golang中interface接口的深度解析

一 接口介紹

如果說(shuō)gorountine和channel是支撐起Go語(yǔ)言的并發(fā)模型的基石，讓Go語(yǔ)言在如今集群化與多核化的時(shí)代成為一道亮麗的風(fēng)景，那么接口是Go語(yǔ)言整個(gè)類型系列的基石，讓Go語(yǔ)言在基礎(chǔ)編程哲學(xué)的探索上達(dá)到前所未有的高度。Go語(yǔ)言在編程哲學(xué)上是變革派，而不是改良派。這不是因?yàn)镚o語(yǔ)言有g(shù)orountine和channel，而更重要的是因?yàn)镚o語(yǔ)言的類型系統(tǒng)，更是因?yàn)镚o語(yǔ)言的接口。Go語(yǔ)言的編程哲學(xué)因?yàn)橛薪涌诙呌谕昝?。C++,Java 使用"侵入式"接口，主要表現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)類需要明確聲明自己實(shí)現(xiàn)了某個(gè)接口。這種強(qiáng)制性的接口繼承方式是面向?qū)ο缶幊趟枷氚l(fā)展過(guò)程中一個(gè)遭受相當(dāng)多質(zhì)疑的特性。Go語(yǔ)言采用的是“非侵入式接口",Go語(yǔ)言的接口有其獨(dú)到之處：只要類型T的公開方法完全滿足接口I的要求，就可以把類型T的對(duì)象用在需要接口I的地方，所謂類型T的公開方法完全滿足接口I的要求，也即是類型T實(shí)現(xiàn)了接口I所規(guī)定的一組成員。這種做法的學(xué)名叫做Structural Typing，有人也把它看作是一種靜態(tài)的Duck Typing。
    

要這個(gè)值實(shí)現(xiàn)了接口的方法。

type Reader interface { 
 Read(p []byte) (n int, err os.Error) 
} 
 
// Writer 是包裹了基礎(chǔ) Write 方法的接口。 
type Writer interface { 
 Write(p []byte) (n int, err os.Error) 
} 
 
var r io.Reader 
r = os.Stdin 
r = bufio.NewReader(r) 
r = new(bytes.Buffer) 

有一個(gè)事情是一定要明確的，不論 r 保存了什么值，r 的類型總是 io.Reader ,Go 是靜態(tài)類型，而 r 的靜態(tài)類型是 io.Reader。接口類型的一個(gè)極端重要的例子是空接口interface{},它表示空的方法集合，由于任何值都有零個(gè)或者多個(gè)方法，所以任何值都可以滿足它。也有人說(shuō) Go 的接口是動(dòng)態(tài)類型的，不過(guò)這是一種誤解。 它們是靜態(tài)類型的：接口類型的變量總是有著相同的靜態(tài)類型，這個(gè)值總是滿足空接口，只是存儲(chǔ)在接口變量中的值運(yùn)行時(shí)可能被改變。對(duì)于所有這些都必須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)待，因?yàn)榉瓷浜徒涌诿芮邢嚓P(guān)。

二  接口類型內(nèi)存布局

在類型中有一個(gè)重要的類別就是接口類型，表達(dá)了固定的一個(gè)方法集合。一個(gè)接口變量可以存儲(chǔ)任意實(shí)際值（非接口），只要這個(gè)值實(shí)現(xiàn)了接口的方法。interface在內(nèi)存上實(shí)際由兩個(gè)成員組成，如下圖，tab指向虛表，data則指向?qū)嶋H引用的數(shù)據(jù)。虛表描繪了實(shí)際的類型信息及該接口所需要的方法集。

type Stringer interface { 
 String() string 
} 
 
type Binary uint64 
 
func (i Binary) String() string { 
 return strconv.FormatUint(i.Get(), 2) 
} 
 
func (i Binary) Get() uint64 { 
 return uint64(i) 
} 
 
func main() { 
 var b Binary = 32 
 s := Stringer(b) 
 fmt.Print(s.String()) 
} 

觀察itable的結(jié)構(gòu)，首先是描述type信息的一些元數(shù)據(jù)，然后是滿足Stringger接口的函數(shù)指針列表（注意，這里不是實(shí)際類型Binary的函數(shù)指針集哦）。因此我們?nèi)绻ㄟ^(guò)接口進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，實(shí)際的操作其實(shí)就是s.tab->fun[0](s.data) 。是不是和C++的虛表很像？但是他們有本質(zhì)的區(qū)別。先看C++，它為每個(gè)類創(chuàng)建了一個(gè)方法集即虛表，當(dāng)子類重寫父類的虛函數(shù)時(shí)，就將表中的相應(yīng)函數(shù)指針改為子類自己實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，如果沒有則指向父類的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)面臨多繼承時(shí)，C++對(duì)象結(jié)構(gòu)里就會(huì)存在多個(gè)虛表指針，每個(gè)虛表指針指向該方法集的不同部分。我們?cè)賮?lái)看golang的實(shí)現(xiàn)方式，同C++一樣，golang也為每種類型創(chuàng)建了一個(gè)方法集，不同的是接口的虛表是在運(yùn)行時(shí)專門生成的，而c++的虛表是在編譯時(shí)生成的（但是c++虛函數(shù)表表現(xiàn)出的多態(tài)是在運(yùn)行時(shí)決定的).例如，當(dāng)例子中當(dāng)首次遇見s := Stringer(b)這樣的語(yǔ)句時(shí)，golang會(huì)生成Stringer接口對(duì)應(yīng)于Binary類型的虛表，并將其緩存。那么為什么go不采用c++的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？這根c++和golang的對(duì)象內(nèi)存布局是有關(guān)系的。

