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    Go之interface的具体使用

    作者:飘飘白云 时间:2021-06-25 18:30

    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 := Animal{name: "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

    js