golang中interface底層分析

golang中的接口分為帶方法的接口和空接口。
帶方法的接口在底層用iface表示，空接口的底層則是eface表示。下面我們透過底層分別看一下這兩種類型的接口原理。

以下是接口的原型：

//runtime/runtime2.go

//非空接口
type iface struct {
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}
type itab struct {
    inter  *interfacetype
    _type  *_type
    link   *itab
    hash   uint32 // copy of _type.hash. Used for type switches.
    bad    bool   // type does not implement interface
    inhash bool   // has this itab been added to hash?
    unused [2]byte
    fun    [1]uintptr // variable sized
}

//******************************

//空接口
type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

//========================
//這兩個接口共同的字段_type
//========================

//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這個結構體是golang定義數(shù)據(jù)類型要用的，講到反射文章的時候在具體講解這個_type。

1.iface

1.1 變量類型是如何轉(zhuǎn)換成接口類型的？

看下方代碼:

package main
type Person interface {
   run()
}

type xitehip struct {
   age uint8
}
func (o xitehip)run() {
}

func main()  {
   var xh Person = xitehip{age:18}
   xh.run()
}

xh變量是Person接口類型，那xitehip的struct類型是如何轉(zhuǎn)換成接口類型的呢？
看一下生成的匯編代碼：

0x001d 00029 (main.go:13)   PCDATA  $2, $0
0x001d 00029 (main.go:13)   PCDATA  $0, $0
0x001d 00029 (main.go:13)   MOVB    $0, ""..autotmp_1+39(SP)
0x0022 00034 (main.go:13)   MOVB    $18, ""..autotmp_1+39(SP)
0x0027 00039 (main.go:13)   PCDATA  $2, $1
0x0027 00039 (main.go:13)   LEAQ    go.itab."".xitehip,"".Person(SB), AX
0x002e 00046 (main.go:13)   PCDATA  $2, $0
0x002e 00046 (main.go:13)   MOVQ    AX, (SP)
0x0032 00050 (main.go:13)   PCDATA  $2, $1
0x0032 00050 (main.go:13)   LEAQ    ""..autotmp_1+39(SP), AX
0x0037 00055 (main.go:13)   PCDATA  $2, $0
0x0037 00055 (main.go:13)   MOVQ    AX, 8(SP)
0x003c 00060 (main.go:13)   CALL    runtime.convT2Inoptr(SB)
0x0041 00065 (main.go:13)   MOVQ    16(SP), AX
0x0046 00070 (main.go:13)   PCDATA  $2, $2
0x0046 00070 (main.go:13)   MOVQ    24(SP), CX

從匯編發(fā)現(xiàn)有個轉(zhuǎn)換函數(shù)：
runtime.convT2Inoptr(SB)
我們?nèi)タ匆幌逻@個函數(shù)的實現(xiàn)：

func convT2Inoptr(tab *itab, elem unsafe.Pointer) (i iface) {
        t := tab._type
        if raceenabled {
                raceReadObjectPC(t, elem, getcallerpc(), funcPC(convT2Inoptr))
        }
        if msanenabled {
                msanread(elem, t.size)
        }
        x := mallocgc(t.size, t, false)//為elem申請內(nèi)存
        memmove(x, elem, t.size)//將elem所指向的數(shù)據(jù)賦值到新的內(nèi)存中
        i.tab = tab //設置iface的tab
        i.data = x //設置iface的data
        return
}

從以上實現(xiàn)我們發(fā)現(xiàn)編譯器生成的struct原始數(shù)據(jù)會復制一份，然后將新的數(shù)據(jù)地址賦值給iface.data從而生成了完整的iface，這樣如下原始代碼中的xh就轉(zhuǎn)換成了Person接口類型。

   var xh Person = xitehip{age:18}

用gdb實際運行看一下(見圖1)：


圖1

convT2Inoptr函數(shù)傳進來的參數(shù)是*itab和源碼中的 *xitehip。
圖2是itab的類型原型和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)itab確實是runtime中源碼里的字段。總共占了32個字節(jié)。（[4]uint8 不占字節(jié)）


圖2

圖3是elem的數(shù)據(jù)他是個名為xitehip的結構體類型里面存放的是age=18。
內(nèi)存中的0x12正好是age=18。注意此時的地址是:0xc000032777。


圖3

圖4是xh變量的數(shù)據(jù)類型和其中data字段的數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)xh確實是iface類型了且xh.data的地址不是上面提到的0xc000032777 而是0xc000014098，證明是復制了一份xitehip類型的struct。
圖4

1.2 指針變量類型是如何轉(zhuǎn)換成接口類型的呢？

還是上面的例子只是將

   var xh Person = xitehip{age:18}

換成了

   var xh Person = &xitehip{age:18}

那指針類型的變量是如何轉(zhuǎn)換成接口類型的呢？
見下方匯編代碼：

0x001d 00029 (main.go:13)   PCDATA  $2, $1
0x001d 00029 (main.go:13)   PCDATA  $0, $0
0x001d 00029 (main.go:13)   LEAQ    type."".xitehip(SB), AX
0x0024 00036 (main.go:13)   PCDATA  $2, $0
0x0024 00036 (main.go:13)   MOVQ    AX, (SP)
0x0028 00040 (main.go:13)   CALL    runtime.newobject(SB)
0x002d 00045 (main.go:13)   PCDATA  $2, $1
0x002d 00045 (main.go:13)   MOVQ    8(SP), AX
0x0032 00050 (main.go:13)   MOVB    $18, (AX)

