浅析Go语言的Interface机制

前几日一朋友在学GO,问了我一些interface机制的问题。试着解释发现自己也不是太清楚,所以今天下午特意查了资料和阅读GO的源码(基于go1.4),整理出了此文。如果有错误的地方还望指正。

GO语言的interface是我比较喜欢的特性之一。interface与struct之间可以相互转换,struct不需要像JAVA在源码中显示说明实现了某个接口,可以通过约定的形式,隐式的转换到interface,还可以在运行时查询接口类型,这样有种用动态语言写代码的感觉,但是又可以在编译时进行检查,捕捉一些明显的类型不匹配的错误。

type Stringer interface {
    String() string
}

type S struct {
     i int
}

func (s *S) String() string {
    return fmt.Sprintf("%d", s.i)
}

func Print(s Stringer) {
    println(s.String())
}

func DynamicPrint(any interface{}) {
   if s, ok := any.(Stringer); ok {
       Print(s)
   }
}

func main() {
   var s S
   s.i = 123456789
   Print(&s)
   DynamicPrint(&s)
}

如上面的代码所示,类型S没有显示的实现Stringer接口,但是它的方法列表符合Stringer接口,所以可以转换为Stringer接口使用。

那么,GO语言的interface机制到底是如何实现的呢?

interface value

上述代码中函数Print的参数是一个Stringer接口,也就是Stringer的一个对象实例。这个对象实例叫做interface value。它的数据结构如下:

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

其中tab字段类似于C++的vptr,tab中包含了对应的方法数组,除此之外还保存了实现该接口的类型元数据。data是对应的实现该接口的类型的实例指针。

itab数据结构如下:

type itab struct {
    inter     *interfacetype
    _type     *_type
    link      *itab
    bad       int32
    unused    int32
    fun       [0]unsafe.Pointer
}

其中inter字段表示这个interface value所属的接口元信息,_type字段表示具体实现类型的元信息,fun字段表示该interface的方法数组。link,bad,unused字段暂时不关心。

当我们在GO代码中调用一个接口的方法时,操作类似如下: s.tab->fun[0](s.data)。调用开销还是很小的。

Itab的生成方式

一个自定义的结构体可以实现某个接口,然后可以隐式的转换到对应的接口。这种操作有点像C++的派生类转换为基类一样,这个操作是一个运行时绑定过程。而GO语言的interface机制还有一些其他特性:比如一个具体类型可以实现N多方法,但是只有其中某几个或者全部都满足某个接口,而此时,不可能把所有的方法都放到Itab中,这就意味着需要在绑定过程中剔除某些不需要的方法。

GO编译器会在编译时会为每个自定义结构体和interface类型生成一个类型元数据,用来描述这个类型的名称,类型的HASH值,类型的方法列表,方法列表中还包括了方法的名称。而在一个自定义结构体转换到一个interface类型时,GO编译器会生成代码,使其在运行时计算Itab,完成动态绑定方法的需求。这个计算Itab的过程相对来说比较简单,因为GO编译器生成的类型元数据中包含了所有的方法名称和地址,那么在一个结构体实例转换为interface value时,只需要把interface的方法列表作为基,方法名和方法类型作为KEY,去结构体元数据中查找对应的方法即可。

GO的runtime库中对Itab的查找过程做了优化,由O(ni * nt)复杂度变为O(ni + nt)。依据是一个自定义结构体实现的方法一定是大于或等于某个具体interface的方法集的。所以可以事先把所有的方法按照名字从小到大排序,然后在匹配到一个方法后,可以在下次查找时使用上次的索引值。

除此之外,GO编译器为了减少每次不必要的Itab,还增加了一个对应的itab的缓存。你可以编译一个GO程序,然后反编译后可以查看到一个类似go_itab__main_S_main_Stringer名称的变量。在每次一个结构体转换到一个interface之前都会检查这个缓存是否有效,有效就使用。这个检查也只是一个cmp指令而已。

还有在GO运行时库里,为了减少每次的Itab实现,还做了相应的优化。内部实现了一个HASH表,保存了每个具体结构体到interface转换生成的Itab实例。代码可以在go\src\runtime\iface.go getitab函数中看到。

interface{}的特殊处理

interface{}在GO中是一个特殊的内建类型,类似于C/C++中的void*,但是包含了类型信息。所以你可以把任意的数据转换到interface{},然后通过type assert从interface{}获取原有的数据。但是正如你所见,interface{}没有方法,那么也就是说,它不需要iface中的itab,因为不需要方法绑定。针对此,做了特殊修改,iface中的tab字段类型由itab指针变为了对应的具体实现类型的类型元数据指针。在GO源码中,interface{}对象的类型原型如下:

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

eface是empty interface的缩写。

其他  

在GO的源码iface.go中,还可以看到很多函数比如叫assertE2E,assertE2I,assertE2T等,这些函数就是对应的type assert的具体实现函数。E表示eface,I表示iface,T表示自定义的结构体或者基于内建类型创造出的类型。代码都比较简单,不在叙述了。

总结  

想理解interface机制的实现,只需要理解类型元数据以及动态绑定过程。其中要还区分interface value,也就是内部的iface结构体。因此引出了Itable的概念。整体来说不是太复杂,数据结构也比较简单,如果你有时间的话,也可以自己看下GO的源码。

参考

GO源码(go\src\runtime\iface.go)

Go Data Structures: Interfaces

Go Interfaces

posted @ 2015-03-03 21:24 011 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