Go语言interface实现原理详解

1 前言

1.1 Go汇编

 Go语言被定义为一门系统编程语言，与C语言一样通过编译器生成可直接运行的二进制文件。这一点与Java，PHP，Python等编程语言存在很大的不同，这些语言都是运行在基于C语言开发的虚拟机上，如果想深入了解运行原理只需要看懂对应的C语言开发的虚拟机（绝大部分程序员应该都对C语言有基本的了解）。但是如果想深入学习Go语言，就需要对基本的汇编指令和语法有一定的了解（通过汇编可以了解到编译器到底做了什么工作）。
 通过下面的例子简单了解如何通过汇编来了解Go语言的运行原理。编辑一个go文本call_function.go，输入如下代码：

     1 package main 2 3 func add(a, b int) int { 4 return a + b 5 } 6 7 func main() { 8 a := 10 9 b := 20 10 11 c := add(a, b) 12 _ = c 13 } 

 输入命令go build -gcflags '-l -N' call_function.go生成可执行文件，然后输入命令go tool objdump -s "main.main" call_function查看汇编代码如下：

     1 TEXT main.main(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/call_function.go 2 call_function.go:7 0x104f380 65488b0c25a0080000 MOVQ GS:0x8a0, CX 3 call_function.go:7 0x104f389 483b6110 CMPQ 0x10(CX), SP 4 call_function.go:7 0x104f38d 764c JBE 0x104f3db 5 call_function.go:7 0x104f38f 4883ec38 SUBQ $0x38, SP 6 call_function.go:7 0x104f393 48896c2430 MOVQ BP, 0x30(SP) 7 call_function.go:7 0x104f398 488d6c2430 LEAQ 0x30(SP), BP 8 call_function.go:8 0x104f39d 48c74424280a000000 MOVQ $0xa, 0x28(SP) 9 call_function.go:9 0x104f3a6 48c744242014000000 MOVQ $0x14, 0x20(SP) 10 call_function.go:11 0x104f3af 488b442428 MOVQ 0x28(SP), AX 11 call_function.go:11 0x104f3b4 48890424 MOVQ AX, 0(SP) 12 call_function.go:11 0x104f3b8 488b442420 MOVQ 0x20(SP), AX 13 call_function.go:11 0x104f3bd 4889442408 MOVQ AX, 0x8(SP) 14 call_function.go:11 0x104f3c2 e899ffffff CALL main.add(SB) 15 call_function.go:11 0x104f3c7 488b442410 MOVQ 0x10(SP), AX 16 call_function.go:11 0x104f3cc 4889442418 MOVQ AX, 0x18(SP) 17 call_function.go:13 0x104f3d1 488b6c2430 MOVQ 0x30(SP), BP 18 call_function.go:13 0x104f3d6 4883c438 ADDQ $0x38, SP 19 call_function.go:13 0x104f3da c3 RET 20 call_function.go:7 0x104f3db e89083ffff CALL runtime.morestack_noctxt(SB) 21 call_function.go:7 0x104f3e0 eb9e JMP main.main(SB) 

 第8~9行汇编代码，分别将SP(栈寄存器)偏移0x28和0x20的地址赋值为0xa和0x14，对应Go代码的第8行和第9行中的对a，b变量赋值，也就是说a变量对应的内存地址是SP+0x28，b变量对应的内存地址是SP+0x20。
 然后10~14行汇编代码表示对a，b变量进行拷贝，分别拷贝到SP+0x0和SP+0x8地址，然后调用add方法，这就是通常说到的函数调用时的“值传递”。
 输入命令go tool objdump -s "main.add" call_function，可以看到如下的汇编代码：

     1 TEXT main.add(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/call_function.go 2 call_function.go:3 0x104f360 48c744241800000000 MOVQ $0x0, 0x18(SP) 3 call_function.go:4 0x104f369 488b442408 MOVQ 0x8(SP), AX 4 call_function.go:4 0x104f36e 4803442410 ADDQ 0x10(SP), AX 5 call_function.go:4 0x104f373 4889442418 MOVQ AX, 0x18(SP) 6 call_function.go:4 0x104f378 c3 RET 

