一衰絮、Golang指針與C/C++指針的差別

在Golang支持的數(shù)據(jù)類型中练俐，是包含指針的沸久，但是Golang中的指針季眷，與C/C++的指針卻又不同，筆者覺得主要表現(xiàn)在下面的兩個(gè)方面：

弱化了指針的操作卷胯，在Golang中子刮，指針的作用僅是操作其指向的對象，不能進(jìn)行類似于C/C++的指針運(yùn)算，例如指針相減挺峡、指針移動(dòng)等葵孤。從這一點(diǎn)來看，Golang的指針更類似于C++的引用
指針類型不能進(jìn)行轉(zhuǎn)換橱赠，如int不能轉(zhuǎn)換為int32

上述的兩個(gè)限定主要是為了簡化指針的使用尤仍，減少指針使用過程中出錯(cuò)的機(jī)率，提高代碼的魯棒性狭姨。但是在開發(fā)過程中宰啦，有時(shí)需要打破這些限制，對內(nèi)存進(jìn)行任意的讀寫送挑，這里就需要unsafe.Pointer了绑莺。

二、unsafe.Pointer

1）unsafe.Pointer的定義

從unsate.Pointer的定義如下惕耕，從定義中我們可以看出纺裁，Pointer的本質(zhì)是一個(gè)int的指針：

type ArbitraryType int
type Pointer *ArbitraryType

2）unsafe.Pointer的功能介紹

下面再來看一下Golang官網(wǎng)對于unsafe.Pointer的介紹：

任意類型的指針值都可以轉(zhuǎn)換為unsafe.Pointer（A pointer value of any type can be converted to a Pointer.）
unsafe.Pointer可以轉(zhuǎn)換為任意類型的指針值（A Pointer can be converted to a pointer value of any type.）
uintptr可以轉(zhuǎn)換為unsafe.Pointer（A uintptr can be converted to a Pointer.）
unsafe.Pointer可以轉(zhuǎn)換為uintptr（A Pointer can be converted to a uintptr.）

從上面的功能介紹可以看到，Pointer允許程序突破Golang的類型系統(tǒng)的限制司澎，任意讀寫內(nèi)存欺缘，使用時(shí)需要額外小心，正如它的包名unsafe所提示的一樣挤安。

PS:uintptr本質(zhì)上是一個(gè)用于表示地址值的無符號整數(shù)谚殊，而不是一個(gè)引用，它表示程序中使用的某個(gè)對象的地址值蛤铜。

3）指針類型轉(zhuǎn)換

下面以int64轉(zhuǎn)換為int為例子嫩絮，說明unsafe.Pointer在指針類型轉(zhuǎn)換時(shí)的使用，如下：

func main() {
    i := int64(1)
    var iPtr *int
    // iPtr = &i // 錯(cuò)誤
    iPtr = (*int)(unsafe.Pointer(&i))
    fmt.Printf("%d\n", *iPtr)
}

注意围肥，這種類型轉(zhuǎn)換剿干，需要保證轉(zhuǎn)換后的類型的大小不大于轉(zhuǎn)換前的類型，且具有相同的內(nèi)存布局穆刻，則可將數(shù)據(jù)解釋為另一個(gè)類型置尔。反之，如將int32的指針氢伟，轉(zhuǎn)換為int64的指針榜轿，在后續(xù)的讀寫中，可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤朵锣。

4）讀寫結(jié)構(gòu)內(nèi)部成員

上面的類型轉(zhuǎn)換只是一個(gè)簡單的例子谬盐，在實(shí)際開發(fā)中，使用unsafe.Pointer進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換一般用于讀取結(jié)構(gòu)的私有成員變量或者修改結(jié)構(gòu)的變量猪勇，下面以修改一個(gè)string變量的值為例子设褐，說明類型轉(zhuǎn)換對于任意內(nèi)存讀寫。

我們先來看看在Golang中string是如何定義的：

type stringStruct struct {
    str unsafe.Pointer
    len int
}

string的結(jié)構(gòu)由是由一個(gè)指向字節(jié)數(shù)組的unsafe.Pointer和int類型的長度字段組成，我們可以定義一下與其結(jié)構(gòu)相同的類型助析，并通過unsafe.Pointer把string的指針轉(zhuǎn)換并賦值到新類型的變量中犀被，通過操作該變量來讀寫string內(nèi)部的成員。

