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Go 指针与接口那些事

Go 是传值的

在正式开始讨论指针与接口之前，我们有必要达成共识：Go 中函数传参是传值。

普通参数

普通参数很容易理解，传值就是把原来的值拷贝一份，再传给函数。那么函数拿到的是副本，对齐的修改自然也不会影响原来的值。playground

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func foo(b int) {
  b = 007
}
func main() {
  a := 996
  foo(a)
  println(a) // 996
}

传参发生时，系统开辟了新的内存空间（位于 0x65），把原先的值拷贝一份进去。foo() 修改的是 0x65 里的值。而打印的依然是 a，是 0x11 里的值。

指针参数

指针参数传的还是值！还是有拷贝！但是拷贝的不是值本身，而是一个指针。所以在 64 位电脑上，一个指针传递要拷贝 8B 内存，无论它指向的值有多大。playground

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import "fmt"

func foo(c *int) {
  fmt.Printf("c 的地址是 %p\n", &c) // 0xc00000e028
  *c = 007
}
func main() {
  a := 996
  b := &a
  fmt.Printf("b 的地址是 %p\n", &b) // 0xc00000e038
  foo(b)
  println(a) // 7
}

传指针

把 b 传过去变成 c 的过程中依然发生了拷贝。b 和 c 对应内存中完全不同的地址，只不过它们都指向 a 而已。就像公路和铁路都连接杭州，但它们是完全不同的东西，公路堵车不会影响铁路。

此时 foo() 修改的不是 c 本身，而是 c 指向的那个东西。因此变化可以反映到 a 或 *b。就像通过火车把苹果运到了杭州，你此时开车去杭州也可以看见这箱苹果。

切片参数

切片也是传值！不是引用！

切片是一个结构体：

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type slice struct {
    array unsafe.Pointer // 指向底层数组
    len   int
    cap   int
}

所以切片传递时和传递一个普通结构体没有什么区别——需要把其 3 个字段完整拷贝。特殊的是，切片是一个引用类型。

所谓引用类型，指它实际的值存放在一片单独的内存中，与自身分离。自己通过保存一个内存指针来访问数据。

我们完全可以自己写一个引用类型，实现和切片类似的，看起来像引用存传递，实际是值传递的效果：playground

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import "fmt"

type RefType struct {
  RealData *int
}

func foo(r RefType) {
  *r.RealData = 007
}

func main() {
  data := 996
  a := RefType{RealData: &data}
  fmt.Printf("before: %d\n", *a.RealData) // 996
  foo(a)
  fmt.Printf("after: %d\n", *a.RealData) //7
}

看，虽然参数 r 不是指针，但它内部的改动依然可以反映到 main 里。

切片同理：playground

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import "fmt"

func foo(b []int) {
  fmt.Printf("b 的地址是 %p\n", &b) // 0xc0000a4048
  b[0] = 7
}

func main() {
  a := make([]int, 4)
  a[0] = 996
  fmt.Printf("a 的地址是 %p\n", &a) // 0xc0000a4030
  fmt.Printf("before: %d\n", a[0]) // 996
  foo(a)
  fmt.Printf("after: %d\n", a[0]) // 7
}

传切片

很明显，b 是 a 的一个拷贝，由此证明 slice 也是传值。

为了进一步证明 slice 是引用类型，可以做一个实验：playground

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import (
  "fmt"
  "unsafe"
)

func main() {
  a := make([]int64, 1, 2)
  _ = append(a, 6)
  // fmt.Println(a[1]) // 越界！
  // 强制访问 a[1]
  baseAddr := unsafe.Pointer(&a[0])
  offset := unsafe.Sizeof(a[0])
  fmt.Println(*(*int64)(unsafe.Pointer(uintptr(baseAddr) + offset))) // 6
}