 第3~5行汇编代码表示，将SP+0x8和SP+0x10地址的值相加，并复制到SP+0x18地址。
 为什么在main函数中，a和b变量分别复制到了SP+0x0和SP+0x8地址，但是在add函数中，却将SP+0x8和SP+0x10地址的值进行相加呢？
 这是因为在main函数中的汇编代码14行中，调用call执行时CPU会执行一次压栈操作，将函数调用完成以后需要返回的地址存在SP-0x8的地址处，并执行一次SP=SP-0x8的操作（具体操作可以百度一下）。所以在add函数里面的SP+0x8和SP+0x10地址就对应着main函数中的SP+0x0和SP+0x8地址。
 具体过程如下图：

 

go函数调用.jpg

 

1.2 Go指针

 Go的库代码中大量使用了一些指针进行内存操作。但是在Go语言中指针变量是不能进行运算的，所以不能像C语言那样方便的对内存进行偏移寻址，但是Go中提供了unsafe包来对指针计算运算。
 下面的例子可以说明使用方式：

     1 package main 2 3 import ( 4 "fmt" 5 "unsafe" 6 ) 7 8 type Struct1 struct { 9 A int64 10 B int64 11 C int64 12 } 13 14 type Struct2 struct { 15 A int64 16 B int64 17 C int64 18 } 19 20 func main() { 21 struct1 := Struct1 { 22 A : 1, 23 B : 2, 24 C : 3, 25 } 26 27 struct2 := new(Struct2) 28 29 var src uintptr = uintptr(unsafe.Pointer(&struct1)) 30 var dst uintptr = uintptr(unsafe.Pointer(struct2)) 31 for i := 0; i < 24; i++ { 32 *(*uint8)(unsafe.Pointer(dst + uintptr(i))) = *(*uint8)(unsafe.Pointer(src + uintptr(i))) 33 } 34 35 fmt.Println("struct1=%v||struct2=%v", struct1, *struct2); 36 } 

 在上面的例子将struct1对应内存的值复制到struct2对应的内存中，从例子中可以看出可以看到Go语言中

• unsafe.Pointer类似于C中的void*，任何类型的指针都可以转换为unsafe.Pointer 类型，unsafe.Pointer 类型也可以转换为任何指针类型；
• uintptr可以存go中的任何变量，如果想对指针进行运算，必须先把指针转换为uintptr。

2 Go的interface的实现

 在Go语言中interface是一个非常重要的概念，也是与其它语言相比存在很大特色的地方。interface也是一个Go语言中的一种类型，是一种比较特殊的类型，存在两种interface，一种是带有方法的interface，一种是不带方法的interface。Go语言中的所有变量都可以赋值给空interface变量，实现了interface中定义方法的变量可以赋值给带方法的interface变量，并且可以通过interface直接调用对应的方法，实现了其它面向对象语言的多态的概念。

2.1 内部定义

 两种不同的interface在Go语言内部被定义成如下的两种结构体（源码基于Go的1.9.2版本）：

// 没有方法的interface type eface struct { _type *_type data unsafe.Pointer } // 记录着Go语言中某个数据类型的基本特征 type _type struct { size uintptr ptrdata uintptr hash uint32 tflag tflag align uint8 fieldalign uint8 kind uint8 alg *typeAlg gcdata *byte str nameOff ptrToThis typeOff } // 有方法的interface type iface struct { tab *itab data unsafe.Pointer } type itab struct { inter *interfacetype _type *_type link *itab hash uint32 bad bool inhash bool unused [2]byte fun [1]uintptr } // interface数据类型对应的type type interfacetype struct { typ _type pkgpath name mhdr []imethod } 

