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一篇明白内存中的接口类型
发布日期:2022-08-07 03:12    点击次数:182
前言

抽象来讲,接口,是一种约定,是一种约束,是一种协议。

在Go语言中,接口是一种语法类型,用来定义一种编程规范。

在Go语言中,接口主要有两类:

没有方法定义的空接口

有方法定义的非空接口

之前,有两篇图文详细介绍了空接口对象及其类型:

【Go】内存中的空接口 【Go】再谈空接口

本文将深入探究包含方法的非空接口,以下简称接口。

环境
OS : Ubuntu 20.04.2 LTS; x86_64 Go : go version go1.16.2 linux/amd64 
声明

操作系统、处理器架构、Go版本不同,均有可能造成相同的源码编译后运行时的寄存器值、内存地址、数据结构等存在差异。

本文仅包含 64 位系统架构下的 64 位可执行程序的研究分析。

本文仅保证学习过程中的分析数据在当前环境下的准确有效性。

代码清单
// 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 参数类型地址:%p\n", reflect.TypeOf(exec).In(0)) }  //go:noinline func typeOf(i interface{}) {   v := reflect.ValueOf(i)   t := v.Type()   fmt.Printf("类型:%s\n", t.String())   fmt.Printf("地址:%p\n", t)   fmt.Printf("值  :%d\n", v.Int())   fmt.Println() } 

以上代码,定义了一个包含3个方法的接口类型foo,还定义了一个fooImpl类型。在语法上,我们称fooImpl类型实现了foo接口。

运行结果

程序结构

数据结构介绍

接口数据类型的结构定义在reflect/type.go源文件中,如下所示:

// 表示一个接口方法 type imethod struct {   name nameOff // 方法名称相对程序 .rodata 节的偏移量   typ  typeOff // 方法类型相对程序 .rodata 节的偏移量 }  // 表示一个接口数据类型 type interfaceType struct {   rtype             // 基础信息   pkgPath name      // 包路径信息   methods []imethod // 接口方法 } 

其实这只是一个表象,完整的接口数据类型结构如下伪代码所示:

// 表示一个接口类型 type interfaceType struct {   rtype             // 基础信息   pkgPath name      // 包路径信息   methods []imethod // 接口方法的 slice,实际指向 array 字段   u uncommonType    // 占位   array [len(methods)]imethod // 实际的接口方法数据 } 

完整的结构分布图如下:

另外两个需要了解的结构体,之前文章已经多次介绍过,也在reflect/type.go源文件中,定义如下:

type uncommonType struct {     pkgPath nameOff  // 包路径名称偏移量     mcount  uint16   // 方法的数量     xcount  uint16   // 公共导出方法的数量     moff    uint32   // [mcount]method 相对本对象起始地址的偏移量     _       uint32   // unused } 

reflect.uncommonType结构体用于描述一个数据类型的包名和方法信息。对于接口类型,意义不是很大。

// 非接口类型的方法 type method struct {     name nameOff // 方法名称偏移量     mtyp typeOff // 方法类型偏移量     ifn  textOff // 通过接口调用时的地址偏移量;接口类型本文不介绍     tfn  textOff // 直接类型调用时的地址偏移量 } 

reflect.method结构体用于描述一个非接口类型的方法,它是一个压缩格式的结构,每个字段的值都是一个相对偏移量。

type nameOff int32 // offset to a name type typeOff int32 // offset to an *rtype type textOff int32 // offset from top of text section 
nameOff 是相对程序 .rodata 节起始地址的偏移量。 typeOff 是相对程序 .rodata 节起始地址的偏移量。 textOff 是相对程序 .text 节起始地址的偏移量。 接口实现类型

从以上“运行结果”可以看到,fooImpl的类型信息位于0x4a9be0内存地址处。

关于fooImpl类型,【Go】再谈整数类型一文曾进行过非常详细的介绍,此处仅分析其方法相关内容。

查看fooImpl类型的内存数据如下:

