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浅析 golang interface 实现原理

2019-04-07  本文已影响9人  安佳玮

interface 在 golang 中是一个非常重要的特性。它相对于其它语言有很多优势:

  1. duck typing。大多数的静态语言需要显示的声明类型的继承关系。而 golang 通过 interface 实现了 duck typing, 使得我们无需显示的类型继承。
  2. 不像其它实现了 duck typing 的动态语言那样,只能在运行时才能检查到类型的转换错误。而 golang 的 interface 特性可以让我们在编译时就能发现错误。

本文将简单分析 interface 的实现原理。


interface 的数据结构

eface 和 iface

image

data

data 用来保存实际变量的地址。

data 中的内容会根据实际情况变化,因为 golang 在函数传参和赋值时是 值传递 的,所以:

  1. 如果实际类型是一个值,那么 interface 会保存这个值的一份拷贝。interface 会在堆上为这个值分配一块内存,然后 data 指向它。
  2. 如果实际类型是一个指针,那么 interface 会保存这个指针的一份拷贝。由于 data 的长度恰好能保存这个指针的内容,所以 data 中存储的就是指针的值。它和实际数据指向的是同一个变量。

以 interface{} 的赋值为例:

image

上图中, i1 和 i2 是 interface,A 为要赋值给 interface 的对象。

itab

image

itab 表示 interface 和 实际类型的转换信息。对于每个 interface 和实际类型,只要在代码中存在引用关系, go 就会在运行时为这一对具体的 <Interface, Type> 生成 itab 信息。

_type

image

_type 表示类型信息。每个类型的 _type 信息由编译器在编译时生成。其中:

interfacetype

image

interfacetype 也并没有什么神奇的地方,只是 _type 为 interface 类型提供的另一种信息罢了。 它包括这个 interface 所申明的所有函数信息。


interface 相关的操作

itab 中函数表(fun) 的生成

假设 interface 有 ni 个函数, struct 有 nt 个函数,那么 itab 中的函数表生成的时间复杂度为 O(ni*nt) (遍历 interface 的所有函数,对每次迭代都从 struct 中遍历找到匹配的函数)。 但实际上编译器对此做了优化,它将 interfacetype 中的函数列表和 uncommontype 中的函数列表都做了排序. 所以实现了 O(ni+nt) 时间复杂度的算法。

// 生成 itab 的 funcs 的算法
// 代码摘录自 $GOROOT/src/runtime/iface.go
// 经过了部分修改,只保留了最核心的逻辑

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 参数传递与函数调用

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)
}

在上面的代码中,golang 的参数传递过程是:

  1. 分配一块内存 p, 并且将对象 b 的内容拷贝到 p 中;
  2. 创建 iface 对象 i,将 i.tab 赋值为 itab<Stringer, Binary>。将 i.data 赋值为 p;
  3. 使用 i 作为参数调用 test 函数。

当 test 函数执行 s.String 时,实际上就是在 s.tab 的 fun 中索引(索引由编译器在编译时生成)到 String 函数,并且调用它。


参考资料:

  1. Why I like Go’s interfaces
  2. duck typing
  3. Go Data Structures: Interfaces
  4. go 源码 https://github.com/golang/go/tree/master/src/runtime

本文始发于https://zhuanlan.zhihu.com/p/60983066

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