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今天我们聊聊万物皆可为的接口(interface)底层设计。
interface 被定义为一组方法的签名。
有了它,我们可以订立方法契约,去抽象和约束实现。
而 Go 的基础类型,可以认为是没有实现任何方法的空 interface,也就是万物皆为的 interface。
(Go 语言没有泛型,接口可以作为一种替代实现)
接口也被寄予厚望,主力开发 Russ Cox 曾说过:
从语言设计的角度来看,Go 的接口是静态的,在编译时检查过的,在需要时是动态的。如果我可以将 Go 的一个特性导出到其他语言中,那就是接口。 Go Data Structures: Interfaces [1]
那到底 interface 是怎么设计的底层结构呢?
又怎么支持的 duck typing [2] ?
在类型断言时又发生了什么?
带着这些问题,我们往下看
文章目录
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0x01 底层结构一样么
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eface
-
iface
-
0x02 类型如何相互转换
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convXXX 的命名
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起初的 convT2{I,E} 和 convI2I
-
针对类型优化后的 convXXX
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0x03 类型断言如何实现
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查表是否匹配
-
尝试插入更新
-
动态判定效率优化
0x01 底层结构一样么
我们知道定义接口有这两种方式,那他们底层结构是一样的么?
// 方式1 var a interface{} // 方式2 type Stringer interface { String() string } var b Stringer
答案是【不一样】
我们用 gdb 打印下对应类型(gdb 相关见 Tips-如何优雅的使用GDB调试Go )
// 空接口类型
>>> ptype a
type = struct runtime.eface {
runtime._type *_type;
void *data;
}// 有函数定义的接口类型
>>> ptype b
type = struct runtime.iface {
runtime.itab *tab;
void *data;
}// itable相关类型
>>> ptype b.tab
type = struct runtime.itab {
// 接口相关信息
runtime.interfacetype *inter;
// 构造类型
runtime._type *_type;
uint32 hash;
[4]uint8 _;
// 构造类型的函数列表
[1]uintptr fun;
} *
>>> ptype b.tab.inter
type = struct runtime.interfacetype {
// 接口的类型
runtime._type typ;
runtime.name pkgpath;
// 接口定义的函数列表
[]runtime.imethod mhdr;
} *
以此可见 Go 内部定义了两种 interface(但都是两个机器字)
eface
空接口,指没有定义方法的接口
内部存储了构造类型( concrete type
) type
和 data
iface
有方法的接口
有了相比 eface
的 type
更丰富的 itab
字段,其中记录了构造类型及所实现的 interface 类型的类型和方法
0x02 类型如何相互转换
如下代码,当我们做接口赋值时,Go 又会怎样填充底层结构呢?
type Binary uint64 func (i Binary) String() string { return strconv.Itoa(int(i)) } func conversion() { var b Stringer var i Binary = 1 b = i // <= 这里发生了什么 println(b.String()) }
gdb 进到 b = i
这一步,会发现他调用了 runtime/iface.go:convT64
方法实现 iface 的赋值
查阅源码,会发现很多 convXXX
函数, 他们是干什么的?
convXXX 的命名
convFrom2To
指代 To=From
的转换
From 和 To 的类型有三种:(参见 cmd/compile/internal/types/type.go:Tie
)
-
E (eface)
-
I (iface)
-
T (Type)
这一堆函数看的人眼晕,但参照提交 specialize convT2x, don't alloc for zero vals [3] 深入分析,就会清晰许多
起初的 convT2{I,E} 和 convI2I
最初只有 convT2{I,E} 和 convI2I
主要实现分配内存( newobject
),然后拷贝赋值( typedmemmove
)
convI2I
还会有 getitab
, 具体是什么我们后边类型断言时说
然后也在调用他们前( walkexpr
)做了优化
-
减少值拷贝
ToType 为类指针( pointer-shaped
)或者一个机器字内( int
)的话,可以 直接存入 interface 的 data 字段
(主要优化在这里)
pointer-shaped类型: ptr, chan, map, func, unsafe.Pointer
再辅以 type 的存储,就只是两个字( two-word
)的拷贝
-
减少内存分配
零值, bool/byte
可以不用分配内存,而用已存在值( zerobase,staticbytes
)
只读的全局变量( readonly global
)直接可以用
1kb 以内,不 escape
到堆上,非 interface
的变量可以使用栈上分配的临时变量( stack temporary initialized
)
这类 value 最后以取地址形式转化为 interface: {type/itab, &value}.
-
interface 转空接口(eface)
可以丢弃除 type
以外的 itab
tmp = i.itab if tmp != nil { tmp = tmp.type } e = iface{tmp, i.data}
针对类型优化后的 convXXX
但这里会有一些可以优化的点,如:
-
分配内存是否可以需要清零?
类指针的类型需要清零,不然内存可能有脏数据
但无指针类型( pointer-free
)如拷贝时直接可以覆盖对应内存则不需要
如 int
其拷贝在一个机器字内完成,不需要分配时清零
(32 位系统上不调用 convT64
,就可以保证访问内存是安全的原子操作)
-
是否可以简化值拷贝?
int,string,slice
这些 Type 分配的 x
拷贝 val
时,可以简化为 *(*Type)(x) = val
-
拷贝内存是否可以不增加 gc 调用(写屏障)?
