Go语言接口内部实现
毫无疑问，接口是 Go语言类型系统的灵魂，是 Go语言实现多态和反射的基础。Duck 类型的接口完全解祸接口和具体实现者。
前几节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。但这一切语言特性的背后是语言设计者的智慧：把复杂留给自己，把简单留给用户。
接口的底层是如何实现的？如何实现动态调用？接口的动态调用到底有多大的额外开销？本节将深入接口的实现中一探究竟。
语言的底层实现向来比较复杂，涉及很多细节东西，想把复杂的问题讲清楚不是一件容易的事情。笔者不会论述接口实现的每一个细节，而是努力帮助读者在头脑中建立一个接口运行的动态视圈。为了达到这个目的，使用了如下技术手段：
从语言运行时中抽取部分源码，讲解接口实现中涉及的基本数据结构。
从反汇编的代码上分析接口实现机制。
从编译的可执行文件中寻找线索。
以上这些技术手段需要读者具备 Go 接口的基础知识，了解 Go语言汇编基础和函数调用规约，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，不要气馁，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 src/runtime/runtime2.go 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。
itab：用来存放接口自身类型和绑定的实例类型及实例相关的函数指针，具体内容后面有详细介绍。
数据指针 data：指向接口绑定的实例的副本，接口的初始化也是一种值拷贝。
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[O]==O means _type does not implement inter.
}
itab 有 5 个字段：
inner：是指向接口类型元信息的指针。
_type：是指向接口存放的具体类型元信息的指针，iface 里的 data 指针指向的是该类型的值。一个是类型信息，另一个是类型的值。
hash：是具体类型的 Hash 值，_type 里面也有 hash，这里冗余存放主要是为了接口断言或类型查询时快速访问。
fun：是一个函数指针，可以理解为 C++ 对象模型里面的虚拟函数指针，这里虽然只有一个元素，实际上指针数组的大小是可变的，编译器负责填充，运行时使用底层指针进行访问，不会受 struct 类型越界检查的约束，这些指针指向的是具体类型的方法。
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。如下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)
在堆枝上初始化局部对象 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：
第一阶段就是构建 iface 动态数据结构，这一阶段是在接口实例化的时候完成的，映射到 Go 语句就是 var m Caler = Adder{id: 1234}。
第二阶段就是通过函数指针间接调用接口绑定的实例方法的过程，映射到 Go 语句就是 m.Add(10, 32)。
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
//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[O]==O means _type does not implement inter.
}0
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：
//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[O]==O means _type does not implement inter.
}1
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）：
通过接口类型断言
通过接口类型查询
通过反射
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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