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Go语言接口内部实现

前几节我们介绍了接口的基本概念和用法，定义接口只需简单声明一个方法集合即可，定义新类型时不需要显式地声明要实现的接口，接口的使用也很简单。

那么接口的底层是如何实现的呢？如何实现动态调用的呢？接口的动态调用到底有多大的额外开销？本节我们就来深入讲解一下接口的底层实现。

阅读本节需要读者了解Go语言接口的基础知识和Go语言汇编基础和函数调用规约，以及对 ELF 可执行文件格式有基本了解。本节内容有点偏底层，有一定的难度，如果阅读起来有困难，可以先跳过去，有时间再慢慢读。

数据结构

从前面章节了解到，接口变量必须初始化才有意义，没有初始化的接口变量的默认值是 nil，没有任何意义。具体类型实例传递给接口称为接口的实例化。在接口的实例化的过程中，编译器通过特定的数据结构描述这个过程。

首先介绍非空接口的内部数据结构，空接口的底层更简单，放到最后介绍。非空接口的底层数据结构是 iface，代码位于Go语言安装目录的 src/runtime/runtime2.go 文件中。

iface 数据结构

非空接口初始化的过程就是初始化一个 iface 类型的结构，示例如下：
//src/runtime/runtime2.go
type iface struct {
    tab *itab                //itab 存放类型及方法指针信息
    data unsafe.Pointer      //数据信息
}
可以看到 iface 结构很简单，有两个指针类型字段。

data 指向具体的实例数据，如果传递给接口的是值类型，则 data 指向的是实例的副本；如果传递给接口的是指针类型，则 data 指向指针的副本。总而言之，无论接口的转换，还是函数调用，Go 遵循一样的规则——值传递。

接下来看一下 itab 数据结构，itab 是接口内部实现的核心和基础。示例如下：
//src/runtime/runtime2.go
type itab struct {
    inter *interfacetype      //接口自身的静态类型
    _type *_type              //_type 就是接口存放的具体实例的类型（动态类型）
    //hash 存放具体类型的 Hash 值
    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.
}
itab 有 5 个字段：

itab 这个数据结构是非空接口实现动态调用的基础，itab 的信息被编译器和链接器保存了下来，存放在可执行文件的只读存储段（.rodata）中。itab 存放在静态分配的存储空间中，不受 GC 的限制，其内存不会被回收。

接下来介绍 _type 数据结构，Go语言是一种强类型的语言，编译器在编译时会做严格的类型校验。所以 Go 必然为每种类型维护一个类型的元信息，这个元信息在运行和反射时都会用到，Go语言的类型元信息的通用结构是 _type（代码位于 src/runtime/type.go）， 其他类型都是以 _type 为内嵌宇段封装而成的结构体。
//src/runtime/type.go
type type struct {
    size uintptr     // 大小
    ptrdata uintptr  //size of memory prefix holding all pointers
    hash uint32      //类型Hash
    tflag tflag      //类型的特征标记
    align uint8      //_type 作为整体交量存放时的对齐字节数
    fieldalign uint8 //当前结构字段的对齐字节数
    kind uint8       //基础类型枚举值和反射中的 Kind 一致，kind 决定了如何解析该类型
    alg *typeAlg     //指向一个函数指针表，该表有两个函数，一个是计算类型 Hash 函
                     //数，另一个是比较两个类型是否相同的 equal 函数
    //gcdata stores the GC type data for the garbage collector.
    //If the KindGCProg bit is set in kind, gcdata is a GC program.
    //Otherwise it is a ptrmask bitmap. See mbitmap.go for details.
    gcdata *byte      //GC 相关信息
    str nameOff       //str 用来表示类型名称字符串在编译后二进制文件中某个 section
                      //的偏移量
                      //由链接器负责填充
    ptrToThis typeOff //ptrToThis 用来表示类型元信息的指针在编译后二进制文件中某个
                      //section 的偏移量
                      //由链接器负责填充
}
_type 包含所有类型的共同元信息，编译器和运行时可以根据该元信息解析具体类型、类型名存放位置、类型的 Hash 值等基本信息。

