golang 接口

接口

　　接口类型是对其它类型行为的抽象和概括；因为接口类型不会和特定的实现细节绑定在一起，通过这种抽象的方式我们可以让我们的函数更加灵活和更具有适应能力

接口类型

　　接口类型具体描述了一系列方法的集合，一个实现了这些方法的具体类型是这个接口类型的实例

实现接口的条件

　　一个类型如果拥有一个接口需要的所有方法，那么这个类型就实现了这个接口。例如，​​*os.File​​​类型实现了io.Reader，Writer，Closer，和ReadWriter接口。​​*bytes.Buffer​​​实现了Reader，Writer，和ReadWriter这些接口，但是它没有实现Closer接口因为它不具有Close方法。Go的程序员经常会简要的把一个具体的类型描述成一个特定的接口类型。举个例子，​​*bytes.Buffer​​​是io.Writer；​​*os.Files​​是io.ReadWriter。

var w io.Writer
w = os.Stdout           // OK: *os.File has Write method
w = new(bytes.Buffer)   // OK: *bytes.Buffer has Write method
w = time.Second         // compile error: time.Duration lacks Write method

var rwc io.ReadWriteCloser
rwc = os.Stdout         // OK: *os.File has Read, Write, Close methods
rwc = new(bytes.Buffer) // compile error: *bytes.Buffer lacks Close method

w = rwc                 // OK: io.ReadWriteCloser has Write method
rwc = w                 // compile error: io.Writer lacks Close method

　　对于每一个命名过的具体类型T；它的一些方法的接收者是类型T本身然而另一些则是一个​​*T​​的指针。还记得在T类型的参数上调用一个​​*T​​的方法是合法的，只要这个参数是一个变量；编译器隐式的获取了它的地址。但这仅仅是一个语法糖：T类型的值不拥有所有​​*T​​指针的方法，这样它就可能只实现了更少的接口。实现接口的类型和初始化返回的类型两个维度共组成了四种情况，然而这四种情况不是都能通过编译器的检查：

四种中只有使用指针实现接口，使用结构体初始化变量无法通过编译，其他的三种情况都可以正常执行。当实现接口的类型和初始化变量时返回的类型时相同时，代码通过编译是理所应当的：

• 方法接受者和初始化类型都是结构体；
• 方法接受者和初始化类型都是结构体指针；

 而剩下的两种方式为什么一种能够通过编译，另一种无法通过编译呢？

type Duck interface {
    Quack()
}

type Cat struct{}

func (c *Cat) Quack() {
    fmt.Println("meow")
}

func main() {
    var c Duck = Cat{}
    c.Quack()
}

$ go build interface.go
./interface.go:20:6: cannot use Cat literal (type Cat) as type Duck in assignment:
    Cat does not implement Duck (Quack method has pointer receiver)

func (c Cat) Quack() {
    fmt.Println("meow")
}

func main() {
    var c Duck = &Cat{}
    c.Quack()
}

​​Cat​​ 类型没有实现 ​​Duck​​ 接口，​​Quack​​ 方法的接受者是指针

这是为什么？？

如上图所示，无论上述代码中初始化的变量 ​​c​​​ 是 ​​Cat{}​​​ 还是 ​​&Cat{}​​​，使用 ​​c.Quack()​​ 调用方法时都会发生值拷贝：

• 如上图左侧，对于 ​​&Cat{}​​ 来说，这意味着拷贝一个新的 ​​&Cat{}​​ 指针，这个指针与原来的指针指向一个相同并且唯一的结构体，所以编译器可以隐式的对变量解引用（dereference）获取指针指向的结构体；
• 如上图右侧，对于 ​​Cat{}​​ 来说，这意味着 ​​Quack​​ 方法会接受一个全新的 ​​Cat{}​​，因为方法的参数是 ​​*Cat​​，编译器不会无中生有创建一个新的指针；即使编译器可以创建新指针，这个指针指向的也不是最初调用该方法的结构体；

