【golang】interface原理

0.引言

在上一篇文章 《深入理解 Go Interface》中从设计和使用的角度介绍了 Golang 的 interface，作为补充，这篇文章将从源码级别来看看 interface 的具体实现。所有源码分析都是基于 Go 1.8.3。在开始之前，我们先看一个例子。

func Foo(x interface{}) {  
 if x == nil {  
 fmt.Println("empty interface")  
 return  
 }  
 fmt.Println("non-empty interface")  
}  
  
func main() {  
 var x *int = nil  
 Foo(x)  
}  

上面的例子的输出结果如下

$ go run test_interface.go  
non-empty interface  

如果你对于上面的输出结果有疑惑，那么不妨带着疑问来看这篇文章。

1. interface 底层结构

根据 interface 是否包含有 method，底层实现上用两种 struct 来表示：iface 和 eface。eface表示不含 method 的 interface 结构，或者叫 empty interface。对于 Golang 中的大部分数据类型都可以抽象出来 _type 结构，同时针对不同的类型还会有一些其他信息。

type eface struct {  
 _type *_type  
 data  unsafe.Pointer  
}  
  
type _type struct {  
 size       uintptr // type size  
 ptrdata    uintptr // size of memory prefix holding all pointers  
 hash       uint32  // hash of type; avoids computation in hash tables  
 tflag      tflag   // extra type information flags  
 align      uint8   // alignment of variable with this type  
 fieldalign uint8   // alignment of struct field with this type  
 kind       uint8   // enumeration for C  
 alg        *typeAlg  // algorithm table  
 gcdata    *byte    // garbage collection data  
 str       nameOff  // string form  
 ptrToThis typeOff  // type for pointer to this type, may be zero  
}  

iface 表示 non-empty interface 的底层实现。相比于 empty interface，non-empty 要包含一些 method。method 的具体实现存放在 itab.fun 变量里。如果 interface 包含多个 method，这里只有一个 fun 变量怎么存呢？这个下面再细说。

type iface struct {  
 tab  *itab  
 data unsafe.Pointer  
}  
  
// layout of Itab known to compilers  
// allocated in non-garbage-collected memory  
// Needs to be in sync with  
// ../cmd/compile/internal/gc/reflect.go:/^func.dumptypestructs.  
type itab struct {  
 inter  *interfacetype  
 _type  *_type  
 link   *itab  
 bad    int32  
 inhash int32      // has this itab been added to hash?  
 fun    [1]uintptr // variable sized  
}  

我们使用实际程序来看一下。

package main  
  
import (  
 "fmt"  
)  
  
type MyInterface interface {  
 Print()  
}  
  
type MyStruct struct{}  
func (ms MyStruct) Print() {}  
  
func main() {  
 x := 1  
 var y interface{} = x  
 var s MyStruct  
 var t MyInterface = s  
 fmt.Println(y, z)  
}  

