接口的基本概念不在这里赘述,详情请看第十六章: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
}

前面的只是对比,说明interface can hold everything。我们需要注意的最后两个判断:

  • u是一个User类型的空指针,println(u == nil)输出true是意料之内;
  • u赋值给obj后,println(obj == nil)输出的是false意料之外

为什么把空指针u赋值给interface后,obj就不是nil了吗?那它会是什么呢?

通过gdb工具调试,我们看到interface原来是长这样的:

(gdb) ptype obj
type = struct runtime.eface {
runtime._type *_type;
void *data;
}

通过goland断点看一下obj里面到底了什么

可以看出来data是用来存储数据,_type用来存储类型:

  • obj = 1时,底层的eface的两个属性都是有值的;
  • obj = u时,底层的efacedata属性为空,_type属性非空
  • obj = nil时,底层的efacedata_type属于都为空

对应结构体类型的比较,要求结构体中的所有字段都相等时两个变量才是相等的,因为eface_type属于非空,所以当将u赋值给obj后,println(obj == nil输出的是false

这就引出了另一个问题,当执行obj = u这行代码时,golang runtime是如何把静态类型的值u转换成eface结构的呢?

当给接口赋值时

接着上面的问题,我们通过下面这段简单代码,看看是如何把一个静态类型值转换成eface

package main

import "fmt"

func main() {
var a int64 = 123
var i interface{} = a // 这一行进行转换
fmt.Println(i)
}

通过命令go tool compile -N -l -S main.go将其转成汇编代码



红框内的正是第 7 行对应的汇编指CALL runtime.convT64(SB)(汇编代码可以直接调用 Go func),我们可以在runtime包中找到对应的函数函数

// 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) // 分配内存,(size, _type, needzero)
*(*uint64)(x) = val // 复制
}
return
}

eface, iface

通过上面的实验,我们了解了接口的底层结构是eface。实际上,Golang 根据接口是否包含方法,将接口分为两类:

  • eface:不包含任何绑定方法的接口

    • 比如:空接口 interface{}
  • iface:包含绑定方法的接口
    • 比如:os.Writer
        type Writer interface {
    Write(p []byte) (n int, err error)
    }

eface

eface的数据结构:

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

这个我们应该比较熟悉了,在上面的实验中我们已经见过了:_type 和 data 属性,分别代表底层的指向的类型信息和指向的值信息指针。

我们在看一下_type属性,它的类型是又是一个结构体:

type _type struct {
size uintptr // 类型的大小
ptrdata uintptr // 包含所有指针的内存前缀的大小
hash uint32 // 类型的 hash 值,此处提前计算好,可以避免在哈希表中计算
tflag tflag // 额外的类型信息标志,此处为类型的 flag 标志,主要用于反射
align uint8 // 对应变量与该类型的内存对齐大小
fieldAlign uint8 // 对应类型的结构体的内存对齐大小
kind uint8 // 类型的枚举值, 包含 Go 语言中的所有类型,例如:`kindBool`、`kindInt`、`kindInt8`、`kindInt16` 等
equal func(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool // 用于比较此对象的回调函数
gcdata *byte // 存储垃圾收集器的 GC 类型数据
str nameOff
ptrToThis typeOff
}

总结来说:runtime 只需在这里查询,就能得到与类型相关的所有信息(字节大小、类型标志、内存对齐等)。

iface

iface的数据结构:

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

iface相比,它们的data属性是一样的,用于存储数据;不同的是,因为iface不仅要存储类型信息,还要存储接口绑定的方法,所有需要使用itab结构来存储两者信息。我们看一下itab

type itab struct {
inter *interfacetype // 接口的类型信息
_type *_type // 具体类型信息
hash uint32 // _type.hash 的副本,用于目标类型和接口变量的类型对比判断
_ [4]byte
fun [1]uintptr // 存储接口的方法集的具体实现的地址,其包含一组函数指针,实现了接口方法的动态分派,且每次在接口发生变更时都会更
}

总结来讲,接口的数据结构基本表示形式比较简单,就是类型和值描述。再根据其具体的区别,例如是否包含方法集,具体的接口类型等进行组合使用。

iface,接口绑定的 method 你存到了哪里?