上面的分析解释了指针类型的现象，当我们使用指针实现接口时，只有指针类型的变量才会实现该接口；当我们使用结构体实现接口时，指针类型和结构体类型都会实现该接口

举个例子可能会更清晰一点

type IntSet struct { /* ... */ }
func (*IntSet) String() string
var _ = IntSet{}.String() // compile error: String requires *IntSet receiver
var s IntSet
var _ = s.String() // OK: s is a variable and &s has a String method

然而，由于只有​​*IntSet​​类型有String方法，所以也只有​​*IntSet​​类型实现了fmt.Stringer接口：

var _ fmt.Stringer = &s // OK
var _ fmt.Stringer = s  // compile error: IntSet lacks String method

接口类型封装和隐藏具体类型和它的值。即使具体类型有其它的方法，也只有接口类型暴露出来的方法会被调用到：

os.Stdout.Write([]byte("hello")) // OK: *os.File has Write method
os.Stdout.Close()                // OK: *os.File has Close method

var w io.Writer
w = os.Stdout
w.Write([]byte("hello")) // OK: io.Writer has Write method
w.Close()                // compile error: io.Writer lacks Close method

　　实际上interface{}被称为空接口类型是不可或缺的。因为空接口类型对实现它的类型没有要求，所以我们可以将任意一个值赋给空接口类型

var any interface{}
any = true
any = 12.34
any = "hello"
any = map[string]int{"one": 1}
any = new(bytes.Buffer)

对于创建的一个interface{}值持有一个boolean，float，string，map，pointer，或者任意其它的类型；我们当然不能直接对它持有的值做操作，因为interface{}没有任何方法

 Go 语言使用 ​​​runtime.iface​​​​ 表示第一种接口，使用 ​​​runtime.eface​​​​ 表示第二种不包含任何方法的接口 ​​interface{}​​​，两种接口虽然都使用 ​​interface​​ 声明，但是由于后者在 Go 语言中很常见，所以在实现时使用了特殊的类型。

接口值

　接口值，由两个部分组成，一个具体的类型和那个类型的值。它们被称为接口的动态类型和动态值。对于像Go语言这种静态类型的语言，类型是编译期的概念；因此一个类型不是一个值。在我们的概念模型中，一些提供每个类型信息的值被称为类型描述符，比如类型的名称和方法。在一个接口值中，类型部分代表与之相关类型的描述符。

变量w得到了3个不同的值。（开始和最后的值是相同的）

var w io.Writer
w = os.Stdout
w = new(bytes.Buffer)
w = nil

　　在Go语言中，变量总是被一个定义明确的值初始化，即使接口类型也不例外。对于一个接口的零值就是它的类型和值的部分都是nil

 　　一个接口值基于它的动态类型被描述为空或非空，所以这是一个空的接口值。你可以通过使用w==nil或者w!=nil来判断接口值是否为空。调用一个空接口值上的任意方法都会产生panic:

第二个语句将一个​​*os.File​​类型的值赋给变量w:

　　这个赋值过程调用了一个具体类型到接口类型的隐式转换，这和显式的使用io.Writer(os.Stdout)是等价的。这类转换不管是显式的还是隐式的，都会刻画出操作到的类型和值。这个接口值的动态类型被设为​​*os.File​​指针的类型描述符，它的动态值持有os.Stdout的拷贝；这是一个代表处理标准输出的os.File类型变量的指针（图7.2）。

 调用一个包含​​*os.File​​类型指针的接口值的Write方法，使得​​(*os.File).Write​​方法被调用。这个调用输出“hello”。

w.Write([]byte("hello")) // "hello"

　　通常在编译期，我们不知道接口值的动态类型是什么，所以一个接口上的调用必须使用动态分配。因为不是直接进行调用，所以编译器必须把代码生成在类型描述符的方法Write上，然后间接调用那个地址。这个调用的接收者是一个接口动态值的拷贝，os.Stdout。效果和下面这个直接调用一样：

os.Stdout.Write([]byte("hello")) // "hello"

