Datenstruktur in der Go-Schnittstelle (ausführliche Erklärung)

1. Grundlegende Verwendung von Schnittstellen

Die Schnittstelle selbst in Golang ist ebenfalls ein Typ, sie stellt eine Sammlung dar von Methoden. Solange ein Typ alle in der Schnittstelle deklarierten Methoden implementiert, implementiert die Klasse die Schnittstelle. Im Gegensatz zu anderen Sprachen muss Golang nicht explizit deklarieren, dass ein Typ eine Schnittstelle implementiert, sondern wird vom Compiler und der Laufzeit überprüft.

Deklaration

 type 接口名 interface{
    方法1
    方法2
    ...
   方法n 
}
type 接口名 interface {
    已声明接口名1
    ...
    已声明接口名n
}
type iface interface{
    tab *itab
    data unsafe.Pointer
}

Die Schnittstelle selbst ist ebenfalls ein Strukturtyp, der Compiler erlegt ihr jedoch viele Einschränkungen auf:

● Es dürfen keine Felder

● Sie können keine eigenen Methoden definieren

● Sie können Methoden nur deklarieren, nicht implementieren

● Sie können andere Schnittstellentypen einbetten

package main
    import (
        "fmt"
    )
    // 定义一个接口
    type People interface {
        ReturnName() string
    }
    // 定义一个结构体
    type Student struct {
        Name string
    }
    // 定义结构体的一个方法。
    // 突然发现这个方法同接口People的所有方法(就一个)，此时可直接认为结构体Student实现了接口People
    func (s Student) ReturnName() string {
        return s.Name
    }
    func main() {
        cbs := Student{Name:"小明"}
        var a People
        // 因为Students实现了接口所以直接赋值没问题
        // 如果没实现会报错：cannot use cbs (type Student) as type People in assignment:Student does not implement People (missing ReturnName method)
        a = cbs       
        name := a.ReturnName() 
        fmt.Println(name) // 输出"小明"
    }

Wenn eine Enthält die Schnittstelle keine Methoden, handelt es sich um eine leere Schnittstelle (leere Schnittstelle). Alle Typen entsprechen der Definition einer leeren Schnittstelle, sodass jeder Typ in eine leere Schnittstelle umgewandelt werden kann.

Um es einfach auszudrücken: Der Wert einer Schnittstelle besteht aus zwei Teilen, nämlich Typ und Daten. Um zu beurteilen, ob zwei Schnittstellen gleich sind, kommt es nur darauf an, ob ihre beiden Teile gleich sind Typ und Daten sind Null. Stellt die Schnittstelle als Null dar.

var a interface{} 
var b interface{} = (*int)(nil)
fmt.Println(a == nil, b == nil) //true false

2. Schnittstellenverschachtelung

Einbetten anderer Schnittstellen wie anonyme Felder. Der Zieltyp-Methodensatz muss alle Methoden enthalten, einschließlich eingebetteter Schnittstellenmethoden, um die Schnittstelle zu realisieren. Das Einbetten anderer Schnittstellentypen entspricht dem zentralen Import ihrer deklarierten Methoden. Dies erfordert, dass Methoden mit demselben Namen nicht in sich selbst oder zyklisch eingebettet werden können.

type stringer interfaceP{
     string（） string
}

type tester interface {
    stringer
    test()
}    

type data struct{}

func (*data) test() {}

func (data) string () string {
    return ""
}

func main() {
    var d data 
    var t tester = &d 
    t.test()
    println(t.string())
}

Superset-Schnittstellenvariablen können implizit in Subsets konvertiert werden, aber nicht umgekehrt.

3. Implementierung der Schnittstelle

Die Schnittstellenerkennung von Golang besteht sowohl aus statischen als auch dynamischen Teilen.

● Statischer Teil

Für konkrete Typen (einschließlich benutzerdefinierter Typen) -> generiert der Compiler die entsprechende itab und fügt sie in den .rodata-Abschnitt von ELF ein. Sie müssen itab erhalten Wenn später, richten Sie den Zeiger einfach direkt auf die entsprechende Offset-Adresse, an der .rodata vorhanden ist. Informationen zur spezifischen Implementierung finden Sie in den Einreichungsprotokollen CL 20901 und CL 20902 von Golang.

