Go-unsafe详解

Go语言unsafe包

Go语言的unsafe包提供了一些底层操作的函数，这些函数可以绕过Go语言的类型系统，直接操作内存。虽然这些函数很强大，但是使用不当可能会导致程序崩溃或者产生不可预料的行为。因此，使用unsafe包时必须小心谨慎。

此外，他提供了一些方法和类型如下

在这里插入图片描述

其中Pointer的功能是很强大的，reflect包的功能大多基于它实现，具体可看下面内容

类型

type ArbitraryType int // 代表go中任意类型
type IntegerType int   // int 类型
type Pointer *ArbitraryType // 是可以指向ArbitraryType的指针

Pointer详解

关于Pointer有一些规范如下：

  • 任意类型的指针都可以转换为Pointer，同理，Pointer可以转换为任意类型的指针。
  • uintptr可以转换为pointer，pointer也可以转换为uintptr。

需要注意，Pointer可以操作任意内存，使用起来要小心

Pointer的使用有下面的几种情景：

利用Pointer将*T1转换为*T2

ps:需要注意，底层数据长度可以对上，就可以转换，不一定要固定的类型

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

func main() {
	var a  = 4.5
	println(Float64bits(a))

	var b = []string{"1","2"}
	bits := SliceBits(b)
	fmt.Printf("%v \n",bits)

	var c = true
	println(BoolBits(c))

	println(BoolBitsInt(c))
}
func Float64bits(f float64) uint64 {
	// 将float64转换为uint64
	// 首先要注意，是指针和指针的转换。
	return *(*uint64)(unsafe.Pointer(&f))
}
func SliceBits(data []string) [3]int{
	// 切片的底层结构是一个 uintptr，和两个int，这里就可以将他转换为一个长度为3的数组
	// 需要注意的是，这样的是可以的，因为他们的底层数据是长度是一样，都是8个字节。
	return *(*[3]int)(unsafe.Pointer(&data))
}
func BoolBits(data bool) uint8  {
	return *(*uint8)(unsafe.Pointer(&data))
}
func BoolBitsInt(data bool) int  {
	return *(*int)(unsafe.Pointer(&data))
}

//outPut:
4616752568008179712
[1374389948232 2 2] 
1
286655889801473  // 底层数据不一致，出了问题

解释如下：

在这里插入图片描述

利用Pointer可以来移动指针

func main() {
	var p = Point{
		x: 2,
		y: 3,
	}
	yUintptr := uintptr(unsafe.Pointer(&p)) + 8 // 在p的地址上增加了8个偏移量，找到了p，这个时候p还是uintptr
  println(*(*int)(unsafe.Pointer(yUintptr))) // output:3 
  // 将uintptr转换为*int的指针，然后访问值
  
  // 上面的操作相当于
  // 	println(*(*int)(unsafe.Add(unsafe.Pointer(&p), 8)))
  // 从p开始，移动8个，然后访问值
}

将reflect.Value.Pointer or reflect.Value.UnsafeAddr方法的返回值转换为Pointer

这底层用的是Pointer来做的

func main() {
	var p = Point{
		x: 2,
		y: 3,
	}
	reflect.ValueOf(p).Pointer() // 返回值为 uintptr
	reflect.ValueOf(p).UnsafePointer() // 返回值为 unsafe.Pointer
	reflect.ValueOf(p).UnsafeAddr() // 返回值为 uintptr
}

我们看一个reflect.ValueOf()的实现

在这里插入图片描述

将Pointer转换为reflect.SliceHeader和reflect.StringHeader

可以通过这种方式来查看String和slice底层的数据结构，直接做转换.

func main() {
	var a = "this"
	s := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&a))
	fmt.Printf("%+v \n",s) //&{Data:4304632499 Len:4}

	var a1 = []string{"1","2","3"}
	s2 := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&a1))
	fmt.Printf("%+v",s2) // &{Data:1374389961088 Len:3 Cap:3}
}

利用将string转为[]byte或者[]byte转string的时候不copy底层数组

string转[]byte不拷贝底层数组

  1. 验证copy操作

    利用汇编可以看到在转[]byte的时候调用了函数

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

源码链接：https://github.com/golang/go/blob/261e26761805e03c126bf3934a8f39302e8d85fb/src/runtime/string.go#L166

  1. 自己做，省略copy操作

    func main() {
 	var a = "test" // 创建str
	// 本质来说就是切片和stringHead的转换
	ints := *(*[2]int)(unsafe.Pointer(&a))
	fmt.Printf("%+v \n",ints) // [4297030033 4]

	var b = [3]int{ // 这里我将stringHead和sliceHead看成了int类型的数组，0 index表示data的ptr，1 index为长度，2index为容量
		ints[0],
		ints[1],
		ints[1],
	}
	s := (*[]byte)(unsafe.Pointer(&b))
	fmt.Printf("%+v\n",*s) // [116 101 115 116]
}

在这里插入图片描述

上面的操作就是现将String转为长度为2的数组，然后构建一个长度为3的数组，转为[]byte切片。

ps: 需要注意，在转换的时候只要底层的数据长度能对上，就可以转换

下面的代码是我按照正常流程写的

func main() {
 	var a = "test" // 创建str
	s := *(*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&a)) // 转出stringHead
	header := reflect.SliceHeader{ // 构建sliceHeader
		Data: s.Data,
		Len:  s.Len,
		Cap:  s.Len,
	}
	i := *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&header)) // 转为[]byte
	fmt.Printf("%+v \v",i)
}

