Golang Interface实现原理分析
Interface分析
本文基于go1.12.12源码进行分析，代码在amd64机器上运行和调试
1. Duck Typing
1.1 什么是鸭子类型
（图片来源：百度百科）
图中的大黄鸭是一只鸭子吗？从传统角度来看，图中的大黄鸭并非是一只鸭子，因为它即不会叫也不会跑，甚至连生命都没有
首先看下鸭子类型的定义，摘自维基百科
If it walks like a duck and it quacks like a duck, then it must be a duck
如果某个东西像鸭子一样走，像鸭子一样嘎嘎叫，那它一定是鸭子
所以，从 Duck Typing 角度来看，图中的大黄鸭是一只鸭子
鸭子类型，是程序设计中的一种类型推断风格，它描述事物的外部行为而非内部结构
1.2 Go语言的鸭子类型
Go语言通过接口的方式实现Duck Typing。不像其他动态语言那样，只能在运行时才能检查到类型不匹配，也不像大多数静态语言那样，需要显示声明实现哪个接口，Go语言接口的独特之处在于它是隐式实现
2. 概述
2.1 接口类型
接口是一种抽象类型，它没有暴露所含数据的布局或者内部结构，当然也没有哪些数据的基本操作，所提供的仅仅是一些方法。当你拿到一个接口类型的变量，你无从知道它是什么，但你能知道它能做什么，或者更精确地讲，仅仅是它提供了哪些方法
2.2 接口定义
Go语言提供了 interface 关键字，接口中只能定义需要实现的方法，不能包含任何的变量
type 接口类型名 interface{
方法名1( 参数列表1 ) 返回值列表1
方法名2( 参数列表2 ) 返回值列表2
…
}
例如 io.Writer 类型，其实就是接口类型
type Writer interface {
Write(p []byte) (n int, err error)
}
接口与接口间可以嵌套得到新接口，如 io.ReadWriter：
type Reader interface {
Read(p []byte) (n int, err error)
}
type ReadWriter interface{
Reader
Writer
}
不包含方法的接口，叫做空接口类型
interface{}
2.3 实现接口
如果一个具体类型实现了一个接口要求的所有方法，那么这个类型实现了这个接口。当一表达式实现了一个接口时，这个表达式才可以复制给该接口
如下示例中，定义一个 Runner 接口，只包含一个 run() 方法， Person 结构体实现了 Run() 方法，那么就实现了 Runner 接口
type Runner interface {
Run()
}
type Person struct {
Name string
}
func (p Person) Run() {
fmt.Printf("%s is running\n", p.Name)
}
func main() {
var r Runner
r = Person{Name: "song_chh"}
r.Run()
}
另外，因为空接口类型是没有定义任何方法的接口，因此所有类型都实现了空接口，也就是说可以把任何值赋给空接口类型
2.4 接口和指针
接口在定义一组方法时，并没有对实现的接收者做限制，所以会有两种实现方式，一种是指针接收者，另一种是值接收者
同一个方法不能两种实现同时存在
为Runner接口增加一个 Say() 方法，Person结构体类型使用指针接收者实现Say()方法
type Runner interface {
Run()
Say()
}
type Person struct {
Name string
}
func (p Person) Run() {
fmt.Printf("%s is running\n", p.Name)
}
func (p *Person) Say() {
fmt.Printf("hello, %s", p.Name)
}
在对接口变量进行初始化时，可以使用结构体或者结构体指针
var r Runner
r = &Person{Name: "sch_chh"}
r = Person{Nmae: "sch_chh"}
因为实现接口的接受者类型和接口初始化时的类型都有两个维度，就会产生四种不同情况的编码
- | 值接收者 | 指针接收者
—|—|—
值初始化 | √ | ×
指针初始化 | √ | √
× 表示编译不通过
下面两种情况能够通过编译很好理解：
- 方法接受者和初始化类型都是结构体值
- 方法接受者和初始化类型都是结构体指针
首先，我们来看一下能够通过编译的情况，也就是方法接收者是结构体，而初始化的变量是指针类型
type Runner interface {
Run()
