在Go语言中，接口是一种语法类型，用来定义一种编程规范。
在Go语言中，接口主要有两类：
没有方法定义的空接口
有方法定义的非空接口
之前，有两篇图文详细介绍了空接口对象及其类型：
- 【Go】内存中的空接口
- 【Go】再谈空接口
本文将深入探究包含方法的非空接口，以下简称接口。
环境
- OS : Ubuntu 20.04.2 LTS; x86_64
- Go : go version go1.16.2 linux/amd64
声明
操作系统、处理器架构、Go版本不同，均有可能造成相同的源码编译后运行时的寄存器值、内存地址、数据结构等存在差异。
本文仅包含 64 位系统架构下的 64 位可执行程序的研究分析。
本文仅保证学习过程中的分析数据在当前环境下的准确有效性。
代码清单
- // interface_in_memory.go
- package main
-
- import "fmt"
- import "reflect"
- import "strconv"
-
- type foo interface {
- fmt.Stringer
- Foo()
- ree()
- }
-
- type fooImpl int
-
- //go:noinline
- func (i fooImpl) Foo() {
- println("hello foo")
- }
-
- //go:noinline
- func (i fooImpl) ree() {
- println("hello ree")
- }
-
- //go:noinline
- func (i fooImpl) String() string {
- return strconv.Itoa(int(i))
- }
-
- func main() {
- impl := fooImpl(123)
- impl.Foo()
- impl.ree()
- fmt.Println(impl.String())
- typeOf(impl)
- exec(impl)
- }
-
- //go:noinline
- func exec(foo foo) {
- foo.Foo()
- foo.ree()
- fmt.Println(foo.String())
- typeOf(foo)
- fmt.Printf("exec 参数类型地址：%p\n", reflect.TypeOf(exec).In(0))
- }
-
- //go:noinline
- func typeOf(i interface{}) {
- v := reflect.ValueOf(i)
- t := v.Type()
- fmt.Printf("类型：%s\n", t.String())
- fmt.Printf("地址：%p\n", t)
- fmt.Printf("值 ：%d\n", v.Int())
- fmt.Println()
- }
以上代码，定义了一个包含3个方法的接口类型foo，还定义了一个fooImpl类型。在语法上，我们称fooImpl类型实现了foo接口。
运行结果
程序结构
数据结构介绍
接口数据类型的结构定义在reflect/type.go源文件中，如下所示：
- // 表示一个接口方法
- type imethod struct {
- name nameOff // 方法名称相对程序 .rodata 节的偏移量
- typ typeOff // 方法类型相对程序 .rodata 节的偏移量
- }
-
- // 表示一个接口数据类型
- type interfaceType struct {
- rtype // 基础信息
- pkgPath name // 包路径信息
- methods []imethod // 接口方法
- }
其实这只是一个表象，完整的接口数据类型结构如下伪代码所示：
- // 表示一个接口类型
- type interfaceType struct {
- rtype // 基础信息
- pkgPath name // 包路径信息
- methods []imethod // 接口方法的 slice，实际指向 array 字段
- u uncommonType // 占位
- array [len(methods)]imethod // 实际的接口方法数据
- }
完整的结构分布图如下：
另外两个需要了解的结构体，之前文章已经多次介绍过，也在reflect/type.go源文件中，定义如下：
- type uncommonType struct {
- pkgPath nameOff // 包路径名称偏移量
- mcount uint16 // 方法的数量
- xcount uint16 // 公共导出方法的数量
- moff uint32 // [mcount]method 相对本对象起始地址的偏移量
- _ uint32 // unused
- }
reflect.uncommonType结构体用于描述一个数据类型的包名和方法信息。对于接口类型，意义不是很大。
- // 非接口类型的方法
- type method struct {
- name nameOff // 方法名称偏移量
- mtyp typeOff // 方法类型偏移量