查看汇编代码。

$ go build -gcflags '-l' -o interface11 interface11.go  
$ go tool objdump -s "main.main" interface11  
TEXT main.main(SB) /Users/kltao/code/go/examples/interface11.go  
 interface11.go:15   0x10870f0   65488b0c25a0080000  GS MOVQ GS:0x8a0, CX  
 interface11.go:15   0x10870f9   483b6110        CMPQ 0x10(CX), SP  
 interface11.go:15   0x10870fd   0f86de000000        JBE 0x10871e1  
 interface11.go:15   0x1087103   4883ec70        SUBQ $0x70, SP  
 interface11.go:15   0x1087107   48896c2468      MOVQ BP, 0x68(SP)  
 interface11.go:15   0x108710c   488d6c2468      LEAQ 0x68(SP), BP  
 interface11.go:17   0x1087111   48c744243001000000  MOVQ $0x1, 0x30(SP)  
 interface11.go:17   0x108711a   488d057fde0000      LEAQ 0xde7f(IP), AX  
 interface11.go:17   0x1087121   48890424        MOVQ AX, 0(SP)  
 interface11.go:17   0x1087125   488d442430      LEAQ 0x30(SP), AX  
 interface11.go:17   0x108712a   4889442408      MOVQ AX, 0x8(SP)  
 interface11.go:17   0x108712f   e87c45f8ff      CALL runtime.convT2E(SB)  
 interface11.go:17   0x1087134   488b442410      MOVQ 0x10(SP), AX  
 interface11.go:17   0x1087139   4889442438      MOVQ AX, 0x38(SP)  
 interface11.go:17   0x108713e   488b4c2418      MOVQ 0x18(SP), CX  
 interface11.go:17   0x1087143   48894c2440      MOVQ CX, 0x40(SP)  
 interface11.go:19   0x1087148   488d15b1000800      LEAQ 0x800b1(IP), DX  
 interface11.go:19   0x108714f   48891424        MOVQ DX, 0(SP)  
 interface11.go:19   0x1087153   488d542430      LEAQ 0x30(SP), DX  
 interface11.go:19   0x1087158   4889542408      MOVQ DX, 0x8(SP)  
 interface11.go:19   0x108715d   e8fe45f8ff      CALL runtime.convT2I(SB)  

代码 17 行 var y interface{} = x 调用了函数 runtime.convT2E ，将 int 类型的 x 转换成 empty interface。代码 19 行 var t MyInterface = s 将 MyStruct 类型转换成 non-empty interface: MyInterface。

func convT2E(t *_type, elem unsafe.Pointer) (e eface) {  
 ...  
   
 x := newobject(t)  
 typedmemmove(t, x, elem)  
 e._type = t  
 e.data = x  
 return  
}  
  
func convT2I(tab *itab, elem unsafe.Pointer) (i iface) {  
 t := tab._type  
   
 ...  
   
 x := newobject(t)  
 typedmemmove(t, x, elem)  
 i.tab = tab  
 i.data = x  
 return  
}  

看上面的函数原型，可以看出中间过程编译器将根据我们的转换目标类型的 empty interface 还是 non-empty interface，来对原数据类型进行转换（转换成 <_type, unsafe.Pointer> 或者 <itab, unsafe.Pointer>）。这里对于 struct 满不满足 interface 的类型要求（也就是 struct 是否实现了 interface 的所有 method），是由编译器来检测的。

2. itab

iface 结构中最重要的是 itab 结构。itab 可以理解为 pair<interface type, concrete type> 。当然 itab 里面还包含一些其他信息，比如 interface 里面包含的 method 的具体实现。下面细说。itab 的结构如下。

type itab struct {  
 inter  *interfacetype  
 _type  *_type  
 link   *itab  
 bad    int32  
 inhash int32      // has this itab been added to hash?  
 fun    [1]uintptr // variable sized  
}  

其中 interfacetype 包含了一些关于 interface 本身的信息，比如 package path，包含的 method。上面提到的 iface 和 eface 是数据类型（built-in 和 type-define）转换成 interface 之后的实体的 struct 结构，而这里的 interfacetype 是我们定义 interface 时候的一种抽象表示。

type interfacetype struct {  
 typ     _type  
 pkgpath name  
 mhdr    []imethod  
}  
  
type imethod struct {   //这里的 method 只是一种函数声明的抽象，比如  func Print() error  
 name nameOff  
 ityp typeOff  
}  

