Go语言之深入理解函数

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概念

在计算机程序设计中，函数其实是一种抽象概念，是一种编程接口;通过抽象，能够实现将复杂的系统分解成各种包装了复杂算法的不透明接口，方便彼此相互调用，实现分层、扩展性、便利性等等。

具体来讲，函数一般是指一段独立的、可重复利用的程序逻辑片段，用来方便其他函数调用;英文名称是function，有时候也称为method、routine。

编译器最终将函数编译为机器指令，保存在可执行文件中。

在进程的内存空间中，一个函数只不过是一段包含机器指令的连续内存区域;仅仅从结构上来讲，和数组没什么区别。

在Go语言中，函数(function)是一等公民(first-class citizen)，不仅仅是代码片段，也是一种数据类型;和其他数据类型一样有自己的类型信息。

函数类型

函数类型的定义有多处，它们是等价的。

在runtime/type.go源文件中定义如下：

type functype struct { 
    typ      _type 
    inCount  uint16 
    outCount uint16 
} 
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在reflect/type.go和internal/reflectlite/type.go源文件中定义如下：

// funcType represents a function type. 
// 
// A *rtype for each in and out parameter is stored in an array that 
// directly follows the funcType (and possibly its uncommonType). So 
// a function type with one method, one input, and one output is: 
// 
//  struct { 
//    funcType 
//    uncommonType 
//    [2]*rtype    // [0] is in, [1] is out 
//  } 
type funcType struct { 
  rtype 
  inCount  uint16 
  outCount uint16 // top bit is set if last input parameter is ... 
} 
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从funcType结构体的注释中可以看到，函数类型的信息其实非常复杂。

其实完整的函数类型定义如下伪代码所示：

type funcType struct { 
    rtype           // 基础类型信息  
    inCount  uint16 // 参数数量 
    outCount uint16 // 返回值数量 
    uncommon uncommonType     // 方法信息 
    inTypes  [inCount]*rtype  // 参数类型列表 
    outTypes [outCount]*rtype // 返回值类型列表 
    methods  [uncommon.mcount]method // 方法列表 
} 
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uncommonType和method定义在reflect/type.go源文件中，用于存储和解析类型的方法信息。

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   // methods相对本对象起始地址的偏移量 
    _       uint32   // unused 
} 
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// 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 
} 
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type nameOff int32 // offset to a name 
type typeOff int32 // offset to an *rtype 
type textOff int32 // offset from top of text section 
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• nameOff 是相对 .rodata 节起始地址的偏移量。
• typeOff 是相对 .rodata 节起始地址的偏移量。
• textOff 是相对 .text 节起始地址的偏移量。
• 关于 reflect.name的介绍，请阅读 内存中的整数 。

函数类型结构分布示意图

完整的函数类型信息结构分布如下图所示：

每一种函数都有自己的类型信息，只不过有的函数简单，有的函数复杂，并不是每一种函数类型包含上图中的所有字段。

简单的函数类型信息结构分布可能如下图所示：

或者

备注：以上示意图中的浅灰色块表示内存对齐的填充，不存储任何数据。

当然，函数也可能有参数无返回值，函数还可能无参数有返回值，它们的类型信息结构还会有一点点不同，想象一下，不过只是一种简化的结构罢了。

通过本文的内存分析，我们将会了解函数类型的每一个细节。

环境

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

本文仅讨论普通函数和声明的函数类型，不讨论接口、实现、闭包等知识点。

代码清单

package main 
 
import ( 
  "errors" 
  "fmt" 
  "reflect" 
) 
 
// 声明函数类型 
type calc func(a, b int) (sum int) 
 
// 私有的方法 -> package scope 
//go:noinline 
func (f calc) foo(a, b int) int { 
  return f(a, b) + 1 
} 
 
// Ree 公共导出的方法 -> public scope 
//go:noinline 
func (f calc) Ree(a, b int) int { 
  return f(a, b) - 1 
} 
 
func main() { 
  // 普通函数 
  Print(fmt.Printf) 
  // 函数类型实例 
  var add calc = func(a, b int) (sum int) { 
    return a + b 
  } 
  fmt.Println(add.foo(1, 2)) 
  fmt.Println(add.Ree(1, 2)) 
  Print(add) 
  // 匿名函数 
  Print(func() { 
    fmt.Println("hello anonymous function") 
  }) 
  // 方法；闭包 
  f := errors.New("hello error").Error 
  Print(f) 
 
} 
 
//go:noinline 
func Print(i interface{}) { 
  v := reflect.ValueOf(i) 
  fmt.Println("类型", v.Type().String()) 
  fmt.Println("地址", v) 
  fmt.Println() 
} 
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运行效果