Für den konkreten Schnittstellentyp (konkreter Typ, einschließlich benutzerdefinierter Typen) extrahiert der Compiler relevante Felder zum Vergleich und generiert Werte

● Der dynamische Teil

wird verarbeitet Zur Laufzeit gibt es eine globale Hash-Tabelle, die die entsprechende Typ->Schnittstellentyp-Konvertierung aufzeichnet. Überprüfen Sie zunächst, ob die Hash-Tabelle erfolgreich ist Wenn es in die Hash-Tabelle eingefügt werden kann, wird ein Erfolg zurückgegeben. Wenn dies nicht möglich ist, wird ein Fehler zurückgegeben. Beachten Sie, dass die Hash-Tabelle hier nicht die Karte in go ist, sondern die primitivste Hash-Tabelle, die Arrays verwendet und die Methode der offenen Adresse zum Lösen von Konflikten verwendet. Hauptsächlich wird die Schnittstelle e09be6022d700e04aeaa85a5f42fdcb2 verwendet (der Schnittstelle zugewiesene Schnittstelle, die Schnittstelle wird in eine andere Schnittstelle konvertiert), um itab dynamisch zu erzeugen. Die Struktur von

interface ist wie folgt:

Die Struktur des Schnittstellentyps interfacetype

type interfacetype struct {
    typ     _type   
    pkgpath name   //记录定义接口的包名
    mhdr    []imethod  //一个imethod切片，记录接口中定义的那些函数。
}
// imethod表示接口类型上的方法
type imethod struct {
    name nameOff // name of method
    typ  typeOff // .(*FuncType) underneath
}

Die Typen nameOff und typeOff sind int32 , und diese beiden Werte sind Der Linker ist für das Einbetten von Offsets relativ zu den Metainformationen der ausführbaren Datei verantwortlich. Metainformationen werden zur Laufzeit in die runtime.moduledata-Struktur geladen.

4. Die Struktur der Schnittstellenwerte iface und eface

Aus Leistungsgründen ist Golang in zwei Schnittstellen unterteilt: eface und iface sind leere Schnittstellen ist eine Methodenschnittstelle.

 type iface struct { 
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}

type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

type itab struct {
    inter *interfacetype   //inter接口类型
    _type *_type   //_type数据类型
    hash  uint32  //_type.hash的副本。用于类型开关。 hash哈希的方法
    _     [4]byte
    fun   [1]uintptr  // 大小可变。 fun [0] == 0表示_type未实现inter。 fun函数地址占位符
}

Die Daten in der iface-Struktur werden zum Speichern tatsächlicher Daten verwendet. Die Laufzeit beantragt einen neuen Speicher, testet die Daten dort und dann verweisen die Daten auf diesen neuen Speicher.

Die Hash-Methode in itab wird von _type.hash kopiert; fun ist ein uintptr-Array mit der Größe 1. Wenn fun[0] 0 ist, bedeutet dies, dass _type die Schnittstelle derzeit nicht implementiert , fun speichert die Adresse der ersten Schnittstellenmethode, und die anderen Methoden werden einzeln gespeichert. Hier werden die Methoden tatsächlich im Feld _type gespeichert Sie heißen: Es ist keine dynamische Suche erforderlich.

4.1 Globale itab-Tabelle

iface.go:

const itabInitSize = 512

// 注意：如果更改这些字段，请在itabAdd的mallocgc调用中更改公式。
type itabTableType struct {
    size    uintptr             // 条目数组的长度。始终为2的幂。
    count   uintptr             // 当前已填写的条目数。
    entries [itabInitSize]*itab // really [size] large
}

Es ist ersichtlich, dass diese globale itabTable in einem Array gespeichert ist und die Größe die Größe des Arrays aufzeichnet. immer Potenz von 2. count zeichnet auf, wie viel vom Array verwendet wurde. Einträge ist ein *itab-Array mit einer Anfangsgröße von 512.