 可以看到两种类型的interface在内部实现时都是定义成了一个2个字段的结构体，所以任何一个interface变量都是占用16个byte的内存空间。
 在Go语言中_type这个结构体非常重要，记录着某种数据类型的一些基本特征，比如这个数据类型占用的内存大小（size字段），数据类型的名称（nameOff字段）等等。每种数据类型都存在一个与之对应的_type结构体（Go语言原生的各种数据类型，用户自定义的结构体，用户自定义的interface等等）。如果是一些比较特殊的数据类型，可能还会对_type结构体进行扩展，记录更多的信息，比如interface类型，就会存在一个interfacetype结构体，除了通用的_type外，还包含了另外两个字段pkgpath和mhdr，后文在对这两个字段的作用进行解析。除此之外还有其它类型的数据结构对应的结构体，比如structtype，chantype，slicetype，有兴趣的可以在$GOROOT/src/runtime/type.go文件中查看。

 

iface和eface的内存分布.jpg

 

2.2 赋值

 存在对没有方法的interface变量和有方法的interface变量赋值这两种不同的情况。分别详解这两种不同的赋值过程。

• 没有方法的interface变量赋值
   对没有方法的interface变量赋值时编译器做了什么工作？创建一个eface.go文件，代码如下：

     1 package main 2 3 type Struct1 struct { 4 A int64 5 B int64 6 } 7 8 func main() { 9 s := new(Struct1) 10 var i interface{} 11 i = a 12 13 _ = i 14 } 

 输入命令go build -gcflags '-l -N' eface.go，go tool objdump -s "main.main" eface，查看汇编代码。

     1 TEXT main.main(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/eface.go 2 eface.go:8 0x104f360 4883ec38 SUBQ $0x38, SP 3 eface.go:8 0x104f364 48896c2430 MOVQ BP, 0x30(SP) 4 eface.go:8 0x104f369 488d6c2430 LEAQ 0x30(SP), BP 5 eface.go:9 0x104f36e 48c7042400000000 MOVQ $0x0, 0(SP) 6 eface.go:9 0x104f376 48c744240800000000 MOVQ $0x0, 0x8(SP) 7 eface.go:9 0x104f37f 488d0424 LEAQ 0(SP), AX 8 eface.go:9 0x104f383 4889442410 MOVQ AX, 0x10(SP) 9 eface.go:10 0x104f388 48c744242000000000 MOVQ $0x0, 0x20(SP) 10 eface.go:10 0x104f391 48c744242800000000 MOVQ $0x0, 0x28(SP) 11 eface.go:11 0x104f39a 488b442410 MOVQ 0x10(SP), AX 12 eface.go:11 0x104f39f 4889442418 MOVQ AX, 0x18(SP) 13 eface.go:11 0x104f3a4 488d0dd5670000 LEAQ 0x67d5(IP), CX 14 eface.go:11 0x104f3ab 48894c2420 MOVQ CX, 0x20(SP) 15 eface.go:11 0x104f3b0 4889442428 MOVQ AX, 0x28(SP) 16 eface.go:14 0x104f3b5 488b6c2430 MOVQ 0x30(SP), BP 17 eface.go:14 0x104f3ba 4883c438 ADDQ $0x38, SP 

 汇编代码第5~6行给结构体Struct1分配了空间SP+0x0和SP+0x8，第7~8行把这个结构体的地址放在存入了SP+0x10地址，这个地址就是变量s，第9~10行给interface类型的变量i分配了SP+0x20和SP+0x28，第13~14行把结构体A对应的_type的地址赋值到SP+0x20，然后把a变量赋值到了SP+0x28。这就是对没有方法的interface进行赋值的过程。赋值完以后的内存分配如下图：

 

没有方法的interface赋值.jpg

• 有方法的interface变量赋值
   如下一段代码在内存的分布

     1 package main 2 3 type I interface { 4 Add() 5 Del() 6 } 7 8 type Struct1 struct { 9 A int64 10 B int64 11 } 12 13 func (a *Struct1) Add() { 14 a.A = a.A + 1 15 a.B = a.B + 1 16 } 17 18 func (a *Struct1) Del() { 19 a.A = a.A - 1 20 a.B = a.B - 1 21 } 22 23 func main() { 24 a := new(Struct1) 25 var i I 26 i = a 27 28 i.Add() 29 i.Del() 30 } 

 

