Go的内存对齐和指针运算详解和实践

#### uintptr 和 unsafe普及 ##### uintptr 在Go的源码中uintptr的定义如下： ```go /* uintptr is an integer type that is large enough to hold the bit pattern of any pointer. 从英文注释可以看出 uintptr是一个整形，它的大小能够容纳任何指针的位模式，它是无符号的，最大值为：18446744073709551615，怎么来的，int64最大值 * 2 +1 */ type uintptr uintptr ``` **位模式**：内存由字节组成.每个字节由8位bit组成,每个bit状态只能是0或1.所谓位模式,就是变量所占用内存的所有bit的状态的序列 **指针大小**：一个指针的大小是多少呢？在32位操作系统上，指针大小是4个字节，在64位操作系统上，指针的大小是8字节， **所以uintptr能够容纳任何指针的位模式，总的说uintptr表示的指针地址的值，可以用来进行数值计算** GC不会把uintptr当作指针，uintptr不会持有一个对象，uintptr类型的目标会被GC回收 ##### unasfe 在Go中，unsafe是一个包，内容也比较简短，但注释非常多，这个包主要是用来在一些底层编程中，让你能够操作内存地址计算，也就是说Go本身是不支持指针运算，但还是留了一个后门，而且Go也不建议研发人员直接使用unsafe包的方法，因为它绕过了Go的内存安全原则，是不安全的，容易使你的程序出现莫名其妙的问题，不利于程序的扩展与维护但为什么说它呢，因为很多框架包括SDK中的源代码都用到了这个包的知识，在看源代码时这块不懂，容易懵。下面看看这个包定义了什么？ ```go //ArbitraryType的类型也是int，但它被赋予特殊的含义，代表一个Go的任意表达式类型 type ArbitraryType int //Pointer是一个int指针类型，在Go种，它是所有指针类型的父类型，也就是说所有的指针类型都可以转化为Pointer, uintptr和Pointer可以相互转化 type Pointer *ArbitraryType //返回指针变量在内存中占用的字节数(记住，不是变量对应的值占用的字节数) func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr /*Offsetof返回变量指定属性的偏移量，这个函数虽然接收的是任何类型的变量，但是有一个前提，就是变量要是一个struct类型，且还不能直接将这个struct类型的变量当作参数，只能将这个struct类型变量的属性当作参数*/ func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr //返回变量对齐字节数量 func Alignof(x ArbitraryType) uintptr ``` #### 什么是内存对齐?为什么要内存对齐? 在我了解比较深入的语言中（Java Go）都有内存对齐的概念，百度百科对内存对齐的概念是这样定义的：**“内存对齐”应该是编译器的“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上**，所谓的数据单元其实就是变量的值。 **为什么要内存对齐呢？** 1. 平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常（32位平台上运行64位平台上编译的程序要求必须8字节对齐，否则发生panic） 2. 性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问 **对齐规则**：也就是对齐的边界，多少个字节内存对齐，在32位操作系统上，是4个自己，在64位操作系统上是8个字节 **通过一幅图来理解上面的内容,下图只是举个例子，位数并没有画全**  #### 指针运算和内存对齐实践 ##### 内存对齐实践 理论总是枯燥的，但必须了解，也许看了理论还是不懂，接下来通过实践让你明白 ```go //创建一个变量 var i int8 = 10 //建一个变量转化成Pointer 和 uintptr p := unsafe.Pointer(&i) //入参必须是指针类型的 fmt.Println(p) //是内存地址0xc0000182da u := uintptr(i) fmt.Println(u) //结果就是10 //Pointer转换成uintptr temp := uintptr(p) //uintptr转Pointer p= unsafe.Pointer(u) //获取指针大小 u = unsafe.Sizeof(p) //传入指针，获取的是指针的大小 fmt.Println(u) // 打印u是：8 //获取的是变量的大小 u = unsafe.Sizeof(i) fmt.Println(u) //打印u是：1 //创建两个个结构体 type Person1 struct{ a bool b int64 c int8 d string } type Person2 struct{ b int64 c int8 a bool d string } //接下来演示一下内存对齐,猜一猜下面l两个打印值是多少呢? person1 := Person1{a:true,b:1,c:1,d:"spw"} fmt.Println(unsafe.Sizeof(person1)) person2 := Person2{b:1,c:1,a:true,d:"spw"} fmt.Println(unsafe.Sizeof(person2)) //第一个结果是40,第二个结果是32，为什么会有这些差距呢？其实就是内存对齐做的鬼，我来详细解释一下 ``` 我们知道在Person1和Person2种变量类型都一样，只是顺序不太一样， bool占1个字节， int64占8个字节， int8占一个字节， string占用16个字节， 总的结果应该是 1+8+1+16= 26，为啥Person1是40呢，Person2是32，看下图 ![Image [2].png](https://static.studygolang.com/200106/a076bd08fe104ba866a84efb58fbf2ff.png) 根据上图，我们就明白了，在结构体编写中存在内存对齐的概念，而且我们应该小心，尽可能的避免因内存对齐导致结构体大小增大，在书写过程中应该让小字节的变量挨着。我们可以工具进行检测（golangci-lint）。 我们可以通过`func Alignof(x ArbitraryType) uintptr`这个方法返回内存对齐的字节数量，如下代码 ```go type Person1 struct{ a bool b int64 c int8 d string } p := Person{a:true,b:1,c:1,d:"spw"} fmt.Println(unsafe.Alignof(person)) type Person2 struct{ a bool c int8 } p1 := Person1{a:true,b:1,c:1,d:"spw"} fmt.Println(unsafe.Alignof(p1)) p2 := Person2{a:true,c:1} fmt.Println(unsafe.Alignof(p2)) //你任务上面两个println打印多少呢？结果是8，1，在结构体中，内存对齐是按照结构体中最大字节数对齐的(但不会超过8) ``` ##### 指针运算实践 我们还是用代码来举例说明 ```go type W struct { b int32 c int64 } var w *W = new(W) //这时w的变量打印出来都是默认值0，0 fmt.Println(w.b,w.c) //现在我们通过指针运算给b变量赋值为10 b := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(w)) + unsafe.Offsetof(w.b)) *((*int)(b)) = 10 //此时结果就变成了10，0 fmt.Println(w.b,w.c) ``` 解释一下上面的代码 `uintptr(unsafe.Pointer(w))`获取了w的指针起始值， `unsafe.Offsetof(w.b)` 获取b变量的偏移量 两个相加就得到了b的地址值，将通用指针Pointer转换成具体指针`((*int)(b))`，通过 * 符号取值，然后赋值，*((*int)(b)) 相当于把（*int） 转换成 int了，最后对变量重新赋值成10，这样指针运算就完成了。 ** 关注公众号，阅读更多精彩文章 **