【Go】內存中的接口類型
前言
抽象來講，接口，是一種約定，是一種約束，是一種協議。
在Go語言中，接口是一種語法類型，用來定義一種編程規范。
在Go語言中，接口主要有兩類：
沒有方法定義的空接口
有方法定義的非空接口
之前，有兩篇圖文詳細介紹了空接口對象及其類型：
- 【Go】內存中的空接口
- 【Go】再談空接口
本文將深入探究包含方法的非空接口，以下簡稱接口。
環境
- OS : Ubuntu 20.04.2 LTS; x86_64
- Go : go version go1.16.2 linux/amd64
聲明
操作系統、處理器架構、Go版本不同，均有可能造成相同的源碼編譯后運行時的寄存器值、內存地址、數據結構等存在差異。
本文僅包含 64 位系統架構下的 64 位可執行程序的研究分析。
本文僅保證學習過程中的分析數據在當前環境下的準確有效性。
代碼清單
- // interface_in_memory.go
- package main
- import "fmt"
- import "reflect"
- import "strconv"
- type foo interface {
- fmt.Stringer
- Foo()
- ree()
- }
- type fooImpl int
- //go:noinline
- func (i fooImpl) Foo() {
- println("hello foo")
- }
- //go:noinline
- func (i fooImpl) ree() {
- println("hello ree")
- }
- //go:noinline
- func (i fooImpl) String() string {
- return strconv.Itoa(int(i))
- }
- func main() {
- impl := fooImpl(123)
- impl.Foo()
- impl.ree()
- fmt.Println(impl.String())
- typeOf(impl)
- exec(impl)
- }
- //go:noinline
- func exec(foo foo) {
- foo.Foo()
- foo.ree()
- fmt.Println(foo.String())
- typeOf(foo)
- fmt.Printf("exec 參數類型地址：%p\n", reflect.TypeOf(exec).In(0))
- }
- //go:noinline
- func typeOf(i interface{}) {
- v := reflect.ValueOf(i)
- t := v.Type()
- fmt.Printf("類型：%s\n", t.String())
- fmt.Printf("地址：%p\n", t)
- fmt.Printf("值 ：%d\n", v.Int())
- fmt.Println()
- }
以上代碼，定義了一個包含3個方法的接口類型foo，還定義了一個fooImpl類型。在語法上，我們稱fooImpl類型實現了foo接口。
運行結果
程序結構
數據結構介紹
接口數據類型的結構定義在reflect/type.go源文件中，如下所示：
- // 表示一個接口方法
- type imethod struct {
- name nameOff // 方法名稱相對程序 .rodata 節的偏移量
- typ typeOff // 方法類型相對程序 .rodata 節的偏移量
- }
- // 表示一個接口數據類型
- type interfaceType struct {
- rtype // 基礎信息
- pkgPath name // 包路徑信息
- methods []imethod // 接口方法
- }
其實這只是一個表象，完整的接口數據類型結構如下偽代碼所示：
- // 表示一個接口類型
- type interfaceType struct {
- rtype // 基礎信息
- pkgPath name // 包路徑信息
- methods []imethod // 接口方法的 slice，實際指向 array 字段
- u uncommonType // 占位
- array [len(methods)]imethod // 實際的接口方法數據
- }
完整的結構分布圖如下：
另外兩個需要了解的結構體，之前文章已經多次介紹過，也在reflect/type.go源文件中，定義如下：
- type uncommonType struct {
- pkgPath nameOff // 包路徑名稱偏移量
- mcount uint16 // 方法的數量
- xcount uint16 // 公共導出方法的數量
- moff uint32 // [mcount]method 相對本對象起始地址的偏移量
- _ uint32 // unused
- }
reflect.uncommonType結構體用于描述一個數據類型的包名和方法信息。對于接口類型，意義不是很大。
- // 非接口類型的方法
- type method struct {
- name nameOff // 方法名稱偏移量
- mtyp typeOff // 方法類型偏移量
- ifn textOff // 通過接口調用時的地址偏移量；接口類型本文不介紹
- tfn textOff // 直接類型調用時的地址偏移量
- }
reflect.method結構體用于描述一個非接口類型的方法，它是一個壓縮格式的結構，每個字段的值都是一個相對偏移量。
- type nameOff int32 // offset to a name
- type typeOff int32 // offset to an *rtype
- type textOff int32 // offset from top of text section
