Go语言之再谈整数类型

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 前言

【Go】内存中的整数 一文详细介绍了int类型，对 int 数据及其类型建立起基本的认识。

再谈整数类型的目的，是为了进一步剖析Go语言的类型系统，从底层化解潜在的错误认知。

在Go语言中，type关键字不仅可以定义结构体(struct)和接口(interface)，实际上可以用于声明任何数据类型，非常非常地强悍。例如，

type calc func(a, b int) int 
 
type Foo int 

有人说，在以上代码中，type关键字的作用是定义类型的别名，Foo就是int的别名，Foo类型就是int类型。

本文将带你深入了解int类型与Foo类型，保证你吃不了亏，保证你上不了当。

环境

OS : Ubuntu 20.04.2 LTS; x86_64  
Go : go version go1.16.2 linux/amd64 

声明

操作系统、处理器架构、Go版本不同，均有可能造成相同的源码编译后运行时的寄存器值、内存地址、数据结构等存在差异。

本文仅包含 64 位系统架构下的 64 位可执行程序的研究分析。

本文仅保证学习过程中的分析数据在当前环境下的准确有效性。

代码清单

int_kind.go

package main 
 
import "fmt" 
import "reflect" 
import "strconv" 
 
type Foo int 
 
//go:noinline 
func (f Foo) Ree() int { 
  return int(f) 
} 
 
//go:noinline 
func (f Foo) String() string { 
  return strconv.Itoa(f.Ree()) 
} 
 
//go:noinline 
func (f Foo) print() { 
  fmt.Println("foo is " + f.String()) 
} 
 
func main() { 
  Typeof(123) 
  Typeof(Foo(456)) 
} 
 
//go:noinline 
func Typeof(i interface{}) { 
  t := reflect.TypeOf(i) 
  fmt.Println("值  ", i) 
  fmt.Println("名称", t.Name()) 
  fmt.Println("类型", t.String()) 
  fmt.Println("方法") 
  num := t.NumMethod() 
  if num > 0 { 
    for j := 0; j < num; j++ { 
      fmt.Println("  ", t.Method(j).Name, t.Method(j).Type) 
    } 
  } 
  fmt.Println() 
} 

代码清单中，Typeof函数用于显示数据对象的类型信息。

运行结果

仅仅从运行结果看，我们就知道Foo类型不是int类型，Foo不是int的别名。

数据结构介绍

在reflect/type.go源文件中，定义了两个数据结构uncommonType和method，用于存储和解析数据类型的方法信息。

type uncommonType struct { 
    pkgPath nameOff  // 包路径名称偏移量 
    mcount  uint16   // 方法的数量 
    xcount  uint16   // 公共导出方法的数量 
    moff    uint32   // [mcount]method 相对本对象起始地址的偏移量 
    _       uint32   // unused 
} 

reflect.uncommonType结构体用于描述一个数据类型的包名和方法信息。

// 非接口类型的方法 
type method struct { 
    name nameOff // 方法名称偏移量 
    mtyp typeOff // 方法类型偏移量 
    ifn  textOff // 通过接口调用时的地址偏移量；接口类型本文不介绍 
    tfn  textOff // 直接类型调用时的地址偏移量 
} 

reflect.method结构体用于描述一个方法，它是一个压缩格式的结构，每个字段的值都是一个相对偏移量。

type nameOff int32 // offset to a name 
type typeOff int32 // offset to an *rtype 
type textOff int32 // offset from top of text section 

• nameOff 是相对程序 .rodata 节起始地址的偏移量。
• typeOff 是相对程序 .rodata 节起始地址的偏移量。
• textOff 是相对程序 .text 节起始地址的偏移量。

• 关于 reflect.name结构体的介绍，请阅读 【Go】内存中的整数 。

内存分析

在Typeof函数入口处设置断点，首先查看 123 这个 int 对象的类型信息。

int 类型

在 【Go】内存中的整数 一文，介绍了int类型信息占用 48 个字节， 实际上int类型信息占用 64 个字节，只不过int类型并没有任何方法(method)，所以前文忽略了uncommonType数据。

int类型信息结构如下伪代码所示：

type intType struct { 
  rtype 
  u uncommonType 
} 

其结构分布如下图所示：

本文要更进一步分析数据的类型，所以需要将uncommonType数据拿出来对比。

• rtype.size = 8
• rtype.ptrdata = 0
• rtype.hash = 0xf75371fa
• rtype.tflag = 0xf = reflect.tflagUncommon | reflect.tflagExtraStar | reflect.tflagNamed | reflect.tflagRegularMemory
• rtype.align = 8
• rtype.fieldAlign = 8
• rtype.kind = 2 = reflect.Int
• rtype.equal = 0x4fbd98 -> runtime.memequal64
• rtype.str = 0x000003e3 -> *int字符串
• rtype.ptrToThis = 0x00007c00 -> *int类型
• uncommonType.pkgPath = 0
• uncommonType.mcount = 0 -> 没有方法
• uncommonType.xcount = 0
• uncommonType.moff = 0x10

