C 語(yǔ)言指針運(yùn)算

指針運(yùn)算就是對(duì)指針類型的變量做常規(guī)數(shù)學(xué)運(yùn)算，例如加減操作，實(shí)現(xiàn)地址的偏移。指針運(yùn)算在 C 語(yǔ)言中是原生支持的，可以直接在指針變量上做加減，例如：

#include <stdio.h>
const int MAX = 3;
int main ()
{
   int  var[] = {10, 100, 200};
   int  i, *ptr;
   /* 指針中的數(shù)組地址 */
   ptr = var;
   for ( i = 0; i < MAX; i++)
   {
      printf("存儲(chǔ)地址：var[%d] = %p\n", i, ptr );
      printf("存儲(chǔ)值：var[%d] = %d\n", i, *ptr );
      /* 直接對(duì)指針做++操作，指向下一個(gè)位置 */
      ptr++;
   }
   return 0;
}

結(jié)果

存儲(chǔ)地址：var[0] = e4a298cc
存儲(chǔ)值：var[0] = 10
存儲(chǔ)地址：var[1] = e4a298d0
存儲(chǔ)值：var[1] = 100
存儲(chǔ)地址：var[2] = e4a298d4
存儲(chǔ)值：var[2] = 200

C 語(yǔ)言指針運(yùn)算猶如一把雙刃劍，使用得當(dāng)會(huì)起到事半功倍，有神之一手的效果，反之則會(huì)產(chǎn)生意想不到的 bug 而且很難排查。因?yàn)樵谧鲋羔樳\(yùn)算時(shí)是比較抽象的，具體偏移了多少之后指向到了哪里是非常不直觀的，可能已經(jīng)偏離了設(shè)想中的位置而沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行起來(lái)就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

找出數(shù)組中最小的元素

例如這段 C 代碼，找出數(shù)組中最小的元素：

#include <stdio.h>
int findMin(int *arr, int length) {
    int min = *arr;
    for (int i = 0; i <= length; i++) {  // 注意這里是 i <= length，而不是 i < length
        printf("i=%d v=%d\n", i, *(arr+i));
        if (*(arr + i) < min) {
            min = *(arr + i);
        }
    }
    return min;
}
int main() {
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    printf("Min value is: %d\n", findMin(arr, length));
    return 0;
}

數(shù)組中最小的是 1，可結(jié)果卻是 0：

i=0 v=1
i=1 v=2
i=2 v=3
i=3 v=4
i=4 v=5
i=5 v=0
Min value is: 0

這是由于在 findMin 函數(shù)中循環(huán)條件是 i ≤ length ，超出數(shù)組大小多循環(huán)了一次，實(shí)際上數(shù)組已經(jīng)越界，而 C 語(yǔ)言的數(shù)組實(shí)際上就是指針，C 運(yùn)行時(shí)認(rèn)為這是在指針運(yùn)算，所以不會(huì)報(bào)錯(cuò)，導(dǎo)致數(shù)組訪問(wèn)到了其他內(nèi)存地址，最終得到了一個(gè)錯(cuò)誤結(jié)果。

事實(shí)上有很多病毒和外掛的原理就是利用指針來(lái)訪問(wèn)并修改程序運(yùn)行時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)來(lái)達(dá)到目的。例如游戲外掛可能會(huì)搜索和修改內(nèi)存中的特定值，以改變玩家的生命值、金錢(qián)或其他游戲?qū)傩浴Ｍㄟ^(guò)指針運(yùn)算，外掛可以直接訪問(wèn)這些內(nèi)存位置并對(duì)其進(jìn)行修改。而病毒可能使用指針運(yùn)算來(lái)插入其自己的代碼到一個(gè)運(yùn)行中的程序，或者篡改程序的正?？刂屏?，以達(dá)到其惡意目的。

在 C 語(yǔ)言之后的很多語(yǔ)言多多少少都對(duì)指針做了限制，例如 PHP 中的引用就可以看做是指針的簡(jiǎn)化版，而 Java 甚至干脆移除了指針。

Go 指針運(yùn)算

對(duì)指針做加法會(huì)報(bào)錯(cuò)

在 Go 中默認(rèn)的普通指針也是指代的是一個(gè)內(nèi)存地址，值類似 0x140000ac008，但 Go 的普通指針不支持指針運(yùn)算的，例如對(duì)指針做加法會(huì)報(bào)錯(cuò)：

a := 10
var p *int = &a
p = p + 1

報(bào)錯(cuò)

invalid operation: p + 1 (mismatched types *int and untyped int)

但 Go 還是提供了一種直接操作指針的方式，就是 unsafe.Pointer 和 uintptr。

uintptr 是一個(gè)整型，可理解為是將內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換成了一個(gè)整數(shù)，既然是一個(gè)整數(shù)，就可以對(duì)其做數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)指針地址的加減，也就是地址偏移，類似跟 C 語(yǔ)言中一樣的效果。

