Golang黑科技之——string与[]byte转换

我们知道，相对于C语言，golang是类型安全的语言。但是安全的代价就是性能的妥协。
下面我们通过Golang中的“黑科技”来一窥Golang不想让我们看到的“秘密”——string的底层数据。
通过reflect包，我们可以知道，在Golang底层，string和slice其实都是struct：

type SliceHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
    Cap  int
}
type StringHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
}

其中Data是一个指针，指向实际的数据地址，Len表示数据长度。
但是，在string和[]byte转换过程中，Golang究竟悄悄帮我们做了什么，来达到安全的目的？
在Golang语言规范里面，string数据是禁止修改的，试图通过&s[0], &b[0]取得string和slice数据指针地址也是不能通过编译的。
下面，我们就通过Golang的“黑科技”来一窥Golang背后的“秘密”。

//return GoString's buffer slice(enable modify string)
func StringBytes(s string) Bytes {
    return *(*Bytes)(unsafe.Pointer(&s))
}

// convert b to string without copy
func BytesString(b []byte) String {
    return *(*String)(unsafe.Pointer(&b))
}

// returns &s[0], which is not allowed in go
func StringPointer(s string) unsafe.Pointer {
    p := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
    return unsafe.Pointer(p.Data)
}

// returns &b[0], which is not allowed in go
func BytesPointer(b []byte) unsafe.Pointer {
    p := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
    return unsafe.Pointer(p.Data)
}

以上4个函数的神奇之处在于，通过unsafe.Pointer和reflect.XXXHeader取到了数据首地址，并实现了string和[]byte的直接转换（这些操作在语言层面是禁止的）。
下面我们就通过这几个“黑科技”来测试一下语言底层的秘密：

func TestPointer(t *testing.T) {
    s := []string{
        "",
        "",
        "hello",
        "hello",
        fmt.Sprintf(""),
        fmt.Sprintf(""),
        fmt.Sprintf("hello"),
        fmt.Sprintf("hello"),
    }
    fmt.Println("String to bytes:")
    for i, v := range s {
        b := unsafe.StringBytes(v)
        b2 := []byte(v)
        if b.Writeable() {
            b[0] = 'x'
        }
        fmt.Printf("%d\ts=%5s\tptr(v)=%-12v\tptr(StringBytes(v)=%-12v\tptr([]byte(v)=%-12v\n",
            i, v, unsafe.StringPointer(v), b.Pointer(), unsafe.BytesPointer(b2))
    }

    b := [][]byte{
        []byte{},
        []byte{'h', 'e', 'l', 'l', 'o'},
    }
    fmt.Println("Bytes to string:")
    for i, v := range b {
        s1 := unsafe.BytesString(v)
        s2 := string(v)
        fmt.Printf("%d\ts=%5s\tptr(v)=%-12v\tptr(StringBytes(v)=%-12v\tptr(string(v)=%-12v\n",
            i, s1, unsafe.BytesPointer(v), s1.Pointer(), unsafe.StringPointer(s2))
    }

}

const N = 3000000

func Benchmark_Normal(b *testing.B) {
    for i := 1; i < N; i++ {
        s := fmt.Sprintf("12345678901234567890123456789012345678901234567890")
        bb := []byte(s)
        bb[0] = 'x'
        s = string(bb)
        s = s
    }
}
func Benchmark_Direct(b *testing.B) {
    for i := 1; i < N; i++ {
        s := fmt.Sprintf("12345678901234567890123456789012345678901234567890")
        bb := unsafe.StringBytes(s)
        bb[0] = 'x'
        s = s
    }
}

//test result
//String to bytes:
//0 s=      ptr(v)=0x51bd70     ptr(StringBytes(v)=0x51bd70     ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//1 s=      ptr(v)=0x51bd70     ptr(StringBytes(v)=0x51bd70     ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//2 s=hello ptr(v)=0x51c2fa     ptr(StringBytes(v)=0x51c2fa     ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//3 s=hello ptr(v)=0x51c2fa     ptr(StringBytes(v)=0x51c2fa     ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//4 s=      ptr(v)=<nil>        ptr(StringBytes(v)=<nil>        ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//5 s=      ptr(v)=<nil>        ptr(StringBytes(v)=<nil>        ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//6 s=xello ptr(v)=0xc0420444b5 ptr(StringBytes(v)=0xc0420444b5 ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//7 s=xello ptr(v)=0xc0420444ba ptr(StringBytes(v)=0xc0420444ba ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//Bytes to string:
//0 s=      ptr(v)=0x5c38b8     ptr(StringBytes(v)=0x5c38b8     ptr(string(v)=<nil>
//1 s=hello ptr(v)=0xc0420445e0 ptr(StringBytes(v)=0xc0420445e0 ptr(string(v)=0xc042021c38
//Benchmark_Normal-4    1000000000           0.87 ns/op
//Benchmark_Direct-4    2000000000           0.24 ns/op

结论如下：
1.string常量会在编译期分配到只读段，对应数据地址不可写入，并且相同的string常量不会重复存储。
2.fmt.Sprintf生成的字符串分配在堆上，对应数据地址可修改。
3.常量空字符串有数据地址，动态生成的字符串没有设置数据地址
4.Golang string和[]byte转换,会将数据复制到堆上，返回数据指向复制的数据
5.动态生成的字符串，即使内容一样，数据也是在不同的空间
6.只有动态生成的string，数据可以被黑科技修改
8.string和[]byte通过复制转换，性能损失接近4倍

我将测试代码放在这里，欢迎参考：
https://github.com/vipally/gx/blob/master/unsafe/string_test.go

参考资料：
[1] Go语言黑魔法 http://studygolang.com/articles/2909