- nameOff 是相對程序 .rodata 節起始地址的偏移量。
- typeOff 是相對程序 .rodata 節起始地址的偏移量。
- textOff 是相對程序 .text 節起始地址的偏移量。
接口實現類型
從以上“運行結果”可以看到，fooImpl的類型信息位于0x4a9be0內存地址處。
關于fooImpl類型，【Go】再談整數類型一文曾進行過非常詳細的介紹，此處僅分析其方法相關內容。
查看fooImpl類型的內存數據如下：
繪制成圖表如下：
fooImpl類型有3個方法，我們以Foo方法來說明接口相關的底層原理。
Foo方法的相關數據如下：
- var Foo = reflect.method {
- name: 0x00000172, // 方法名稱相對程序 `.rodata` 節起始地址的偏移量
- mtyp: 0x00009960, // 方法類型相對程序 `.rodata` 節起始地址的偏移量
- ifn: 0x000989a0, // 接口調用的指令相對程序 `.text` 節起始地址的偏移量
- tfn: 0x00098160, // 正常調用的指令相對程序 `.text` 節起始地址的偏移量
- }
方法名稱
method.name用于定位方法的名稱，即一個reflect.name對象。
Foo方法的reflect.name對象位于 0x49a172(0x00000172 + 0x49a000)地址處，毫無疑問，解析結果是Foo。
- (gdb) p /x 0x00000172 + 0x49a000
- $3 = 0x49a172
- (gdb) x /3bd 0x49a172
- 0x49a172: 1 0 3
- (gdb) x /3c 0x49a172 + 3
- 0x49a175: 70 'F' 111 'o' 111 'o'
- (gdb)
方法類型
method.mtyp用于定位方法的數據類型，即一個reflect.funcType對象。
Foo方法的reflect.funcType對象，其位于0x4a3960(0x00009960 + 0x49a000)地址處。
Foo方法的數據類型的字符串表示形式是func()。
- (gdb) x /56bx 0x4a3960
- 0x4a3960: 0x08 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3968: 0x08 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3970: 0xf6 0xbc 0x82 0xf6 0x02 0x08 0x08 0x33
- 0x4a3978: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3980: 0xa0 0x4a 0x4c 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3988: 0x34 0x11 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- 0x4a3990: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
- (gdb) x /wx 0x4a3988
- 0x4a3988: 0x00001134
- (gdb) x /s 0x00001134 + 0x49a000 + 3
- 0x49b137: "*func()"
- (gdb)
想要深入了解函數類型，請閱讀【Go】內存中的函數。
接口方法
method.ifn字段的英文注釋為function used in interface call，即調用接口方法時使用的函數。
在本例中，就是通過foo接口調用fooImpl類型的Foo函數時需要執行的指令集合。
具體來講就是，代碼清單中的exec函數內調用Foo方法需要執行的指令集合。
Foo函數的method.ifn = 0x000989a0，計算出其指令集合位于地址0x4999a0(0x000989a0 + 0x401000)處。
通過內存數據可以清楚地看到，接口方法的符號是main.(*fooImpl).Foo。該函數主要做了兩件事：
檢查panic
在0x4999d7地址處調用另一個函數main.fooImpl.Foo。
類型方法
method.tfn字段的英文注釋為function used for normal method call，即正常方法調用時使用的函數。
在本例中，就是通過fooImpl類型的對象調用Foo函數時需要執行的指令集合。
具體來講就是，代碼清單中的main函數內調用Foo方法需要執行的指令集合。
Foo函數的method.tfn = 0x00098160，計算出其指令集合位于地址0x499160(0x00098160 + 0x401000)處。
通過內存數據可以清楚地看到，類型方法的符號是main.fooImpl.Foo。
調用堆棧
通過上述分析，已經能夠對method.ifn和method.tfn兩個字段的含義建立起基本的認知。
實踐是檢驗真理的唯一標準。能動手盡量別吵吵。
在main.(*fooImpl).Foo和main.fooImpl.Foo兩個函數的入口處設置斷點，通過行動鞏固我們對接口類型的認識。
通過動態調試，我們清晰地看到：
- main函數調用了main.fooImpl.Foo函數
- exec函數調用了main.(*fooImpl).Foo函數
- main.(*fooImpl).Foo函數調用了main.fooImpl.Foo函數
- main.(*fooImpl).Foo函數的調試信息顯示autogenerated，表示其是由編譯器生成的
對比本文“代碼清單”，你是否對Go語言的方法調用有了全新的認識。