Say()
}
type Person struct {
Name string
}
func (p Person) Run() {
fmt.Printf("%s is running\n", p.Name)
}
func (p *Person) Say() {
fmt.Printf("hello, %s", p.Name)
}
func main() {
var r Runner
r = &Person{Name: "sch_chh"}
r.Run()
r.Say()
}
上述代码中，Person结构体指针是能够直接调用Run和Say，因为作为结构体指针，能够隐式获取到底层的结构体，然后在通过结构体调用对应的方法
如果将引用去掉，即变量初始化使用结构体类型
r = Person{Name: "sch_chh"}
则会提示编译不通过
./pointer.go:24:4: cannot use Person literal (type Person) as type Runner in assignment:
Person does not implement Runner (Say method has pointer receiver)
那么为什么会编译不通过呢？首先在Go语言在进行参数传递都是 值传递
当代码中的变量是 &Person{} 时，在方法调用的过程中会对参数进行复制，创建一个新的 Person 结构体指针，指针指向一个确定的结构体，所以编译器会隐式的对变量解引用获取指针指向的结构体，完成方法的调用
当代码中的变量是 Person{} 时，在方法调用的过程中会对参数进行复制，也就是 Run() 和 Say() 会接受一个新的 Person{} 变量。如果方法接收者是 *Person ，编译器无法根据结构体找到一个唯一的指针，所以编译器会报错
注意：一个具体类型T的变量，直接调用*T的方法也是合法的，因为编译器会隐式的帮你完成取地址操作，但这仅仅是一个语法糖
2.5 nil和non-nil
再看一段示例，还是Runner接口和Person结构体，注意看main()函数体，首先声明一个接口变量r，打印是否为nil，紧接着定义一个*Person类型的p，打印p是否为nil，最后将p赋值给r，打印此时的r是否为nil
type Runner interface {
Run()
}
type Person struct {
Name string
}
func (p Person) Run() {
fmt.Printf("%s is running\n", p.Name)
}
func main() {
var r Runner
fmt.Println("r:", r == nil)
var p *Person
fmt.Println("p:", p == nil)
r = p
fmt.Println("r:", r == nil)
}
输出结果是什么？
r: true or false
p: true or false
r: true or false
实际输出结果为：
r: true
p: true
r: false
前两个输出r为nil和p为nil可以理解，因为接口类型和指针类型的零值为nil，那么当p赋值给r后，r却不为nil呢？其实是有个接口值的概念
2.6 接口值
从概念上来讲，一个接口类型的值（简称接口值）其实有两个部分：分别是 具体类型 和 该类型的值，二者称为接口的动态类型和动态值，所以当且仅当接口的动态类型和动态值都为nil时，接口值才为nil
回到2.5的示例中，当p赋值给r接口后，r实际结构如图所示
验证一下是否真的是这样，在main函数体末尾加上一行代码
fmt.Printf("r type: %T, data: %v\n", r, r)
运行结果
r type: *main.Person, data: <nil>
可以看到动态值确实为nil
现在已经知道接口值的概念，那么接口底层实现具体是怎样的呢？
3. 实现原理
Go语言中的接口类型会根据是否包含一组方法而分成两种不同的实现，分别为包含一组方法的iface结构体和不包含任何方法的eface结构体
3.1 iface
iface底层是一个结构体，定义如下：
//runtime/runtime2.go
type iface struct {
tab *itab
data unsafe.Pointer
}
iface内部有两个指针，一个是itab结构体指针，另一个是指向数据的指针
unsafe.Pointer类型是一种特殊类型的指针，它可以存储任何变量的地址（类似C语言的void*）
//runtime/runtime2.go
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.