5. Schnittstellentypkonvertierung

Durch Zuweisen eines bestimmten Werts zur Schnittstelle werden die Funktionen der conv-Serie aufgerufen. Beispielsweise ruft die leere Schnittstelle die convT2E-Serie auf , nicht- Die leere Schnittstelle ruft aus Leistungsgründen die convT2I-Reihe auf. In vielen Sonderfällen wie convT2I64 und convT2Estring wird der Aufruf von typedmemmove vermieden.

  func convT2E(t *_type, elem unsafe.Pointer) (e eface) {
    if raceenabled {
        raceReadObjectPC(t, elem, getcallerpc(), funcPC(convT2E))
    }
    if msanenabled {
        msanread(elem, t.size)
    }
    x := mallocgc(t.size, t, true)
    // TODO: 我们分配一个清零的对象只是为了用实际数据覆盖它。
    //确定如何避免归零。同样在下面的convT2Eslice，convT2I，convT2Islice中。
    typedmemmove(t, x, elem)
    e._type = t
    e.data = x
    return
}

func convT2I(tab *itab, elem unsafe.Pointer) (i iface) {
    t := tab._type
    if raceenabled {
        raceReadObjectPC(t, elem, getcallerpc(), funcPC(convT2I))
    }
    if msanenabled {
        msanread(elem, t.size)
    }
    x := mallocgc(t.size, t, true)
    typedmemmove(t, x, elem)
    i.tab = tab
    i.data = x
    return
}

func convT2I16(tab *itab, val uint16) (i iface) {
    t := tab._type
    var x unsafe.Pointer
    if val == 0 {
        x = unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
    } else {
        x = mallocgc(2, t, false)
        *(*uint16)(x) = val
    }
    i.tab = tab
    i.data = x
    return
}

func convI2I(inter *interfacetype, i iface) (r iface) {
    tab := i.tab
    if tab == nil {
        return
    }
    if tab.inter == inter {
        r.tab = tab
        r.data = i.data
        return
    }
    r.tab = getitab(inter, tab._type, false)
    r.data = i.data
    return
}

Es ist ersichtlich, dass:

● Der spezifische Typ wird in eine leere Schnittstelle konvertiert, das Feld _type kopiert direkt den Quelltyp in einen neuen Speicher, kopiert den Wert und die Daten weist auf diese Erinnerung hin.

● 具体类型转非空接口，入参tab是编译器生成的填进去的，接口指向同一个入参tab指向的itab；mallocgc一个新内存，把值复制过去，data再指向这块内存。

● 对于接口转接口，itab是调用getitab函数去获取的，而不是编译器传入的。

对于那些特定类型的值，如果是零值，那么不会mallocgc一块新内存，data会指向zeroVal[0]。

5.1 接口转接口

  func assertI2I2(inter *interfacetype, i iface) (r iface, b bool) {
    tab := i.tab
    if tab == nil {
        return
    }
    if tab.inter != inter {
        tab = getitab(inter, tab._type, true)
        if tab == nil {
            return
        }
    }
    r.tab = tab
    r.data = i.data
    b = true
    return
}

func assertE2I(inter *interfacetype, e eface) (r iface) {
    t := e._type
    if t == nil {
        // 显式转换需要非nil接口值。
        panic(&TypeAssertionError{nil, nil, &inter.typ, ""})
    }
    r.tab = getitab(inter, t, false)
    r.data = e.data
    return
}

func assertE2I2(inter *interfacetype, e eface) (r iface, b bool) {
    t := e._type
    if t == nil {
        return
    }
    tab := getitab(inter, t, true)
    if tab == nil {
        return
    }
    r.tab = tab
    r.data = e.data
    b = true
    return
}

我们看到有两种用法：

● 返回值是一个时，不能转换就panic。

● 返回值是两个时，第二个返回值标记能否转换成功

此外，data复制的是指针，不会完整拷贝值。每次都malloc一块内存，那么性能会很差，因此，对于一些类型，golang的编译器做了优化。

5.2 接口转具体类型

接口判断是否转换成具体类型，是编译器生成好的代码去做的。我们看个empty interface转换成具体类型的例子：

  var EFace interface{}
var j int

func F4(i int) int{
    EFace = I
    j = EFace.(int)
    return j
}

func main() {
    F4(10)
}

反汇编：

go build -gcflags '-N -l' -o tmp build.go
go tool objdump -s "main.F4" tmp

可以看汇编代码：

MOVQ main.EFace(SB), CX       
//CX = EFace.typ2 LEAQ type.*+60128(SB), DX    
//DX = &type.int3 CMPQ DX, CX.