绘制成图表如下:

fooImpl类型有3个方法,我们以Foo方法来说明接口相关的底层原理。

Foo方法的相关数据如下:

var Foo = reflect.method {   name: 0x00000172, // 方法名称相对程序 `.rodata` 节起始地址的偏移量   mtyp: 0x00009960, // 方法类型相对程序 `.rodata` 节起始地址的偏移量   ifn:  0x000989a0, // 接口调用的指令相对程序 `.text` 节起始地址的偏移量   tfn:  0x00098160, // 正常调用的指令相对程序 `.text` 节起始地址的偏移量 } 
方法名称

method.name用于定位方法的名称,即一个reflect.name对象。

Foo方法的reflect.name对象位于 0x49a172(0x00000172 + 0x49a000)地址处,毫无疑问,解析结果是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) 
方法类型

method.mtyp用于定位方法的数据类型,即一个reflect.funcType对象。

Foo方法的reflect.funcType对象,其位于0x4a3960(0x00009960 + 0x49a000)地址处。

Foo方法的数据类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) 

想要深入了解函数类型,请阅读【Go】内存中的函数。

接口方法

method.ifn字段的英文注释为function used in interface call,即调用接口方法时使用的函数。

在本例中,就是通过foo接口调用fooImpl类型的Foo函数时需要执行的指令集合。

具体来讲就是,代码清单中的exec函数内调用Foo方法需要执行的指令集合。

Foo函数的method.ifn = 0x000989a0,计算出其指令集合位于地址0x4999a0(0x000989a0 + 0x401000)处。

通过内存数据可以清楚地看到,接口方法的符号是main.(*fooImpl).Foo。该函数主要做了两件事:

检查panic

在0x4999d7地址处调用另一个函数main.fooImpl.Foo。

类型方法

method.tfn字段的英文注释为function used for normal method call,即正常方法调用时使用的函数。

在本例中,就是通过fooImpl类型的对象调用Foo函数时需要执行的指令集合。

具体来讲就是,代码清单中的main函数内调用Foo方法需要执行的指令集合。

Foo函数的method.tfn = 0x00098160,计算出其指令集合位于地址0x499160(0x00098160 + 0x401000)处。

通过内存数据可以清楚地看到,类型方法的符号是main.fooImpl.Foo。

调用堆栈

通过上述分析,已经能够对method.ifn和method.tfn两个字段的含义建立起基本的认知。

实践是检验真理的唯一标准。能动手尽量别吵吵。

在main.(*fooImpl).Foo和main.fooImpl.Foo两个函数的入口处设置断点,通过行动巩固我们对接口类型的认识。

通过动态调试,我们清晰地看到:

main函数调用了main.fooImpl.Foo函数 exec函数调用了main.(*fooImpl).Foo函数 main.(*fooImpl).Foo函数调用了main.fooImpl.Foo函数 main.(*fooImpl).Foo函数的调试信息显示autogenerated,表示其是由编译器生成的

对比本文“代码清单”,你是否对Go语言的方法调用有了全新的认识。

几乎每种编程语言都会存在编译器自动生成代码的情况,用来实现某些通用逻辑的处理。本例中自动生成的main.(*fooImpl).Foo函数中增加了panic检查逻辑,不过, 乍看起来这像是某种设计缺陷导致不能直接调用main.fooImpl.Foo函数,而是必须经过一个"中间人"才行。

接口类型

从以上“运行结果”可以看到,exec函数的参数类型的地址是0x4aa5c0,也就是foo接口的类型信息存储位置。查看类型数据如下:

将以上内存数据绘制成图表如下:

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() 对象大小

接口类型的对象大小(rtype.size)是16字节,指针数据(rtype.ptrdata)占16字节;也就是说,接口类型的对象由2个指针组成,产品展示与空接口(interface{})对象大小一样。

比较函数

内存数据显示,接口类型的对象使用runtime.interequal进行相等性比较,该函数定义在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) } 

该函数的执行逻辑是:

接口类型不同返回 false 接口类型为空返回 true 实现类型不可比较立即 panic 比较两个实现类型的对象并返回结果 uncommonType

在接口类型数据中,包路径信息可以通过interfaceType.pkgPath字段获取,方法信息通过interfaceType.methods字段获取, 因此uncommonType数据几乎没什么意义,只不过保持一致性罢了。