这里需要说明一下：＿type 里面的 nameOff 和 typeOff 最终是由链接器负责确定和填充的，它们都是一个偏移量（offset），类型的名称和类型元信息实际上存放在连接后可执行文件的某个段（section）里，这两个值是相对于段内的偏移量，运行时提供两个转换查找函数。例如：

//src/runtime/type.go
//获取 _type 的 name
func resolveNameOff(ptrInModule unsafe.Pointer , off nameOff) name {}
//获取 _type 的副本
func resolveTypeOff(ptrInModule unsafe.Pointer , off typeOff) *_type {}

注意：Go语言类型元信息最初由编译器负责构建，并以表的形式存放在编译后的对象文件中，再由链接器在链接时进行段合并、符号重定向（填充某些值）。这些类型信息在接口的动态调用和反射中被运行时引用。

接下来看一下接口的类型元信息的数据结构。示例如下：
//描述接口的类型
type interfacetype struct {
    typ _type       //类型通用部分
    pkgpath name    //接口所属包的名字信息， name 内存放的不仅有名称，还有描述信息
    mhdr []imethod  //接口的方法
}
//接口方法元信息
type imethod struct {
    name nameOff //方法名在编译后的 section 里面的偏移量
    ityp typeOff //方法类型在编译后的 section 里面的偏移量
}

接口调用过程分析

前面讨论了接口内部的基本数据结构，下面就来通过跟踪接口实例化和动态调用过程，使用 Go 源码和反汇编代码相结合的方式进行研究。下面是一段非常简单的接口调用代码。
//iface.go
package main

type Caler interface {
    Add (a , b int) int
    Sub (a , b int) int
}

type Adder struct ｛id int }

//go:noinline
func (adder Adder) Add(a, b int) int { return a + b }

//go:noinline
func (adder Adder) Sub(a , b int) int { return a - b }

func main () {
    var m Caler=Adder{id: 1234}
    m.Add(10, 32)
}
生成汇编代码：

go build -gcflags= "-S - N -l" iface.go >iface.s 2>&1

接下来分析 main 函数的汇编代码，非关键逻辑已经去掉：
"".main STEXT size=151 args=0x0 locals=0x40
    ...
    0x000f 00015 (src/iface.go:16) SUBQ $64, SP
    0x0013 00019 (src/iface.go:16) MOVQ BP, 56(SP)
    0x0018 00024 (src/iface.go:16) LEAQ 56(SP), BP
为 main 函数堆战开辟空间并保存原来的 BP 指针，这是函数调用前编译器的固定动作。

var m Caler = Adder {id: 1234} 语句汇编代码分析：

0x00ld 00029 (src/iface.go:17) MOVQ    $0, ""..autotmp_1+32(SP)
0x0026 00038 (src/iface.go:17) MOVQ    $1234, ""..autotmp_1+32(SP)

在堆上初始化局部对象 Adder，先初始化为 0，后初始化为 1234。

0x002f 00047 (src/iface.go:17) LEAQ    go.itab."".Adder,"".Caler(SB),AX
0x0036 00054 (src/iface.go:17) MOVQ    AX, (SP)

这两条语句非常关键，首先 LEAQ 指令是一个获取地址的指令，go.itab."".Adder,"".Caler(SB) 是一个全局符号引用，通过该符号能够获取接口初始化时 itab 数据结构的地址。

注意：这个标号在链接器链接的过程中会替换为具体的地址。我们知道 (SP) 里面存放的是指向 itab(Caler,Adder) 的元信息的地址，这里 (SP) 是函数调用第一个参数的位置。示例如下：

0x003a 00058 (src/iface.go:17) LEAQ ""..autotmp_1+32(SP), AX
0x003f 00063 (src/iface.go:17) MOVQ AX, 8(SP)
0x0044 00068 (src/iface.go:17) PCDATA $0, $0