虽然追加元素后没有重新赋值，其实底层数组已经更新了。由于 slice 的 len 字段不是指针，才未能更新正确的长度导致报错。

虽然大部分情况下我们只需要传切片值就好，但因为其本质依然是值传递，所以如果可能修改切片的自己的字段（例如发生重分配/扩容），还是需要以指针的形式传递切片，否则修改无法回带。

接口的本质

原型与方法集

聊接口之前，先熟悉几个名词。

  • 函数原型 (fuction prototype)：由函数名与函数签名组成。字面形式还包括一个 func 关键字。例如：

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    func Double(n int) (result int)

  • 方法原型 (method prototype)：形式上是不带 func 关键字的函数原型。方法 = func + 属主参数声明（接收器）+ 方法原型 + 方法体。方法原型例如：

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    Pages() int
SetPages(pages int)

  • 方法集 (method set)：一个类型的方法集由它所声明的所有方法原型（不包括名字为空白标识符 _ 的方法）组成。接口类型除外，这是下面要重点讨论的。 方法集是无序的。例如对于下面的声明：

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    func (b Book) Pages() int {
  return Book.Pages(b)
}

func (b *Book) SetPages(pages int) {
  (*Book).SetPages(b, pages)
}

    Book 的方法集为：

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    Pages() int

    *Book 的方法集为：

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    Pages() int
SetPages(pages int)

    注意，这里隐含了两个关键点：

    1. Book 与 *Book 是两个完全不同的类型。
    2. 值接收器的方法隐式地同时被声明为指针类型的方法。反之不成立。

接口类型与实现

「接口类型」定义了一个方法集。前面说过，每个类型都有一个方法集：

  • 对于非接口类型：方法集由它所声明的，所有的，名称不为空的方法原型组成。

  • 对于接口类型：方法集就是它所指定的方法集。 简单粗暴对不对？

因此接口可以说定义了一个类型「能做什么」。

如果任意一个类型的方法集是接口类型的方法集的超集，那么这个类型就实现了此接口。这句看似简单的话也隐含了几个易混淆的点：

  1. 接口的实现不一定是结构体，而可能是任意类型。即：基本类型的定义类型、结构体，甚至接口都可以实现接口（而不叫继承）例如：

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    type Sayer interface{ Say(text string) }

type MyInt int // 定义一个新类型，源类型是基本类型 int

func (m MyInt) Say(s string) {
  logger.Info(strconv.Itoa(int(m)) + " say: " + s)
}
// 现在可以说，类型 MyInt 实现了接口 Sayer
var sayer Sayer = MyInt(1) // ok


type AnotherSayer interface { Say(text string) }
// 现在可以说 AnotherSayer 与 Sayer 互相实现
var a AnotherSayer = Sayer(MyInt(1)) // ok
var s Sayer = AnotherSayer(MyInt(1)) // ok

  2. 方法集由方法原型组成，方法原型=函数名+函数签名。所以只有一个类型的方法名称、参数、返回值都与接口中定义的相同时，才可以实现接口。只有函数签名相同是不行的。

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    type Sayer interface{ Say(text string) }
type MyInt int
func (m MyInt) SayText(text string) {
  logger.Info(strconv.Itoa(int(m)) + " say: " + s)
}
// MyInt *没有* 实现 Sayer
var a Sayer = MyInt(1) // error!

根据上面的定义，任何类型都实现了任何空接口类型。 <- 这一点很重要，下面的例子要用。令一个事实是，任何接口都实现了自己。

接口的值

（也许）不少人认为接口是没有值的，尤其是 jvm 系的同学（比如我），因为都被一句话洗过脑：(java 中) 接口不可以实例化。

Go 中，接口是否可以实例化不好回答，因为它就不是个面向对象的语言。但确定的是，Go 中的接口可以有值，而且接口的值既不是实现它的对象（类型上不是，地址上更不是），也不是接口类型本身。 从便于理解的角度出发，可以认为接口的值相当于接口的一个实例。

把一个接口的实现赋值给接口变量，这时候接口的值是什么？再次强调，绝不是这个值本身： (playground)