_type 表示 concrete type。fun 表示的 interface 里面的 method 的具体实现。比如 interface type 包含了 method A, B，则通过 fun 就可以找到这两个 method 的具体实现。这里有个问题 fun 是长度为 1 的 uintptr 数组，那么怎么表示多个 method 呢？看一下测试程序。
`

package main  
  
type MyInterface interface {  
 Print()  
 Hello()  
 World()  
 AWK()  
}  
  
func Foo(me MyInterface) {  
 me.Print()  
 me.Hello()  
 me.World()  
 me.AWK()  
}  
  
type MyStruct struct {}  
  
func (me MyStruct) Print() {}  
func (me MyStruct) Hello() {}  
func (me MyStruct) World() {}  
func (me MyStruct) AWK() {}  
  
func main() {  
 var me MyStruct  
 Foo(me)  
}  

看一下函数调用对应的汇编代码。

$ go build -gcflags '-l' -o interface8 interface8.go  
$ go tool objdump -s "main.Foo" interface8  
TEXT main.Foo(SB) /Users/kltao/code/go/examples/interface8.go  
 interface8.go:10    0x104c060   65488b0c25a0080000  GS MOVQ GS:0x8a0, CX  
 interface8.go:10    0x104c069   483b6110        CMPQ 0x10(CX), SP  
 interface8.go:10    0x104c06d   7668            JBE 0x104c0d7  
 interface8.go:10    0x104c06f   4883ec10        SUBQ $0x10, SP  
 interface8.go:10    0x104c073   48896c2408      MOVQ BP, 0x8(SP)  
 interface8.go:10    0x104c078   488d6c2408      LEAQ 0x8(SP), BP  
 interface8.go:11    0x104c07d   488b442418      MOVQ 0x18(SP), AX  
 interface8.go:11    0x104c082   488b4830        MOVQ 0x30(AX), CX //取得 Print 函数地址  
 interface8.go:11    0x104c086   488b542420      MOVQ 0x20(SP), DX  
 interface8.go:11    0x104c08b   48891424        MOVQ DX, 0(SP)  
 interface8.go:11    0x104c08f   ffd1            CALL CX     // 调用 Print()  
 interface8.go:12    0x104c091   488b442418      MOVQ 0x18(SP), AX  
 interface8.go:12    0x104c096   488b4828        MOVQ 0x28(AX), CX //取得 Hello 函数地址  
 interface8.go:12    0x104c09a   488b542420      MOVQ 0x20(SP), DX  
 interface8.go:12    0x104c09f   48891424        MOVQ DX, 0(SP)  
 interface8.go:12    0x104c0a3   ffd1            CALL CX           //调用 Hello()  
 interface8.go:13    0x104c0a5   488b442418      MOVQ 0x18(SP), AX  
 interface8.go:13    0x104c0aa   488b4838        MOVQ 0x38(AX), CX //取得 World 函数地址  
 interface8.go:13    0x104c0ae   488b542420      MOVQ 0x20(SP), DX   
 interface8.go:13    0x104c0b3   48891424        MOVQ DX, 0(SP)  
 interface8.go:13    0x104c0b7   ffd1            CALL CX           //调用 World()  
 interface8.go:14    0x104c0b9   488b442418      MOVQ 0x18(SP), AX  
 interface8.go:14    0x104c0be   488b4020        MOVQ 0x20(AX), AX //取得 AWK 函数地址  
 interface8.go:14    0x104c0c2   488b4c2420      MOVQ 0x20(SP), CX  
 interface8.go:14    0x104c0c7   48890c24        MOVQ CX, 0(SP)  
 interface8.go:14    0x104c0cb   ffd0            CALL AX           //调用 AWK()  
 interface8.go:15    0x104c0cd   488b6c2408      MOVQ 0x8(SP), BP  
 interface8.go:15    0x104c0d2   4883c410        ADDQ $0x10, SP  
 interface8.go:15    0x104c0d6   c3          RET  
 interface8.go:10    0x104c0d7   e8f48bffff      CALL runtime.morestack_noctxt(SB)  
 interface8.go:10    0x104c0dc   eb82            JMP main.Foo(SB)  

其中 0x18(SP) 对应的 itab 的值。fun 在 x86-64 机器上对应 itab 内的地址偏移为 8+8+8+4+4 = 32 = 0x20，也就是 0x20(AX) 对应的 fun 的值，此时存放的 AWK 函数地址。然后 0x28(AX) = &Hello，0x30(AX) = &Print，0x38(AX) = &World。对的，每次函数是按字典序排序存放的。

