golang: 常用数据类型底层结构分析

sryan · · 1157 次点击 · · 开始浏览    
这是一个创建于 的文章,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

转自 http://www.cnblogs.com/moodlxs/p/4133121.html


虽然golang是用C实现的,并且被称为下一代的C语言,但是golang跟C的差别还是很大的。它定义了一套很丰富的数据类型及数据结构,这些类型和结构或者是直接映射为C的数据类型,或者是用C struct来实现。了解golang的数据类型和数据结构的底层实现,将有助于我们更好的理解golang并写出质量更好的代码。

基础类型

源码在:$GOROOT/src/pkg/runtime/runtime.h 。我们先来看下基础类型:

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/*

 * basic types

 */

typedef signed char             int8;

typedef unsigned char           uint8;

typedef signed short            int16;

typedef unsigned short          uint16;

typedef signed int              int32;

typedef unsigned int            uint32;

typedef signed long long int    int64;

typedef unsigned long long int  uint64;

typedef float                   float32;

typedef double                  float64;

 

#ifdef _64BIT

typedef uint64          uintptr;

typedef int64           intptr;

typedef int64           intgo; // Go's int

typedef uint64          uintgo; // Go's uint

#else

typedef uint32          uintptr;

typedef int32           intptr;

typedef int32           intgo; // Go's int

typedef uint32          uintgo; // Go's uint

#endif

 

/*

 * defined types

 */

typedef uint8           bool;

typedef uint8           byte;

int8、uint8、int16、uint16、int32、uint32、int64、uint64、float32、float64分别对应于C的类型,这个只要有C基础就很容易看得出来。uintptr和intptr是无符号和有符号的指针类型,并且确保在64位平台上是8个字节,在32位平台上是4个字节,uintptr主要用于golang中的指针运算。而intgo和uintgo之所以不命名为int和uint,是因为int在C中是类型名,想必uintgo是为了跟intgo的命名对应吧。intgo和uintgo对应golang中的int和uint。从定义可以看出int和uint是可变大小类型的,在64位平台上占8个字节,在32位平台上占4个字节。所以如果有明确的要求,应该选择int32、int64或uint32、uint64。byte类型的底层类型是uint8。可以看下测试:

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package main

 

import (

        "fmt"

        "reflect"

)

 

func main() {

        var b byte = 'D'

        fmt.Printf("output: %v\n", reflect.TypeOf(b).Kind())

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

output: uint8

数据类型分为静态类型和底层类型,相对于以上代码中的变量b来说,byte是它的静态类型,uint8是它的底层类型。这点很重要,以后经常会用到这个概念。

rune类型

rune是int32的别名,用于表示unicode字符。通常在处理中文的时候需要用到它,当然也可以用range关键字。

string类型

string类型的底层是一个C struct。

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struct String

{

        byte*   str;

        intgo   len;

};

成员str为字符数组,len为字符数组长度。golang的字符串是不可变类型,对string类型的变量初始化意味着会对底层结构的初始化。至于为什么str用byte类型而不用rune类型,这是因为golang的for循环对字符串的遍历是基于字节的,如果有必要,可以转成rune切片或使用range来迭代。我们来看个例子:

$GOPATH/src

----basictype_test

--------main.go

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package main

 

import (

    "fmt"

    "unsafe"

)

 

func main() {

    var str string = "hi, 陈一回~"

    p := (*struct {

        str uintptr

        len int

    })(unsafe.Pointer(&str))

 

    fmt.Printf("%+v\n", p)

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

output: &{str:135100456 len:14}

内建函数len对string类型的操作是直接从底层结构中取出len值,而不需要额外的操作,当然在初始化时必需同时初始化len的值。

slice类型

slice类型的底层同样是一个C struct。

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struct  Slice

{               // must not move anything

    byte*   array;      // actual data

    uintgo  len;        // number of elements

    uintgo  cap;        // allocated number of elements

};

包括三个成员。array为底层数组,len为实际存放的个数,cap为总容量。使用内建函数make对slice进行初始化,也可以类似于数组的方式进行初始化。当使用make函数来对slice进行初始化时,第一个参数为切片类型,第二个参数为len,第三个参数可选,如果不传入,则cap等于len。通常传入cap参数来预先分配大小的slice,避免频繁重新分配内存。

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package main

 

import (

    "fmt"

    "unsafe"

)

 

func main() {

    var slice []int32 = make([]int32, 5, 10)

    p := (*struct {

        array uintptr

        len   int

        cap   int

    })(unsafe.Pointer(&slice))

 

    fmt.Printf("output: %+v\n", p)

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

output: &{array:406958176 len:5 cap:10}

由于切片指向一个底层数组,并且可以通过切片语法直接从数组生成切片,所以需要了解切片和数组的关系,否则可能就会不知不觉的写出有bug的代码。比如有如下代码:

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package main

 

import (

    "fmt"

)

 

func main() {

    var array = [...]int32{1, 2, 3, 4, 5}

    var slice = array[2:4]

    fmt.Printf("改变slice之前: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)

    slice[0] = 234

    fmt.Printf("改变slice之后: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

改变slice之前: array=[1 2 3 4 5], slice=[3 4]

改变slice之后: array=[1 2 234 4 5], slice=[234 4]

