Golang中interface的简单分析 Golang中interface的简单分析

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版本: GO1.17
接口 Go语言中的接口，是一组方法的签名，它是Go语言的重要组成部分。使用接口能让我们写出易于测试的代码。
然而很多工程师对Go接口的了解都非常有限，也不清楚其底层原理的实现。这成为了开发高性能服务的阻碍。
本文会介绍使用接口时遇到的一些常见问题，以及它的设计与实现，包括接口的类型转换、类型断言以及动态派发机制，
帮助读者更好地理解接口类型。
概述在计算机科学中，接口是多个组件共享的边界，不同的组件能在边界上交换信息。
如下图所示，接口的本质是引入一个新的中间层。调用方可以通过接口与具体的实现分离。
接触上下游的耦合，上层的模块不在需要依赖下层的具体模块。只需要依赖一个约定好的的接口。

GOLANG INTERFACE ┌────────┐ ┌───────────────?│ module │ │└────────┘ │ ┌────────┐┌─────────┴─┐┌────────┐ │ module ├───────?│ interface ├─────────────?│ module │ └────────┘└─────────┬─┘└────────┘ │ │┌────────┐ └───────────────?│ module │ └────────┘

图1 上下游通过接口解耦
这种面向接口的编程方式有着强大的生命力，无论是在框架中，还是在操作系统中，都能看到接口的身影。
可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface, POSIX）就是一个典型的例子，
它定义了应用程序接口和命令行等标准，为计算机软件带来了可移植性，只要操作系统实现了POSIX,
计算机软件就可以在不同操作系统上运行。
除了解耦有依赖关系的上下游，接口还能帮助我们隐藏底层实现，减少关注点。
人能够同时处理的信息非常有限，定义良好的接口能够隔离底层实现，让我们将重点放在当前的代码片段中。
SQL就是接口的一个例子。当我们使用SQL查询数据时，其实不需要关心底层数据库的具体实现，
我们只在乎SQL返回的结果是否符合预期。

SQL AND DATABASE ┌────────┐ ┌───────────────?│ MYSQL│ │└────────┘ │ ┌─────────┴─┐┌────────┐ │SQL├─────────────?│ SQLITE │ └─────────┬─┘└────────┘ │ │┌────────────┐ └───────────────?│ POSTGRESQL │ └────────────┘

图2 SQL和不同数据库
类型
接口也是GO语言中的一种类型，它能够出现在变量的定义，函数的入参和放回值上。
GO语言中有两种略微不同的接口，一种是带一组方法的接口，另一种是不带任何方法的接口。

GOLANG DIFFERENT INTERFACE┌─────────┐┌────────┐ │iface ││ eface│ └─────────┘└────────┘

图3 Go 语言中的两种接口
Go语言使用runtime.iface表示带有一组方法的接口，使用runtime.eface表示不带任何方法的接口。
需要注意的是interface{}不是任意类型，如果我们将类型转换成了interface{}类型，
变量在运行期间的类型也会发生变化。
我们可以通过一个例子理解Go 语言的接口类型不是任意类型这一句话，下面的代码在 main 函数中初始化了一个 *Test 类型的变量，由于指针的零值是 nil，所以变量 s 在初始化之后也是 nil

package maintype Test struct{}func main() { var v *Test println(v == nil) // true var i interface{} = v println(i == nil) // false }

由此可见，变量的赋值会触发隐式类型转换，在类型转换时，*Test会被转换成interface{}
转换后的变量，不仅包含转换前的变量，还包含变量的类型信息。所以转换后的变量不等于nil
数据结构我们从源代码和汇编的角度分析一下接口的底层数据结构。
Go语言根据接口是否包含一组方法，将接口分为两类：

使用runtime.iface表示包含方法的接口
使用runtime.eface表示不包含方法的接口

runtime.eface在Go语言中的定义如下:

type eface struct { // 16 字节 _type *_type dataunsafe.Pointer }

这个结构相对简单，只包含类型和数据，从上述结构我们能推断出
Go语言的任意类型能转都能换成 runtime.eface
另一个用于表示接口的结构体是runtime.iface,这个结构体也有指向原始数据的指针 data
不过更重要的是runtime.itab类型的tab字段

type iface struct { // 16 字节 tab*itab data unsafe.Pointer }

接下来我们将分析Go语言中的这两个接口类型
类型结构体
runtime._type是Go语言类型的运行时表示，下面是runtime包中的结构体，
其中包含了很多类型的元信息，例如类型的大小、哈希、对齐以及种类等

type _type struct { sizeuintptr // 存储了类型的占用空间，为内存空间的分配提供信息 ptrdatauintptr hashuint32// 字段能够帮助我们快速确定类型是否相等 tflagtflag alignuint8 fieldAlign uint8 kinduint8 equalfunc(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool // 字段用于判断当前类型的多个对象是否相等 gcdata*byte strnameOff ptrToThistypeOff }