- ifn textOff // 通过接口调用时的地址偏移量；接口类型本文不介绍
- tfn textOff // 直接类型调用时的地址偏移量
- }
reflect.method结构体用于描述一个非接口类型的方法，它是一个压缩格式的结构，每个字段的值都是一个相对偏移量。
- type nameOff int32 // offset to a name
- type typeOff int32 // offset to an *rtype
- type textOff int32 // offset from top of text section
- nameOff 是相对程序 .rodata 节起始地址的偏移量。
- typeOff 是相对程序 .rodata 节起始地址的偏移量。
- textOff 是相对程序 .text 节起始地址的偏移量。
接口实现类型
从以上“运行结果”可以看到，fooImpl的类型信息位于0x4a9be0内存地址处。
关于fooImpl类型，【Go】再谈整数类型一文曾进行过非常详细的介绍，此处仅分析其方法相关内容。
查看fooImpl类型的内存数据如下：
绘制成图表如下：
fooImpl类型有3个方法，我们以Foo方法来说明接口相关的底层原理。
Foo方法的相关数据如下：
- var Foo = reflect.method {
- name: 0x00000172, // 方法名称相对程序 `.rodata` 节起始地址的偏移量
- mtyp: 0x00009960, // 方法类型相对程序 `.rodata` 节起始地址的偏移量
- ifn: 0x000989a0, // 接口调用的指令相对程序 `.text` 节起始地址的偏移量
- tfn: 0x00098160, // 正常调用的指令相对程序 `.text` 节起始地址的偏移量
- }
方法名称
method.name用于定位方法的名称，即一个reflect.name对象。
Foo方法的reflect.name对象位于 0x49a172(0x00000172 + 0x49a000)地址处，毫无疑问，解析结果是Foo。
- (gdb) p /x 0x00000172 + 0x49a000
- $3 = 0x49a172
- (gdb) x /3bd 0x49a172
- 0x49a172: 1 0 3
- (gdb) x /3c 0x49a172 + 3
- 0x49a175: 70 'F' 111 'o' 111 'o'
- (gdb)
方法类型
method.mtyp用于定位方法的数据类型，即一个reflect.funcType对象。
Foo方法的reflect.funcType对象，其位于0x4a3960(0x00009960 + 0x49a000)地址处。
Foo方法的数据类型的字符串表示形式是func()。
- (gdb) x /56bx 0x4a3960
- 0x4a3960: 0x08 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3968: 0x08 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3970: 0xf6 0xbc 0x82 0xf6 0x02 0x08 0x08 0x33
- 0x4a3978: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3980: 0xa0 0x4a 0x4c 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3988: 0x34 0x11 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3990: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- (gdb) x /wx 0x4a3988
- 0x4a3988: 0x00001134
- (gdb) x /s 0x00001134 + 0x49a000 + 3
- 0x49b137: "*func()"
- (gdb)
想要深入了解函数类型，请阅读【Go】内存中的函数。
接口方法
method.ifn字段的英文注释为function used in interface call，即调用接口方法时使用的函数。
在本例中，就是通过foo接口调用fooImpl类型的Foo函数时需要执行的指令集合。
具体来讲就是，代码清单中的exec函数内调用Foo方法需要执行的指令集合。
Foo函数的method.ifn = 0x000989a0，计算出其指令集合位于地址0x4999a0(0x000989a0 + 0x401000)处。
通过内存数据可以清楚地看到，接口方法的符号是main.(*fooImpl).Foo。该函数主要做了两件事：
检查panic
在0x4999d7地址处调用另一个函数main.fooImpl.Foo。
类型方法
method.tfn字段的英文注释为function used for normal method call，即正常方法调用时使用的函数。
在本例中，就是通过fooImpl类型的对象调用Foo函数时需要执行的指令集合。