在本例中,可执行程序.rodata节的起始地址是0x49a000, interfaceType.pkgPath=uncommonType.pkgPath+0x49a000。

接口方法

接口方法(reflect.imethod)只有名称和类型信息,没有可执行指令,所以相对普通方法(reflect.method)缺少两个字段。

foo接口的方法的名称和类型,与fooImpl类型的方法的名称和类型完全一致,此处不再赘述。如有需要请阅读上文中方法相关的内容。

接口对象

runtime.interequal函数源码清晰地显示,其比较的是两个runtime.iface对象。

runtime.iface结构体定义在runtime/runtime2.go源码文件中,包含两个指针字段,大小是16个字节(rtype.size)。

type iface struct {   tab  *itab   data unsafe.Pointer }  type itab struct {   inter *interfacetype // 接口类型   _type *_type         // 具体实现类型   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. } 

该结构体与reflect/value.go源文件中定义的nonEmptyInterface结构体是等价的:

type nonEmptyInterface struct {   itab *struct {     ityp *rtype // 接口类型     typ  *rtype // 具体实现类型     hash uint32 // 实现类型哈希种子     _    [4]byte // 内存对齐     fun  [100000]unsafe.Pointer // 方法数组,编译器控制数组长度   }   word unsafe.Pointer // 具体实现类型对象 } 

没错,接口对象就是iface对象,接口对象就是nonEmptyInterface对象。

源码清单中的exec函数接受一个foo接口类型的参数,在该函数入口处设置断点,即可查看其参数:

内存数据显示,exec函数的参数foo的值如下伪代码所示:

foo := runtime.iface {   tab:  0x4dcbb8,   data: 0x543ad8, // 指向整数 123 } 

iface.data指针指向的内存数据是整数123,关于整数和runtime.staticuint64s,请阅读【Go】内存中的整数。

iface.tab指针指向一个全局符号go.itab.main.fooImpl,main.foo。该符号可以被视为一个全局常量,它是由Go编译器生成的,保存在可执行程序的.rodata节,其值如下伪代码所示:

go.itab.main.fooImpl,main.foo = & runtime.itab {     inter: 0x4aa5c0,    // foo 接口类型的地址,上文已经详细分析     _type: 0x4a9be0,    // fooImpl 实现类型的地址,上文已经详细分析     hash:  0xb597252a,  // fooImpl 类型的哈希种子拷贝     fun:   [0x4999a0, 0x499a20, 0x499aa0] // 方法数组 } 

在本例中,runtime.iface.tab.fun字段值包含三个指针,分别指向以下三个函数:

main.(*fooImpl).Foo (0x4999a0) main.(*fooImpl).String (0x499a20) main.(*fooImpl).ree (0x499aa0)

当exec函数调用foo接口的方法时,实际是从runtime.iface.tab.fun字段的数组中获得方法地址;

所以,在本例中,exec`函数只能寻址以上三个方法,而无法寻址以下三个方法:

main.fooImpl.Foo main.fooImpl.String main.fooImpl.ree

如果定义新的类型实现了foo接口,作为参数传递给exec函数,Go编译器就会生成新的runtime.itab对象,并命名为go.itab.${pkg}.${type},main.foo格式,也是以相同的方式进行调用和执行。

在Go语言中,接口方法的调用逻辑是一致的。

接口扩展(继承)

在源码清单中,foo接口继承了fmt.Stringer接口,并扩展了两个方法。

type foo interface {   fmt.Stringer   Foo()   ree() } 

而在程序运行时的内存数据中,在动态调试过程中,根本就没有fmt.Stringer接口什么事,连根毛都没看见。

实际上,Go编译器把foo接口的定义调整为以下代码,这就是接口继承和扩展的本质。

type foo interface {   String() string   Foo()   ree() } 
总结

本文完整地、详细地、深入地剖析了Go语言接口的类型结构、对象结构、实现类型、方法调用、继承扩展等等的各个方面的底层原理。

相信这是对Go接口类型的一次重新认识。