【Golang】Interface 底层实现（未完）

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接口是高级语言中的一个规约，是一组方法签名的集合。Go 的 Interface 是非侵入式的，具体类型实现 Interface 不需要在语法上显式的声明，只需要具体类型的方法集合是 Interface 方法集合的超集，就表示该类实现了这一 Interface。编译器在编译时会进行 Interface 校验，Interface 和具体类型不同，它不能实现具体逻辑，也不能定义字段。

在 Go 语言中，Interface 和函数一样，都是第一公民，Interface 可以用在任何使用变量的地方。可以作为结构体内的字段，可以作为函数的形参和返回值，可以作为其他 Interface 定义的内嵌字段。Interface 在大型项目中常常用来解耦，在层与层之间用 Interface 进行抽象和解耦，使得抽象出来的代码特别简洁，这也符合 Go 语言设计之初的哲学。

先看一个易错的例子：

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package main

import "fmt"

func main() {
	var x interface{} = nil
	var y interface{} = (*int)(nil)
	fmt.Println(x == nil)
	fmt.Println(y == nil)
}

这将输出：

true
false

Interface 实际上包含两部分，类型和值。对于 x 而言，它的类型和值都是 nil，所以 x == nil 是 true；对于 y，它的类型是 *int，值是 nil，所以 y == nil 是 false。因此，我们在看 Interface 的时候，需要关注类型和值两部分。

底层实现

Go 语言中描述接口底层结构体的是 iface 和 eface 这两个结构体，其中 iface 表示非空结构体，eface 表示空结构体：

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

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

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

代表 tab 字段的 *itab 代表接口的类型和赋给这个接口的实体类型；字段 data 则指向接口具体的值，一般是一个指向堆内存的指针。

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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.
}

如上所述，itab 中有 5 个字段：

  • inter：描述了接口的类型，它包装了 _type；还有一个表示接口定义的方法列表的的 mhdr 字段，以及 pkgpath 记录定义了接口的包名；

  • _type：指得是赋给接口的变量的类型；

  • hash：等同于 _type 中的 hash 字段，用于类型转换；

  • fun： 保存一个函数指针，它指向的是具体类型的函数方法。虽然这里只有一个函数指针，但是它可以调用很多方法。在这个指针对应内存地址的后面依次存储了多个方法，利用指针偏移便可以找到它们；

由于 Go 语言是强类型语言，编译时对每个变量的类型信息做强校验，所以每个类型的元信息要用一个结构体描述。再者 Go 的反射也是基于类型的元信息实现的，_type 就是所有类型最原始的元信息。

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type _type struct {
	size       uintptr // 类型占用的内存大小
	ptrdata    uintptr // 包含这个类型中所有指针的内存前缀；
	hash       uint32  // 类型 hash
	tflag      tflag   // 标记位，用于反射
	align      uint8   // 
	fieldAlign uint8   // 当前结构体的字节对齐大小
	kind       uint8   // 基础类型枚举值，一共有26中，定义于 runtime/typekind.go 中
	// 该类型的比较函数，用于比较该类型的两个值是否相等
	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  // 类型名称字符串在二进制文件段中的偏移量
	ptrToThis typeOff  // 类型元信息指针在二进制文件段中的偏移量
}

str 和 ptrToThis，对应的类型是 nameoff 和 typeOff，这两个字段的值是在链接器段合并和符号重定向的时候赋值的。运行时类型名称和具体类型值由 runtime.resolveNameOff 和 runtime.resolveTypeOff 函数计算出来的。

其他的类型，如数组，channel 以及 map 在运行时也是基于 _type 这个元信息表示，它们除了表示类型表自身，还需要表示它的元素的类型，例如：

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type maptype struct {
	typ    _type
	key    *_type
	elem   *_type
	bucket *_type // internal type representing a hash bucket
	// function for hashing keys (ptr to key, seed) -> hash
	hasher     func(unsafe.Pointer, uintptr) uintptr
	keysize    uint8  // size of key slot
	elemsize   uint8  // size of elem slot
	bucketsize uint16 // size of bucket
	flags      uint32
}

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
}

相比起 iface，eface 就简单多了，它只需一个 _type 字段表示存储的具体值的类型和用于存储实际值的 data。

参考文章

  1. 深入研究 Go interface 底层实现
  2. Interface types