Go interface实现分析

小米运维 · · 819 次点击 · · 开始浏览    
这是一个创建于 的文章,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。


本文介绍了Go语言中接口(interface)的内部实现、nil interface和nil的区别以及使用时的一些坑。

上篇文章回顾:Elasticsearch SQL用法详解


前言

接口(interface)代表一种“约定”或“协议”,是多个方法声明的集合。允许在非显示关联情况下,组合并调用其它类型的方法。接口无需依赖类型,带来的优点就是减少调用者可视化方法,隐藏类型内部结构和具体方法实现细节。虽然接口的优点有很多,但是接口的实现是在运行期实现的,所以存在其它额外的开销。在日常开发过程中是否选择接口需要根据场景进行合理的选择。

1、接口定义

一个接口需要包括方法签名,方法签名包括:方法名称、参数和返回列表。接口内不能有字段,而且不能定义自己的方法,这主要是由于字段和方法的定义需要分配内存。

package main

import (
   "fmt"    "reflect"
)
   
type Ser interfacee
{    A(a int)    B() }

type X int
func (X) A(b int)
{} func (*X) B() {} var o X var _ Ser = &o func main() {}
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1.1 如何确保类型实现接口

Go语言接口是隐式实现的,这意味着开发人员不需要声明它实现的接口。虽然这通常非常方便,但在某些情况下可能需要明确检查接口的实现。最好的方法就是依赖编译器实现,例如:

package main

type Jedi interface {
    HasForce() bool
}

type Knight struct {}

var _ Jedi = (*Knight)(nil)       // 利用编译器检查接口实现

func main() {}

2、接口内部实现

接口调用是通过所属于它的方法集进行调用,而类型调用则通过它所属于的方法进行调用,它们之间有本质的差别。接下来说说接口是如何实现的,以及如何获取接口的方法集。

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2.1 接口内部实现

runtime中有两种方式对接口实现,一种是iface类型,另一种是eface。

// 接口内包含有方法的实现
type iface struct {    tab  *itab    data unsafe.Pointer     // 实际对象指针
}

// 类型信息
type itab struct {    inter *interfacetype    // 接口类型    _type *_type            // 实际类型对象    fun   [1]uintptr        // 实际对象方法地址
}

// 接口内不包含方法的实现,即nil interface.
type eface struct {    _type *_type    data  unsafe.Pointer }
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2.2 按值实现接口和按指针实现接口区别

2.2.1 按值实现接口

type T struct {}
type Ter interface{
    A()
    B()
}

func(t T) A(){}
func(t *T) B(){}

var o T
var i Ter = o

当将o实现接口Ter时,其实是将T类型内存拷贝一份,然后i.data指向新生成复制品的内存地址。当调用i.A()方法时,经过以下3个步骤:

1. 通过i.(*data)变量获取复制品内的内容。

2. 获取i.(*data).A内存。

3. 调用i.(*data).A()方法。

当调用i.B()方法时,由于receiver的是*T.B()和T.A()是不一样的,调用经过也存在区别:

1. 通过i.(*data)变量获取其内容(此时的内容指向类型T的指针)。

2. 由于i.(*data)变量获取的内容是地址,所以需要进行取地址操作。但Go内部实现禁止对该复制品进行取地址操作,所以无法调用i.B()方法。

所以代码进行编译时会报错:

T does not implement Ter (B method has pointer receiver)

2.2.2 按指针实现接口

对以上代码进行稍加改动:

var o T
var i Ter = &o

此时通过调用i.A()和i.B()方法时是如何实现的呢?

1. 通过i.(*data)变量获取复制品内容(此时内容为指向类型T的指针)。

2. 获取复制品内容(即T类型地址),然后调用类型T的A和B方法。

2.2.3 接口方法集合

通过以上对接口实现分析,可以得出接口的方法集是:

1. 类型T的方法集包含所有receiver T方法。

2. 类型*T的方法集合包含所有Receiver T + *T方法。

3、nil interface和nil区别

nil interface和nil有什么区别呢?咱们可以通过两个demo来看看它们具体有什么区别。

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3.1 nil

接口内部tab和data均为空时,接口才为nil。

// go:noinline
func main() {    var i interface{}
   if i == nil {        println(“The interface is nil.“)    } } (gdb) info locals; i = {_type = 0x0, data = 0x0} (gdb) ptype i type = struct runtime.eface {    runtime._type *_type;
   void *data; }
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3.2 nil interface