具体来讲就是，代码清单中的main函数内调用Foo方法需要执行的指令集合。
Foo函数的method.tfn = 0x00098160，计算出其指令集合位于地址0x499160(0x00098160 + 0x401000)处。
通过内存数据可以清楚地看到，类型方法的符号是main.fooImpl.Foo。
调用堆栈
通过上述分析，已经能够对method.ifn和method.tfn两个字段的含义建立起基本的认知。
实践是检验真理的唯一标准。能动手尽量别吵吵。
在main.(*fooImpl).Foo和main.fooImpl.Foo两个函数的入口处设置断点，通过行动巩固我们对接口类型的认识。
通过动态调试，我们清晰地看到：
- main函数调用了main.fooImpl.Foo函数
- exec函数调用了main.(*fooImpl).Foo函数
- main.(*fooImpl).Foo函数调用了main.fooImpl.Foo函数
- main.(*fooImpl).Foo函数的调试信息显示autogenerated，表示其是由编译器生成的
对比本文“代码清单”，你是否对Go语言的方法调用有了全新的认识。
几乎每种编程语言都会存在编译器自动生成代码的情况，用来实现某些通用逻辑的处理。本例中自动生成的main.(*fooImpl).Foo函数中增加了panic检查逻辑，不过， 乍看起来这像是某种设计缺陷导致不能直接调用main.fooImpl.Foo函数，而是必须经过一个"中间人"才行。
接口类型
从以上“运行结果”可以看到，exec函数的参数类型的地址是0x4aa5c0，也就是foo接口的类型信息存储位置。查看类型数据如下：
将以上内存数据绘制成图表如下：
- rtype.size = 16
- rtype.ptrdata = 16
- rtype.hash = 0x187f135e
- rtype.tflag = 0xf = reflect.tflagUncommon | reflect.tflagExtraStar | reflect.tflagNamed
- rtype.align = 8
- rtype.fieldAlign = 8
- rtype.kind = 0x14 = 20 = reflect.Interface
- rtype.equal = 0x4c4d38 -> runtime.interequal
- rtype.str = 0x000003e3 -> *main.foo
- rtype.ptrToThis = 0x00006a20 -> *foo
- interfaceType.pkgPath = 0x49a34c -> main
- interfaceType.methods.Data = 0x4aa620
- interfaceType.methods.Len = 3
- interfaceType.methods.Cap = 3
- uncommonType.pkgPath = 0x0000034c
- uncommonType.mcount = 0
- uncommonType.xcount = 0
- uncommonType.moff = 0x28
- interfaceType.methods[0].name = 0x00000172 -> Foo
- interfaceType.methods[0].typ = 0x00009960 -> func()
- interfaceType.methods[1].name = 0x00000d7a -> String
- interfaceType.methods[1].typ = 0x0000a140 -> func() string
- interfaceType.methods[2].name = 0x000002ce -> ree
- interfaceType.methods[2].typ = 0x00009960 -> func()
对象大小
接口类型的对象大小(rtype.size)是16字节，指针数据(rtype.ptrdata)占16字节;也就是说，接口类型的对象由2个指针组成，与空接口(interface{})对象大小一样。
比较函数
内存数据显示，接口类型的对象使用runtime.interequal进行相等性比较，该函数定义在runtime/alg.go源文件中:
- func interequal(p, q unsafe.Pointer) bool {
- x := *(*iface)(p)
- y := *(*iface)(q)
- return x.tab == y.tab && ifaceeq(x.tab, x.data, y.data)
- }
-
- func ifaceeq(tab *itab, x, y unsafe.Pointer) bool {
- if tab == nil {
- return true
- }
- t := tab._type
- eq := t.equal
- if eq == nil {
- panic(errorString("comparing uncomparable type " + t.string()))
- }
- if isDirectIface(t) {
- // See comment in efaceeq.
