golang unsafe实践与原理

我们在其余的语言(C 等)，我们如果想通过数组指针访问不同的索引的元素，直接怼 ptr 之类的操作就可以。但是在golang里面对指针的任何数学运算都是不允许的。

也就是说一个指针只能指向一种数据类型，即使是golang里面的组合关系，或者是同样是想某个interface的两个struct也不能互相转换。golang的指针很纯粹。

不同类型的指针不能使用 == 或者 != 比较。

不同类型的指针变量不能相互赋值

golang里面的指针是类型安全的，是因为编译器帮我们做了很多的检查工作，这必然会带来性能的损失。 对于高阶程序员有非类型安全的指针，这就是 unsafe 包提供的 unsafe.Pointer。在某些情况下，它会使代码更高效，当然，也更危险。

Pointer 表示指向任意类型的指针。有四种特殊操作可以用于指针类型而不能用于其他类型：

uintptr：uintptr 是 Go 的内置类型。返回无符号整数，可存储一个完整的地址，后续常用于指针数学运算。

Pointer 允许程序破坏类型系统并对任意的内存进行读写。使用应非常小心。

unsafe 包用于 Go 编译器，在编译阶段使用。从名字就可以看出来，它是不安全的，官方并不建议使用。

但是高阶的 Gopher，怎么能不会使用 unsafe 包呢？它可以绕过 Go 语言的类型系统，直接操作内存。例如，一般我们不能操作一个结构体的未导出成员，但是通过 unsafe 包就能做到。unsafe 包让我可以直接读写内存，还管你什么导出还是未导出。

Go 语言类型系统是为了安全和效率设计的，有时，安全会导致效率低下。有了 unsafe 包，高阶的程序员就可以利用它绕过类型系统的低效。因此，它就有了存在的意义，阅读 Go 源码，会发现runtime里面有大量使用 unsafe 包的例子。

先看源码里面 unsafe.Pointer 的定义：

从命名来看，Arbitrary 是任意的意思，也就是说 Pointer 可以指向任意类型，实际上它类似于 C 语言里的 void*

unsafe 包还有其他三个函数：

Sizeof 返回类型 x 所占据的字节数，但不包含 x 所指向的内容的大小。例如，对于一个指针，函数返回的大小为 8 字节（64位机上），一个 slice 的大小则为 slice header 的大小。

Offsetof 返回结构体成员在内存中的位置离结构体起始处的字节数，所传参数必须是结构体的成员。

Alignof 返回 m，m 是指当类型进行内存对齐时，它分配到的内存地址能整除 m。

注意到以上三个函数返回的结果都是 uintptr 类型，这和 unsafe.Pointer 可以相互转换。三个函数都是在编译期间执行，它们的结果可以直接赋给 const 型变量。另外，因为三个函数执行的结果和操作系统、编译器相关，所以是不可移植的。

综上所述，unsafe 包提供了 2 点重要的能力：

pointer 不能直接进行数学运算，但可以把它转换成 uintptr，对 uintptr 类型进行数学运算，再转换成 pointer 类型。

还有一点要注意的是，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( 不要让uintptr变量出现临时变量，不然有被GC的风险)。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。

unsafe 包中的几个函数都是在编译期间执行完毕，毕竟，编译器对内存分配这些操作“了然于胸”。在 /usr/local/go/src/cmd/compile/internal/gc/unsafe.go 路径下，可以看到编译期间 Go 对 unsafe 包中函数的处理。

更深层的原理需要去研究编译器的源码，这里就不去深究了。我们重点关注它的用法，接着往下看。

查看SDK的源码我们可以知道：slice的header的结构是：

调用 make 函数新建一个 slice，底层调用的是 makeslice 函数，返回的是 slice 结构体：
<code>func makeslice(et *_type, len, cap int) slice</code>

因此我们可以通过 unsafe.Pointer 和 uintptr 进行转换，得到 slice 的字段值。

输出是：

Len，cap 的转换流程如下：

先来看一下map的结构：

和 slice 不同的是，makemap 函数返回的是 hmap 的指针，注意是指针：
<code>func makemap(t *maptype, hint int64, h *hmap, bucket unsafe.Pointer) *hmap</code>

我们依然能通过 unsafe.Pointer 和 uintptr 进行转换，得到 hamp 字段的值，只不过，现在 count 变成二级指针了：

count 的转换过程：

对于一个结构体，通过 offset 函数可以获取结构体成员的偏移量，进而获取成员的地址，读写该地址的内存，就可以达到改变成员值的目的。

这里有一个内存分配相关的事实：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。

看一个例子：

输出结果：

i 是结构体的第一个成员，因此可以直接将 &nPointer 解析成 *string。这一点，在前面获取 map 的 count 成员时，用的是同样的原理。

对于结构体的私有成员，我们有办法可以通过 unsafe.Pointer 改变它的值了。通过 unsafe.Sizeof() 函数可以获取成员大小，进而计算出成员的地址，直接修改内存。

这是一个非常精典的例子。实现字符串和 bytes 切片之间的转换，要求是 zero-copy。想一下，一般的做法，都需要遍历字符串或 bytes 切片，再挨个赋值。

完成这个任务，我们需要了解 slice 和 string 的底层数据结构：

实现:

unsafe 包绕过了 Go 的类型系统，达到直接操作内存的目的，使用它有一定的风险性。但是在某些场景下，使用 unsafe 包提供的函数会提升代码的效率，Go 源码中也是大量使用 unsafe 包。