深入 Go 底层原理（十三）：interface 的内部表示与动态派发

1. 引言

接口（interface）是 Go 语言实现多态和代码解耦的核心。一个变量如果实现了接口要求的所有方法，我们就可以说它“是”这个接口类型。这种动态的类型行为背后，是一套清晰而高效的内存布局和派发机制。

本文将深入 runtime，揭示 Go interface 的两种内部表示 eface 和 iface，并解释方法调用（动态派发）是如何实现的。

2. interface 的两种内部表示

interface 在 Go 的底层有两种不同的结构体表示，取决于接口的类型。

a) eface (Empty Interface)

用于表示空接口 interface{}。任何类型都可以赋值给空接口。

// src/runtime/runtime2.go
type eface struct {
    _type *_type // 指向变量的动态类型信息
    data  unsafe.Pointer // 指向变量的实际数据
}

• _type: 是一个 runtime._type 结构体指针，包含了关于这个变量的所有类型信息（如类型名称、大小、哈希值等）。

• data: 是一个指针，指向被存入接口的实际数据的副本。

当执行 var i interface{} = "hello" 时，i 在内存中就是一个 eface，其 _type 指向 string 的类型信息，data 指向字符串 "hello" 的数据。

b) iface (Interface with Methods)

用于表示带有方法的接口，例如 io.Reader。

// src/runtime/runtime2.go
type iface struct {
    tab  *itab          // 接口方法表指针
    data unsafe.Pointer // 指向变量的实际数据
}

• data: 与 eface 相同，指向实际数据。

• tab (itab): 这是实现动态派发的关键。itab (interface table) 是一个结构体，包含了：

  • inter: 指向接口类型的定义。

  • _type: 指向具体类型（动态类型）的定义。

  • fun: 一个函数指针数组。这个数组的长度等于接口定义的方法数量。数组中的每个指针都指向具体类型所实现的对应方法。

当执行 var r io.Reader = os.File{} 时，Go runtime 会在内部构建一个 itab。这个 itab 会确认 os.File 类型确实实现了 io.Reader 的所有方法（如 Read()），然后将 os.File 的 Read 方法的函数地址存入 itab 的 fun 数组中。最后，用这个 itab 和指向 os.File 数据的指针来填充 iface。

3. 动态派发 (Dynamic Dispatch)

当我们通过一个接口变量调用方法时，例如 r.Read(...)，其执行流程如下：

1. 从 iface 中取出 tab (itab) 指针。

2. 从 itab 的 fun 数组中，根据方法在接口定义中的顺序，找到对应的函数指针。例如，Read 是 io.Reader 的第一个方法，就取 fun[0]。

3. 从 iface 中取出 data 指针（即 receiver）。

4. 将 data 作为第一个参数（receiver），调用获取到的函数指针。

这个通过 itab 查找并调用方法的过程，就叫做动态派发。因为具体调用哪个函数是在运行时才决定的，所以会比直接调用（静态派发）有微小的性能开销。

4. 类型断言 (value, ok := i.(T))

类型断言的实现也依赖于 eface 和 iface。

• 对于 i.(T)，runtime 会取出 i 内部的 _type (来自 eface 或 iface.tab._type)，并将其与 T 的类型信息进行比较。

• 如果类型完全匹配，断言成功，ok 为 true，value 被赋予 data 指针指向的数据。

• 如果不匹配，断言失败，ok 为 false，value 为 T 的零值。如果是不带 ok 的断言，则会直接 panic。