我们只需要对runtime._type结构体中的字段有个大体的概念，不需要详细理解每个字段的作用和意义。
itab 结构体
runtime.itab结构体是接口类型的核心组成部分，共占32字节，我们可以把其看成是接口类型和具体类型的组合
inter字段表示接口类型,_type字段表示具体类型

type itab struct { // 32 字节 inter *interfacetype _type *_type hashuint32 _[4]byte fun[1]uintptr }

除了inter和_type两个字段外，上述结构体的另外两个字段也有自己的作用：

hash是对_type.hash的拷贝，当我们想将interface类型转成具体类型时,可以使用该字段快速判断目标类型和具体类型的runtime._type是否一致
fun是一组方法的首地址,配合inter中的方法集使用，可以方便的定位到_type实现的方法地址

我们会在类型断言中介绍hash的使用，在动态派发中介绍fun的使用
类型断言本节会根据接口是否包含方法分两种情况介绍类型断言的执行过程。
非空接口
首先分析非空接口，Person是一个包含方法的非空接口，我们来分析从
Person转换回Chinese结构体的过程

func main() { var p Person = &Chinese{Name: "chinese"} switch p.(type) { case *Chinese: chinese := p.(*Chinese) chinese.GetName() } }

我们将编译得到的汇编指令分成两部分，第一部分是变量的初始化，第二部门是
类型断言。
第一部分代码如下：

00000TEXT"".main(SB), ABIInternal, $136-0 ...... 00038MOVUPSX15, ""..autotmp_6+112(SP); ; 清空(112-128)(SP) ...... 00056MOVQ$7, ""..autotmp_6+120(SP); ; +120(SP) = 7 00065LEAQgo.string."chinese"(SB), SI; ; SI = &("chinese") 00072MOVQSI, ""..autotmp_6+112(SP); ; +112(SP) = SI = &("chinese") ...... 00082LEAQgo.itab.*"".Chinese,"".Person(SB), SI; ; SI = &(go.itab.*"".Chinese,"".Person(SB)) 00089MOVQSI, "".p+80(SP); ; +80(SP) = SI = &(go.itab.*"".Chinese,"".Person(SB)) 00044LEAQ""..autotmp_6+112(SP), DX; ; DX = &(+112(SP)) 00094MOVQDX, "".p+88(SP); ; +88(SP) = DX = &(+112(SP))

上面的代码初始化了Person变量，Chinese结构体初始化在 (112-128)(SP) 上。
(112-120)(SP)上存的是 go.string."chinese"(SB) .也就是字符串"chinese"的地址
(120-128)(SP)上存的是长度7
Person变量初始化在 (80-96)(SP) 上。
下面进入类型转换的部分：

00099MOVQ"".p+80(SP), DX; ; DX = &(go.itab.*"".Chinese,"".Person(SB)) 00104MOVQ"".p+88(SP), SI; ; SI = &(+112(SP)) = "chinese" 00126MOVL16(DX), DX; ; DX = &(go.itab.*"".Chinese,"".Person(SB)).hash 00133CMPLDX, $-1430607797; ; if (p.hash == *"".Chinese.hash)

switch语句生成的汇编指令会将目标类型的 hash 与接口变量中的 itab.hash 进行比较：
如果二者相等，说明断言成功,可以走入分支，如果不相等，说明p变量不是*Chinese类型。
空接口
当我们使用空接口类型 interface{} 进行类型断言时,编译器从 eface._type 中获取，汇编指令仍然会使用目标类型的 hash 与变量的类型比较

func main() { var p interface{} = &Chinese{Name: "chinese"} switch p.(type) { case *Chinese: chinese := p.(*Chinese) chinese.GetName() } }

动态派发动态派发是在运行期间选择具体方法执行的过程。调用接口类型的方法时，如果编译期不能确认接口的类型，Go语言会在运行期决定调用该方法的哪个实现。

func main() { var p Person = &Chinese{Name: "chinese"} PrintName(p) }func PrintName(p Person) { name1 := p.GetName() fmt.Println(name1) }

主要来看动态派发的过程

00000TEXT"".PrintName(SB), ABIInternal, $208-16 00038MOVQAX, "".p+216(SP); ; "".p+216(SP) = iface.tab 00046MOVQBX, "".p+224(SP); ; "".p+224(SP) = iface.data 00056MOVQ24(AX), CX; ; CX = iface(p).tab.fun[0] = *Chinese.GetName 00060MOVQBX, AX; ; AX = iface(p).data = https://www.it610.com/article/(&Chinese{Name:"chinese"}) 00064CALLCX; ; (&Chinese{Name: "chinese"}).GetName()

PrintName函数接受参数为Person接口 p ,也就是一个iface结构体实例，根据1.17的调用规约，
寄存器AX,BX分别存的是iface.tab以及iface.data, 【00056】的24(AX) 是iface.tab.fun[0]
【00064】实际就是接口方法真实调用的地方。
至于【00038】【00046】为什么要把参数存起来，是因为调用接口方法后，返回值会覆盖AX,BX的值。
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