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type Sayer interface{ Say(text string) }
type Fool struct{ Name string}
func (f Fool) Say(text string) {
  fmt.Println("A fool called ", f.Name, " say: ", text)
}
func main() {
  var f = Fool{ "Tom" }
  var s Sayer = f
  fmt.Printf("f: %p\ns: %p\n", &f, &s)
  // f: 0x551048
  // s: 0xc000108050
}

可以看到，f 与 s 不是一个东西。

接口的值其实是一个结构体实例，其大小为 2 字（在 64 位设备上是 16B），含有 2 个字段，定义如下1：

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type iface struct {
  tab  *itab          // iTable
  data unsafe.Pointer // 动态值（底层值）的指针
}

其中 itab 是另一个结构体，它储存了这个接口值的动态值的类型和方法集。

由于空接口没有方法集，所以它不需要 itab 结构了，而是只存动态值的类型信息：

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type eface struct {
  _type *_type        // 直接存类型信息
  data unsafe.Pointer
}

动态值 （底层值）是这个接口值所包含的实际的值。

例如我们把 f Fool 赋值给了接口值 s Sayer，那么此时，s 的动态值就是 f（准确说是 f 的副本），s 动态值的类型就是 Fool，方法集就是 Fool 的方法集。

可以发现，接口值的本质和切片很像：它们都是一个包装，通过指针引用着实际（底层）的值。

当一个值 v 被赋值给接口变量 i（前提是 v 的类型实现了 i 的接口），可能发生两件事情：

  • 若 v 不是接口类型。那么创建一个接口结构体并赋值给 i，v 会被拷贝一份包装到 i 里。除此之外，i 也会记录 v 的类型信息（不用拷贝）。
  • 若 v 也是一个接口。那么 v 里包装的动态值会被再复制一份放到 i 里。然后 v 里包装的类型信息也会同步给 i。

在编译的时候，Go 编译器会构建一个全局表（不是 itab)，存储用到的所有类型的信息。这些信息包括：类型的种类 (kind)、字段、方法等。因此构建 itab 时类型信息只需指向全局表就行，不需要拷贝了。

这么说有点抽象，上面 “Fool” 的例子，背后发生的事如图：

非接口值赋值给接口变量

没错，把值转成接口会复制一份，这两份的数据各自独立，这与 java 等很不一样。所以大部分情况下应该把指针转成接口：

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var f = Fool{ "Tom" }
var s Sayer = &f // <-- 用地址转换成接口

另外，接口值的动态值的「直接部分」是不允许修改的。只能整体替换动态值。

所谓「直接部分」，假设接口动态值是一个容器类型，这个容器的字段就是直接部分（例如 slice.data / slice.len / slice.cap），这些字段所指向的数据（如果是指针字段的话）就是间接部分，例如切片底层数组里的数据，可以修改。

和结构体类似，接口的零值也是 nil。但是注意区分下面三个说法：

  • 零(nil)接口值
  • 空接口值
  • 包装了 nil 值的接口（值）

零接口值

零接口值 = nil 接口值 = 接口的零值

不要想的太复杂，就是那个最简单，最基础的零值概念。

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var s0 Sayer
var s1 Sayer = nil
// s0, s1 都是零接口值

零接口值中什么也没有包装——是是个空箱子。

空接口值

空接口值 = 空接口类型的接口值

上面说过，任何类型都实现了空接口，因此可以把空接口值视为其他语言中的 any 类型的值。

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type Empty interface {} // 这是一个空接口
var e1 Empty = 1
var e2 Empty = "abc"
var e3 Empty = Fool{ "Tom" }
// e1, e2, e3 都是空接口值，但不是 nil

空接口值可以是零接口值。

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type Empty interface {} // 这是一个空接口
var e1 Empty // e1 是空接口的值，也是 nil