通过上节,我们知道iface可以存储接口绑定的方法。从其结构体也能看出来iface.tab.fun字段就是用来干这个事。但是,我有一个疑问:fun类型是长度为 1 的指针数组,难道它就只能存一个 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是一个实现了接口Animal所有方法的结构体,所以一个接口obj尝试通过类型断言转换成Animal接口是,是可以成功的。通过 Debug 调试,当我执行cc, _ := obj.(Animal)这行代码时,内部回去调 assertE2I2方法然后返回

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变量实际上是一个iface结构体,因为iface无法导出我们看不到内部数据,但我们可以通过在 main 程序中把iface结构体定义一封,通过指针操作进行转换:

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)) // 当cc转成 iface 接口体
fmt.Printf("%v\n", dd)
fmt.Printf("%+V", cc)
}

通过 debug 可以看到,接口Animal对应的eface的一个完整的数据

tab里面保存了类型和绑定方法的数据:inter.mhdr的长度为 3,看起来是存储了 3 个方法的名字和类型,fun里存储了一个指针,应该就是第一个方法的地址了。下面这段代码可以证实:

// itab 的初始化
func (m *itab) init() string {
inter := m.inter
typ := m._type
x := typ.uncommon() // ni的值为接口绑定的方法数量
ni := len(inter.mhdr)
nt := int(x.mcount)
// 我猜 xmhdr 是真实存储接口的方法的地方
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:
// 遍历3个方案
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)
// 通过遍历 xmhdr,如果和mhrd[k]的名字、类型并且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 {
// 获取方法的地址
ifn := typ.textOff(t.ifn)
if k == 0 {
// 记录第一个方法的地址
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] = 第一个方法的地址
m.fun[0] = uintptr(fun0)
return ""
}

总结一下,在将一个不确定的interface{}类型断言成某个特定接口时,runtime 会将原来的数据、方法以iface的数据结构进行返回。iface实际上只保存第一个方法的地址,其他的方法通过偏移量就能找到,偏移的信息保存在 mhdr 中(待验证)

类型断言是怎么做到的

Go 是强类型的语言,变量类型、函数传参的类型一定定义就不能变换。这为程序的类型提供了安全稳定的保证,但也为程序的编码带来更多的工作量。比如我们去是实现一个加法函数,需要对不同的类型都写一遍,并且使用起来也不方便:

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 }

基于interface can hold everything,我们通过使用interface{}当入参类型,用一个函数来实现:

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
}

可能会有人问:add函数的参数变量类型是interface{}了, 它在函数里面是后如何把从interface{}中的带变量?(答案就是eface

  1. 第一步int64 -> eface

    注意这行代码 c := add(a, b),翻译成汇编的话:

    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)

    注意最后一行runtime.convT64,上面提到过,这里的操作就拷贝一份值给到函数add

    func 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
    }
  2. 第二步从eface中得到类型信息

    为了验证我们的猜想,我们在add函数入口处通过类型转换把interface{} a转成eface dd来看一它的具体数据长什么样

    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")
    }
    ...

    通过 debug 看到的 dd 数据如下:



    注意dd._type.kind字段的只为 6,在src/runtime/typekind.go文件中,维护了每个类型对应一个常量

    const (
    kindBool = 1 + iota
    kindInt
    kindInt8
    kindInt16
    kindInt32
    kindInt64 // 6
    kindUint
    kindUint8
    kindUint16
    kindUint32
    kindUint64
    kindUintptr
    kindFloat32
    ...
    )

    可以看到,int64对应的常量值正好是 6。这也就解释通过类型断言获取将interface{}转成具体类型的原理。

总结

接口的作用

  • 在 Go 运行时,为方便内部传递数据、操作数据,使用interface{}作为存储数据的媒介,大大降低了开发成本。这个媒介存储了数据的位置数据的类型,有这两个信息,就能代表一切变量,即interface can hold everything
  • 接口也作为一种抽象的能力,通过定义一个接口所需实现的方法,等同于对如何判定这个 struct 是不是这类接口完成了明确的定义,即必须是接口绑定的所有方法。通过这种能力,可以在编码上做到很大程度的解耦,接口就好比上下游开发者之间协议。

接口的内部存储有两类

Golang 根据接口是否包含方法,将接口分为两类:

  • eface:不包含任何绑定方法的接口

    • 比如:空接口 interface{}
  • iface:包含绑定方法的接口
    • 比如:os.Writer

二者之间的差别在与eface多存了接口绑定的方法信息。

当心,变成接口后,判空不准

判空的条件是结构体的所有字段都为nil才行,当nil的固定类型值转成接口后,接口的数据值为nil,但是类型值不为nil会导致判空失败。

解决的方案是:函数返回参数不要写出接口类型,在外部先做判空,在转成接口。

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