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golang如何使用指針靈活操作內(nèi)存及unsafe包原理解析

更新時間：2024年07月06日 09:23:36 作者：golang架構(gòu)師k哥

本文將深入探討unsafe包的功能和原理,同時,我們學(xué)習(xí)某種東西,一方面是為了實踐運用,另一方面則是出于功利性面試的目的,所以,本文還會為大家介紹unsafe?包的典型應(yīng)用以及高頻面試題,感興趣的朋友跟隨小編一起看看吧

我們都知道，C/C++提供了強大的萬能指針void*，任何類型的指針都可以和萬能指針相互轉(zhuǎn)換。并且指針還可以進行加減等算數(shù)操作。那么在Golang中，是否有類似的功能呢？答案是有的，這就是我們今天要探討的unsafe包。

本文將深入探討unsafe包的功能和原理。同時，我們學(xué)習(xí)某種東西，一方面是為了實踐運用，另一方面則是出于功利性面試的目的。所以，本文還會為大家介紹unsafe 包的典型應(yīng)用以及高頻面試題。

功能

為了實現(xiàn)靈活操作內(nèi)存的目的，unsafe包主要提供了4個功能：

定義了Pointer類型，任何類型的指針都可和Pointer互相轉(zhuǎn)換，類似于c語言中的void*

var a int = 1
p := unsafe.Pointer(&a) // 其它類型指針轉(zhuǎn)Pointer
b := (*int)(p) // Pointer類型轉(zhuǎn)其它類型指針
fmt.Println(*b) // 輸出1

定義了uintptr類型，Pointer和uintptr可以互相轉(zhuǎn)換， 從而實現(xiàn)指針的加減等算數(shù)運算。

type Person struct {
    age int
    name string
}
person := Person{age:18,name:"k哥"}
p := unsafe.Pointer(&person) // 其它類型指針轉(zhuǎn)Pointer
u := uintptr(p) // Pointer類型轉(zhuǎn)為uintptr
u=u+8 // uintptr加減操作
pName := unsafe.Pointer(u) // uintptr轉(zhuǎn)換為Pointer
name := *(*string)(pName)
fmt.Println(name) // 輸出k哥

uintptr是用于指針運算的，它只是一個存儲一個 指針地址 的 int 類型，GC 不把 uintptr 當(dāng)指針，因此， uintptr 類型的目標(biāo)可能會被回收

獲取任意類型內(nèi)存對齊、偏移量和內(nèi)存大小。

func Alignof(x ArbitraryType) uintptr // 內(nèi)存對齊
func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr // 內(nèi)存偏移量
func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr // 內(nèi)存大小

Alignof 返回類型x的內(nèi)存地址對齊值m，這個類型在內(nèi)存中的地址必須是m的倍數(shù)(基于內(nèi)存讀寫性能的考慮)。
Offsetof 返回結(jié)構(gòu)體成員x在內(nèi)存中的位置離結(jié)構(gòu)體起始處(結(jié)構(gòu)體的第一個字段的偏移量都是0)的字節(jié)數(shù)，即偏移量。
Sizeof 返回類型 x 所占據(jù)的字節(jié)數(shù)，如果類型x結(jié)構(gòu)有指針，Sizeof不包含 x 指針成員所指向內(nèi)容的大小。

ArbitraryType是占位符，golang編譯器在編譯時會替換為具體類型

高性能類型轉(zhuǎn)換。

func Slice(ptr *ArbitraryType, len IntegerType) []ArbitraryType
func SliceData(slice []ArbitraryType) *ArbitraryType
func String(ptr *byte, len IntegerType) string 
func StringData(str string) *byte

Slice 傳入任意類型的指針和長度，返回該類型slice變量
SliceData 傳入任意類型的slice變量，返回該slice底層數(shù)組的指針。
String 從一個byte指針派生出一個指定長度的字符串。
StringData 用來獲取一個字符串底層字節(jié)序列中的第一個byte的指針。

高性能類型轉(zhuǎn)換原理

為什么說Slice、SliceData、String、StringData是高性能類型轉(zhuǎn)換函數(shù)呢?下面我們就來剖析下它們的實現(xiàn)原理。

本文以String和StringData函數(shù)為例，Slice和SliceData函數(shù)實現(xiàn)原理類似。在介紹函數(shù)實現(xiàn)原理之前，先認識下string類型的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)StringHeader。string類型會被Golang編譯器編譯成此結(jié)構(gòu)，其中Data是byte數(shù)組地址，Len是字符串長度。

type StringHeader struct {
        Data uintptr // byte數(shù)組地址
        Len  int // 字符串長度
}

String函數(shù)會被Go編譯成下面的函數(shù)實現(xiàn)邏輯。我們可以發(fā)現(xiàn)，ptr指針轉(zhuǎn)換為string類型，是直接將ptr賦值給StringHeader的成員Data，而不需要重新拷貝ptr指向的byte數(shù)組。從而通過零拷貝實現(xiàn)高性能類型轉(zhuǎn)換。

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "unsafe"
)
func String(ptr *byte, len int) string {
    p := (uintptr)(unsafe.Pointer(ptr))
    hdr := &reflect.StringHeader{
        Data: p,
        Len:  len,
    }
    // 將 StringHeader 轉(zhuǎn)為 string
    str := *(*string)(unsafe.Pointer(hdr))
    return str
}
func main() {
    bytes := []byte{'h', 'e', 'l', 'l', 'o'}
    ptr := &bytes[0]
    len := 5
    str := String(ptr, len)
    fmt.Println(str) // 輸出hello
}

StringData函數(shù)會被Go編譯成下面的函數(shù)實現(xiàn)邏輯。同理，我們可以發(fā)現(xiàn)，string類型轉(zhuǎn)換為byte，是直接取StringHeader的uintptr類型成員Data，并將其轉(zhuǎn)換為byte。不需要拷貝整個string，重新生成byte數(shù)組。從而通過零拷貝實現(xiàn)高性能類型轉(zhuǎn)換。

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "unsafe"
)
func StringData(str string) *byte {
    hdr := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&str))
    data := hdr.Data
    return (*byte)(unsafe.Pointer(data))
}
func main() {
    str := "hello"
    data := StringData(str)
    fmt.Println(string(*data)) // 輸出h
}

回到問題，為什么說Slice、SliceData、String、StringData是高性能類型轉(zhuǎn)換函數(shù)呢？通過String和StringData函數(shù)的實現(xiàn)邏輯，我們可以知道，String和StringData利用unsafe包，通過零拷貝，實現(xiàn)了高性能類型轉(zhuǎn)換。

典型應(yīng)用

在實踐中，常見使用unsafe包的場景有2個：

與操作系統(tǒng)以及非go編寫(cgo)的代碼通信。

func SetData(bytes []byte) { 
    cstr := (*C.char)(unsafe.Pointer(&bytes[0])) // 轉(zhuǎn)換成一個C char類型
    C.setData(cstr, (C.int)(len(bytes))) // 調(diào)用C語言函數(shù)
}

高性能類型轉(zhuǎn)換。

func Bytes2String(b []byte) string {
    return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}
func String2Bytes(s string) []byte {
    sh := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
    bh := reflect.SliceHeader{
        Data: sh.Data,
        Len:  sh.Len,
        Cap:  sh.Len,
    }
    return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&bh))
}