将int类型数据绘制成图表如下：

此处不再对int类型信息进行详细介绍，仅说明 rtype.tflag字段;该字段包含reflect.tflagUncommon标记，表示类型信息中包含uncommonType数据。

uncommonType.mcount = 0表示类型信息中不包含方法信息。

Foo 类型

Foo类型因为包含方法信息，要比int类型复杂许多，其类型信息结构如下伪代码所示：

type FooType struct { 
  rtype 
  u uncommonType 
  methods [u.mcount]method 
} 

结构分布如下图所示：

以同样的方式查看Foo类型数据：

• rtype.size = 8
• rtype.ptrdata = 0
• rtype.hash = 0xec552021
• rtype.tflag = 0xf = reflect.tflagUncommon | reflect.tflagExtraStar | reflect.tflagNamed | reflect.tflagRegularMemory
• rtype.align = 8
• rtype.fieldAlign = 8
• rtype.kind = 2 = reflect.Int
• rtype.equal = 0x4fbd98 -> runtime.memequal64
• rtype.str = 0x00002128 -> *main.Foo字符串
• rtype.ptrToThis = 0x00014c00 -> *Foo类型
• uncommonType.pkgPath = 0x000003c4 -> main字符串
• uncommonType.mcount = 3 -> 方法数量
• uncommonType.xcount = 2 -> 公共导出方法数量
• uncommonType.moff = 0x10
• method[0].name = 0x000001e8
• method[0].mtyp = 0x0000be60
• method[0].ifn = 0x000c7740
• method[0].tfn = 0x000c6fe0
• method[1].name = 0x00001025
• method[1].mtyp = 0x0000c0e0
• method[1].ifn = 0x000c77c0
• method[1].tfn = 0x000c7000
• method[2].name = 0x00000da0
• method[2].mtyp = 0x0000b600
• method[2].ifn = 0xffffffff
• method[2].tfn = 0xffffffff

将Foo类型数据绘制成图表如下：

类型对比

• int和Foo两种类型属于同一种数据类别(reflect.Kind)，都是reflect.Int。
• int和Foo两种类型比较函数相同，都是runtime.memequal64。
• int和Foo数据对象内存大小相同，都是8。
• int和Foo数据对象内存对齐相同，都是8。
• int和Foo两种类型名称不同。
• int和Foo两种类型哈希种子不同。
• int和Foo两种类型方法数量不同。
• int和Foo两种类型的指针类型不同。

类型方法

我们再回顾一下reflect.method结构体的各个字段：

• name字段描述的是方法名称偏移量。
• mtyp字段描述的是方法类型信息偏移量;关于函数类型介绍，敬请期待。
• ifn字段描述的是接口调用该方法时的指令内存地址偏移量;关于接口类型介绍，敬请期待。
• tfn字段描述的是直接调用该方法时的指令内存地址偏移量。

Foo类型有3个方法，它们的类型信息保存在0x4dd8e0地址处;通过偏移量计算地址，查看方法的名称、地址、指令。

方法名称

• methods[0].name = Ree
• methods[1].name = String
• methods[2].name = print

从内存分析数据看，Foo类型的三个方法信息的保存顺序似乎与源码中定义的顺序相同，其实不然。

数据类型的方法信息保存顺序是大写字母开头的公共导出方法在前，小写字母开头的包私有方法在后，我们可以通过reflect/type.go源文件中的代码印证这一点：

func (t *uncommonType) methods() []method { 
  if t.mcount == 0 { 
    return nil 
  } 
  return (*[1 << 16]method)(add(unsafe.Pointer(t), uintptr(t.moff), "t.mcount > 0"))[:t.mcount:t.mcount] 
} 
 
func (t *uncommonType) exportedMethods() []method { 
  if t.xcount == 0 { 
    return nil 
  } 
  return (*[1 << 16]method)(add(unsafe.Pointer(t), uintptr(t.moff), "t.xcount > 0"))[:t.xcount:t.xcount] 
} 

方法类型

关于函数类型与接口方法，后续会有专题文章详细介绍，本文将不再深入探究。

方法地址

从内存数据看到，

• Ree方法的地址偏移是0x000c6fe0，通过计算可以在0x4c7fe0地址处找到其机器指令。
• String方法的地址偏移是0x000c7000，通过计算可以在0x4c8000地址处找到其机器指令。
• print方法的地址偏移是0xffffffff，也就是-1，意思是找不到该方法。

我们明明在源码中定义了print方法，为什么找不到该方法呢?

原因是：print方法是一个私有方法，不会被外部调用，但是main包范围内又没有调用者; Go编译器本着勤俭节约的原则，把print方法优化丢弃掉了，即使使用go:noinline指令禁止内敛也不管用，就是直接干掉。

Go编译器的类似优化行为随处可见，在后续文章中会逐步介绍。

通过本文，详细你对 type 关键字有了更加深入的了解，对 Go 语言的类型系统有了更加深入的了解，和想象中的是否有所不同?