幾乎每種編程語言都會存在編譯器自動生成代碼的情況，用來實現某些通用邏輯的處理。本例中自動生成的main.(*fooImpl).Foo函數中增加了panic檢查邏輯，不過， 乍看起來這像是某種設計缺陷導致不能直接調用main.fooImpl.Foo函數，而是必須經過一個"中間人"才行。
接口類型
從以上“運行結果”可以看到，exec函數的參數類型的地址是0x4aa5c0，也就是foo接口的類型信息存儲位置。查看類型數據如下：
將以上內存數據繪制成圖表如下：
- rtype.size = 16
- rtype.ptrdata = 16
- rtype.hash = 0x187f135e
- rtype.tflag = 0xf = reflect.tflagUncommon | reflect.tflagExtraStar | reflect.tflagNamed
- rtype.align = 8
- rtype.fieldAlign = 8
- rtype.kind = 0x14 = 20 = reflect.Interface
- rtype.equal = 0x4c4d38 -> runtime.interequal
- rtype.str = 0x000003e3 -> *main.foo
- rtype.ptrToThis = 0x00006a20 -> *foo
- interfaceType.pkgPath = 0x49a34c -> main
- interfaceType.methods.Data = 0x4aa620
- interfaceType.methods.Len = 3
- interfaceType.methods.Cap = 3
- uncommonType.pkgPath = 0x0000034c
- uncommonType.mcount = 0
- uncommonType.xcount = 0
- uncommonType.moff = 0x28
- interfaceType.methods[0].name = 0x00000172 -> Foo
- interfaceType.methods[0].typ = 0x00009960 -> func()
- interfaceType.methods[1].name = 0x00000d7a -> String
- interfaceType.methods[1].typ = 0x0000a140 -> func() string
- interfaceType.methods[2].name = 0x000002ce -> ree
- interfaceType.methods[2].typ = 0x00009960 -> func()
對象大小
接口類型的對象大小(rtype.size)是16字節，指針數據(rtype.ptrdata)占16字節;也就是說，接口類型的對象由2個指針組成，與空接口(interface{})對象大小一樣。
比較函數
內存數據顯示，接口類型的對象使用runtime.interequal進行相等性比較，該函數定義在runtime/alg.go源文件中:
- func interequal(p, q unsafe.Pointer) bool {
- x := *(*iface)(p)
- y := *(*iface)(q)
- return x.tab == y.tab && ifaceeq(x.tab, x.data, y.data)
- }
- func ifaceeq(tab *itab, x, y unsafe.Pointer) bool {
- if tab == nil {
- return true
- }
- t := tab._type
- eq := t.equal
- if eq == nil {
- panic(errorString("comparing uncomparable type " + t.string()))
- }
- if isDirectIface(t) {
- // See comment in efaceeq.
- return x == y
- }
- return eq(x, y)
- }
該函數的執行邏輯是：
- 接口類型不同返回 false
- 接口類型為空返回 true
- 實現類型不可比較立即 panic
- 比較兩個實現類型的對象并返回結果
uncommonType
在接口類型數據中，包路徑信息可以通過interfaceType.pkgPath字段獲取，方法信息通過interfaceType.methods字段獲取， 因此uncommonType數據幾乎沒什么意義，只不過保持一致性罷了。
在本例中，可執行程序.rodata節的起始地址是0x49a000， interfaceType.pkgPath=uncommonType.pkgPath+0x49a000。
接口方法
接口方法(reflect.imethod)只有名稱和類型信息，沒有可執行指令，所以相對普通方法(reflect.method)缺少兩個字段。
foo接口的方法的名稱和類型，與fooImpl類型的方法的名稱和類型完全一致，此處不再贅述。如有需要請閱讀上文中方法相關的內容。
接口對象
runtime.interequal函數源碼清晰地顯示，其比較的是兩個runtime.iface對象。
runtime.iface結構體定義在runtime/runtime2.go源碼文件中，包含兩個指針字段，大小是16個字節(rtype.size)。
- type iface struct {
- tab *itab
- data unsafe.Pointer
- }
- type itab struct {
- inter *interfacetype // 接口類型
- _type *_type // 具體實現類型
- hash uint32 // copy of _type.hash. Used for type switches.