按 ToType 类型是否含指针区分
类指针类型( pointer-shaped
): convT2{E,I}
需要拷贝时 gc 调用( typedmemmove
)
无指针类型( pointer-free
): convT2{E,I}noptr
不需要拷贝时 gc 调用( memmove
)
这样一看就明白这些函数的用意了,还是为了针对性的提高转化效率
最后结合其调用处 convXXX
列表如下:
// cmd/compile/internal/gc/walk.go:walkexpr case OCONVIFACE: ... fnname, needsaddr := convFuncName(fromType, toType)
fnname | fromType | needsaddr |
---|---|---|
convI2I | iface | 否 |
convT{16, 32,64} |
整型数据 (无指针, 机器字内) |
否 |
convTstring | string | 否 |
convTslice | slice | 否 |
convT2E | Type | 是 |
convT2Enoptr |
无指针 Type |
是 |
convT2I | Type | 是 |
convT2Inoptr |
无指针 Type |
是 |
不会存在 convE2E 和 convE2I
needsaddr: 类型不含指针,大小大于 64 位字或未知大小时,使用值的地址来存
0x03 类型断言如何实现
interface 支持类型断言,来 动态判断 其构造类型,
判定成功可返回对应构造类型,便于调用其方法
可构造类型实现 interface 不需要显示声明,
那如下代码是怎么确定 interface b
(构造类型是 Binary
)实现 Stringer
呢?
type Binary uint64 func (i Binary) String() string { return fmt.Sprint(i) } func typeAssert() { var b interface{} = Binary(1) v, ok := b.(Stringer) println(v, ok) }
调试后会发现,其调用了 assertE2I2
这里函数命名有两类,如下
assertE2I: v := eface1.(iface1)
assertE2I2: v,ok := eface1.(iface1)
这里有一点,类型断言非 v,ok
方式的,断言失败会 panic)
原来其内部进行了 itab
表( itabTable
)查询 interface 和构造类型的映射表,如果匹配则说明实现
下边代码分析如下
首先初始 512 个 entry 的表
const itabInitSize = 512 type itabTableType struct { // 上限 size uintptr // 当前用量 count uintptr entries [itabInitSize]*itab }
查表是否匹配
在类型断言中调用 getitab(inter, typ, canfail)
查表
-
先不加锁 atomic 读取 itabTable,找到返回
-
未找到加锁再查一遍,找到返回
-
还没有就创建一个 itab 添加到表中,添加完后解锁
-
期间如果判定不匹配则按是否可以 panic(canfail)返回
其中查表用到 itabTable.find(inter, typ)
,
插入用到 itabAdd(m)
尝试插入更新
-
m.inter/m._type pair m.fun m.fun[0]==0
( m.fun
类型 [1]uintptr
,实际指向是大小为接口定义方法数的方法数组。详见 func (m *itab) init()
)
-
用量 count 超过上限的 75%触发扩容,大小为 2 倍以上(要向上内存对齐),扩容后更新 itabTable 是原子操作
-
以 itab m 的 interface 类型和构造类型的 hash 计算对应 itabTable 的起始偏移,然后插入到其后第一个不为空的 entry。如果已存在则直接返回
这里用到了开放地址探测法,公式是:
h(i) = h0 + i*(i+1)/2 mod 2^k
具体插入用到 itabTable.add(m)
这里和其实 map 插入的逻辑很相似
动态判定效率优化
不过,这里有一个问题?
假定,interface 定义了 ni
个方法,构造类型实现 nt
个方法,
常规匹配构造类型是否实现全部 ni
个方法需要两层遍历,复杂度为 O(ni*nt)
这样在初始化 itab.fun
或类型断言匹配时效率会比较低。
Go 设计时也考虑了这个问题,把复杂度降低为 O(ni+nt)
这也是使用 hashtable 的原因之一:
-
首先 interface 的函数定义列表
itab.inter.mhdr
和构造类型的函数列表itab.fun
都是按函数名排好序的 -
这样第一次 itab 初始化时,判定构造类型是否实现函数列表可以
O(ni+nt)
内遍历完成 -
然后用开放地址探测法更新到 itabtable 中,查询时也可以用同样的方式定位到此 itab 是否存在。
两个(有序)列表的遍历匹配代码精简如下:
// runtime/iface.go:init() j:=0 imethods: // 遍历interface定义函数列表 for k := 0; k < ni; k++ { // 遍历构造类型函数列表 for ; j < nt; j++ { // 如果两者类型(type),包路径(pkgpath),函数名(name)匹配 if xxx { // 将方法记录到fun0(最终全匹配则赋值给 m.fun) continue imethods } } // 未全匹配 m.fun[0] = 0 } m.fun[0] = uintptr(fun0)
总结一下 interface 的底层设计:
-
interface 分为空接口(eface)和接口(iface)两类,但都是两机器字(two-word)存储结构
-
interface 转换中针对不同类型做了优化,主要集中于提升内存分配和值拷贝效率
-
interface 类型断言时动态判定,利用有序列表遍历+全局哈希表表缓存优化判定效率
See More:官方解释 InterfaceSlice [4] 为什么不能直接转化
最后留个问题:
下边这段转换代码内部没有调 convT64
,为什么?
var b Stringer = Binary(1) _ = b.String()
这个问题下一篇文章再来给出解答。
本文代码见 NewbMiao/Dig101-Go [5]
参考资料
Go Data Structures: Interfaces: https://research.swtch.com/interfaces
duck typing: https://en.wikipedia.org/wiki/Duck_typing
specialize convT2x, don't alloc for zero vals: https://go-review.googlesource.com/c/go/+/36476
InterfaceSlice: https://github.com/golang/go/wiki/InterfaceSlice
NewbMiao/Dig101-Go: https://github.com/NewbMiao/Dig101-Go/blob/master/types/interface/interface.go
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