第三个语句给接口值赋了一个*bytes.Buffer类型的值

　　现在动态类型是*bytes.Buffer并且动态值是一个指向新分配的缓冲区的指针（图7.3）。

　一个接口值可以持有任意大的动态值。例如，表示时间实例的time.Time类型，这个类型有几个对外不公开的字段。我们从它上面创建一个接口值：

var x interface{} = time.Now()

结果可能和图7.4相似。从概念上讲，不论接口值多大，动态值总是可以容下它。（这只是一个概念上的模型；具体的实现可能会非常不同）

　　接口值可以使用==和!＝来进行比较。两个接口值相等仅当它们都是nil值，或者它们的动态类型相同并且动态值也根据这个动态类型的==操作相等。因为接口值是可比较的，所以它们可以用在map的键或者作为switch语句的操作数。

然而，如果两个接口值的动态类型相同，但是这个动态类型是不可比较的（比如切片），将它们进行比较就会失败并且panic:

var x interface{} = []int{1, 2, 3}
fmt.Println(x == x) // panic: comparing uncomparable type []int

　　接口类型是非常与众不同的。其它类型要么是安全的可比较类型（如基本类型和指针）要么是完全不可比较的类型（如切片，映射类型，和函数），但是在比较接口值或者包含了接口值的聚合类型时，我们必须要意识到潜在的panic。同样的风险也存在于使用接口作为map的键或者switch的操作数。只能比较你非常确定它们的动态值是可比较类型的接口值。

var w io.Writer
fmt.Printf("%T\n", w) // "<nil>"
w = os.Stdout
fmt.Printf("%T\n", w) // "*os.File"
w = new(bytes.Buffer)
fmt.Printf("%T\n", w) // "*bytes.Buffer"

var buf *bytes.Buffer

if out != nil {
    out.Write([]byte("done!\n")) // panic: nil pointer dereference
}

当main函数调用函数f时，它给f函数的out参数赋了一个*bytes.Buffer的空指针，所以out的动态值是nil。然而，它的动态类型是*bytes.Buffer，意思就是out变量是一个包含空指针值的非空接口（如图7.5），
所以防御性检查out!=nil的结果依然是true。

 　　动态分配机制依然决定(*bytes.Buffer).Write的方法会被调用，但是这次的接收者的值是nil。对于一些如*os.File的类型，nil是一个有效的接收者（§6.2.1），但是*bytes.Buffer类型不在这些种类中。这个方法会被调用，但是当它尝试去获取缓冲区时会发生panic

　　问题在于尽管一个nil的*bytes.Buffer指针有实现这个接口的方法，它也不满足这个接口具体的行为上的要求。特别是这个调用违反了(*bytes.Buffer).Write方法的接收者非空的隐含先觉条件，所以将nil指针赋给这个接口是错误的。解决方案就是将main函数中的变量buf的类型改为io.Writer，因此可以避免一开始就将一个不完整的值赋值给这个接口：

var buf io.Writer
if debug {
    buf = new(bytes.Buffer) // enable collection of output
}
f(buf) // OK

Go 语言根据接口类型是否包含一组方法将接口类型分成了两类：

• 使用​​​runtime.iface​​​ 结构体表示包含方法的接口
• 使用​​​runtime.eface​​​​ 结构体表示不包含任何方法的​​interface{}​​ 类型；

runtime.eface
 结构体在 Go 语言中的定义

type eface struct { // 16 字节
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

由于 ​​interface{}​​ 类型不包含任何方法，所以它的结构也相对来说比较简单，只包含指向底层数据和类型的两个指针。从上述结构我们也能推断出 — Go 语言的任意类型都可以转换成 ​​interface{}​​