}
itab用于表示具体类型和接口类型关系，其中 inter 是接口类型定义信息，_type 是具体类型的信息，hash是_type.hash的拷贝，在类型转换时，快速判断目标类型和接口中类型是否一致，fun是实现方法地址列表，虽然fun固定长度为1的数组，但是这其实是一个柔型数组，保存元素的数量是不确定的，多个方法按照字典顺序排序
//runtime/type.go
type interfacetype struct {
typ _type
pkgpath name
mhdr []imethod
}
```go
interfacetype是描述接口定义的信息，`_type`：接口的类型信息，`pkgpath`是定义接口的包名；，`mhdr`是接口中定义的函数表，按字典序排序
> 假设接口有ni个方法，实现接口的结构体有nt个方法，那么itab函数表生成时间复杂为O(ni*nt)，如果接口方法列表和结构体方法列表有序，那么函数表生成时间复杂度为O(ni+nt)
```go
//runtime/type.go
type _type struct {
size uintptr
ptrdata uintptr // size of memory prefix holding all pointers
hash uint32
tflag tflag
align uint8
fieldalign uint8
kind uint8
alg *typeAlg
// 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
}
_type是所有类型的公共描述。size是类型的大小，hash是类型的哈希值；tflag是类型的tags，与反射相关，align和fieldalign与内存对齐相关，kind是类型编号，具体定义位于runtime/typekind.go中，gcdata是gc相关信息
整个iface的结构图如下所示：
3.2 eface
相对于iface，eface结构比较简单
//runtime/runtime2.go
type eface struct {
_type *_type
data unsafe.Pointer
}
eface内部同样有两个指针，一个具体类型信息_type结构体的指针，一个指向数据的指针
3.3 具体类型转换成接口类型
到此已经什么是接口，接口的底层结构，当具体类型赋值给接口类型时，是如何进行转换的？再来看下接口实现中的示例
1 package main
2
3 import "fmt"
4
5 type Runner interface {
6 Run()
7 }
8
9 type Person struct {
10 Name string
11 }
12
13 func (p Person) Run() {
14 fmt.Printf("%s is running\n", p.Name)
15 }
16
17 func main() {
18 var r Runner
19 r = Person{Name: "song_chh"}
20 r.Run()
21 }
通过Go提供的工具生成汇编代码
go tool compile -S interface.go
只截取与第19行相关的代码
0x001d 00029 (interface.go:19) PCDATA $2, $0
0x001d 00029 (interface.go:19) PCDATA $0, $1
0x001d 00029 (interface.go:19) XORPS X0, X0
0x0020 00032 (interface.go:19) MOVUPS X0, ""..autotmp_1+32(SP)
0x0025 00037 (interface.go:19) PCDATA $2, $1
0x0025 00037 (interface.go:19) LEAQ go.string."song_chh"(SB), AX
0x002c 00044 (interface.go:19) PCDATA $2, $0
0x002c 00044 (interface.go:19) MOVQ AX, ""..autotmp_1+32(SP)
0x0031 00049 (interface.go:19) MOVQ $8, ""..autotmp_1+40(SP)
0x003a 00058 (interface.go:19) PCDATA $2, $1
0x003a 00058 (interface.go:19) LEAQ go.itab."".Person,"".Runner(SB), AX
0x0041 00065 (interface.go:19) PCDATA $2, $0
0x0041 00065 (interface.go:19) MOVQ AX, (SP)
0x0045 00069 (interface.go:19) PCDATA $2, $1
0x0045 00069 (interface.go:19) PCDATA $0, $0
0x0045 00069 (interface.go:19) LEAQ ""..autotmp_1+32(SP), AX
0x004a 00074 (interface.go:19) PCDATA $2, $0
0x004a 00074 (interface.go:19) MOVQ AX, 8(SP)
0x004f 00079 (interface.go:19) CALL runtime.convT2I(SB)
0x0054 00084 (interface.go:19) MOVQ 16(SP), AX
0x0059 00089 (interface.go:19) PCDATA $2, $2
0x0059 00089 (interface.go:19) MOVQ 24(SP), CX
可以看到，编译器在构造itab后调用runtime.convT2I(SB)转换函数，看下函数的实现
//runtime/iface.go
func convT2I(tab *itab, elem unsafe.Pointer) (i iface) {
t := tab._type
if raceenabled {
raceReadObjectPC(t, elem, getcallerpc(), funcPC(convT2I))
}
if msanenabled {
msanread(elem, t.size)
}
x := mallocgc(t.size, t, true)
typedmemmove(t, x, elem)
i.tab = tab
i.data = x
return
}
首先根据类型大小调用mallocgc申请一块内存空间，将elem指针的内容拷贝到新空间，将tab赋值给iface的tab，将新内存指针赋值给iface的data，这样一个iface就创建完成
将示例代码稍作更改，使用结构体指针类型的变量赋值给接口变量
19 r = &Person{Name: "song_chh"}
再次通过工具生成汇编代码
go tool compile -S interface.go
查看如下汇编代码
0x001d 00029 (interface.go:19) PCDATA $2, $1
0x001d 00029 (interface.go:19) PCDATA $0, $0
0x001d 00029 (interface.go:19) LEAQ type."".Person(SB), AX
0x0024 00036 (interface.go:19) PCDATA $2, $0
0x0024 00036 (interface.go:19) MOVQ AX, (SP)
0x0028 00040 (interface.go:19) CALL runtime.newobject(SB)
0x002d 00045 (interface.go:19) PCDATA $2, $2
0x002d 00045 (interface.go:19) MOVQ 8(SP), DI
0x0032 00050 (interface.go:19) MOVQ $8, 8(DI)
0x003a 00058 (interface.go:19) PCDATA $2, $-2
0x003a 00058 (interface.go:19) PCDATA $0, $-2
0x003a 00058 (interface.go:19) CMPL runtime.writeBarrier(SB), $0
0x0041 00065 (interface.go:19) JNE 105
0x0043 00067 (interface.go:19) LEAQ go.string."song_chh"(SB), AX
0x004a 00074 (interface.go:19) MOVQ AX, (DI)
首先编译器获取Person结构体类型指针，作为参数调用runtime.newobject()函数，同样的在源码中查看函数定义
// runtime/malloc.go
// implementation of new builtin
// compiler (both frontend and SSA backend) knows the signature
// of this function
func newobject(typ *_type) unsafe.Pointer {
return mallocgc(typ.size, typ, true)
}
newobject以*Person作为入参，创建新的Person结构体指针，并将设置它的变量，之后由编译器生成iface
除了convT2I函数外，其实在runtime/runtime.go文件中，还有很多转换函数的定义
// Non-empty-interface to non-empty-interface conversion.
