前言

在Go语言中，interface{} 是一种强大的抽象机制，但将具体类型赋值给 interface{} (称为Boxing)会带来一定的性能开销。本文将深入分析 interface boxing 的原理、性能影响及优化实践。

Interface Boxing原理

将具体类型的值赋值给interface{}的过程称为Boxing。在这个过程中：

1. 值会在堆上分配新内存并拷贝
2. 将指针及对应类型赋值给interface{}变量
3. 这会带来额外性能开销并增加GC压力

基础示例分析

值类型赋值

将整型 1 赋值给 interface{} 变量 demo 中

func main() {
	var demo interface{}
	demo = 1   // 发生boxing，整型1逃逸到堆
	fmt.Println(demo)
}

运行时添加 -gcflags="-m" 参数，查看逃逸分析的结果。可以看到 1 逃逸到堆中了。

$ go run -gcflags="-m" main.go 
# command-line-arguments
./main.go:12:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:11:9: 1 escapes to heap
./main.go:12:13: ... argument does not escape
1

对比具体类型

我们在对比用具体的类型来赋值 1，可以看到是没有逃逸的，但是发现 demo 发生了逃逸到堆，这是为什么呢？

func main() {
	var demo int
	demo = 1
	fmt.Println(demo)
}

% go run -gcflags="-m" main.go 
# command-line-arguments
./main.go:12:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:12:13: ... argument does not escape
./main.go:12:14: demo escapes to heap
1

查看 fmt.Println 的源码实现可以发现，其参数是 interface{} 类型，将 demo 传参给 Println 时，也会发生 Boxing 过程，也会发生在堆中申请新内存以及复制的过程，所以会发生逃逸。

type any = interface{}

func Println(a ...any) (n int, err error) {
	return Fprintln(os.Stdout, a...)
}

结构体示例

值类型结构体

将一个结构体赋值给 inteface{}

type Person struct {
	Name string
}

func main() {
	var demo interface{}
	demo = Person{}
	fmt.Println(demo)
}

可以看到 Person{} 是有发生逃逸的，这里就是发生了 Boxing

$ go run -gcflags="-m" main.go 
# command-line-arguments
./main.go:12:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:11:15: Person{} escapes to heap
./main.go:12:13: ... argument does not escape
{}

指针类型结构体

再来看直接将指针赋值给 interface{}

type Person struct {
	Name string
}

func main() {
	var demo interface{}
	demo = &Person{}
	fmt.Println(demo)
}

可以看到这里依然发生了堆逃逸，这是因为 &Person{} 取地址操作本身就是在堆上申请内存的，然后将地址赋值给 interface{} 的变量，这里是没有发生 boxing 的。

go run -gcflags="-m" main.go 
# command-line-arguments
./main.go:12:13: inlining call to fmt.Println
./main.go:11:9: &Person{} escapes to heap
./main.go:12:13: ... argument does not escape
&{}

那么问题来了，这两种方式都会在堆上申请内存，那么两种方式是不是没有区别呢？

性能基准测试

切片操作性能

我们来对上面两种方式来进行 Benchmark 看看两者性能对比。

type Worker interface {
	Work()
}

type LargeJob struct {
	payload [4096]byte
}

func (LargeJob) Work() {}

func BenchmarkBoxedLargeSlice(b *testing.B) {
	jobs := make([]Worker, 0, 1000)
	for range b.N {
		jobs = jobs[:0]
		for j := 0; j < 1000; j++ {
			var job LargeJob
			jobs = append(jobs, job)
		}
	}
}

func BenchmarkPointerLargeSlice(b *testing.B) {
	jobs := make([]Worker, 0, 1000)
	for range b.N {
		jobs := jobs[:0]
		for j := 0; j < 1000; j++ {
			job := &LargeJob{}
			jobs = append(jobs, job)
		}
	}
}

运行结果如下，可以看到两者内存申请是差不多的，但是效率上使用指针的要快上 15%，

$ go test -bench=. -benchmem . 
goos: darwin
goarch: arm64
pkg: main/demo
cpu: Apple M4 Pro
BenchmarkBoxedLargeSlice-12                 2935            406307 ns/op         4096014 B/op       1000 allocs/op
BenchmarkPointerLargeSlice-12               3434            342263 ns/op         4096010 B/op       1000 allocs/op
PASS
ok      main/demo       3.589s

函数调用性能

var sink Worker

func call(w Worker) {
	sink = w
}

func BenchmarkCallWithValue(b *testing.B) {
	for range b.N {
		var j LargeJob
		call(j)
	}
}

func BenchmarkCallWithPointer(b *testing.B) {
	for range b.N {
		j := &LargeJob{}
		call(j)
	}
}

运行结果如下，可以看到两者内存申请差不多，但指针传递效率要更高。

% go test -bench=. -benchmem . 
goos: darwin
goarch: arm64
pkg: main/demo
cpu: Apple M4 Pro
BenchmarkCallWithValue-12        2959195               388.3 ns/op          4096 B/op          1 allocs/op
BenchmarkCallWithPointer-12      3513249               339.7 ns/op          4096 B/op          1 allocs/op
PASS
ok      main/demo       3.419s

什么时候允许Interface Boxing?

• 接口支持解耦和模块化，所以合理的使用接口来设计 API，即使有 Interface Boxing 的成本也是值得花费的

type Storage interface {
    Save([]byte) error
}
func Process(s Storage) { /* ... */ }

• 如果值很小，成本也是忽略不计的

var i interface{}
i = 123 // safe and cheap

• 如果只是短暂的使用，开销也是小的

可以看到fmt.Println 中的实现是用接口作为接收参数

func Println(a ...any) (n int, err error) {
	return Fprintln(os.Stdout, a...)
}

这里即使有Interface Boxing，但只是短暂的一次，成本也低。

fmt.Println("value:", someStruct) // implicit boxing is fine

最佳实践

• 传递给接口时使用指针。可以避免内存的重复复制与申请。
• 如果设计 API 时，类型已经确定并且是稳定的，尽可能避免使用 interface 。
• 尽可能使用特定类型的容器。