我们再来看一下函数地址究竟是怎么写入的？首先 Golang 中的 uintptr 一般用来存放指针的值，这里对应的就是函数指针的值（也就是函数的调用地址）。但是这里的 fun 是一个长度为 1 的 uintptr 数组。我们看一下 runtime 包的 additab 函数。

func additab(m *itab, locked, canfail bool) {  
 ...  
 *(*unsafe.Pointer)(add(unsafe.Pointer(&m.fun[0]), uintptr(k)*sys.PtrSize)) = ifn  
 ...  
}  

上面的代码的意思是在 fun[0] 的地址后面依次写入其他 method 对应的函数指针。熟悉 C++ 的同学可以类比 C++ 的虚函数表指针来看。

剩下的还有 bad，link，inhash。其中 bad 是一个表征 itab 状态的变量。而这里的 link 是 *itab 类型，是不是表示 interface 的嵌套呢？并不是，interface 的嵌套也是把 method 平铺而已。link 要和 inhash 一起来说。在 runtime 包里面有一个 hash 表，通过 hash[hashitab(interface_type, concrete_type)] 可以取得 itab，这是出于性能方面的考虑。主要代码如下，这里就不再赘述了。

const (  
 hashSize = 1009  
)  
  
var (  
 ifaceLock mutex // lock for accessing hash  
 hash      [hashSize]*itab  
)  
  
func itabhash(inter *interfacetype, typ *_type) uint32 {  
 // compiler has provided some good hash codes for us.  
 h := inter.typ.hash  
 h += 17 * typ.hash  
 // TODO(rsc): h += 23 * x.mhash ?  
 return h % hashSize  
}  
  
func additab(...) {  
 ...  
 h := itabhash(inter, typ)  
 m.link = hash[h]  
 m.inhash = 1  
 atomicstorep(unsafe.Pointer(&hash[h]), unsafe.Pointer(m))  
}  

3. Type Assertion

我们知道使用 interface type assertion (中文一般叫断言) 的时候需要注意，不然很容易引入 panic。

func do(v interface{}) {  
 n := v.(int)    // might panic  
}  
  
func do(v interface{}) {  
 n, ok := v.(int)  
 if !ok {  
 // 断言失败处理  
 }  
}  

这个过程体现在下面的几个函数上。

// The assertXXX functions may fail (either panicking or returning false,  
// depending on whether they are 1-result or 2-result).  
func assertI2I(inter *interfacetype, i iface) (r iface) {  
 tab := i.tab  
 if tab == nil {  
 // explicit conversions require non-nil interface value.  
 panic(&TypeAssertionError{"", "", inter.typ.string(), ""})  
 }  
 if tab.inter == inter {  
 r.tab = tab  
 r.data = i.data  
 return  
 }  
 r.tab = getitab(inter, tab._type, false)  
 r.data = i.data  
 return  
}  
func assertI2I2(inter *interfacetype, i iface) (r iface, b bool) {  
 tab := i.tab  
 if tab == nil {  
 return  
 }  
 if tab.inter != inter {  
 tab = getitab(inter, tab._type, true)  
 if tab == nil {  
 return  
 }  
 }  
 r.tab = tab  
 r.data = i.data  
 b = true  
 return  
}  
  
// 类似  
func assertE2I(inter *interfacetype, e eface) (r iface)  
func assertE2I2(inter *interfacetype, e eface) (r iface, b bool)  

4. 总结

从某种意义上来说，Golang 的 interface 也是一种多态的体现。对比其他支持多态特性的语言，实现还是略有差异，很难说谁好谁坏。

5. 参考

1. Go Data Structure: Interfaces (注：09 年的文章)
2. A Quick Guide to Go’s Assembler
3. runtime: need a better itab table #20505