go interface类型转换_go语言学习总结(四十七)Go Interface 源码剖析

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.gonon-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 mainimport (    "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" interface11TEXT 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 或者 )。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 。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 maintype 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" interface8TEXT 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。