func convI2I(typ *byte, elem any) (ret any)
// Specialized type-to-interface conversion.
// These return only a data pointer.
func convT16(val any) unsafe.Pointer // val must be uint16-like (same size and alignment as a uint16)
func convT32(val any) unsafe.Pointer // val must be uint32-like (same size and alignment as a uint32)
func convT64(val any) unsafe.Pointer // val must be uint64-like (same size and alignment as a uint64 and contains no pointers)
func convTstring(val any) unsafe.Pointer // val must be a string
func convTslice(val any) unsafe.Pointer // val must be a slice
// Type to empty-interface conversion.
func convT2E(typ *byte, elem *any) (ret any)
func convT2Enoptr(typ *byte, elem *any) (ret any)
// Type to non-empty-interface conversion.
func convT2I(tab *byte, elem *any) (ret any) //for the general case
func convT2Inoptr(tab *byte, elem *any) (ret any) //for structs that do not contain pointers
convT2Inoptr用于结构体内部不含指针的转换，noptr可以理解为no pointer，转换过程与convT2I类似，
另外convT16、convT32、convT64、convTstring 和 convTslice是针对简单类型转接口的特例优化，查看源码convT64，其余类似
//runtime/iface.go
func convT64(val uint64) (x unsafe.Pointer) {
if val == 0 {
x = unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
} else {
x = mallocgc(8, uint64Type, false)
*(*uint64)(x) = val
}
return
}
相较于convT2系列函数，缺少typedmemmove和memmove函数的调用，减少内存拷贝。另外如果值为该类型的零值，则不会调用 mallocgc 去申请一块新内存，直接返回指向zeroVal[0]的指针
再来看下，空接口转换函数convT2E
func convT2E(t *_type, elem unsafe.Pointer) (e eface) {
if raceenabled {
raceReadObjectPC(t, elem, getcallerpc(), funcPC(convT2E))
}
if msanenabled {
msanread(elem, t.size)
}
x := mallocgc(t.size, t, true)
// TODO: We allocate a zeroed object only to overwrite it with actual data.
// Figure out how to avoid zeroing. Also below in convT2Eslice, convT2I, convT2Islice.
typedmemmove(t, x, elem)
e._type = t
e.data = x
return
}
convT2E 和 convT2I类似，同样在转换成eface时*_type是由编译器生成，当做入参调用convT2E
3.4 断言
上一节的内容主要介绍如何把具体类型转换成接口类型，那么怎样将具体类型转换成接口类型呢？Go语言提供两种方式，分别是类型断言和类型分支
type assertion
类型断言有两种写法
v := x.(T)
v, ok := x.(T)
- x：是一个接口类型的的表达式
- T：是一个已知类型
注意第一种写法，如果类型断言失败，会触发painc
type switch
switch x := x.(type) { /* ... */}
使用示例
switch i.(type) {
case string:
fmt.Println("i'm a string")
case int:
fmt.Println("i'm a int")
default:
fmt.Println("unknown")
}
4. 参考文献
【1】 《Go程序设计语言》机械工业出版社
【2】 《golang中interface底层分析》
【3】 《浅谈 Go 语言实现原理》
【4】 《深度解密Go语言之关于interface的10个问题》