發(fā)現(xiàn)了這個函數(shù)：

runtime.newobject(SB)

去看一下具體實現(xiàn)：

// 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)
}

編譯器自動生成了iface并將&xitehip{age:18}創(chuàng)建的對象的地址（通過newobject）賦值給iface.data。就是xitehip這個結構體沒有被復制。
用gdb看一下見圖5：


圖5

1.3 那xh是如何找到run方法的呢？我們繼續(xù)看見圖6，相關解釋在圖中已經(jīng)標注：

圖6

1.4 接口調(diào)用規(guī)則

把上面的例子添加一個eat()接口方法并實現(xiàn)它（注意這個接口方法的實現(xiàn)的接受者是指針）。

package main
type Person interface {
    run()
    eat(string)
}
type xitehip struct {
    age uint8
}
func (o xitehip)run() { // //接收方o是值
}
func (o *xitehip)eat(food string) { //接收方o是指針
}
func main()  {
    var xh Person = &xitehip{age:18} //xh是指針
    xh.eat("ma la xiao long xia!")
    xh.run()
}

這個例子的xh變量的實際類型是個指針，那它是如何調(diào)用非指針方法run的呢？
繼續(xù)gdb跟蹤一下,見圖7：


圖7

直接跟蹤xh.tab.fun的內(nèi)存數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)eat方法確實在0x44f940。上面已經(jīng)說了fun這個數(shù)組大小只為1那run方法應該在eat的后面，但是gdb沒有提示哪個地方是run的起始位置。為了驗證run就在eat的后面，我直接往下debug看eat的入口地址在哪里,見圖8。


圖8

run指令的地址是0x44fa60。那我去打印一下這個地址所指向的具體的值是什么，見圖9：
圖9

我們在看一下圖7中，為了更清楚我基于圖7再截一次圖，見圖10：
圖10

發(fā)現(xiàn)圖9和和圖10的的run方法的指令是一樣的，證明兩個方法的指令確實一起排列的。

總結，指針類型的對象調(diào)用非指針類型的接收方的方法，編譯器自動將接收方轉(zhuǎn)換為指針類型；調(diào)用方通過xh.tab.fun這個數(shù)組找到對應的方法指令列表。

那xh是值類型的接口，而接口實現(xiàn)的方法的接收方是指針類型，那調(diào)用方可以調(diào)用這個指針方法嗎，答案是不僅不能連編譯都編譯不過去，見圖11：


圖11

見下表總結：

調(diào)用方 接收方 能否編譯
值 值 true
值 指針 false
指針 值 true
指針 指針 true
指針 指針和值 true
值 指針和值 false

從上表可以得出如下結論：

調(diào)用方是值時，只要接收方有指針方法那編譯器不允許通過編譯。

2 eface

空接口相對于非空接口沒有了方法列表。

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

第一個屬性由itab換成了_type,這個結構體是golang中的變量類型的基礎，所以空接口可以指定任意變量類型。

2.1 示例：

cpackage main

import "fmt"

type xitehip struct {
}
func main()  {
    var a interface{} = xitehip{}
    var b interface{} = &xitehip{}
    fmt.Println(a)
    fmt.Println(b)
}

gdb跟一下見圖12：


圖12

2.2斷言

判斷變量數(shù)據(jù)類型

   s, ok := i.(TypeName)
    if ok {
        fmt.Println(s)
    }

如果沒有ok的話類型不正確的話會引起panic。

也可以用switch形式：

    switch v := v.(type) {
      case TypeName:
    ...
    }

3 檢查接口

3.1 利用編譯器檢查接口實現(xiàn)

var _ InterfaceName = (*TypeName)(nil)

3.2 nil和nil interface

3.2.1 nil
func main() {
    var i interface{}
    if i == nil {
        println(“The interface is nil.“)
    }
}
(gdb) info locals;
i = {_type = 0x0, data = 0x0}
3.2.2 如果接口內(nèi)部data值為nil，但tab不為空時，此時接口為nil interface。
// go:noinline
func main() {
    var o *int = nil
    var i interface{} = o

    if i == nil {
        println("Nil")
    }
    println(i)
}

(gdb) info locals;
i = {_type = 0x21432f8 <type.*+36723>, data = 0x0}
o = 0x0
3.2.3 利用反射檢查
  v := reflect.ValueOf(a)
    if v.Isvalid() {
        println(v.IsNil()) // true, This is nil interface
}

參考
Go interface實現(xiàn)分析--小米云技術
深度解密Go語言之關于 interface 的10個問題
Go Interface 源碼剖析

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