如果接口内部data值为nil,但tab不为空时,此时接口为nil interface。

// go:noinline
func main() {    var o *int = nil    var i interface{} = o

   if i == nil {        println("Nil")    }    println(i) } (gdb) info locals; i = {_type = 0x1050fe0 <type.*+25568>, data = 0x0} o = 0x0

(gdb) ptype  i type = struct runtime.eface {    runtime._type *_type;
   void *data; }
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3.3 接口nil检查

可以利用reflect(反射)进行nil检查:

fun main() {
    var o *int = nil
    var a interface{} = o
    var b interface{}

    println(a == nil, b == nil) // false, true

    v := reflect.ValueOf(a)
   if v.Isvalid() {        println(v.IsNil()) // true, This is nil interface    } } (gdb) ptype v type = struct reflect.Value {    struct reflect.rtype *typ;
   void *ptr;    reflect.flag flag; }

当然也可以通过unsafe进行检查:

v := reflet.ValueOf(a)
*(*unsae.Pointer)(v.ptr) == nil

4、interface性能问题

在文章刚开始就已经介绍了接口有很多优点,由于接口是在运行期实现的,所以它采用动态方法调用。相比类型直接(或静态)方法调用,性能肯定有消耗,但是这种性能的消耗不大,而主要影响是对象逃逸和无法内联。

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4.1 接口动态调用对性能影响

实例1:

package main

type T struct{}
func (t *T) A() {}
func (t *T) B() {}

type Ter interface{
    A()
    B()
}

func main() {    var t T    var ter Ter = &t    ter.A()    ter.B() }

反汇编:

TEXT main.main(SB) /Users/David/data/go/go.test/src/Demo/main.go
  main.go:21        0x104ab90       65488b0c25a0080000  MOVQ GS:0x8a0, CX
  main.go:21        0x104ab99       483b6110        CMPQ 0x10(CX), SP
  main.go:21        0x104ab9d       7652            JBE 0x104abf1
  main.go:21        0x104ab9f       4883ec20        SUBQ $0x20, SP
  main.go:21        0x104aba3       48896c2418      MOVQ BP, 0x18(SP)
  main.go:21        0x104aba8       488d6c2418      LEAQ 0x18(SP), BP
  main.go:22        0x104abad       488d054cd80000      LEAQ runtime.rodata+55200(SB), AX
  main.go:22        0x104abb4       48890424        MOVQ AX, 0(SP)
  main.go:22        0x104abb8       e86303fcff      CALL runtime.newobject(SB)
  main.go:27        0x104abbd       488d059c710200      LEAQ go.itab.*main.T,main.Ter(SB), AX
  main.go:27        0x104abc4       8400            TESTB AL, 0(AX)
  main.go:22        0x104abc6       488b442408      MOVQ 0x8(SP), AX
  main.go:22        0x104abcb       4889442410      MOVQ AX, 0x10(SP)
  main.go:27        0x104abd0       48890424        MOVQ AX, 0(SP)
  main.go:27        0x104abd4       e8f7feffff      CALL main.(*T).A(SB)
  main.go:27        0x104abd9       488b442410      MOVQ 0x10(SP), AX
  main.go:28        0x104abde       48890424        MOVQ AX, 0(SP)
  main.go:28        0x104abe2       e849ffffff      CALL main.(*T).B(SB)
  main.go:29        0x104abe7       488b6c2418      MOVQ 0x18(SP), BP
  main.go:29        0x104abec       4883c420        ADDQ $0x20, SP
  main.go:29        0x104abf0       c3          RET
  main.go:21        0x104abf1       e82a88ffff      CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
  main.go:21        0x104abf6       eb98            JMP main.main(SB)
  :-1               0x104abf8       cc          INT $0x3
  :-1               0x104abf9       cc          INT $0x3
  :-1               0x104abfa       cc          INT $0x3
  :-1               0x104abfb       cc          INT $0x3
  :-1               0x104abfc       cc          INT $0x3
  :-1               0x104abfd       cc          INT $0x3
  :-1               0x104abfe       cc          INT $0x3
  :-1               0x104abff       cc          INT $0x3

通过以上反汇编代码可以看到接口调用方法是通过动态调用方式进行调用。

实例2:

package main

type T struct{}
func (t *T) A() {
    println("A")
}

func (t *T) B() {
    println("B")
}

type Ter interface{
    A()
    B()
}

func main() {    var t T    t.A()    t.B() }

以上代码在函数A和B内输出print,主要防止被内联之后,在main函数看不到效果。

反汇编:

