深入瞭解Go的interface{}底層原理實現

2022-06-06 18:00:18

1. interface{}初探

Go是強型別語言，各個範例變數的型別資訊正是存放在interface{}中的，Go中的反射也與其底層結構有關。

iface 和 eface 都是 Go 中描述interface{}的底層結構體，區別在於 iface 描述的介面包含方法，而 eface 則是不包含任何方法的空介面：interface{}。

接下來，我們將詳細剖析iface 和 eface的底層資料結構。

2. eface

eface 比較簡單，只維護了 _type 欄位，表示空介面所承載的具體的實體型別，以及data 描述了具體的值。

type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

data欄位是iface 和 eface都有的結構，這個是一個記憶體指標，指向interface{}範例物件資訊的儲存地址，在這裡，我們可以獲取物件的具體屬性的數值資訊。

而interface{}的型別資訊是存放在_type結構體中的，如下所示，在eface中，直接存放了_type的指標，iface中多了一層封裝，本節我們主要針對eface做梳理，所以介紹_type結構體。

type _type struct {
    // 型別大小
    size       uintptr
    ptrdata    uintptr
    // 型別的 hash 值
    hash       uint32
    // 型別的 flag，和反射相關
    tflag      tflag
    // 記憶體對齊相關
    align      uint8
    fieldalign uint8
    // 型別的編號，有bool, slice, struct 等等等等
    kind       uint8
    alg        *typeAlg
    // gc 相關
    gcdata    *byte
    str       nameOff
    ptrToThis typeOff
}

我們可以看到size,ptrdata等表示interface{}物件的型別資訊，hash是其對應的雜湊值，用於map等的雜湊演演算法，tflag與反射相關，而align與fieldalign是用來記憶體對齊的，這與Go底層的記憶體管理機制有關，Go的記憶體管理機制類似於Linux中的夥伴系統，是以固定大小的記憶體塊進行記憶體分配的，與這個大小進行對齊消除外碎片，提高記憶體利用率。另外還有一些和gc相關的引數，大家有一個初步的理解與認識就可以了，如果想深入掌握可以專門學習和檢視原始碼。

3. iface

與eface不同，iface結構體中要同時儲存方法資訊，其資料結構如下圖所示。正如前面所說的，itab結構體封裝了_type結構體，同樣利用_type儲存型別資訊，另外，其還有一些其他的屬性。hash是對_type結構體中hash的拷貝，提高型別斷言的效率。bad與inhash都是標記位，提高gc以及其他活動的效率。fun指向方法資訊的具體地址。

另外，interfacetype，他描述的是介面靜態型別資訊。

fun 欄位放置和介面方法對應的具體資料型別的方法地址，實現介面呼叫方法的動態分派，一般在每次給介面賦值發生轉換時會更新此表，或者直接拿快取的 itab。這裡只會列出實體型別和介面相關的方法，實體型別的其他方法並不會出現在這裡。如果你學過 C++ 的話，這裡可以類比虛擬函式的概念，至於靜態函數，並不存放在這裡。

C++ 和 Go 在定義介面方式上的不同，也導致了底層實現上的不同。C++ 通過虛擬函式表來實現基礎類別呼叫派生類的函數；而 Go 通過 itab 中的 fun 欄位來實現介面變數呼叫實體型別的函數。C++ 中的虛擬函式表是在編譯期生成的；而 Go 的 itab 中的 fun 欄位是在執行期間動態生成的。原因在於，Go 中實體型別可能會無意中實現 N 多介面，很多介面並不是本來需要的，所以不能為型別實現的所有介面都生成一個 itab，這也是“非侵入式”帶來的影響；這在 C++ 中是不存在的，因為派生需要顯示宣告它繼承自哪個基礎類別。

type iface struct {
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}

type itab struct {
    inter  *interfacetype
    _type  *_type
    link   *itab
    hash   uint32 // copy of _type.hash. Used for type switches.
    bad    bool   // type does not implement interface
    inhash bool   // has this itab been added to hash?
    unused [2]byte
    fun    [1]uintptr // variable sized
}

type interfacetype struct {
    typ     _type
    pkgpath name
    mhdr    []imethod
}

綜合上面的分析，我們可以梳理出，iface對應的幾個重要資料結構的關係如下圖所示。