Go之interface

Posted 2023-01-18 飘飘白云

Go之interface

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浅显地了解了一下 Go，发现 Go 语法的设计非常简洁，易于理解。正应了 Go 语言之父 Rob Pike 说的那句“Less is more”—— 大道至简。

下面就具体的语法特性说说我自己的体会。

interface

概览

与通常以类型层次与继承为根基的面向对象设计（OOP）语言（如C++、Java）不同，Go 的核心思想就是组合（composition）。Go 进一步解耦了对象与操作，实现了真正的鸭子类型（Duck typing）：一个对象如果能嘎嘎叫那就能当做鸭子，而不是像 C++ 或 Java 那样需要类型系统去保证：一个对象先得是只鸭子，然后才能嘎嘎叫。

type Duck interface 
    Quack()


type Animal struct 
    name string


func (animal Animal) Quack() 
    fmt.Println(animal.name, ": Quack! Quack! Like a duck!")


func main() 
    unknownAnimal := Animalname: "Unknown"

    var equivalent Duck
    equivalent = unknownAnimal
    equivalent.Quack()

运行上面的代码输出：

Unknown : Quack! Quack! Like a duck!

下面用 Java 语言来实现：

interface Duck 
    void Quack();


class SomeAnimal implements Duck 
    String name;

    public SomeAnimal(String name) 
        this.name = name;
    

    public void Quack() 
        System.out.println(name + ": Quack! Quack! I am a duck!");
    


public class Test 
    public static void main(String []args)
        SomeAnimal unknownAnimal = new SomeAnimal("Unknown");
        Duck equivalent = unknownAnimal;
        equivalent.Quack();
    

两相比较就能看出：Go 将对象与对其的操作（方法或函数）解耦得更彻底。Go 并不需要一个对象通过类型系统来保证实现了某个接口（is a），而只需要这个对象实现了某个接口的方法即可(like a)，而且类型声明与方法声明或实现也是松耦合的形式。如果稍微转换一下方法的实现方式：

func (animal Animal) Quack() 
    fmt.Println(animal.name, ": Quack! Quack! Like a duck!")

为：

func Quack(animal Animal) 
    fmt.Println(animal.name, ": Quack! Quack! Like a duck!")

是不是就和普通方法并无二致了？

在深入浅出 Cocoa 之消息一文中我曾分析过 Objective C 的消息调用过程：

Bird * aBird = [[Bird alloc] init];
[aBird fly];

中对 fly 的调用，编译器通过插入一些代码，将之转换为对方法具体实现 IMP 的调用，这个 IMP 是通过在 Bird 的类结构中的方法链表中查找名称为 fly 的选择子 SEL 对应的具体方法实现找到的，编译器会将消息调用转换为对消息函数 objc_msgSend的调用：

objc_msgSend(aBird, @selector(fly));

无论是 Objective C 的消息机制还是 Qt 中的 Signal/Slot 机制，可以说都是在尝试将对象本身（数据）与对对象的操作（消息）解耦，但 Go 将这个工作在语言层面做得更加彻底，这样不仅避免多重继承问题，还体现出面向对象设计中最要紧的事情：对象间的消息传递。

实现

interface 实际上就是一个结构体，包含两个成员。其中一个成员是指向具体数据的指针，另一个成员中包含了类型信息。空接口和带方法的接口略有不同，下面分别是空接口和带方法的接口是使用的数据结构：

struct Eface

    Type*    type;
    void*    data;
;
struct Iface

    Itab*    tab;
    void*    data;
;

struct Itab

    InterfaceType*    inter;
    Type*    type;
    Itab*    link;
    int32    bad;
    int32    unused;
    void    (*fun[])(void);
;

struct Type

    uintptr size;
    uint32 hash;
    uint8 _unused;
    uint8 align;
    uint8 fieldAlign;
    uint8 kind;
    Alg *alg;
    void *gc;
    String *string;
    UncommonType *x;
    Type *ptrto;
;

先看Eface，它是interface底层使用的数据结构。数据域中包含了一个void*指针，和一个类型结构体的指针。interface扮演的角色跟C语言中的void*是差不多的，Go中的任何对象都可以表示为interface。不同之处在于，interface中有类型信息，于是可以实现反射。

不同类型数据的类型信息结构体并不完全一致，Type是类型信息结构体中公共的部分，其中size描述类型的大小，UncommonType是指向一个函数指针的数组，收集了这个类型的具体实现的所有方法。

在reflect包中有个KindOf函数，返回一个interface的Type，其实该函数就是简单的取Eface中的Type域。

Iface和Eface略有不同，它是带方法的interface底层使用的数据结构。data域同样是指向原始数据的，Itab中不仅存储了Type信息，而且还多了一个方法表fun[]。一个Iface中的具体类型中实现的方法会被拷贝到Itab的fun数组中。

Type的UncommonType中有一个方法表，某个具体类型实现的所有方法都会被收集到这张表中。reflect包中的Method和MethodByName方法都是通过查询这张表实现的。表中的每一项是一个Method，其数据结构如下：

struct Method

    String *name;
    String *pkgPath;
    Type    *mtyp;
    Type *typ;
    void (*ifn)(void);
    void (*tfn)(void);
;

Iface的Itab的InterfaceType中也有一张方法表，这张方法表中是接口所声明的方法。其中每一项是一个IMethod，数据结构如下：

struct IMethod

    String *name;
    String *pkgPath;
    Type *type;
;

跟上面的Method结构体对比可以发现，这里是只有声明没有实现的。
Iface中的Itab的func域也是一张方法表，这张表中的每一项就是一个函数指针，也就是只有实现没有声明。

类型转换时的检测就是看Type中的方法表是否包含了InterfaceType的方法表中的所有方法，并把Type方法表中的实现部分拷到Itab的func那张表中。

注意事项

一个interface在没有进行初始化时，对应的值是nil。也就是说：

var v interface

此时v就是一个nil。在底层存储上，它是一个空指针。

与之不同的情况

var obj *T
var v interface
v = obj

此时v是一个interface，它的值是nil，也就是说其data域为空，但它自身不为nil。

下面来看个例子就明白了：
Go语言中的error类型实际上是抽象了Error()方法的error接口：

type error interface 
    Error() string

有如下代码：

type Error struct 
    errCode uint8


func (e *Error) Error() string 
    switch e.errCode 
    default:
        return "unknown error"
    


func test_checkError() 
    var e *Error
    if e == nil 
        fmt.Println("e is nil")
     else 
        fmt.Println("e is not nil")
    

    var err error
    err = e

    if err == nil 
        fmt.Println("err is nil")
     else 
        fmt.Println("err is not nil")
    

运行test_checkError()输出：

e is nil
err is not nil