 

可以看到empty interface转具体类型，是编译器生成好对比代码，比较具体类型和空接口是不是同一个type，而不是调用某个函数在运行时动态对比。

5.3 非空接口类型转换

var tf Tester
var t testStruct

func F4() int{
    t := tf.(testStruct)
    return t.i
}

func main() {
    F4()
}
//反汇编
MOVQ main.tf(SB), CX   // CX = tf.tab(.inter.typ)
LEAQ go.itab.main.testStruct,main.Tester(SB), DX // DX = c1cf2bd5b63c974afcb2fded387850cf对应的&itab(.inter.typ)
CMPQ DX, CX //

可以看到，非空接口转具体类型，也是编译器生成的代码，比较是不是同一个itab，而不是调用某个函数在运行时动态对比。

6. 获取itab的流程

golang interface的核心逻辑就在这，在get的时候，不仅仅会从itabTalbe中查找，还可能会创建插入，itabTable使用容量超过75%还会扩容。看下代码:

 func getitab(inter *interfacetype, typ *_type, canfail bool) *itab {
    if len(inter.mhdr) == 0 {
        throw("internal error - misuse of itab")
    }

    // 简单的情况
    if typ.tflag&tflagUncommon == 0 {
        if canfail {
            return nil
        }
        name := inter.typ.nameOff(inter.mhdr[0].name)
        panic(&TypeAssertionError{nil, typ, &inter.typ, name.name()})
    }

    var m *itab

    //首先，查看现有表以查看是否可以找到所需的itab。
    //这是迄今为止最常见的情况，因此请不要使用锁。
    //使用atomic确保我们看到该线程完成的所有先前写入更新itabTable字段（在itabAdd中使用atomic.Storep）。
    t := (*itabTableType)(atomic.Loadp(unsafe.Pointer(&itabTable)))
    if m = t.find(inter, typ); m != nil {
        goto finish
    }

    // 未找到。抓住锁，然后重试。
    lock(&itabLock)
    if m = itabTable.find(inter, typ); m != nil {
        unlock(&itabLock)
        goto finish
    }

    // 条目尚不存在。进行新输入并添加。
    m = (*itab)(persistentalloc(unsafe.Sizeof(itab{})+uintptr(len(inter.mhdr)-1)*sys.PtrSize, 0, &memstats.other_sys))
    m.inter = inter
    m._type = typ
    m.init()
    itabAdd(m)
    unlock(&itabLock)
finish:
    if m.fun[0] != 0 {
        return m
    }
    if canfail {
        return nil
    }
    //仅当转换时才会发生，使用ok形式已经完成一次，我们得到了一个缓存的否定结果。
    //缓存的结果不会记录，缺少接口函数，因此初始化再次获取itab，以获取缺少的函数名称。
    panic(&TypeAssertionError{concrete: typ, asserted: &inter.typ, missingMethod: m.init()})
}

流程如下：

●  先用t保存全局itabTable的地址，然后使用t.find去查找，这样是为了防止查找过程中，itabTable被替换导致查找错误。

●  如果没找到，那么就会上锁，然后使用itabTable.find去查找，这样是因为在第一步查找的同时，另外一个协程写入，可能导致实际存在却查找不到，这时上锁避免itabTable被替换，然后直接在itaTable中查找。

●  再没找到，说明确实没有，那么就根据接口类型、数据类型，去生成一个新的itab，然后插入到itabTable中，这里可能会导致hash表扩容，如果数据类型并没有实现接口，那么根据调用方式，该报错报错，该panic panic。

这里我们可以看到申请新的itab空间时，内存空间的大小是unsafe.Sizeof(itab{})+uintptr(len(inter.mhdr)-1)*sys.PtrSize，参照前面接受的结构，len(inter.mhdr)就是接口定义的方法数量，因为字段fun是一个大小为1的数组，所以len(inter.mhdr)-1，在fun字段下面其实隐藏了其他方法接口地址。

6.1 在itabTable中查找itab find

func itabHashFunc(inter *interfacetype, typ *_type) uintptr {
    // 编译器为我们提供了一些很好的哈希码。
    return uintptr(inter.typ.hash ^ typ.hash)
}