以上代码清单，主要打印输出了四个函数的类型和内存地址。

编译并运行，输出如下：

在本文的内存分析过程中，存在许多通过偏移量计算内存地址的操作。

主要涉及到 .text 和 .rodata 两个 section，在本程序中它们的信息如下：

普通函数

以fmt.Printf这个常用的函数为例，研究普通函数的类型信息。

从上面的运行输出结果可以看到，fmt.Printf函数类型的字符串表示形式为：

func(string, ...interface {}) (int, error) 
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动态调试

在Print函数入口处设置断点，查看fmt.Printf函数的类型信息。

将fmt.Printf函数的类型信息绘制成图表如下：

• rtype.size = 8
• rtype.ptrdata = 8
• rtype.hash = 0xd9fb8597
• rtype.tflag = 2 = reflect.tflagExtraStar
• rtype.align = 8
• rtype.fieldAlign = 8
• rtype.kind = 0x33
• rtype.equal = 0 = nil
• rtype.str = 0x00005c90 => *func(string, ...interface {}) (int, error)
• rtype.ptrToThis = 0
• funcType.inCount = 2
• funcType.outCount = 0x8002
• funcType.inTypes = [ 0x4a4860, 0x4a2f80 ]
• funcType.outTypes = [ 0x4a41e0, 0x4a9860 ]

指针常量

函数对象的大小是8字节(rtype.size)，而且包含8字节的指针数据(rtype.ptrdata)，所以我们可以将函数对象视为指针。

也就是说fmt.Printf其实是一个指针，只不过这个指针是一个不可变的常量。这与C/C++是一致的，函数名称就是一个指针常量。

类型名称

rtype.tflag = 2 = reflect.tflagExtraStar

fmt.Printf函数有自己的数据类型，但是该类型并没有名称。

数据类别

数据类别(Kind)的计算方法如下：

const kindMask = (1 << 5) - 1 
 
func (t *rtype) Kind() Kind { return Kind(t.kind & kindMask) } 
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0x33 & 31 = 19 = reflect.Func

可变参数

fmt.Printf函数的参数数量(funcType.inCount)是2，返回值数量也是2，可funcType.outCount值为什么是0x8002?

原因是funcType.outCount字段不但需要记录函数返回值的数量，还需要标记函数最后一个参数是否是可变参数类型;如果是，将funcType.outCount字段值的最高位设置为1。

在reflect/type.go源文件中，判断可变参数的方法如下：

func (t *rtype) IsVariadic() bool { 
    if t.Kind() != Func { 
        panic("reflect: IsVariadic of non-func type " + t.String()) 
    } 
    tt := (*funcType)(unsafe.Pointer(t)) 
    return tt.outCount&(1<<15) != 0 
} 
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返回值数量的计算方式是：

outCount := funcType.outCount & (1<<15 - 1) 
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令人好奇的是，可变参数标记怎么没有保存在funcType.outCount字段中。

参数与返回值类型

在fmt.Printf函数定义中，参数和返回值的类型依次是：

• string
• ...interface{}
• int
• error

在内存的函数类型信息中，保存的是参数和返回值的类型指针;通过这些指针查看它们的类型信息如下：

通过内存数据可以看到，fmt.Printf函数的参数和返回值的数据类别(Kind)如下：

• reflect.String
• reflect.Slice
• reflect.Int
• reflect.Interface

关于整数及其类型的详细介绍，请阅读 内存中的整数 。

关于字符串及其类型的详细介绍，请阅读 内存中的字符串 。

在Go语言中，error比较特殊，它既是一个关键字，又是一个接口定义。关于接口类型，之后将发布专题文章进行深入解析，暂不介绍。

关于slice，内存中的slice 一文曾对 []int 进行了详细介绍 。

很明显，fmt.Printf函数的第二个参数不是[]int，通过内存数据来看一看具体是什么类型的slice。

通过上图可以看到，编译器将源码中的可变参数类型...interface{}编译为[]interface {}，从而把可变参数变成一个参数。

这种处理可变参数的方式，和Java语言非常相似。

通过对fmt.Printf函数的类型深入分析和了解，我们就很容易理解反射包(reflect)中函数相关的接口了;有兴趣的话可以去看一看源码实现，相信对比fmt.Printf函数的类型信息，是比较简单的。

type Type interface { 
    ...... // 省略无关接口 
    IsVariadic() bool 
    NumIn() int 
    NumOut() int 
    In(i int) Type 
    Out(i int) Type 
    ...... // 省略无关接口 
} 
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声明的函数类型

