空接口调用 [convT2I](https://github.com/golang/go/blob/go1.15.6/src/runtime/iface.go#L405-L418) 系列函数，定义这些函数正是Go内部为了性能考虑，避免对函数 typedmemmove 的调用（从函数名的最后一个字符也可以看出转换的是哪种接口）。

下面我们从一个示例中来确认这一点。

package main

import (
	"fmt"
)

// 定义有方法的接口，对应的是 iface 结构体
type MyInterface interface {
	Print()
}
type MyStruct struct{}

func (ms MyStruct) Print() {}

func main() {
	// 空接口，对应 eface
	a := 1
	var x interface{} = a

	// 非空方法的接口，对应 iface
	var b MyStruct
	var y MyInterface = b

	fmt.Println(x, y)
}

执行命令

go tool compile -S main.go

从输出结果中可以看到调用的 convXXX 函数。

参考资料