   // find在t中找到给定的接口/类型对。
   // 如果不存在给定的接口/类型对，则返回nil。
func (t *itabTableType) find(inter *interfacetype, typ *_type) *itab {
    // 使用二次探测实现。
     //探测顺序为h（i）= h0 + i *（i + 1）/ 2 mod 2 ^ k。
     //我们保证使用此探测序列击中所有表条目。
    mask := t.size - 1
    h := itabHashFunc(inter, typ) & mask
    for i := uintptr(1); ; i++ {
        p := (**itab)(add(unsafe.Pointer(&t.entries), h*sys.PtrSize))
        // 在这里使用atomic read，所以如果我们看到m！= nil，我们也会看到m字段的初始化。
        // m := *p
        m := (*itab)(atomic.Loadp(unsafe.Pointer(p)))
        if m == nil {
            return nil
        }
        if m.inter == inter && m._type == typ {
            return m
        }
        h += I
        h &= mask
    }
}

从注释可以看到，golang使用的开放地址探测法，用的是公式h(i) = h0 + i*(i+1)/2 mod 2^k，h0是根据接口类型和数据类型的hash字段算出来的。以前的版本是额外使用一个link字段去连到下一个slot，那样会有额外的存储，性能也会差写，在1.11中我们看到有了改进。

6.2 检查并生成itab init

// init用所有代码指针填充m.fun数组m.inter / m._type对。 如果该类型未实现该接口，将m.fun [0]设置为0，并返回缺少的接口函数的名称。
//可以在同一m上多次调用此函数，即使同时调用也可以。
func (m *itab) init() string {
    inter := m.inter
    typ := m._type
    x := typ.uncommon()

    // inter和typ都有按名称排序的方法，
     //并且接口名称是唯一的，
     //因此可以在锁定步骤中对两者进行迭代；
     //循环是O（ni + nt）而不是O（ni * nt）。
    ni := len(inter.mhdr)
    nt := int(x.mcount)
    xmhdr := (*[1 cb1d4a6c14c32b4c4b685b382806b485= 3*(t.size/4) { // 75% 负载系数
        // 增长哈希表。
        // t2 = new（itabTableType）+一些其他条目我们撒谎并告诉malloc我们想要无指针的内存，因为所有指向的值都不在堆中。
        t2 := (*itabTableType)(mallocgc((2+2*t.size)*sys.PtrSize, nil, true))
        t2.size = t.size * 2

        // 复制条目。
        //注意：在复制时，其他线程可能会寻找itab和找不到它。没关系，他们将尝试获取Itab锁，因此请等到复制完成。
        if t2.count != t.count {
            throw("mismatched count during itab table copy")
        }
        // 发布新的哈希表。使用原子写入：请参阅getitab中的注释。
        atomicstorep(unsafe.Pointer(&itabTable), unsafe.Pointer(t2))
        // 采用新表作为我们自己的表。
        t = itabTable
        // 注意：旧表可以在此处进行GC处理。
    }
    t.add(m)
}
// add将给定的itab添加到itab表t中。
//必须保持itabLock。
func (t *itabTableType) add(m *itab) {
    //请参阅注释中的有关探查序列的注释。
    //将新的itab插入探针序列的第一个空位。
    mask := t.size - 1
    h := itabHashFunc(m.inter, m._type) & mask
    for i := uintptr(1); ; i++ {
        p := (**itab)(add(unsafe.Pointer(&t.entries), h*sys.PtrSize))
        m2 := *p
        if m2 == m {
            //给定的itab可以在多个模块中使用并且由于全局符号解析的工作方式，
            //指向itab的代码可能已经插入了全局“哈希”。
            return
        }
        if m2 == nil {
            // 在这里使用原子写，所以如果读者看到m，它也会看到正确初始化的m字段。
            // NoWB正常，因为m不在堆内存中。
            // *p = m
            atomic.StorepNoWB(unsafe.Pointer(p), unsafe.Pointer(m))
            t.count++
            return
        }
        h += I
        h &= mask
    }
}

可以看到，当hash表使用达到75%或以上时，就会进行扩容，容量是原来的2倍，申请完空间，就会把老表中的数据插入到新的hash表中。然后使itabTable指向新的表，最后把新的itab插入到新表中。

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