首先c++的動(dòng)態(tài)多態(tài)是以繼承為基礎(chǔ)的，在對(duì)象構(gòu)造初始化的時(shí)首先會(huì)初始化父類，其次是子類，也就是說(shuō)一個(gè)對(duì)象的內(nèi)存布局是虛表，父類部分，子類部分（編譯器不同可能會(huì)有差異），當(dāng)一個(gè)父類指針指向子類時(shí)，會(huì)發(fā)生內(nèi)存的截?cái)啵財(cái)嘧宇惒糠?內(nèi)存地址偏移)，但是此時(shí)子類的虛表中的函數(shù)指針實(shí)際上還是指向了自己的實(shí)現(xiàn)，所以此時(shí)的指針才會(huì)調(diào)用到子類的虛函數(shù)，如果不是虛函數(shù)，因?yàn)閮?nèi)存已經(jīng)截?cái)鄾]有子類的非虛函數(shù)信息了，所以只能調(diào)用父類的了，這種繼承關(guān)系讓c++的虛表的初始化非常清晰，在一個(gè)對(duì)象初始化時(shí)先調(diào)用父類的構(gòu)造此時(shí)虛表跟父類是一樣的，接下來(lái)初始化子類，此時(shí)編譯器就會(huì)去識(shí)別子類有沒有覆蓋父類的虛函數(shù)，如果有則虛表中相應(yīng)的函數(shù)指針改成自己的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)指針。

那么go有什么不同呢，首先我們很清楚go是沒有嚴(yán)格意義上的繼承的，go的接口不存在繼承關(guān)系，只要實(shí)現(xiàn)了接口定義的方法都可以成為接口類型，這給go的虛表初始化帶來(lái)很大的麻煩，到底有多少類型實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口，一個(gè)類型到底實(shí)現(xiàn)了多少接口這讓編譯器很confused。舉個(gè)例子，某個(gè)類型有m個(gè)方法，某接口有n個(gè)方法，則很容易知道這種判定的時(shí)間復(fù)雜度為O(mXn)，不過(guò)可以使用預(yù)先排序的方式進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)際的時(shí)間復(fù)雜度為O(m+n)這樣看來(lái)其實(shí)還行那為什么要在運(yùn)行時(shí)生成虛表呢，這不是會(huì)拖慢程序的運(yùn)行速度嗎，注意我們這里是某個(gè)類型，某個(gè)接口，是1對(duì)1的關(guān)系，如果有n個(gè)類型，n個(gè)接口呢，編譯器難道要把之間所有的關(guān)系都理清嗎？退一步說(shuō)就算編譯器任勞任怨把這事干了，可是你在寫過(guò)程中你本來(lái)就不想實(shí)現(xiàn)那個(gè)接口，而你無(wú)意中給這個(gè)類型實(shí)現(xiàn)的方法中包含了某些接口的方法，你根本不需要這個(gè)接口(況且go的接口機(jī)制會(huì)導(dǎo)致很多這種無(wú)意義的接口實(shí)現(xiàn))，你欺負(fù)編譯器就行了，這也太欺負(fù)人了吧。如果我們放到運(yùn)行時(shí)呢，我們只要在需要接口的去分析一下類型是否實(shí)現(xiàn)了接口的所有方法就行了很簡(jiǎn)單的一件事。

三 空接口

接口類型的一個(gè)極端重要的例子是空接口：interface{} ,它表示空的方法集合，由于任何值都有零個(gè)或者多個(gè)方法，所以任何值都可以滿足它。 注意，[]T不能直接賦值給[]interface{}

//t := []int{1, 2, 3, 4} wrong 
//var s []interface{} = t 
t := []int{1, 2, 3, 4} //right 
s := make([]interface{}, len(t)) 
for i, v := range t { 
 s[i] = v 
} 

str, ok := value.(string) 
if ok { 
 fmt.Printf("string value is: %q\n", str) 
} else { 
 fmt.Printf("value is not a string\n") 
} 

在Go語(yǔ)言中，我們可以使用type switch語(yǔ)句查詢接口變量的真實(shí)數(shù)據(jù)類型，語(yǔ)法如下：

type Stringer interface { 
  String() string 
} 
 
var value interface{} // Value provided by caller. 
switch str := value.(type) { 
case string: 
  return str //type of str is string 
case Stringer: //type of str is Stringer 
  return str.String() 
} 

