淺析 golang interface 實現原理
interface 在 golang 中是一個非常重要的特性。它相對於其它語言有很多優勢：
- duck typing。大多數的靜態語言需要顯示的聲明類型的繼承關系。而 golang 通過 interface 實現了
duck typing， 使得我們無需顯示的類型繼承。 - 不像其它實現了
duck typing的動態語言那樣，只能在運行時才能檢查到類型的轉換錯誤。而 golang 的 interface 特性可以讓我們在編譯時就能發現錯誤。
本文將簡單分析 interface 的實現原理。
interface 的數據結構
eface 和 iface
eface表示空的interface{}，它用兩個機器字長表示，第一個字 _type 是指向實際類型描述的指針，第二個字 data 代表數據指針。iface表示至少帶有一個函數的 interface， 它也用兩個機器字長表示，第一個字 tab 指向一個 itab 結構，第二個字 data 代表數據指針。
data
data 用來保存實際變量的地址。
data 中的內容會根據實際情況變化，因為 golang 在函數傳參和賦值時是 值傳遞 的，所以：
- 如果實際類型是一個值，那么 interface 會保存這個值的一份拷貝。interface 會在堆上為這個值分配一塊內存，然后 data 指向它。
- 如果實際類型是一個指針，那么 interface 會保存這個指針的一份拷貝。由於 data 的長度恰好能保存這個指針的內容，所以 data 中存儲的就是指針的值。它和實際數據指向的是同一個變量。
以 interface{} 的賦值為例：
上圖中, i1 和 i2 是 interface，A 為要賦值給 interface 的對象。
- i1 = A 將 A 的值賦值給 i1，則 i1 中的 data 中的內容是一塊新內存的地址 (0x123456)，這塊內存的值從 A 拷貝。
- i2 = &A 將 A 的地址賦值給 i2，則 i2 中的 data 的值為 A 的地址，即 0xabcdef；
itab
itab 表示 interface 和 實際類型的轉換信息。對於每個 interface 和實際類型，只要在代碼中存在引用關系， go 就會在運行時為這一對具體的 <Interface, Type> 生成 itab 信息。
- inter 指向對應的 interface 的類型信息。
- type 和 eface 中的一樣，指向的是實際類型的描述信息 _type
- fun 為函數列表，表示對於該特定的實際類型而言，interface 中所有函數的地址。
_type
_type 表示類型信息。每個類型的 _type 信息由編譯器在編譯時生成。其中:
- size 為該類型所占用的字節數量。
- kind 表示類型的種類，如 bool、int、float、string、struct、interface 等。
- str 表示類型的名字信息，它是一個 nameOff(int32) 類型，通過這個 nameOff，可以找到類型的名字字符串
- 灰色的 extras 對於基礎類型（如 bool，int, float 等）是 size 為 0 的，它為復雜的類型提供了一些額外信息。例如為 struct 類型提供 structtype，為 slice 類型提供 slicetype 等信息。
- 灰色的 ucom 對於基礎類型也是 size 為 0 的，但是對於 type Binary int 這種定義或者是其它復雜類型來說，ucom 用來存儲類型的函數列表等信息。
- 注意 extras 和 ucom 的圓頭箭頭，它表示 extras 和 ucom 不是指針，它們的內容位於 _type 的內存空間中。
interfacetype
interfacetype 也並沒有什么神奇的地方，只是 _type 為 interface 類型提供的另一種信息罷了。 它包括這個 interface 所申明的所有函數信息。
interface 相關的操作
itab 中函數表（fun） 的生成
假設 interface 有 ni 個函數， struct 有 nt 個函數，那么 itab 中的函數表生成的時間復雜度為 O(ni*nt) （遍歷 interface 的所有函數，對每次迭代都從 struct 中遍歷找到匹配的函數）。 但實際上編譯器對此做了優化，它將 interfacetype 中的函數列表和 uncommontype 中的函數列表都做了排序. 所以實現了 O(ni+nt) 時間復雜度的算法。
// 生成 itab 的 funcs 的算法
// 代碼摘錄自 $GOROOT/src/runtime/iface.go
// 經過了部分修改，只保留了最核心的邏輯
var j = 0
for k := 0; k < ni; k++ {
mi := inter.methods[k]
for ; j < nt; j++ {
mt := t.methods[j]
if isOk(mi, mt) {
itab.fun[k] = mt.f
}
}
}
interface 參數傳遞與函數調用
type Binary uint64
func (i Binary) String() string {
return strconv.FormatUint(uint64(i), 10)
}
type Stringer interface {
String() string
}
func test(s Stringer) {
s.String()
}
func main() {
b := Binary(0x123)
test(b)
}
在上面的代碼中，golang 的參數傳遞過程是：
- 分配一塊內存 p， 並且將對象 b 的內容拷貝到 p 中；
- 創建 iface 對象 i，將 i.tab 賦值為 itab<Stringer, Binary>。將 i.data 賦值為 p；
- 使用 i 作為參數調用 test 函數。
當 test 函數執行 s.String 時，實際上就是在 s.tab 的 fun 中索引（索引由編譯器在編譯時生成）到 String 函數，並且調用它。