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Golang?中的?unsafe.Pointer?和?uintptr詳解

 更新時間:2022年08月05日 14:37:18   作者:ag9920  
這篇文章主要介紹了Golang中的unsafe.Pointer和uintptr詳解,文章圍繞主題展開詳細的內(nèi)容介紹,具有一定的參考價值,需要的朋友可以參考一下

前言

日常開發(fā)中經(jīng)??吹酱罄袀冇酶鞣N unsafe.Pointer, uintptr 搞各種花活,作為小白一看到 unsafe 就發(fā)憷,不了解二者的區(qū)別和場景,自然心里沒數(shù)。今天我們就來學(xué)習(xí)下這部分知識。

uintptr

uintptr 的定義在 builtin 包下,定義如下:

// uintptr is an integer type that is large enough to hold the bit pattern of
// any pointer.
type uintptr uintptr

參照注釋我們知道:

  • uintptr 是一個整數(shù)類型(這個非常重要),注意,他不是個指針;
  • 但足夠保存任何一種指針類型。

unsafe 包支持了這些方法來完成【類型】=> uintptr 的轉(zhuǎn)換:

func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr
func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr
func Alignof(x ArbitraryType) uintptr

你可以將任意類型變量轉(zhuǎn)入,獲取對應(yīng)語義的 uintptr,用來后續(xù)計算內(nèi)存地址(比如基于一個結(jié)構(gòu)體字段地址,獲取下一個字段地址等)。

unsafe.Pointer

我們來看一下什么是 unsafe 包下的 Pointer:

// ArbitraryType is here for the purposes of documentation only and is not actually
// part of the unsafe package. It represents the type of an arbitrary Go expression.
type ArbitraryType int
// Pointer represents a pointer to an arbitrary type. There are four special operations
// available for type Pointer that are not available for other types:
//	- A pointer value of any type can be converted to a Pointer.
//	- A Pointer can be converted to a pointer value of any type.
//	- A uintptr can be converted to a Pointer.
//	- A Pointer can be converted to a uintptr.
// Pointer therefore allows a program to defeat the type system and read and write
// arbitrary memory. It should be used with extreme care.
type Pointer *ArbitraryType

這里的 ArbitraryType 僅僅是為了便于開發(fā)者理解。語義上來講你可以把 Pointer 理解為一個可以指向任何一種類型的【指針】。

這一點很關(guān)鍵。我們此前遇到的場景一般都是,先定義一個類型,然后就有了這個類型對應(yīng)的指針。而 unsafe.Pointer 則是一個通用的解法,不管你是什么類型都可以。突破了這層限制,我們就可以在運行時具備更多能力,也方便適配一些通用場景。

官方提供了四種 Pointer 支持的場景:

  • 任意類型的指針可以轉(zhuǎn)換為一個 Pointer;
  • 一個 Pointer 也可以被轉(zhuǎn)為任意類型的指針;
  • uintptr 可以被轉(zhuǎn)換為 Pointer;
  • Pointer 也可以被轉(zhuǎn)換為 uintptr。

這樣強大的能力使我們能夠繞開【類型系統(tǒng)】,丟失了編譯期的校驗,所以使用時一定要小心。

使用姿勢

常規(guī)類型互轉(zhuǎn)

func Float64bits(f float64) uint64 {
    return *(*uint64)(unsafe.Pointer(&f))
}

我們?nèi)?f 的指針,將其轉(zhuǎn)為 unsafe.Pointer,再轉(zhuǎn)為一個 uint64 的指針,最后解出來值。

其實本質(zhì)就是把 unsafe.Pointer 當(dāng)成了一個媒介。用到了他可以從任意一個類型轉(zhuǎn)換得來,也可以轉(zhuǎn)為任意一個類型。

這樣的用法有一定的前提:

  • 轉(zhuǎn)化的目標(biāo)類型(uint64) 的 size 一定不能比原類型 (float64)還大(二者size都是8個字節(jié));
  • 前后兩種類型有等價的 memory layout;

比如,int8 轉(zhuǎn)為 int64 是不支持的,我們測試一下:

package main
import (
	"fmt"
	"unsafe"
)
func main() {
	fmt.Println("int8 => int64", Int8To64(5))
	fmt.Println("int64 => int8", Int64To8(5))
}
func Int64To8(f int64) int8 {
	return *(*int8)(unsafe.Pointer(&f))
}
func Int8To64(f int8) int64 {
	return *(*int64)(unsafe.Pointer(&f))
}

運行后你會發(fā)現(xiàn),int64 => int8 轉(zhuǎn)換正常,從小到大則會出問題:

int8 => int64 1079252997
int64 => int8 5

Program exited.