也可以使用“comma, ok”的習(xí)慣用法來(lái)安全地測(cè)試值是否為一個(gè)字符串：

str, ok := value.(string) 
if ok { 
  fmt.Printf("string value is: %q\n", str) 
} else { 
  fmt.Printf("value is not a string\n") 
} 

四 接口賦值

package main 
 
import ( 
"fmt" 
) 
 
type LesssAdder interface { 
  Less(b Integer) bool 
  Add(b Integer) 
} 
 
type Integer int 
 
func (a Integer) Less(b Integer) bool { 
  return a  b 
} 
 
func (a *Integer) Add(b Integer) { 
  *a += b 
} 
 
func main() { 
 
  var a Integer = 1 
  var b LesssAdder = a 
  fmt.Println(b) 
 
  //var c LesssAdder = a 
  //Error:Integer does not implement LesssAdder  
  //(Add method has pointer receiver) 
} 

go語(yǔ)言可以根據(jù)下面的函數(shù):

func (a Integer) Less(b Integer) bool  

自動(dòng)生成一個(gè)新的Less()方法

func (a *Integer) Less(b Integer) bool  

這樣，類型*Integer就既存在Less()方法，也存在Add()方法，滿足LessAdder接口。 而根據(jù)

func (a *Integer) Add(b Integer) 

這個(gè)函數(shù)無(wú)法生成以下成員方法：

func(a Integer) Add(b Integer) { 
  （a).Add(b) 
} 

因?yàn)?code>(a).Add()改變的只是函數(shù)參數(shù)a,對(duì)外部實(shí)際要操作的對(duì)象并無(wú)影響(值傳遞)，這不符合用戶的預(yù)期。所以Go語(yǔ)言不會(huì)自動(dòng)為其生成該函數(shù)。因此類型Integer只存在Less()方法，缺少Add()方法，不滿足LessAddr接口。（可以這樣去理解：指針類型的對(duì)象函數(shù)是可讀可寫的，非指針類型的對(duì)象函數(shù)是只讀的）將一個(gè)接口賦值給另外一個(gè)接口 在Go語(yǔ)言中，只要兩個(gè)接口擁有相同的方法列表(次序不同不要緊),那么它們就等同的，可以相互賦值。 如果A接口的方法列表時(shí)接口B的方法列表的子集，那么接口B可以賦值給接口A，但是反過(guò)來(lái)是不行的，無(wú)法通過(guò)編譯。

五 接口查詢

接口查詢是否成功，要在運(yùn)行期才能夠確定。他不像接口的賦值，編譯器只需要通過(guò)靜態(tài)類型檢查即可判斷賦值是否可行。

var file1 Writer = ...
if file5,ok := file1.(two.IStream);ok {
...
}

這個(gè)if語(yǔ)句檢查file1接口指向的對(duì)象實(shí)例是否實(shí)現(xiàn)了two.IStream接口，如果實(shí)現(xiàn)了，則執(zhí)行特定的代碼。

在Go語(yǔ)言中，你可以詢問(wèn)它指向的對(duì)象是否是某個(gè)類型，比如，

var file1 Writer = ...
if file6,ok := file1.(*File);ok {
...
}

這個(gè)if語(yǔ)句判斷file1接口指向的對(duì)象實(shí)例是否是*File類型，如果是則執(zhí)行特定的代碼。

slice := make([]int, 0)
slice = append(slice, 1, 2, 3)

var I interface{} = slice


if res, ok := I.([]int)；ok {
  fmt.Println(res) //[1 2 3]
}

這個(gè)if語(yǔ)句判斷接口I所指向的對(duì)象是否是[]int類型，如果是的話輸出切片中的元素。

func Sort(array interface{}, traveser Traveser) error {

  if array == nil {
    return errors.New("nil pointer")
  }
  var length int //數(shù)組的長(zhǎng)度
  switch array.(type) {
  case []int:
    length = len(array.([]int))
  case []string:
    length = len(array.([]string))
  case []float32:
    length = len(array.([]float32))

  default:
    return errors.New("error type")
  }

  if length == 0 {
    return errors.New("len is zero.")
  }

  traveser(array)

  return nil
}

通過(guò)使用.(type)方法可以利用switch來(lái)判斷接口存儲(chǔ)的類型。

小結(jié): 查詢接口所指向的對(duì)象是否為某個(gè)類型的這種用法可以認(rèn)為是接口查詢的一個(gè)特例。接口是對(duì)一組類型的公共特性的抽象，所以查詢接口與查詢具體類型區(qū)別好比是下面這兩句問(wèn)話的區(qū)別:

你是醫(yī)生么？

是。

你是莫莫莫

是

第一句問(wèn)話查詢的是一個(gè)群體，是查詢接口；而第二個(gè)問(wèn)句已經(jīng)到了具體的個(gè)體，是查詢具體類型。

除此之外利用反射也可以進(jìn)行類型查詢，會(huì)在反射中做詳細(xì)介紹。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，如果有疑問(wèn)大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。