包装了 nil 值的接口值

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type Empty interface {} // 这是一个空接口
func main() {
  var n []int = nil
  var e1 Empty = n
  var e2 Empty = nil
  // e1 是包装了 nil 值的接口值
  // e1 不是零值（零接口值/nil接口值）！
  // e2 才是零接口值
  fmt.Printf("%v\n", e1 == e2) // false
}

接口指针？

奇怪的错误

首先，你觉得下面的程序有问题吗 🤨 ？

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type People interface { Rename(name string) }
type Teacher struct { Name string }

func (t *Teacher) Rename(name string) {
  t.Name = name
}

func changeName(p *People) {
  fmt.Printf("p 的地址：%p\n", p)
  p.Rename("Bob")
}

答案是有！L10 p.Rename("Bob") 无法编译通过，错误是 p.Rename undefined (type *People is pointer to interface, not interface)。看看多人性，知道你可能一头雾水还特地解释了一下。

来捋一下，为什么函数 changeName() 的参数要定义为指针？因为

  1. 不想发生无谓的内存拷贝。
  2. 希望对结构体的更改可以带回。

那么事实上，我们想要的效果是这样：

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func changeName(p *Teacher) {
  fmt.Printf("p 的地址：%p\n", p)
  p.Rename("Bob")
}

同时又要求灵活性（除了 Teacher，其他包含 People 的结构体应该也可以 changeName）。想当然地，把一个具体的类型换成了接口。然后就陷入了一个误区 ❗️

结构体指针和接口指针是两码事，不可以混淆或类比使用。

经过上面毫无逻辑的长篇大论，我们已经知道接口的值类似于切片，是一个容器。所以通常根本不需要使用接口指针。为此 Go 专门取消了自动解引用接口指针，以减少错误的使用。2

接口方法的接收者

讲到这，我们可以试着理解一个很容易记混的规定的来源：

指针接收者的接口实现，只能用指针调用。
值接收者的接口实现，既可以用值调用，也可以用指针调用。

只能用指针调用指针

从原理上，只定义了指针接收器，值的方法集就不包含此函数，所以值不可以调用指针接收器的函数。

那为什么指针接收器的方法不自动隐式声明值类型接收器的方法呢？根据 《Go 语言实战》5.4.3 方法集 ，有地址就一定能取到值，然而不是每个值都可以寻址的，比如：playground

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type duration int

func main() {
  // cannot take address of duration(40) (constant 40 of type duration)
  fmt.Printf("%p", &duration(40))
}

显然，duration(40) 是个合法的值，但是取不到地址，自然也就不能用值去调用指针接收器方法。Go FAQ - Why do T and *T have different method sets? 中也提到了类似的解释。

But if an interface value contains a value T, there is no safe way for a method call to obtain a pointer. (Doing so would allow a method to modify the contents of the value inside the interface, which is not permitted by the language specification.)

除此之外，FAQ 也从设计角度给出了答案：这个限制是为了避免非预期的结果。当我们把一个方法的接收者定义为指针，就期望对其内部状态的更改可带到外面。即使传入的参数可以寻址，接口值内部保存的只是实现它的对象的一个拷贝，对拷贝的修改不能反映到外面。比如：

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var buf bytes.Buffer
io.Copy(buf, os.Stdin) // 实际上不允许，假设可以

Buffer 实现了 io.Writer，这个 buf 也可以寻址。假设编译器接受了这个写法，那么 Copy() 拿到的 dst io.Writer 内部包装的是 buf 的一个拷贝，Buffer.Write() 的接收器也只能拿到这个拷贝的地址。尽管理论上跑得通，但如此一来，外面的 buf 内容不会改变，显然，这和我们预期的不一样。

🎉 彩蛋

有时可以定义一个匿名的包级变量：

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var _ Interface = &Struct{}

它有两个作用3：

  1. 确保 Struct 实现了 Interface。
  2. 预热 Interface 的 itable。（非主要作用）

参考

  1. https://www.go101.org/article/value-part.html#interface-structure ↩︎

  2. https://stackoverflow.com/a/44372954/9150068 ↩︎

  3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/153465652 ↩︎

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