复制刚才的 Adder 类型对象的地址到 8(SP)，8(SP) 是函数调用的第二个参数位置。示例如下：

0x0044 00068 (src/iface.go:17) CALL    runtime.convT2I64(SB)

runtime.convT2I64 函数是运行时接口动态调用的核心函数。runtime 中有一类这样的函数，看一下 runtime.convT2I64 的源码：
func convT2I64(tab *itab, elem unsafe.Pointer) (i iface) {
    t := tab._type
    if raceenabled {
        raceReadObjectPC(t, elem, getcallerpc(unsafe.Pointer(&tab)), funcPC(convT2I64))
    }
    if msanenabled {
        msanread (elem, t.size)
    }
    var x unsafe.Pointer
    if *(uint64) (elem) == 0 {
        x = unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
    } else {
        x = mallocgc(8, t, false)
        *(*uint64) (x) = *(*uint64) (elem)
    }
    i.tab = tab
    i.data = x
    return
}
从上述源码可以清楚地看出，runtime.convT2I64 的两个参数分别是 *itab 和 unsafe.Pointer 类型，这两个参数正是上文传递进去的两个参数值：go.itab."".Adder, "".Caler(SB) 和指向 Adder 对象复制的指针。

runtime.convT2I64 的返回值是一个 iface 数据结构，其意义就是根据 itab 元信息和对象值复制的指针构建和初始化 iface 数据结构，iface 数据结构是实现接口动态调用的关键。至此己经完成了接口初始化的工作，即完成了 iface 数据结构的构建过程。下一步就是接口方法调用了。示例如下：

0x0049 00073 (src/iface.go:17) MOVQ 24(SP), AX
0x004e 00078 (src/iface.go:17) MOVQ 16(SP), CX
0x0053 00083 (src/iface.go:17 ) MOVQ CX, "".m+40(SP)
0x0058 00088 (src/iface.go:17 ) MOVQ AX, "".m+48(SP)

16(SP) 和 24(SP) 存放的是函数 runtime.convT2I64 的返回值，分别是指向 itab 和 data 的指针，将指向 itab 的指针复制到 40(SP)，将指向对象 data 的指针复制到 48(SP) 位置。

m.Add(10, 32) 对应的汇编代码如下：

0x00Sd 00093 (src/iface.go:18) MOVQ "".m+40(SP), AX
0x0062 00098 (src/iface.go:18) MOVQ 32(AX), AX
0x0066 00102 (src/iface.go:18) MOVQ "".m+48(SP), ex
0x006b 00107 (src/iface.go:18) MOVQ $10, 8(SP)
0x0074 00116 (src/iface.go:18) MOVQ $32, 16(SP)
0x007d 00125 (src/iface.go:18) MOVQ CX, (SP)
0x0081 00129 (src/iface.go:18) PCDATA $0, $0
0x0081 00129 (src/iface.go:18) CALL AX

第 1 条指令是将 itab 的指针（位于 40(SP)）复制到 AX 寄存器。第 2 条指令是 AX 将 itab 的偏移 32 字节的值复制到 AX。再来看一下 itab 的数据结构：
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
}
32(AX) 正好是函数指针的位置， 即存放 Adder *Add() 方法指针的地址（注意：编译器将接收者为值类型的 Add 方法转换为指针的 Add 方法，编译器的这种行为是为了方便调用和优化）。