TEXT main.main(SB) /Users/David/data/go/go.test/src/Demo/main.go
  main.go:21        0x104aad0       65488b0c25a0080000  MOVQ GS:0x8a0, CX
  main.go:21        0x104aad9       483b6110        CMPQ 0x10(CX), SP
  main.go:21        0x104aadd       765e            JBE 0x104ab3d
  main.go:21        0x104aadf       4883ec18        SUBQ $0x18, SP
  main.go:21        0x104aae3       48896c2410      MOVQ BP, 0x10(SP)
  main.go:21        0x104aae8       488d6c2410      LEAQ 0x10(SP), BP
  main.go:9         0x104aaed       e8de6afdff      CALL runtime.printlock(SB)
  main.go:9         0x104aaf2       488d055bbf0100      LEAQ go.string.*+36(SB), AX
  main.go:9         0x104aaf9       48890424        MOVQ AX, 0(SP)
  main.go:9         0x104aafd       48c744240802000000  MOVQ $0x2, 0x8(SP)
  main.go:9         0x104ab06       e80574fdff      CALL runtime.printstring(SB)
  main.go:9         0x104ab0b       e8406bfdff      CALL runtime.printunlock(SB)
  main.go:13        0x104ab10       e8bb6afdff      CALL runtime.printlock(SB)
  main.go:13        0x104ab15       488d053abf0100      LEAQ go.string.*+38(SB), AX
  main.go:13        0x104ab1c       48890424        MOVQ AX, 0(SP)
  main.go:13        0x104ab20       48c744240802000000  MOVQ $0x2, 0x8(SP)
  main.go:13        0x104ab29       e8e273fdff      CALL runtime.printstring(SB)
  main.go:13        0x104ab2e       e81d6bfdff      CALL runtime.printunlock(SB)
  main.go:13        0x104ab33       488b6c2410      MOVQ 0x10(SP), BP
  main.go:13        0x104ab38       4883c418        ADDQ $0x18, SP
  main.go:13        0x104ab3c       c3          RET
  main.go:21        0x104ab3d       e8de88ffff      CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
  main.go:21        0x104ab42       eb8c            JMP main.main(SB)
  :-1               0x104ab44       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab45       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab46       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab47       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab48       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab49       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab4a       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab4b       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab4c       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab4d       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab4e       cc          INT $0x3
  :-1               0x104ab4f       cc          INT $0x3

通过使用接口和类型两种方式发现,接口采用动态方法调用而类型方法调用被编译器直接内联了(直接将方法调用展开在了方法调用处,减少了内存调用stack开销)。所以采用类型直接方法调用性能优于使用接口调用。

>>>>

4.2 内存逃逸

现在观察以下通过类型直接方法调用和通过接口动态方法调用编译器如何进行优化。

4.2.1 编译器对类型方法优化

# Demo
./main.go:8:6: can inline (*T).A
./main.go:12:6: can inline (*T).B
./main.go:21:6: can inline main
./main.go:23:8: inlining call to (*T).A
./main.go:24:8: inlining call to (*T).B
./main.go:8:10: (*T).A t does not escape
./main.go:12:10: (*T).B t does not escape
./main.go:23:6: main t does not escape
./main.go:24:6: main t does not escape
<autogenerated>:1:0: leaking param: .this
<autogenerated>:1:0: leaking param: .this

4.2.2 编译器对接口方法优化

# Demo
./main.go:8:6: can inline (*T).A
./main.go:12:6: can inline (*T).B
./main.go:8:10: (*T).A t does not escape
./main.go:12:10: (*T).B t does not escape
./main.go:26:9: &t escapes to heap
./main.go:26:19: &t escapes to heap
./main.go:22:9: moved to heap: t
<autogenerated>:1:0: leaking param: .this
<autogenerated>:1:0: leaking param: .this

通过编译器对程序优化输出得出,当使用接口方式进行方法调用时main函数内的&t发生了逃逸。

5、总结

今天仅对接口的具体实现进行了简单分析,接口有它的优势同时也有它的缺点。在日常工程开发过程中如何选择还是需要根据具体的场景进行具体分析。希望本篇文章对大家有所帮助。



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感谢作者:小米运维

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