有方法的interface赋值.jpg

 这些内存地址都可以使用gdb调试时得到

(gdb) p i
$11 = {tab = 0x10a70e0 <Struct1,main.I>, data = 0xc42001a0c0}
(gdb) p a
$12 = (struct main.Struct1 *) 0xc42001a0c0
(gdb) p i.tab
$13 = (runtime.itab *) 0x10a70e0 <Struct1,main.I>
(gdb) p i.tab.inter
$14 = (runtime.interfacetype *) 0x105dc60 <type.*+59232>
(gdb) p i.tab._type
$15 = (runtime._type *) 0x105d200 <type.*+56576>

 通过对内存地址的打印，可以很清晰的看出在对有方法的interface变量进行赋值时的内存分布。Struct1类型和interface I类型都存在内存记录着各自的_type结构体信息，在将Struct1类型的变量赋值给interface I类型时，会有一个itab类型的结构体将Struct1类型和interface I类型关联起来。
 上面的例子都是将一个指针赋值给interface变量，如果是将一个值赋值给interface变量。会先对分配一块空间保存该值的副本，然后将该interface变量的data字段指向这个新分配的空间。将一个值赋值给interface变量时，操作的都是该值的一个副本。

2.3 方法的调用

 上面对有方法的interface进行赋值后，是如何实现通过接口变量实现了函数调用呢？参考下面的汇编代码

     1 TEXT main.main(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/iface.go 2 iface.go:23 0x104f3e0 65488b0c25a0080000 MOVQ GS:0x8a0, CX 3 iface.go:23 0x104f3e9 483b6110 CMPQ 0x10(CX), SP 4 iface.go:23 0x104f3ed 0f8687000000 JBE 0x104f47a 5 iface.go:23 0x104f3f3 4883ec38 SUBQ $0x38, SP 6 iface.go:23 0x104f3f7 48896c2430 MOVQ BP, 0x30(SP) 7 iface.go:23 0x104f3fc 488d6c2430 LEAQ 0x30(SP), BP 8 iface.go:23 0x104f401 488d0578ff0000 LEAQ 0xff78(IP), AX 9 iface.go:24 0x104f408 48890424 MOVQ AX, 0(SP) 10 iface.go:24 0x104f40c e86fcefbff CALL runtime.newobject(SB) 11 iface.go:24 0x104f411 488b442408 MOVQ 0x8(SP), AX 12 iface.go:24 0x104f416 4889442410 MOVQ AX, 0x10(SP) 13 iface.go:25 0x104f41b 48c744242000000000 MOVQ $0x0, 0x20(SP) 14 iface.go:25 0x104f424 48c744242800000000 MOVQ $0x0, 0x28(SP) 15 iface.go:26 0x104f42d 488b442410 MOVQ 0x10(SP), AX 16 iface.go:26 0x104f432 4889442418 MOVQ AX, 0x18(SP) 17 iface.go:26 0x104f437 488d0da27c0500 LEAQ 0x57ca2(IP), CX 18 iface.go:26 0x104f43e 48894c2420 MOVQ CX, 0x20(SP) 19 iface.go:26 0x104f443 4889442428 MOVQ AX, 0x28(SP) 20 iface.go:28 0x104f448 488b442420 MOVQ 0x20(SP), AX 21 iface.go:28 0x104f44d 488b4020 MOVQ 0x20(AX), AX 22 iface.go:28 0x104f451 488b4c2428 MOVQ 0x28(SP), CX 23 iface.go:28 0x104f456 48890c24 MOVQ CX, 0(SP) 24 iface.go:28 0x104f45a ffd0 CALL AX 25 iface.go:29 0x104f45c 488b442420 MOVQ 0x20(SP), AX 26 iface.go:29 0x104f461 488b4028 MOVQ 0x28(AX), AX 27 iface.go:29 0x104f465 488b4c2428 MOVQ 0x28(SP), CX 28 iface.go:29 0x104f46a 48890c24 MOVQ CX, 0(SP) 29 iface.go:29 0x104f46e ffd0 CALL AX 30 iface.go:30 0x104f470 488b6c2430 MOVQ 0x30(SP), BP 31 iface.go:30 0x104f475 4883c438 ADDQ $0x38, SP 32 iface.go:30 0x104f479 c3 RET 33 iface.go:23 0x104f47a e8f182ffff CALL runtime.morestack_noctxt(SB) 34 iface.go:23 0x104f47f e95cffffff JMP main.main(SB) 