例子

int转char
func main() {
 	var a = 65
	s := *(*[1]byte)(unsafe.Pointer(&a)) // int看为长度为1的byte数组
	fmt.Printf(string(s[0])) // A 65对应的asill码是A
}
字符串转byte
func main() {
 	var a = "test"
	i := *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&a))
	fmt.Printf("%+v",i) // [116 101 115 116]
}
操作非导出字段

在这里插入图片描述

方法

Sizeof

func Sizeof(v ArbitraryType) uintptr

Sizeof函数返回类型v的大小。ArbitraryType表示任意类型。

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

type Point struct {
	x, y int
}

func main() {
	var p Point
	size := unsafe.Sizeof(p)
	fmt.Println(size) // Output: 16

	var p1 = ""
	size1 := unsafe.Sizeof(p1)
	fmt.Println(size1) // Output: 16   // string对应的结构体是reflect.StringHeader,StringHeader有两个字段 Data：uintptr类型，表示底层数组，Len int类型，表示数组长度，
}

SizeOf返回的是p类型的的大小，也就是Point类型所占的空间大小

int占8个字节，这里有两个变量，x，y结果就是16

顺便来看看，go中用map实现set的时候，v为什么是空结构体?

func main() {
	var a = []string{"a", "a", "b"}
	set := Set(a)
	fmt.Printf("%v \n", set) // outPut Set

	var b = struct {}{}
	sizeof := unsafe.Sizeof(b) 
  println(sizeof)   // output: 0
}
// Set 用泛型实现set
func Set[T comparable](data []T) []T {
	m := make(map[T]struct{}, len(data))
	for _, item := range data {
		m[item] = struct{}{}
	}
	res := make([]T, 0, len(m))
	for t := range m {
		res = append(res, t)
	}
	return res
}

因为空结构体不占内存空间。

Offsetof

func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr

Offsetof函数返回结构体字段x相对于结构体起始位置的偏移量。ArbitraryType表示任意类型。

type Point struct {
    x, y int
}

func main() {
	var p Point
	offset := unsafe.Offsetof(p.y)
	fmt.Println(offset) // Output: 8
}

Point结构体中，y变量相对于起始位置偏移量为8，因为y前面有x，x为int，int占在64机器上占8个字节

Alignof

func Alignof(v ArbitraryType) uintptr

Alignof函数返回类型v的对齐方式。ArbitraryType表示任意类型。

type Point struct {
    x, y int
}

func main() {
    align := unsafe.Alignof(Point{})
    fmt.Println(align) // Output: 8
}

Add

func Add(p unsafe.Pointer, x uintptr) unsafe.Pointer

Add函数返回指针p加上偏移量x后的指针。注意，返回的指针仍然是unsafe.Pointer类型，需要转换为具体的指针类型才能使用。

package main

import (
	"unsafe"
)

type Point struct {
	x, y int
}

func main() {
	var p = Point{
		x: 123,
		y: 3123,
	}
	pointer := unsafe.Pointer(&p)  // 将p的指针转换为 pointer
	yPointer := unsafe.Add(pointer, unsafe.Sizeof(p.x))   // 在p的指针上，增加了8个字节的长度，其实就是int类型的长度
	yPtr := (*int)(yPointer)  // 此时pointer已经指向了y，将此pointer转换为 int类型的指针
	println(*yPtr)  // 通过指针访问y的值

}

add方法就是移动指针，在go里面不支持指针的运算，所以不能像c那样直接位移指针，但go作为新时代的c语言，在加上确实有这个需求，就提供了这种方式来操作指针。

Slice

func Slice(p unsafe.Pointer, len, cap int) unsafe.Pointer

Slice函数返回指针p开始的长度为len、容量为cap的切片。注意，返回的指针仍然是unsafe.Pointer类型，需要转换为具体的切片类型才能使用。

func main() {
	arr := [10]byte{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} //数组
	data := unsafe.Slice(&arr[0], len(arr)) // 从数组第0个元素开始，长度为len，返回一个地址的切片
	array := *(*[len(arr)]byte)(data) // 转换为 数组类型
	fmt.Printf("%v \n",array) // [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
	array[5] = 3
	fmt.Printf("%v \n",array) // [0 1 2 3 4 3 6 7 8 9] 
}

Slice函数返回一个切片，切片的开始位置是底层数组的开始位置，长度和容量都是len

Slice(ptr, len) 相当于 (*[len]ArbitraryType)(unsafe.Pointer(ptr))[:]

或者下面的例子

func main() {
	arr := [10]byte{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} //数组
	data := unsafe.Slice(&arr[0], 3) // 从数组第0个元素开始，长度为len，返回一个地址的切片
	array := *(*[3]byte)(data) // 转换为 数组类型
	fmt.Printf("%v \n",array) // [0 1 2]
	array[2] = 9
	fmt.Printf("%v \n",array) // [0 1 9]]
}
// 从arr创建了一个长度为3的切片

可以看这篇回答 ：
How to create an array or a slice from an array unsafe.Pointer in golang?

以上就是unsafe包中常用的一些函数，使用时需要谨慎，避免出现不可预料的错误。

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