Golang指针与unsafe

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前言

我们知道在golang中是存在指针这个概念的。对于指针很多人有点忌惮(可能是因为之前学习过C语言),因为它会导致很多异常的问题。但是很多人学习之后发现,golang中的指针很简单,没有C那么复杂。所以今天就详细来说说指针。

指针的使用

a := 1
p := &a
fmt.Println(p)

输出:0xc42001c070

可以看到p就是一个指针,也可以说是a的地址。

a := 1
var p *int
p = &a
fmt.Println(p)

或者也可以写成这样,因为我知道,在很多人看来,看到*号才是指针(手动滑稽)

a := 1
p := &a
fmt.Println(*p)

输出:1

然后使用就直接通过*号就能去到对应的值了,就这么简单

指针的限制

Golang中指针之所以看起来很简单,是因为指针的功能不多。我们能看到的功能就是指针的指向一个地址而已,然后对于这个地址也只能进行传递,或者通过这个的地址去访问值。

  • 不能像C语言中一样p++,这样移动操作指针,因为其实这样操作确实不安全,很容易访问到奇怪的区域。
  • 不同类型的指针不能相互赋值、转换、比较。会出现cannot use &a (type *int) as type *float32 in assignment类似这样的错误

如果只是单纯说go中指针的功能,上面就已经说完了,没必要写博客,但是其实go中还有一个包叫unsafe,有了它,指针就可以像C一样想干嘛干嘛了。

unsafe

三个类型

其实指针有三种:
一种是我们常见的*,用*去表示的指针;
一种是unsafe.Pointer,Pointer是unsafe包下的一个类型;
最后一种是uintptr,uintptr就厉害了,这玩意是可以进行运算的也就是可以++--;

他们之间有这样的转换关系:
* <=> unsafe.Pointer <=> uintptr

  • 有一点要注意的是,uintptr 并没有指针的语义,意思就是 uintptr 所指向的对象会被 gc 无情地回收。而 unsafe.Pointer 有指针语义,可以保护它所指向的对象在“有用”的时候不会被垃圾回收。

从这样的关系你大概就可以猜到,我们使用的指针*p转换成Pointer然后转换uintptr进行运算之后再原路返回,理论上就能等同于进行了指针的运算。我们下面就来实践一下。

unsafe操作slice

func main() {
    s := make([]int, 10)
    s[1] = 2
    
    p := &s[0]
    fmt.Println(*p)
    
    up := uintptr(unsafe.Pointer(p))
    up += unsafe.Sizeof(int(0)) // 这里可不是up++哦

    p2 := (*int)(unsafe.Pointer(up))
    fmt.Println(*p2)
}

输出:
0
2

从代码中我们可以看到,我们首先将指针指向切片的第一个位置,然后通过转换得到uintptr,操作uintptr + 上8位(注意这里不能++因为存放的是int,下一个元素位置相隔举例int个字节),最后转换回来得到指针,取值,就能取到切片的第二个位置了。

unsafe操作struct

当然有人肯定要说了,上面那个一顿操作猛如虎,不就是访问下一个位置嘛,我直接访问就行了。
那下面就是厉害的来了,我们知道如果一个结构体里面定义的属性是私有的,那么这个属性是不能被外界访问到的。我们来看看下面这个操作:

package basic

type User struct {
    age  int
    name string
}
package main

func main() {
    user := &basic.User{}
    fmt.Println(user)
    
    s := (*int)(unsafe.Pointer(user))
    *s = 10

    up := uintptr(unsafe.Pointer(user)) + unsafe.Sizeof(int(0))

    namep := (*string)(unsafe.Pointer(up))
    *namep = "xxx" 

    fmt.Println(user)
}

User是另外一个basic包中的结构体,其中的age是小写开头的,理论上来说,我们在外部没有办法修改age的值,但是经过上面这波操作之后,输出信息是:
&{0 }
&{10 xxx}
也就是说成功操作到了结构体的私有属性。

顺便提一句:创建结构体会被分配一块连续的内存,结构体的地址也代表了第一个成员的地址。

下面我们来验证一下你是否已经学会了unsafe的操作,尝试不看一个小结,自己尝试一下:如何完成字符串到[]byte的转换,并且不开辟新的空间?








字符串和byte数组转换inplace

我们知道如果将字符串转换成[]byte非常方便

s := "123"
a := []byte(s)

但是这样需要开辟额外的空间,那么如何实现原地的,不需要拷贝数据的转换呢?
我们想一下,其实从底层的存储角度来说,string的存储规则和[]byte是一样的,也就是说,其实指针都是从某个位置开始到一段空间,中间一格一格。所以利用unsafe就可以做到。

func main() {
    s := "123"
    a := []byte(s)
    
    print("s = " , &s, "\n")
    print("a = " , &a, "\n")
    
    a2 := (*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
    print("a2 = " , a2, "\n")

    fmt.Println(*a2)
}

输出结果:
s = 0xc420055f40
a = 0xc420055f60
a2 = 0xc420055f40
[49 50 51]

我们可以看到s和a的地址是不一样的,但是s和a2的地址是一样的,并且a2已经是一个[]byte了。






嘿嘿嘿~你以为这样就结束了???

存在的问题

其实这个转换是存在问题的,问题就在新的[]byte的Cap没有正确的初始化。
我们打印一下cap看一下
fmt.Println("cap a =", cap(a))
fmt.Println("cap a2 =", cap(*a2))
结果是:
cap a = 32
cap a2 = 17418400
这么大的容量是要上天呢???

问题的原因

在src/reflect/value.go下看

type StringHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
}

type SliceHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
    Cap  int
}

看到其实string没有cap而[]byte有,所以导致问题出现,也容易理解,string是没有容量扩容这个说法的,所以新的[]byte没有赋值cap所以使用了默认值。

问题解决

stringHeader := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))

bh := reflect.SliceHeader{
    Data: stringHeader.Data,
    Len:  stringHeader.Len,
    Cap:  stringHeader.Len,
}

return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&bh))

通过重新设置SliceHeader就可以完成

总结

以上就是所有golang指针和unsafe的相关细节和使用。那么肯定有人会问这个有什么用了?

  • 1、没啥事你就别乱用了,别人都说unsafe不安全了。
  • 2、源码中很多大量的使用了指针移动的操作。

如map中通过key获取value的时候:

v := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+bucketCnt * uintptr(t.keysize)+i * uintptr(t.valuesize))

通过桶的指针的偏移拿到值,具体我就不多介绍了。
总之对于你看golang源码的时候会有很大帮助的。可能必要的时候你也能用到它,还是那句话,除非你知道它在干什么,否则不要用。


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本文来自:简书

感谢作者:LinkinStar

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上一篇:2019-06-10
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