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Go 数据类型篇(十):指针使用入门与 unsafe.Pointer

指针简介

我们已经知道,变量的本质对一块内存空间的命名,我们可以通过引用变量名来使用这块内存空间存储的值,而指针则是用来指向这些变量值所在内存地址的值

注:变量值所在内存地址的值不等于该内存地址存储的变量值。

和 PHP、Python、Java 不同,Go 语言支持指针,如果一个变量是指针类型的,那么就可以用这个变量来存储指针类型的值。

简单示例

我们来看一个简单的示例:

a := 100
var ptr *int  // 声明指针类型
ptr = &a      // 初始化指针类型值为变量 a 
fmt.Println(ptr)
fmt.Println(*ptr)

上面代码中的 ptr 就是一个指针类型,表示指向存储 int 类型值的指针。ptr 本身是一个内存地址值,所以需要通过内存地址进行赋值(通过 &a 可以获取变量 a 所在的内存地址),赋值之后,可以通过 *ptr 获取指针指向内存地址存储的变量值(我们通常将这种引用称作「间接引用」),所以上述代码打印结果是:

0xc0000a2000
100

每次打印的 ptr 值可能不一样,因为存储变量 a 的内存地址在变动,不同操作系统打印的结果也不相同。

PHP/Java 中也有类似通过 & 进行引用传值的用法,其实这种用法的本质也是指针,只不过 PHP/Java 在语言级别屏蔽了指针的概念而已。

Go 语言之所以引入指针类型,主要基于两点考虑,一个是为程序员提供操作变量对应内存数据结构的能力;另一个是为了提高程序的性能(指针可以直接指向某个变量值的内存地址,可以极大节省内存空间,操作效率也更高),这在系统编程、操作系统或者网络应用中是不容忽视的因素。

使用场景

指针在 Go 语言中有两个典型的使用场景:

  • 类型指针
  • 切片

作为类型指针时,允许对这个指针类型数据指向的内存地址存储值进行修改,传递数据时如果使用指针则无须拷贝数据从而节省内存空间,此外和 C 语言中的指针不同,Go 语言中的类型指针不能进行偏移和运算,因此更为安全。

切片类型我们前面已经介绍过,由指向数组起始元素的指针、元素数量和容量组成,所以切片与数组不同,是引用类型,而非值类型。

基本使用

下面我们以一个简单的示例代码来演示 Go 语言中指针的基本使用。

指针类型的声明和初始化

指针变量在传值时之所以可以节省内存空间,是因为指针指向的内存地址的大小是固定的,在 32 位机器上占 4 个字节,在 64 位机器上占 8 个字节,这与指针指向内存地址存储的值类型无关。

关于指针类型的声明我们在开头已经演示过,这里我们再回头看下这段代码:

var ptr *int
fmt.Println(ptr)

a := 100
ptr = &a
fmt.Println(ptr)
fmt.Println(*ptr)

当指针被声明后,没有指向任何变量内存地址时,它的零值是 nil,然后我们可以通过在给定变量前加上取地址符 & 获取该变量对应的内存地址,再将其赋值给声明的指针类型,这样,就完成对指针类型的初始化了,接下来我们可以通过在指针类型前加上间接引用符 * 获取指针指向内存空间存储的变量值。

当然,和所有其他 Go 数据类型一样,我们也可以通过 := 对指针类型进行初始化:

a := 100
ptr := &a
fmt.Printf("%p\n", ptr)
fmt.Printf("%d\n", *ptr)

底层会自动判断指针的类型,在格式化输出时,可以通过 %p 来标识指针类型。

此外,还可以通过内置函数 new 声明指针:

ptr := new(int)
*ptr = 100

通过指针传值

我们再来看一个通过指针传值的示例,通过指针传值就类似于 PHP/Java 中通过引用传值,这样做的好处是节省内存空间,此外还可以在调用函数中实现对变量值的修改,因为直接修改的是指针指向内存地址上存储的变量值,而不是值拷贝。