第 3 条指令和第 6 条指令是将对象指针作为接下来函数调用的第 1 个参数。

第 4 条和第 5 条指令是准备函数的第 2、第 3 个参数。

第 8 条指令是调用 Adder 类型的 Add 方法。

此函数调用时，对象的值的副本作为第 1 个参数，调用格式可以表述为 func(reciver, param1, param2)。

至此，整个接口的动态调用完成。从中可以清楚地看到，接口的动态调用分为两个阶段：

接下来看一下 go.itab. "".Adder, "".Caler(SB) 这个符号在哪里？我们使用 readelf 工具来静态地分析编译后的 ELF 格式的可执行程序。例如：
#编译
#go build -gcflag s= "-N -l" iface.go
#readelf -s -W iface legrep 'itab'
    60:000000000047b220 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 5 runtime.itablink
    61:000000000047b230 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 5 runtime.eitablink
    88:00000000004aa100 48 OBJECT GLOBAL DEFAULT 8 go.itab.main.Adder, main.Caler
    214:00000000004aa080 40 OBJECT GLOBAL DEFAULT 8 go.itab.runtime.errorString, error
    418:00000000004095e0 1129 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 runtime.getitab
    419:0000000000409a50 1665 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 runtime.additab
    420:000000000040a0e0 257 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 runtime.itabsinit
可以看到符号表里面 go.itab.main.Adder, main.Caler 对应本程序里面 itab 的元信息，它被存放在第 8 个段中。我们来看一下第 8 个段是什么段？

#readelf -S -W iface |egrep '＼[8\] | I Nr'
[Nr] Name Type Address Off Size ES Flg Lk Inf Al
[8]. noptrdata PROGBITS 00000000004aa000 OaaOOO 000a78 00 WA 0 0 32

可以看到这个接口动态转换的数据元信息存放在 .noptrdata 段中，它是由链接器负责初始化的。可以进一步使用 dd 工具读取井分析其内容，本书就不再继续深入这个细节，留给感兴趣的读者继续分析。

接口调用代价

前面讨论了接口动态调用过程，这个过程有两部分多余时耗，一个是接口实例化的过程，也就是 iface 结构建立的过程，一旦实例化后，这个接口和具体类型的 itab 数据结构是可以复用的；另一个是接口的方法调用，它是一个函数指针的间接调用。

同时我们应考虑到接口调用是一种动态的计算后的跳转调用，这对现代的计算机 CPU 的执行很不友好，会导致 CPU 缓存失效和分支预测失败，这也有一部分的性能损失。当然最直接的办法就是对比测试，看看接口动态调用的性能损失到底有多大。

测试用例

直接选用 GitHub 上的一个测试用例，稍作改写，代码如下。
package main
import (
    "testing"
)
type identifier interface {
    idInline() int32
    idNoInline() int32
}
type id32 struct{ id int32 }
func (id *id32) idinline() int32 { return id.id }

//go:noinline
func (id *id32) idNoinline() int32 { return id.id }

var escapeMePlease *id32

//主要作用是强制变量内存在 heap 上分配
//go:noinline
func escapeToHeap(id *id32) identifier {
    escapeMePlease = id
    return escapeMePlease
}

//直接调用
func BenchmarkMethodCall_direct(b *testing.B) { //
    var myID int32

    b.Run("single/noinline", func(b *testing.B) {
        m := escapeToHeap(&id32{id: 6754}).(*id32)
        b.ResetTimer ()
        for i :＝ 0; i ＜ b.N; i++ {
            //CALL "".(*id32).idNoinline(SB)
            //MOVL 8(SP), AX
            //MOVQ "".&myID+40(SP), CX
            //MOVL AX, (CX)
            myID = m.idNoInline()
        }
    }
    b.Run ("single/inline", func(b *testing.B) {
        m := escapeToHeap(＆id32{id: 6754}).(*id32)
        b.ResetTimer()
        for i: ＝ 0; i < b.N; i++ {
            //MOVL (DX), SI
            //MOVL SI, (CX)
            myID = m.idinline()
        }
    })
}
//接口调用
func BenchmarkMethodCall_interface(b *testing.B) { //
    var myID int32
    b.Run("single/noinline", func(b *testing.B) {
        m := escapeToHeap(＆id32{id: 6754})
        b.ResetTimer()
        for i := 0; i < b.N ; i++ {
            // MOVQ 32(AX), CX
            // MOVQ "".m.data+40(SP), DX
            // MOVQ DX, (SP)
            // CALL CX
            // MOVL 8(SP), AX
            // MOVQ "".&myID+48(SP), CX
            // MOVL AX, (CX)
            myID = m.idNoInline()
        }
    })
    b.Run("single/inline", func(b *testing.B) {
        m := escapeToHeap(&id32{id: 6754})
        b.ResetTimer()
        for i := 0; i < b.N; i++ {
            //MOVQ 24(AX), CX
            //MOVQ "".m.data+40(SP), DX
            //MOVQ DX, (SP)
            //CALL CX
            //MOVL 8(SP), AX
            //MOVQ "". &myID+48(SP), ex
            //MOVL AX, (CX)
            myID = m.idinline()
        }
    })
} //
func main() {}