- return x == y
- }
- return eq(x, y)
- }
该函数的执行逻辑是：
- 接口类型不同返回 false
- 接口类型为空返回 true
- 实现类型不可比较立即 panic
- 比较两个实现类型的对象并返回结果
uncommonType
在接口类型数据中，包路径信息可以通过interfaceType.pkgPath字段获取，方法信息通过interfaceType.methods字段获取， 因此uncommonType数据几乎没什么意义，只不过保持一致性罢了。
在本例中，可执行程序.rodata节的起始地址是0x49a000， interfaceType.pkgPath=uncommonType.pkgPath+0x49a000。
接口方法
接口方法(reflect.imethod)只有名称和类型信息，没有可执行指令，所以相对普通方法(reflect.method)缺少两个字段。
foo接口的方法的名称和类型，与fooImpl类型的方法的名称和类型完全一致，此处不再赘述。如有需要请阅读上文中方法相关的内容。
接口对象
runtime.interequal函数源码清晰地显示，其比较的是两个runtime.iface对象。
runtime.iface结构体定义在runtime/runtime2.go源码文件中，包含两个指针字段，大小是16个字节(rtype.size)。
- type iface struct {
- tab *itab
- data unsafe.Pointer
- }
-
- type itab struct {
- inter *interfacetype // 接口类型
- _type *_type // 具体实现类型
- 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.
- }
该结构体与reflect/value.go源文件中定义的nonEmptyInterface结构体是等价的：
- type nonEmptyInterface struct {
- itab *struct {
- ityp *rtype // 接口类型
- typ *rtype // 具体实现类型
- hash uint32 // 实现类型哈希种子
- _ [4]byte // 内存对齐
- fun [100000]unsafe.Pointer // 方法数组，编译器控制数组长度
- }
- word unsafe.Pointer // 具体实现类型对象
- }
没错，接口对象就是iface对象，接口对象就是nonEmptyInterface对象。
源码清单中的exec函数接受一个foo接口类型的参数，在该函数入口处设置断点，即可查看其参数：
内存数据显示，exec函数的参数foo的值如下伪代码所示：
- foo := runtime.iface {
- tab: 0x4dcbb8,
- data: 0x543ad8, // 指向整数 123
- }
iface.data指针指向的内存数据是整数123，关于整数和runtime.staticuint64s，请阅读【Go】内存中的整数。
iface.tab指针指向一个全局符号go.itab.main.fooImpl,main.foo。该符号可以被视为一个全局常量，它是由Go编译器生成的，保存在可执行程序的.rodata节，其值如下伪代码所示：
- go.itab.main.fooImpl,main.foo = & runtime.itab {
- inter: 0x4aa5c0, // foo 接口类型的地址，上文已经详细分析
- _type: 0x4a9be0, // fooImpl 实现类型的地址，上文已经详细分析
- hash: 0xb597252a, // fooImpl 类型的哈希种子拷贝
- fun: [0x4999a0, 0x499a20, 0x499aa0] // 方法数组
- }
在本例中，runtime.iface.tab.fun字段值包含三个指针，分别指向以下三个函数：
- main.(*fooImpl).Foo (0x4999a0)
- main.(*fooImpl).String (0x499a20)
- main.(*fooImpl).ree (0x499aa0)
当exec函数调用foo接口的方法时，实际是从runtime.iface.tab.fun字段的数组中获得方法地址;
所以，在本例中，exec`函数只能寻址以上三个方法，而无法寻址以下三个方法：
- main.fooImpl.Foo
- main.fooImpl.String
- main.fooImpl.ree
如果定义新的类型实现了foo接口，作为参数传递给exec函数，Go编译器就会生成新的runtime.itab对象，并命名为go.itab.${pkg}.${type},main.foo格式，也是以相同的方式进行调用和执行。
在Go语言中，接口方法的调用逻辑是一致的。
接口扩展(继承)
在源码清单中，foo接口继承了fmt.Stringer接口，并扩展了两个方法。
- type foo interface {
- fmt.Stringer
- Foo()
- ree()
- }
而在程序运行时的内存数据中，在动态调试过程中，根本就没有fmt.Stringer接口什么事，连根毛都没看见。
实际上，Go编译器把foo接口的定义调整为以下代码，这就是接口继承和扩展的本质。
- type foo interface {
- String() string
- Foo()
- ree()
- }
总结
本文完整地、详细地、深入地剖析了Go语言接口的类型结构、对象结构、实现类型、方法调用、继承扩展等等的各个方面的底层原理。
相信这是对Go接口类型的一次重新认识。
本文转载自微信公众号「Golang In Memory」