为了体现出区别,我们先看不使用指针的值拷贝示例:

func swap(a, b int)  {
    a, b = b, a
    fmt.Println(a, b)
}

func main() {
    a := 1
    b := 2
    swap(a, b)
    fmt.Println(a, b)
}

上述代码的打印结果是:

2 1
1 2

下面我们通过指针传值来重构上述代码:

func swap(a, b *int)  {
    *a, *b = *b, *a
    fmt.Println(*a, *b)
}

func main() {
    a := 1
    b := 2
    swap(&a, &b)
    fmt.Println(a, b)
}

上述代码的打印结果是

2 1
2 1

因为这次,我们是通过指针传值的(&a&b 都是指针,只不过我们没有显示声明而已),直接会对内存地址存储变量值进行交换操作,而主函数中的 ab 变量仅仅是对应内存存储空间的别名而已,所以调用完 swap 函数后,它们所对应的内存空间存储值已经交换过来了。

unsafe.Pointer

我们前面介绍的指针都是被声明为指定类型的,而 unsafe.Pointer 是特别定义的一种指针类型,它可以包含任意类型变量的地址(类似 C 语言中的 void 类型指针)。Go 官方文档对这个类型有如下四个描述:

  1. 任何类型的指针都可以被转化为 unsafe.Pointer
  2. unsafe.Pointer 可以被转化为任何类型的指针;
  3. uintptr 可以被转化为 unsafe.Pointer
  4. unsafe.Pointer 可以被转化为 uintptr

指针类型转化

因此,unsafe.Pointer 可以在不同的指针类型之间做转化,从而可以表示任意可寻址的指针类型:

i := 10
var p *int = &i

var fp *float32 = (*float32)(unsafe.Pointer(p))
*fp = *fp * 10
fmt.Println(i)  // 100

这里,我们将指向 int 类型的指针转化为了 unsafe.Pointer 类型,再转化为 *float32 类型(参考前面的 unsafe.Pointer 转化规则 1、2)并进行运算,最后发现 i 的值发生了改变。

这个示例说明了 unsafe.Pointer 是一个万能指针,可以在任何指针类型之间做转化,这就绕过了 Go 的类型安全机制,所以是不安全的操作。

指针运算实现

此外,根据上面的转化规则 3、4,unsafe.Pointer 还可以与 uintptr 类型之间相互转化,为什么要单独列出这个类型呢?

uintptr 是 Go 内置的可用于存储指针的整型,而整型是可以进行数学运算的!因此,将 unsafe.Pointer 转化为 uintptr 类型后,就可以让本不具备运算能力的指针具备了指针运算能力:

arr := [3]int{1, 2, 3}
ap := &arr

sp := (*int)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(ap)) + unsafe.Sizeof(arr[0])))
*sp += 3
fmt.Println(arr)

这里,我们将数组 arr 的内存地址赋值给指针 ap,然后通过 unsafe.Pointer 这个桥梁转化为 uintptr 类型,再加上数组元素偏移量(通过 unsafe.Sizeof 函数获取),就可以得到该数组第二个元素的内存地址,最后通过 unsafe.Pointer 将其转化为 int 类型指针赋值给 sp 指针,并进行修改,最终打印的结果是:

[1 5 3]

这样一来,就可以绕过 Go 指针的安全限制,实现对指针的动态偏移和计算了,这会导致即使发生数组越界了,也不会报错,而是返回下一个内存地址存储的值,这就破坏了内存安全限制,所以这也是不安全的操作,我们在实际编码时要尽量避免使用,必须使用的话也要非常谨慎。

太烂了有点差凑活看还不错太棒了 (15 人打了分, 平均分: 4.40)
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2 条评论

  1. robin
    robin 2021年4月21日

    “变量值所在内存地址的值不等于该内存地址存储的变量值” 这句话真的绕
    “变量值不等于该变量的内存地址”

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