 汇编代码的第17行和18行，将itab的地址加载到SP+0x20地址处，第20，21行，24行将SP+0x20的值加载到AX寄存器，然后将AX+0x20地址的值加载到AX寄存器，CALL AX就实现了add方法的调用，其中第22行和23行的作用是将interface里面data字段的地址传递给了add方法。

 

iface函数调用.jpg

 通过对itab结构体进行分析，可以看到偏移0x20处为fun字段，其中0x20处为add函数的入口地址，0x28处就是del函数的入口地址。

2.4 断言的实现

 在Go语言中，经常需要对一个interface变量进行断言

     1 package main 2 3 type Struct1 struct { 4 A int64 5 } 6 7 func main() { 8 a := new(Struct1) 9 10 var i interface{} 11 i = a 12 13 b, ok := i.(Struct1) 14 if ok { 15 _ = b 16 } 17 } 

 生成汇编代码进行分析

     1 TEXT main.main(SB) /Users/didi/Source/Go/src/ppt/assert.go 2 assert.go:7 0x104f360 4883ec48 SUBQ $0x48, SP 3 assert.go:7 0x104f364 48896c2440 MOVQ BP, 0x40(SP) 4 assert.go:7 0x104f369 488d6c2440 LEAQ 0x40(SP), BP 5 assert.go:8 0x104f36e 48c744241000000000 MOVQ $0x0, 0x10(SP) 6 assert.go:8 0x104f377 488d442410 LEAQ 0x10(SP), AX 7 assert.go:8 0x104f37c 4889442420 MOVQ AX, 0x20(SP) 8 assert.go:10 0x104f381 48c744243000000000 MOVQ $0x0, 0x30(SP) 9 assert.go:10 0x104f38a 48c744243800000000 MOVQ $0x0, 0x38(SP) 10 assert.go:11 0x104f393 488b442420 MOVQ 0x20(SP), AX 11 assert.go:11 0x104f398 4889442428 MOVQ AX, 0x28(SP) 12 assert.go:11 0x104f39d 488d0d1c680000 LEAQ 0x681c(IP), CX 13 assert.go:11 0x104f3a4 48894c2430 MOVQ CX, 0x30(SP) 14 assert.go:11 0x104f3a9 4889442438 MOVQ AX, 0x38(SP) 15 assert.go:13 0x104f3ae 488b442438 MOVQ 0x38(SP), AX 16 assert.go:13 0x104f3b3 488b4c2430 MOVQ 0x30(SP), CX 17 assert.go:13 0x104f3b8 488d1581ed0000 LEAQ 0xed81(IP), DX 18 assert.go:13 0x104f3bf 4839d1 CMPQ DX, CX 19 assert.go:13 0x104f3c2 7402 JE 0x104f3c6 20 assert.go:13 0x104f3c4 eb3f JMP 0x104f405 21 assert.go:13 0x104f3c6 488b00 MOVQ 0(AX), AX 22 assert.go:13 0x104f3c9 b901000000 MOVL $0x1, CX 23 assert.go:13 0x104f3ce eb00 JMP 0x104f3d0 

 汇编的第12行，17行，18行可以看出，将Struct1对应的_type结构体的地址赋值给interface以后。在进行断言的时候，原理就是将interface变量_type字段的与Struct1对应的_type结构地址进行对比。
 在本例子中，第12行的IP寄存器对应的值是0x104f39d，0x681c(IP)对应的地址为0x1055BB9，第17行的IP寄存器对应的值是0x104f3b8，0xed81(IP)对应的地址为0x105E139，貌似并不相同。可能是对Go的汇编中对IP寄存器的理解存在偏差，找了几个小时资料都没找到原因。

