7.2 interface

interface是Go语言中最成功的设计之一,空的interface可以被当作“鸭子”类型使用,它使得Go这样的静态语言拥有了一定的动态性,但却又不损失静态语言在类型安全方面拥有的编译时检查的优势。

依赖于接口而不是实现,优先使用组合而不是继承,这是程序抽象的基本原则。但是长久以来以C++为代表的“面向对象”语言曲解了这些原则,让人们走入了误区。为什么要将方法和数据绑死?为什么要有多重继承这么变态的设计?面向对象中最强调的应该是对象间的消息传递,却为什么被演绎成了封装继承和多态。面向对象是否实现程序程序抽象的合理途径,又或者是因为它存在我们就认为它合理了。历史原因,中间出现了太多的错误。不管怎么样,Go的interface给我们打开了一扇新的窗。

那么,Go中的interface在底层是如何实现的呢?

Eface和Iface

interface实际上就是一个结构体,包含两个成员。其中一个成员是指向具体数据的指针,另一个成员中包含了类型信息。空接口和带方法的接口略有不同,下面分别是空接口和带方法的接口是使用的数据结构:

struct Eface
{
    Type*    type;
    void*    data;
};
struct Iface
{
    Itab*    tab;
    void*    data;
};

先看Eface,它是interface{}底层使用的数据结构。数据域中包含了一个void*指针,和一个类型结构体的指针。interface{}扮演的角色跟C语言中的void*是差不多的,Go中的任何对象都可以表示为interface{}。不同之处在于,interface{}中有类型信息,于是可以实现反射。

类型信息的结构体定义如下:

struct Type
{
    uintptr size;
    uint32 hash;
    uint8 _unused;
    uint8 align;
    uint8 fieldAlign;
    uint8 kind;
    Alg *alg;
    void *gc;
    String *string;
    UncommonType *x;
    Type *ptrto;
};

其实在前面我们已经见过它了。精确的垃圾回收中,就是依赖Type结构体中的gc域的。不同类型数据的类型信息结构体并不完全一致,Type是类型信息结构体中公共的部分,其中size描述类型的大小,hash数据的hash值,align是对齐,fieldAlgin是这个数据嵌入结构体时的对齐,kind是一个枚举值,每种类型对应了一个编号。alg是一个函数指针的数组,存储了hash/equal/print/copy四个函数操作。UncommonType是指向一个函数指针的数组,收集了这个类型的实现的所有方法。

在reflect包中有个KindOf函数,返回一个interface{}的Type,其实该函数就是简单的取Eface中的Type域。

Iface和Eface略有不同,它是带方法的interface底层使用的数据结构。data域同样是指向原始数据的,而Itab的结构如下:

struct    Itab
{
    InterfaceType*    inter;
    Type*    type;
    Itab*    link;
    int32    bad;
    int32    unused;
    void    (*fun[])(void);
};

Itab中不仅存储了Type信息,而且还多了一个方法表fun[]。一个Iface中的具体类型中实现的方法会被拷贝到Itab的fun数组中。

具体类型向接口类型赋值

将具体类型数据赋值给interface{}这样的抽象类型,中间会涉及到类型转换操作。从接口类型转换为具体类型(也就是反射),也涉及到了类型转换。这个转换过程中做了哪些操作呢?先看将具体类型转换为接口类型。如果是转换成空接口,这个过程比较简单,就是返回一个Eface,将Eface中的data指针指向原型数据,type指针会指向数据的Type结构体。

将某个类型数据转换为带方法的接口时,会复杂一些。中间涉及了一道检测,该类型必须要实现了接口中声明的所有方法才可以进行转换。这个检测是在编译过程中做的,我们可以做个测试:

type I interface {
    String()
}
var a int = 5
var b I = a

编译会报错:

cannot use a (type int) as type I in assignment:
    int does not implement I (missing String method)

说明具体类型转换为带方法的接口类型是在编译过程中进行检测的。

那么这个检测是如何实现的呢?在runtime下找到了iface.c文件,应该是早期版本是在运行时检测留下的,其中有一个itab函数就是判断某个类型是否实现了某个接口,如果是则返回一个Itab结构体。

类型转换时的检测就是比较具体类型的方法表和接口类型的方法表,看具体类型是实现了接口类型所声明的所有的方法。还记得Type结构体中是有个UncommonType字段的,里面有张方法表,类型所实现的方法都在里面。而在Itab中有个InterfaceType字段,这个字段中也有一张方法表,就是这个接口所要求的方法。这两处方法表都是排序过的,只需要一遍顺序扫描进行比较,应该可以知道Type中否实现了接口中声明的所有方法。最后还会将Type方法表中的函数指针,拷贝到Itab的fun字段中。

这里提到了三个方法表,有点容易把人搞晕,所以要解释一下。

Type的UncommonType中有一个方法表,某个具体类型实现的所有方法都会被收集到这张表中。reflect包中的Method和MethodByName方法都是通过查询这张表实现的。表中的每一项是一个Method,其数据结构如下:

struct Method
{
    String *name;
    String *pkgPath;
    Type    *mtyp;
    Type *typ;
    void (*ifn)(void);
    void (*tfn)(void);
};

Iface的Itab的InterfaceType中也有一张方法表,这张方法表中是接口所声明的方法。其中每一项是一个IMethod,数据结构如下:

struct IMethod
{
    String *name;
    String *pkgPath;
    Type *type;
};

跟上面的Method结构体对比可以发现,这里是只有声明没有实现的。

Iface中的Itab的func域也是一张方法表,这张表中的每一项就是一个函数指针,也就是只有实现没有声明。

类型转换时的检测就是看Type中的方法表是否包含了InterfaceType的方法表中的所有方法,并把Type方法表中的实现部分拷到Itab的func那张表中。

reflect

reflect就是给定一个接口类型的数据,得到它的具体类型的类型信息,它的Value等。reflect包中的TypeOf和ValueOf函数分别做这个事情。

还有像

    v, ok := i.(T)

这样的语法,也是判断一个接口i的具体类型是否为类型T,如果是则将其值返回给v。这跟上面的类型转换一样,也会检测转换是否合法。不过这里的检测是在运行时执行的。在runtime下的iface.c文件中,有一系统的assetX2X函数,比如runtime.assetE2T,runtime.assetI2T等等。这个实现起来比较简单,只需要比较Iface中的Itab的type是否与给定Type为同一个。

powered by Gitbook 该教程制作时间: 2016-11-20 15:45:34