而 unsafe.Pointer 是普通指針和 uintptr 之間的橋梁，通過(guò) unsafe.Pointer 實(shí)現(xiàn)三者的相互轉(zhuǎn)換。

*T <-> unsafe.Pointer <-> uintptr

先看看這三位都長(zhǎng)什么樣：

func main() {
    a := 10
    var b *int
    b = &a
    fmt.Printf("a is %T, a=%v\n", a, a)
    fmt.Printf("b is %T, b=%v\n", b, b)
    p := unsafe.Pointer(b)
    fmt.Printf("p is %T, p=%v\n", p, p)
    uptr := uintptr(p)
    fmt.Printf("uptr is %T, uptr=%v\n", uptr, uptr)
}

輸出

a is int, a=10
b is *int, b=0x140000ae008
p is unsafe.Pointer, p=0x140000ae008
uptr is uintptr, uptr=1374390247432

舉一個(gè)通過(guò)指針運(yùn)算修改結(jié)構(gòu)體的例子

type People struct {
    age    int32
    height int64
    name   string
}
people := &People{}
fmt.Println(people)
// 將 people 普通指針轉(zhuǎn)成 unsafe.Pointer 再轉(zhuǎn)為 uintptr
// 后面再加上 height 字段相對(duì)于結(jié)構(gòu)體本身的偏移量，就得到了 height 的地址的 uintptr 值
// 再將 height 的 uintptr 值轉(zhuǎn)成 unsafe.Pointer 賦值給 height 變量
// 所以現(xiàn)在 height 的類型是 unsafe.Pointer
height := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(people)) + unsafe.Offsetof(people.height))
fmt.Printf("people addr is %v\n", unsafe.Pointer(people))
fmt.Printf("height is %T\n", height)
fmt.Printf("height addr is %v\n", height)
println("---")
// 使用類型轉(zhuǎn)換，將 unsafe.Pointer 類型的 height 轉(zhuǎn)換成 *int 指針
// 再通過(guò)最前面的 * 解引用，修改其值 身高2米26
*((*int)(height)) = 226
fmt.Println(people)
// 同樣的操作可以修改年齡和名字
age := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(people)) + unsafe.Offsetof(people.age))
*((*int)(age)) = 18
name := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(people)) + unsafe.Offsetof(people.name))
*((*string)(name)) = "小明"
fmt.Println(people)

輸出

people: &{0 0 }
people addr is 0x1400005e020
height is unsafe.Pointer
height addr is 0x1400005e028
---
people: &{0 226 }
people: &{18 226 }
people: &{18 226 小明}

通過(guò)指針轉(zhuǎn)換將一個(gè)字節(jié)切片轉(zhuǎn)成浮點(diǎn)數(shù)組

再看一個(gè)操作，通過(guò)指針轉(zhuǎn)換，將一個(gè)字節(jié)切片轉(zhuǎn)成浮點(diǎn)數(shù)組：

package main
import (
    "fmt"
    "unsafe"
)
func main() {
    // 假設(shè)我們有一個(gè)字節(jié)切片，并且我們知道它是由浮點(diǎn)數(shù)表示的
    byteSlice := []byte{0, 0, 0, 0, 0, 0, 240, 63} // 1.0 的 IEEE-754 表示
    // 使用 unsafe 把字節(jié)切片轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)切片
    floatSlice := (*[1]float64)(unsafe.Pointer(&byteSlice[0]))
    fmt.Println(floatSlice)
}

輸出

&[1]

這個(gè)過(guò)程不需要 Go 的類型檢查，繞過(guò)了很多流程，相對(duì)來(lái)說(shuō)性能會(huì)更高。

所以大體上通過(guò) unsafe.Pointer 的指針運(yùn)算會(huì)應(yīng)用在如下幾個(gè)方面：

• 性能優(yōu)化: 當(dāng)性能是關(guān)鍵因素時(shí)，unsafe 可以用來(lái)避免一些開(kāi)銷。例如，通過(guò)直接操作內(nèi)存，可以避免切片或數(shù)組的額外分配和復(fù)制。
• C 語(yǔ)言交互: 當(dāng)使用 cgo 與 C 語(yǔ)言庫(kù)交互時(shí)，unsafe 包通常用于轉(zhuǎn)換類型和指針。
• 自定義序列化/反序列化: 在自定義的序列化或反序列化邏輯中，unsafe 可以用于直接訪問(wèn)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局，可以提高性能。
• 實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu): 有時(shí)，特定的問(wèn)題需要非標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。unsafe 允許你直接操作內(nèi)存，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些 Go 的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中沒(méi)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 反射: 與反射結(jié)合時(shí)，unsafe 可以用于訪問(wèn)結(jié)構(gòu)體的私有字段。

以上就是Go語(yǔ)言普通指針unsafe.Pointer uintpt之間的關(guān)系及指針運(yùn)算的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Go普通指針unsafe.Pointer uintptr的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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