- _ [4]byte
- fun [1]uintptr // variable sized. fun[0]==0 means _type does not implement inter.
- }
該結構體與reflect/value.go源文件中定義的nonEmptyInterface結構體是等價的：
- type nonEmptyInterface struct {
- itab *struct {
- ityp *rtype // 接口類型
- typ *rtype // 具體實現類型
- hash uint32 // 實現類型哈希種子
- _ [4]byte // 內存對齊
- fun [100000]unsafe.Pointer // 方法數組，編譯器控制數組長度
- }
- word unsafe.Pointer // 具體實現類型對象
- }
沒錯，接口對象就是iface對象，接口對象就是nonEmptyInterface對象。
源碼清單中的exec函數接受一個foo接口類型的參數，在該函數入口處設置斷點，即可查看其參數：
內存數據顯示，exec函數的參數foo的值如下偽代碼所示：
- foo := runtime.iface {
- tab: 0x4dcbb8,
- data: 0x543ad8, // 指向整數 123
- }
iface.data指針指向的內存數據是整數123，關于整數和runtime.staticuint64s，請閱讀【Go】內存中的整數。
iface.tab指針指向一個全局符號go.itab.main.fooImpl,main.foo。該符號可以被視為一個全局常量，它是由Go編譯器生成的，保存在可執行程序的.rodata節，其值如下偽代碼所示：
- go.itab.main.fooImpl,main.foo = & runtime.itab {
- inter: 0x4aa5c0, // foo 接口類型的地址，上文已經詳細分析
- _type: 0x4a9be0, // fooImpl 實現類型的地址，上文已經詳細分析
- hash: 0xb597252a, // fooImpl 類型的哈希種子拷貝
- fun: [0x4999a0, 0x499a20, 0x499aa0] // 方法數組
- }
在本例中，runtime.iface.tab.fun字段值包含三個指針，分別指向以下三個函數：
- main.(*fooImpl).Foo (0x4999a0)
- main.(*fooImpl).String (0x499a20)
- main.(*fooImpl).ree (0x499aa0)
當exec函數調用foo接口的方法時，實際是從runtime.iface.tab.fun字段的數組中獲得方法地址;
所以，在本例中，exec`函數只能尋址以上三個方法，而無法尋址以下三個方法：
- main.fooImpl.Foo
- main.fooImpl.String
- main.fooImpl.ree
如果定義新的類型實現了foo接口，作為參數傳遞給exec函數，Go編譯器就會生成新的runtime.itab對象，并命名為go.itab.${pkg}.${type},main.foo格式，也是以相同的方式進行調用和執行。
在Go語言中，接口方法的調用邏輯是一致的。
接口擴展(繼承)
在源碼清單中，foo接口繼承了fmt.Stringer接口，并擴展了兩個方法。
- type foo interface {
- fmt.Stringer
- Foo()
- ree()
- }
而在程序運行時的內存數據中，在動態調試過程中，根本就沒有fmt.Stringer接口什么事，連根毛都沒看見。
實際上，Go編譯器把foo接口的定義調整為以下代碼，這就是接口繼承和擴展的本質。
- type foo interface {
- String() string
- Foo()
- ree()
- }
總結
本文完整地、詳細地、深入地剖析了Go語言接口的類型結構、對象結構、實現類型、方法調用、繼承擴展等等的各個方面的底層原理。
相信這是對Go接口類型的一次重新認識。
本文轉載自微信公眾號「Golang In Memory」