3 Go的反射

 反射是一种强大的语言特性，可以“动态”的调用方法，获取结构体运行时的一些特征，很多框架的实现都离不开反射。Go的反射就是通过interface类型来实现的。

3.1 反射获取变量的信息

 Go的反射包主要存在两个重要的结构体。

     1 type Value struct { 2 typ *rtype 3 ptr unsafe.Pointer 4 flag 5 } 6 7 func ValueOf(i interface{}) Value { 8 } 9 10 type Type interface { 11 Align() int 12 FieldAlign() int 13 Method(int) Method 14 Name() string 15 //一堆方法 16 //.... 17 } 18 19 func TypeOf(i interface{}) Type { 20 eface := *(*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i)) 21 return toType(eface.typ) 22 } 23 24 type emptyInterface struct { 25 typ *rtype 26 word unsafe.Pointer 27 } 

 任何一个变量可以通过调用ValueOf来获取到变量的Value结构体，通过TypeOf方法来获取变量的Type接口类型。通过TypeOf方法获取到的Type接口实际上就是该变量对应的_type。
 通过前面的分析，当通过TypeOf方法获取到变量的_type结构体后，很容易获取到该变量的一些基本信息，比如_type结构体中的各种字段都可以直接获取到。

3.2 反射修改变量的值

     1 package main 2 3 import ( 4 "reflect" 5 ) 6 7 func main() { 8 var x int64 = 10 9 10 reflect.ValueOf(x).SetInt(20) 11 12 reflect.ValueOf(&x).SetInt(20) 13 14 reflect.ValueOf(&x).Elem().SetInt(20) 15 } 

 上面的例子中，第10行，12行都会报panic，只有第14行能修改变量的值。在使用ValueOf获取到Value结构体以后，flag字段记录着值能否进行修改，这样应该是为了避免误操作，保证api调用者明确了解到是否需要修改值。

3.3 反射修改结构体变量字段的值

 如果需要通过反射修改某结构体里面各个字段的值。

     1 package main 2 3 import ( 4 "reflect" 5 "fmt" 6 ) 7 8 type Struct1 struct { 9 A int64 10 B int64 11 C int64 12 } 13 14 func main() { 15 P := new(Struct1) 16 17 V := reflect.ValueOf(P).Elem() 18 V.FieldByName("A").SetInt(100) 19 V.FieldByName("B").SetInt(200) 20 V.FieldByName("C").SetInt(300) 21 22 fmt.Printf("%v", P) 23 } 

 上面的代码中，需要根据结构体字段的名称对各个字段的值进行修改，内部是如何实现的呢？

 

自定义struct内存分布.jpg

 每一个自定义的struct类型都存在这一个对应的structType结构体，该结构体记录了每个字段structField。通过对比structField里面的name字段，就可以获取到某个字段的type和偏移量。从而对具体的值进行修改。

3.4 反射动态调用方法

 动态的调用方法是怎么实现的？

     1 package main 2 3 import ( 4 "reflect" 5 ) 6 7 type Struct1 struct { 8 A int64 9 B int64 10 C int64 11 } 12 13 func (p *Struct1) Set() { 14 p.A = 200 15 } 16 17 func main() { 18 P := new(Struct1) 19 P.A = 100 20 P.B = 200 21 P.C = 300 22 23 V := reflect.ValueOf(P) 24 25 params := make([]reflect.Value, 0) 26 V.MethodByName("Set").Call(params) 27 } 

 结构体的方法在内存中存在如下的分布

 

反射获取方法.jpg

 在编译过程中，结构体对应方法的相关信息都已经存在于内存中，分配了一块uncommonType的结构体跟在fields字段后面。根据内存的分布，如果需要根据一个结构体的名称获取到方法并且执行，只需要根据uncommonType结构中的moff字段去获取方法相关信息的地址块，然后逐个对比名称是否为想要获取的方法进行调用。

4 总结

 本文从实现原理上分析了Go语言中interface类型和反射包的使用，相信各位读者以后再使用Go的interface类型和反射包时能做到胸有成竹，也能够对分析Go语言的其它特性提供思路。

作者：喻家山车神
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来源：简书
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