另一个用于表示接口的结构体是 runtime.iface
，这个结构体中有指向原始数据的指针 data
，不过更重要的是 runtime.itab
 类型的 tab
 字段

type iface struct { // 16 字节
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}

详细分析 Go 语言接口中的这两个类型，即 ​​​runtime._type​​​​ 和 ​​​runtime.itab​​​

类型结构体 ​​#​​

​​​runtime._type​​​ 是 Go 语言类型的运行时表示。下面是运行时包中的结构体，其中包含了很多类型的元信息，例如：类型的大小、哈希、对齐以及种类等。

type _type struct {
    size       uintptr
    ptrdata    uintptr
    hash       uint32
    tflag      tflag
    align      uint8
    fieldAlign uint8
    kind       uint8
    equal      func(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool
    gcdata     *byte
    str        nameOff
    ptrToThis  typeOff
}

• ​​size​​ 字段存储了类型占用的内存空间，为内存空间的分配提供信息；
• ​​hash​​ 字段能够帮助我们快速确定类型是否相等；
• ​​equal​​​ 字段用于判断当前类型的多个对象是否相等，该字段是为了减少 Go 语言二进制包大小从​​typeAlg​​ 结构体中迁移过来的^{​​4​​}；

itab 结构体 ​​#​​

​​​runtime.itab​​​​ 结构体是接口类型的核心组成部分，每一个 ​​​runtime.itab​​​​ 都占 32 字节，我们可以将其看成接口类型和具体类型的组合，它们分别用 ​​inter​​​ 和 ​​_type​​ 两个字段表示：

type itab struct { // 32 字节
    inter *interfacetype
    _type *_type
    hash  uint32
    _     [4]byte
    fun   [1]uintptr
}

除了 ​​inter​​​ 和 ​​_type​​ 两个用于表示类型的字段之外，上述结构体中的另外两个字段也有自己的作用：

• ​​hash​​​ 是对​​_type.hash​​​ 的拷贝，当我们想将​​interface​​​ 类型转换成具体类型时，可以使用该字段快速判断目标类型和具体类型​​​runtime._type​​​ 是否一致；
• ​​fun​​​ 是一个动态大小的数组，它是一个用于动态派发的虚函数表，存储了一组函数指针。虽然该变量被声明成大小固定的数组，但是在使用时会通过原始指针获取其中的数据，所以​​fun​​ 数组中保存的元素数量是不确定的；

 如何将一个接口类型转换成具体类型？？

动态派发

　　动态派发（Dynamic dispatch）是在运行期间选择具体多态操作（方法或者函数）执行的过程，它是面向对象语言中的常见特性^{​​6​​}。Go 语言虽然不是严格意义上的面向对象语言，但是接口的引入为它带来了动态派发这一特性，调用接口类型的方法时，如果编译期间不能确认接口的类型，Go 语言会在运行期间决定具体调用该方法的哪个实现。

在如下所示的代码中，​​main​​​ 函数调用了两次 ​​Quack​​ 方法：

• 第一次以​​Duck​​ 接口类型的身份调用，调用时需要经过运行时的动态派发；
• 第二次以​​*Cat​​ 具体类型的身份调用，编译期就会确定调用的函数：

func main() {
    var c Duck = &Cat{Name: "draven"}
    c.Quack()
    c.(*Cat).Quack()
}

上图 接口类型初始化后的栈

• SP 是​​Cat​​​ 类型，它也是运行时​​​runtime.newobject​​​ 方法的参数；
• SP+8 是​​​runtime.newobject​​​​ 方法的返回值，即指向堆上的​​Cat​​ 结构体的指针；
• SP+32、SP+40 是对 SP+8 的拷贝，这两个指针都会指向堆上的​​Cat​​ 结构体；
• SP+48 ~ SP+64 是接口变量​​​runtime.iface​​​​ 结构体，其中包含了​​tab​​​ 结构体指针和​​*Cat​​ 指针；

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