Pointer => uintptr

從 Pointer 轉(zhuǎn) uintptr 本質(zhì)產(chǎn)出的是這個 Pointer 指向的值的內(nèi)存地址,一個整型。

這里還是要在強調(diào)一下:

  • uintptr 指的是具體的內(nèi)存地址,不是個指針,沒有指針的語義,你可以將 uintptr 打印出來比對地址是否相同。
  • 即便某個對象因為 GC 等原因被回收,uintptr的值也不會連帶著變動。
  • uintptr地址關(guān)聯(lián)的對象可以被垃圾回收。GC不認為uintptr是活引用,因此unitptr地址指向的對象可以被垃圾收集。

指針?biāo)銛?shù)計算:Pointer => uintptr => Pointer

將一個指針轉(zhuǎn)為 uintptr 將會得到它指向的內(nèi)存地址,而我們又可以結(jié)合 SizeOf,AlignOf,Offsetof 來計算出來另一個 uintptr 進行計算。

這類場景最常見的是【獲取結(jié)構(gòu)體中的變量】或【數(shù)組中的元素】。

比如:

f := unsafe.Pointer(&s.f) 
f := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&s)) + unsafe.Offsetof(s.f))

e := unsafe.Pointer(&x[i])
e := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&x[0])) + i*unsafe.Sizeof(x[0]))

上面這兩組運算本質(zhì)是相同的,一種是直接拿地址,一種是通過計算 size,offset 來實現(xiàn)。

注意:變量到 uintptr 的轉(zhuǎn)換以及計算必須在一個表達式中完成(需要保證原子性):

錯誤的案例:

u := uintptr(p)
p = unsafe.Pointer(u + offset)

uintptr 到 Pointer 的轉(zhuǎn)換一定要在一個表達式,不能用 uintptr 存起來,下個表達式再轉(zhuǎn)。

uintptr + offset 算地址,再跟 Pointer 轉(zhuǎn)化其實是一個很強大的能力,我們再來看一個實際的例子:

package main
import (
	"fmt"
	"unsafe"
)
func main() {
	length := 6
	arr := make([]int, length)
	for i := 0; i < length; i++ {
		arr[i] = i
	}
	fmt.Println(arr)
	// [0 1 2 3 4 5]
	// 取slice的第5個元素:通過計算第1個元素 + 4 個元素的size 得出
	end := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&arr[0])) + 4*unsafe.Sizeof(arr[0]))

	fmt.Println(*(*int)(end)) // 4
	fmt.Println(arr[4]) // 4
	
}

unsafe.Pointer 不能進行算數(shù)計算,uintptr 其實是很好的一個補充。

reflect 包中從 uintptr => Ptr

我們知道,reflect 的 Value 提供了兩個方法 Pointer 和 UnsafeAddr 返回 uintptr。這里不使用 unsafe.Pointer 的用意在于避免用戶不 import unsafe 包就能將結(jié)果轉(zhuǎn)成任意類型,但這也帶來了問題。

上面有提到,千萬不能先保存一個 uintptr,再轉(zhuǎn) unsafe.Pointer,這樣的結(jié)果是很不可靠的。所以我們必須在調(diào)用完 Pointer/UnsafeAddr 之后就立刻轉(zhuǎn) unsafe.Pointer。

正例:

p := (*int)(unsafe.Pointer(reflect.ValueOf(new(int)).Pointer()))

反例:

u := reflect.ValueOf(new(int)).Pointer()
p := (*int)(unsafe.Pointer(u))

實戰(zhàn)案例

string vs []byte

活學(xué)活用,其實參照上面轉(zhuǎn)換的第一個案例就可以實現(xiàn),不需要 uintptr。還是一樣的思路,用 unsafe.Pointer 作為媒介,指針轉(zhuǎn)換結(jié)束后,解指針拿到值即可。

import (
	"unsafe"
)
func BytesToString(b []byte) string {
	return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}
func StringToBytes(s string) []byte {
	return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
}

其實這里從 []byte 轉(zhuǎn) string 的操作就是和 strings 包下 Builder 的設(shè)計一致的:

// A Builder is used to efficiently build a string using Write methods.
// It minimizes memory copying. The zero value is ready to use.
// Do not copy a non-zero Builder.
type Builder struct {
	addr *Builder // of receiver, to detect copies by value
	buf  []byte
}
// String returns the accumulated string.
func (b *Builder) String() string {
	return *(*string)(unsafe.Pointer(&b.buf))
}

// Reset resets the Builder to be empty.
func (b *Builder) Reset() {
	b.addr = nil
	b.buf = nil
}

// Write appends the contents of p to b's buffer.
// Write always returns len(p), nil.
func (b *Builder) Write(p []byte) (int, error) {
	b.copyCheck()
	b.buf = append(b.buf, p...)
	return len(p), nil
}

// WriteString appends the contents of s to b's buffer.
// It returns the length of s and a nil error.
func (b *Builder) WriteString(s string) (int, error) {
	b.copyCheck()
	b.buf = append(b.buf, s...)
	return len(s), nil
}

strings.Builder 設(shè)計之處就是為了最大程度降低內(nèi)存拷貝。本質(zhì)是維護了一個 buf 的字節(jié)數(shù)組。

sync.Pool

sync.Pool 的設(shè)計中在本地 pool 沒有可以返回 Get 的元素時,會到其他 poolLocal 偷一個元素回來,這個跳轉(zhuǎn)到其他 pool 的操作就是用 unsafe.Pointer + uintptr + SizeOf 實現(xiàn)的,參考一下:

func indexLocal(l unsafe.Pointer, i int) *poolLocal {
	lp := unsafe.Pointer(uintptr(l) + uintptr(i)*unsafe.Sizeof(poolLocal{}))
	return (*poolLocal)(lp)
}

到此這篇關(guān)于Golang 中的 unsafe.Pointer 和 uintptr詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Golang uintptr內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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