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。