在Golang中已經(jīng)存在這樣的結(jié)構(gòu)體了外冀，它就是reflect.StringHeader寡键，它的定義如下：

// StringHeader is the runtime representation of a string.
// It cannot be used safely or portably and its representation may
// change in a later release.
// Moreover, the Data field is not sufficient to guarantee the data
// it references will not be garbage collected, so programs must keep
// a separate, correctly typed pointer to the underlying data.
type StringHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
}

unsafe.Pointer與uintptr在內(nèi)存結(jié)構(gòu)上是相同的，下面通過一個(gè)原地修改字符串的值來演示相關(guān)的操作：

func main() {
    str1 := "hello world"
    hdr1 := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&str1)) // 注1
    fmt.Printf("str:%s, data addr:%d, len:%d\n", str1, hdr1.Data, hdr1.Len)

    str2 := "abc"
    hdr2 := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&str2))

    hdr1.Data = hdr2.Data // 注2
    hdr1.Len = hdr2.Len   // 注3
    fmt.Printf("str:%s, data addr:%d, len:%d\n", str1, hdr1.Data, hdr1.Len)
}

其運(yùn)行結(jié)果如下：

str:hello world, data addr:4996513, len:11
str:abc, data addr:4992867, len:3

代碼解釋：

注1：該行代碼是把str1轉(zhuǎn)化為unsafe.Pointer后雪隧，再把unsafe.Pointer轉(zhuǎn)換來StringHeader的指針西轩，然后通過讀寫hdr1的成員即可讀寫str1成員的值
注2：通過修改hdr1的Data的值，修改str1的字節(jié)數(shù)組的指向
注3：為了保證字符串的結(jié)果是完整的脑沿，通過修改hdr1的Len的值藕畔，修改str1的長度字段

最后，str1的值庄拇，已經(jīng)被修改成了str2的值注服，即"abc"。

5）指針運(yùn)算

下面的代碼措近，模擬了通過指針移動(dòng)溶弟，遍歷slice的功能，其本質(zhì)思想是瞭郑，找到slice的第一個(gè)元素的地址辜御，然后通過加上slice每個(gè)元素所占的大小作為偏移量，實(shí)現(xiàn)指針的移動(dòng)和運(yùn)算屈张。

func main() {
    data := []byte("abcd")
    for i := 0; i < len(data); i++ {
        ptr := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&data[0])) + uintptr(i)*unsafe.Sizeof(data[0])) 
        fmt.Printf("%c,", *(*byte)(unsafe.Pointer(ptr)))
    }
    fmt.Printf("\n")
}

其運(yùn)行結(jié)果如下：

a,b,c,d,

代碼解釋：

要理解上述代碼擒权，首選需要了解兩個(gè)原則，分別是：

其他類型的指針只能轉(zhuǎn)化為unsafe.Pointer阁谆，也只有unsafe.Pointer才能轉(zhuǎn)化成任意類型的指針
只有uintptr才支持加減操作菜拓，而uintptr是一個(gè)非負(fù)整數(shù)，表示地址值笛厦，沒有類型信息，以字節(jié)為單位

for循環(huán)的ptr賦值是該例子中的重點(diǎn)代碼俺夕，它表示：

把data的第0個(gè)元素的地址裳凸，轉(zhuǎn)化為unsafe.Pointer，再把它轉(zhuǎn)換成uintptr劝贸，用于加減運(yùn)算姨谷，即（uintptr(unsafe.Pointer(&data[0])) ）
加上第i個(gè)元素的偏移量，得到一個(gè)新的uintptr值映九，計(jì)算方法為i每個(gè)元素所占的字節(jié)數(shù)梦湘，即（+ uintptr(i)unsafe.Sizeof(data[0])）
把新的uintptr再轉(zhuǎn)化為unsafe.Pointer，用于在后續(xù)的打印操作中，轉(zhuǎn)化為實(shí)際類型的指針

三捌议、總結(jié)

閱讀本文后哼拔，希望能讓你對unsafe.Pointer有一定的了解，總的來說瓣颅，它的作用是用于打破類型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更靈活的內(nèi)存讀寫倦逐。但同時(shí)也是不安全的，使用時(shí)需要額外小心宫补。

總結(jié)一下unsafe.Pointer的使用法則就是：

任意類型的指針值都可以轉(zhuǎn)換為unsafe.Pointer檬姥，unsafe.Pointer也可以轉(zhuǎn)換為任意類型的指針值
unsafe.Pointer與uintptr可以實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換
可以通過uintptr可以進(jìn)行加減操作，從而實(shí)現(xiàn)指針的運(yùn)算

淺談Golang的unsafe.Pointer