在Go语言中，通过type关键字可以定义任何数据类型，非常非常地强悍。

在本文的代码清单中，我们就使用type关键字定义了calc类型，这明显是一个函数类型。

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

这种类型与fmt.Printf函数类型有什么区别吗?使用上述相同的方法，我们来深入研究下。

动态调试

从内存数据可以看出，calc类型的add变量指向一个匿名函数，该匿名函数被编译器命名为main.main.func1。

calc的类型信息非常复杂，共128个字节，整理成图表如下：

• rtype.size = 8
• rtype.ptrdata = 8
• rtype.hash = 0x405feca1
• rtype.tflag = 7 = reflect.tflagUncommon | reflect.tflagExtraStar | reflect.tflagNamed
• rtype.align = 8
• rtype.fieldAlign = 8
• rtype.kind = 0x33
• rtype.equal = 0 = nil
• rtype.str = 0x00002253 => *main.calc
• rtype.ptrToThis = 0x0000ec60
• funcType.inCount = 2
• funcType.outCount = 1
• funcType.inTypes = [ 0x4a41e0, 0x4a41e0 ]
• funcType.outTypes = [ 0x4a41e0 ]
• uncommonType.pkgPath = 0x0000034c => main
• uncommonType.mcount = 2
• uncommonType.xcount = 1
• uncommonType.moff = 0x48
• method[0].name = 0x000001a8 => Ree
• method[0].mtyp = 0xffffffff
• method[0].ifn = 0x00098240
• method[0].tfn = 0x00098240
• method[1].name = 0x000001f6 => foo
• method[1].mtyp = 0xffffffff
• method[1].ifn = 0x000981e0
• method[1].tfn = 0x000981e0

类型名称

rtype.tflag字段包含reflect.tflagNamed标记，表示该类型是有名称的。

calc类型的名称为calc，获取方式定义在reflect/type.go源文件中：

func (t *rtype) hasName() bool { 
    return t.tflag&tflagNamed != 0 
} 
 
func (t *rtype) Name() string { 
    if !t.hasName() { 
        return "" 
    } 
    s := t.String() 
    i := len(s) - 1 
    for i >= 0 && s[i] != '.' { 
        i-- 
    } 
    return s[i+1:] 
} 
 
func (t *rtype) String() string { 
    s := t.nameOff(t.str).name() 
    if t.tflag&tflagExtraStar != 0 { 
        return s[1:] 
    } 
    return s 
} 
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类型指针

rtype.ptrToThis = 0x0000ec60 
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该值是相对程序 .rodata section 的偏移量。在本程序中，.rodata section 的起始地址是 0x49a000。

calc类型的指针类型为*calc，类型信息保存在地址 0x49a000+0x0000ec60处。关于指针类型本文不再进一步介绍。

参数和返回值

calc类型有2个参数和1个返回值，而且都是int类型(信息保存在0x4a41e0地址处)。

类型方法

方法本质上就是函数。

在 A Tour of Go (https://tour.golang.org/methods/1) 中，对函数的定义为：

A method is a function with a special receiver argument. 
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calc是函数类型，函数类型居然能拥有自己的方法，确实是巧妙的设计。

calc类型的rtype.tflag字段包含reflect.tflagUncommon标记，表示其类型信息中包含uncommonType数据。

uncommonType对象的大小是 16 字节，calc类型共有3个参数和返回值，3个类型指针占 24 个字节，所以 [mcount]method 相对uncommonType 对象的偏移是 16 + 24 = 40 字节。

通过计算得到如下结果：

calc类型的Ree方法，被重命名为main.calc.Ree，内存地址是0x00098240 + 0x401000 = 0x499240。它是一个导出函数，所以reflect.name.bytes[0] = 1。

calc类型的foo方法，被重命名为main.calc.foo，内存地址是0x000981e0 + 0x401000 = 0x4991e0。

从内存分析结果可以看到，如果一种数据类型定义了多个方法，而且有的是名称以大写字母开头公共导出方法，有的是名称以小写字母开头导私有方法，那么编译器将公共的导出方法信息排序在前，私有方法信息排序在后，然后保存其数据类型信息中。而且这个结论可以在reflect/type.go源码文件中定义的两个方法得到印证：

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] 
} 
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在本例中还可以看到，无论是Ree方法，还是foo方法，它们对应的method.mtyp字段值都是0xffffffff，也就是 -1。

从runtime/type.go源文件中resolveTypeOff函数的注释可以了解到，-1表示没有对应的类型信息。

也就是说，calc类型的Ree和foo方法虽然也是函数，但是他们没有对应的函数类型信息。

所以，Go编译器并没有为每一个函数都生成对应的类型信息，只是在需要的时候才会生成，或者是运行时(runtime)根据需要生成。

匿名函数

代码清单中，第三次调用main.Print函数输出了一个匿名函数的类型信息。这个匿名函数没有形成闭包，所以相对比较简单。

将其内存数据整理成图表如下：

该函数没有参数、返回值、方法，所以其类型信息非常非常的简单。相信已经不需要进一步介绍了。

总结

通过一步步的内存分析，对Go语言的函数进行了深入的了解，学习了很多知识，解开了许多疑惑，相信在实际开发中必定能游刃有余，避免一些小坑。