go의 데이터 구조 - 인터페이스(자세한 ​​설명)

1. 인터페이스의 기본 사용

golang의 인터페이스 자체도 메소드 모음을 나타내는 유형입니다. 모든 유형이 인터페이스에 선언된 모든 메서드를 구현하는 한 클래스는 인터페이스를 구현합니다. 다른 언어와 달리 golang은 유형이 인터페이스를 구현한다는 것을 명시적으로 선언할 필요가 없지만 컴파일러와 런타임에 의해 확인됩니다.

Declaration

 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
}

인터페이스 자체도 구조적 유형이지만 컴파일러는 인터페이스에 많은 제한을 적용합니다.

● 필드를 가질 수 없습니다.

● 자체 메소드를 정의할 수 없습니다.

● 메소드 선언만 가능합니다. , 구현하지 마세요

● 다른 인터페이스 유형에 포함될 수 있습니다

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"
    }

인터페이스에 메서드가 포함되어 있지 않으면 빈 인터페이스(빈 인터페이스)입니다. 모든 유형은 빈 인터페이스의 정의를 따르므로 모든 유형이 해당됩니다. 빈 인터페이스로 변환될 수 있습니다.

간단히 말하면, 인터페이스의 값은 유형과 데이터라는 두 부분으로 구성됩니다. 두 인터페이스가 동일한지 여부를 판단하려면 유형과 데이터가 모두 없는지 여부에 따라 달라집니다. , 이는 인터페이스가 없음을 의미합니다.

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

2. 인터페이스 중첩

익명 필드와 같은 다른 인터페이스를 삽입하세요. 대상 유형 메소드 세트에는 인터페이스를 구현하기 위한 임베디드 인터페이스 메소드를 포함한 모든 메소드가 있어야 합니다. 다른 인터페이스 유형을 포함하는 것은 선언된 메소드를 중앙에서 가져오는 것과 같습니다. 이를 위해서는 동일한 이름을 가진 메소드가 자체적으로 내장되거나 순환적으로 내장될 수 없어야 합니다.

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 인터페이스 변수는 암시적으로 하위 집합으로 변환될 수 있지만 그 반대는 불가능합니다.

3. 인터페이스 구현

Golang의 인터페이스 감지에는 정적 부분과 동적 부분이 모두 있습니다.

● 정적 부분

구체적인 유형(사용자 정의 유형 포함) -> 인터페이스의 경우 컴파일러는 해당 itab을 생성하여 ELF의 .rodata 섹션에 넣습니다. 나중에 itab을 얻으려면 포인터를 직접 가리킵니다. rodata의 해당 오프셋 주소이면 충분합니다. 구체적인 구현에 대해서는 golang의 제출 로그 CL 20901 및 CL 20902를 참조하세요.
인터페이스->구체 유형(사용자 정의 유형 포함)의 경우 컴파일러는 비교를 위해 관련 필드를 추출하고 값을 생성합니다. ​​

● 동적 부분

런타임에 전역 해시 테이블이 있어 해당 유형->인터페이스를 기록합니다. 유형 변환 itab, 변환 시 먼저 해시 테이블에서 확인하고, 하나라도 있으면 성공을 반환하고, 두 유형을 변환할 수 있는지 확인하고, 변환할 수 있으면 에 삽입합니다. 해시 테이블을 반환하고 성공할 수 없으면 실패를 반환합니다. 여기서 해시 테이블은 이동 중인 맵이 아니라 충돌을 해결하기 위해 개방형 주소 방법을 사용하는 배열을 사용하는 가장 원시적인 해시 테이블입니다. 주로 인터페이스 인터페이스(인터페이스에 할당된 인터페이스, 다른 인터페이스로 변환된 인터페이스)는 itab을 동적으로 생성하는 데 사용됩니다.

인터페이스의 구조는 다음과 같습니다.

인터페이스 유형의 구조입니다. 링커가 포함을 담당하는 파일입니다. 메타 정보는 런타임 중에 Runtime.moduledata 구조에 로드됩니다.

4. 인터페이스 값 iface와 eface의 구조

golang은 두 가지 유형의 인터페이스, 즉 eface와 iface로 구분되며, iface는 메소드가 있는 인터페이스입니다.

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
}

iface 구조의 데이터는 실제 데이터를 저장하는 데 사용됩니다. 런타임은 새 메모리를 적용하고 거기에서 데이터를 테스트한 다음 데이터가 이 새 메모리를 가리킵니다.

itab의 해시 메소드는 _type.hash에서 복사됩니다. fun은 크기가 1인 uintptr 배열입니다. fun[0]이 0이면 _type이 인터페이스를 구현할 때 fun을 구현하지 않는다는 의미입니다. 첫 번째 인터페이스 메소드의 주소가 저장되고 다른 메소드는 한 번에 하나씩 저장됩니다. 여기서는 단순히 공간을 시간으로 교환합니다. 실제로 메소드는 _type 필드에서 찾을 수 있으므로 여기에 기록됩니다. 호출될 때마다 동적으로 검색할 필요가 없습니다.

4.1 전역 itab 테이블

iface.go:

 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
}

이 전역 itabTable이 배열에 저장되어 있고 size는 배열의 크기를 기록하는 것을 볼 수 있으며 이는 항상 2의 거듭제곱입니다. count는 배열이 얼마나 사용되었는지 기록합니다. 항목은 초기 크기가 512인 *itab 배열입니다.

5. 인터페이스 유형 변환

인터페이스에 특정 값을 할당하면 비어 있는 인터페이스를 위한 convT2E 시리즈 및 null이 아닌 인터페이스를 위한 convT2I 시리즈와 같은 변환 시리즈 함수가 호출됩니다. 경우에는 typedmemmove 호출을 피하면서 convT2I64, convT2Estring 등이 있습니다.

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
}

볼 수 있는 내용:

● 특정 유형은 빈 인터페이스로 변환되고 _type 필드는 소스 유형을 직접 복사하여 새 메모리에 값을 복사하고 데이터는 이 메모리를 가리킵니다.

● 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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