测试过程和结果

//直接调用
#go test -bench= 'BenchmarkMethodCall_direct/single/noinline' -cpu=1 -count=5 iface_bench_test.go
goos:linux
goarch:amd64
BenchmarkMethodCall_direct/single/noinline 2000000000 2.00 ns/op
BenchmarkMethodCall_direct/single/noinline 2000000000 1.97 ns/op
BenchmarkMethodCall_direct/single/noinline 2000000000 1.97 ns/op
BenchmarkMethodCall_direct/single/noinline 2000000000 1.94 ns/op
BenchmarkMethodCall_direct/single/noinline 2000000000 1.97 ns/op
PASS
ok command-line-arguments 20.682s

//接口调用
#go test -bench='BenchmarkMethodCall_interface/single/noinline' －cpu=1 -count=5 iface_bench_test.go
goos:linux
goarch:amd64
BenchmarkMethodCall_interface/single/noinline 1000000000 2.18 ns/op
BenchmarkMethodCall_interface/single/noinline 1000000000 2.16 ns/op
BenchmarkMethodCall_interface/single/noinline 1000000000 2.17 ns/op
BenchmarkMethodCall_interface/single/noinline 1000000000 2.15 ns/op
BenchmarkMethodCall_interface/single/noinline 1000000000 2.16 ns/op
PASS
ok command-line-arguments 11.930s

结果分析

直接调用平均时耗为 1.97ns/op，接口调用的平均时耗为 2.16ns/op, (2.16-1.97)/1.97 约等于 9.64%。可以看到测试结果符合预期，每次迭代接口要慢 0.19ns，大约有 9% 的性能损失。

但是要清楚这个百分比并不能真实地反映接口的效率问题，首先调用的方法是一个很简单的方法，方法的耗时占比很小，无形中放大了接口调用的耗时。如果方法里面有复杂的逻辑，则真实的性能损失远远小于9%。

从绝对值的角度来看更合理，那就是每次接口调用大约比直接调用慢 0.2ns ，从这个角度看，动态调用的性能损失几乎可以忽略不计。

空接口数据结构

前面我们了解到空接口 interface{} 是没有任何方法集的接口，所以空接口内部不需要维护和动态内存分配相关的数据结构 itab 。空接口只关心存放的具体类型是什么，具体类型的值是什么，所以空接口的底层数据结构也很简单，具体如下：
//go/src/runtime/runtime2.go
//空接口
type eface struct {
    _type *_type
    data unsafe.Pointer
}
从 eface 的数据结构可以看出，空接口不是真的为空，其保留了具体实例的类型和值拷贝，即便存放的具体类型是空的，空接口也不是空的。

由于空接口自身没有方法集，所以空接口变量实例化后的真正用途不是接口方法的动态调用。空接口在Go语言中真正的意义是支持多态，有如下几种方式使用了空接口（将空接口类型还原）：

至此，接口内部实现原理全部讲完，大家在了解和学习接口内部实现的知识的同时，更应该学习和思考分析过程中的方法和技巧，使用该方法可以继续分析接口断言、接口查询和接口赋值的内部实现机制。

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