您可以清楚的看到,在改变slice后,array也被改变了。这是因为slice通过数组创建的切片指向这个数组,也就是说这个slice的底层数组就是这个array。因此很显然,slice的改变其实就是改变它的底层数组。当然如果删除或添加元素,那么len也会变化,cap可能会变化。

那这个slice是如何指向array呢?slice的底层数组指针指向array中索引为2的元素(因为切片是通过array[2:4]来生成的),len记录元素个数,而cap则等于len。

之所以说cap可能会变,是因为cap表示总容量,添加或删除操作不一定会使总容量发生变化。我们接着再来看另一个例子:

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package main

 

import (

    "fmt"

)

 

func main() {

    var array = [...]int32{1, 2, 3, 4, 5}

    var slice = array[2:4]

    slice = append(slice, 6, 7, 8)

    fmt.Printf("改变slice之前: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)

    slice[0] = 234

    fmt.Printf("改变slice之后: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

改变slice之前: array=[1 2 3 4 5], slice=[3 4 6 7 8]

改变slice之后: array=[1 2 3 4 5], slice=[234 4 6 7 8]

经过append操作之后,对slice的修改并未影响到array。原因在于append的操作令slice重新分配底层数组,所以此时slice的底层数组不再指向前面定义的array。

但是很显然,这种规则对从切片生成的切片也是同样的,请看代码:

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package main

 

import (

    "fmt"

)

 

func main() {

    var slice1 = []int32{1, 2, 3, 4, 5}

    var slice2 = slice1[2:4]

    fmt.Printf("改变slice2之前: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)

    slice2[0] = 234

    fmt.Printf("改变slice2之后: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

改变slice2之前: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4]

改变slice2之后: slice1=[1 2 234 4 5], slice2=[234 4]

slice1和slice2共用一个底层数组,修改slice2的元素导致slice1也发生变化。

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package main

 

import (

    "fmt"

)

 

func main() {

    var slice1 = []int32{1, 2, 3, 4, 5}

    var slice2 = slice1[2:4]

    fmt.Printf("改变slice2之前: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)

    slice2 = append(slice2, 6, 7, 8)

    fmt.Printf("改变slice2之后: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

改变slice2之前: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4]

改变slice2之后: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4 6 7 8]

而append操作可令slice1或slice2重新分配底层数组,因此对slice1或slice2执行append操作都不会相互影响。

接口类型

接口在golang中的实现比较复杂,在$GOROOT/src/pkg/runtime/type.h中定义了:

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struct Type

{

    uintptr size;

    uint32 hash;

    uint8 _unused;

    uint8 align;

    uint8 fieldAlign;

    uint8 kind;

    Alg *alg;

    void *gc;

    String *string;

    UncommonType *x;

    Type *ptrto;

};

在$GOROOT/src/pkg/runtime/runtime.h中定义了:

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struct Iface

{

    Itab*   tab;

    void*   data;

};

struct Eface

{

    Type*   type;

    void*   data;

};

struct  Itab

{

    InterfaceType*  inter;

    Type*   type;

    Itab*   link;

    int32   bad;

    int32   unused;

    void    (*fun[])(void);

};

interface实际上是一个结构体,包括两个成员,一个是指向数据的指针,一个包含了成员的类型信息。Eface是interface{}底层使用的数据结构。因为interface中保存了类型信息,所以可以实现反射。反射其实就是查找底层数据结构的元数据。完整的实现在:$GOROOT/src/pkg/runtime/iface.c 。

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package main

 

import (

    "fmt"

    "unsafe"

)

 

func main() {

    var str interface{} = "Hello World!"

    p := (*struct {

        tab  uintptr

        data uintptr

    })(unsafe.Pointer(&str))

 

    fmt.Printf("%+v\n", p)

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

output: &{tab:134966528 data:406847688}

map类型

golang的map实现是hashtable,源码在:$GOROOT/src/pkg/runtime/hashmap.c 。

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struct Hmap

{

    uintgo  count;

    uint32  flags;

    uint32  hash0;

    uint8   B;

    uint8   keysize;

    uint8   valuesize;

    uint16  bucketsize;

 

    byte    *buckets;

    byte    *oldbuckets;

    uintptr nevacuate;

};

测试代码如下:

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package main

 

import (

    "fmt"

    "unsafe"

)

 

func main() {

    var m = make(map[string]int32, 10)

    m["hello"] = 123

    p := (*struct {

        count      int

        flags      uint32

        hash0      uint32

        B          uint8

        keysize    uint8

        valuesize  uint8

        bucketsize uint16

 

        buckets    uintptr

        oldbuckets uintptr

        nevacuate  uintptr

    })(unsafe.Pointer(&m))

 

    fmt.Printf("output: %+v\n", p)

}

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$ cd $GOPATH/src/basictype_test

$ go build

$ ./basictype_test

output: &{count:407032064 flags:0 hash0:134958144 B:192 keysize:0 valuesize:64 bucketsize:30063 buckets:540701813 oldbuckets:0 nevacuate:0}

golang的坑还是比较多的,需要深入研究底层,否则很容易掉坑里。



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本文来自:CSDN博客

感谢作者:sryan

查看原文:golang: 常用数据类型底层结构分析

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