引言

在 Go 語言中總是有一些看上去奇奇怪怪的東西，咋一眼一看感覺很熟悉，但又不理解其在 Go 代碼中的實際意義，面試官卻愛問...

今天要給大家介紹的是 SliceHeader 和 StringHeader 結構體，了解清楚他到底是什么，又有什么用，并且會在最后給大家介紹 0?拷貝轉換的內容。

一起愉快地開始吸魚之路。

SliceHeader

SliceHeader 如其名，Slice + Header，看上去很直觀，實際上是 Go Slice（切片）的運行時表現。

SliceHeader 的定義如下：

type?SliceHeader?struct?{
?Data?uintptr
?Len??int
?Cap??int
}

• Data：指向具體的底層數組。
• Len：代表切片的長度。
• Cap：代表切片的容量。

既然知道了切片的運行時表現，那是不是就意味著我們可以自己造一個？

在日常程序中，可以利用標準庫?reflect?提供的?SliceHeader?結構體造一個：

func?main()?{
??//?初始化底層數組
?s?:=?[4]string{"腦子",?"進",?"煎魚",?"了"}
?s1?:=?s[0:1]
?s2?:=?s[:]
??//?構造?SliceHeader
?sh1?:=?(*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&s1))
?sh2?:=?(*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&s2))
?fmt.Println(sh1.Len,?sh1.Cap,?sh1.Data)
?fmt.Println(sh2.Len,?sh2.Cap,?sh2.Data)
}

你認為輸出結果是什么，這兩個新切片會指向同一個底層數組的內存地址嗎？

輸出結果：

1?4?824634330936
4?4?824634330936

兩個切片的 Data 屬性所指向的底層數組是一致的，Len 屬性的值不一樣，sh1 和 sh2 分別是兩個切片。

疑問

為什么兩個新切片所指向的 Data 是同一個地址的呢？

這其實是 Go 語言本身為了減少內存占用，提高整體的性能才這么設計的。

將切片復制到任意函數的時候，對底層數組大小都不會影響。復制時只會復制切片本身（值傳遞），不會涉及底層數組。

也就是在函數間傳遞切片，其只拷貝 24 個字節（指針字段 8 個字節，長度和容量分別需要 8 個字節），效率很高。

坑

這種設計也引出了新的問題，在平時通過?s[i:j]?所生成的新切片，兩個切片底層指向的是同一個底層數組。

假設在沒有超過容量（cap）的情況下，對第二個切片操作會影響第一個切片。

這是很多 Go 開發常會碰到的一個大 “坑”，不清楚的排查了很久的都不得而終。

StringHeader

除了 SliceHeader 外，Go 語言中還有一個典型代表，那就是字符串（string）的運行時表現。

StringHeader 的定義如下：

type?StringHeader?struct?{
???Data?uintptr
???Len??int
}

• Data：存放指針，其指向具體的存儲數據的內存區域。
• Len：字符串的長度。

可得知 “Hello” 字符串的底層數據如下：

var?data?=?[...]byte{
????'h',?'e',?'l',?'l',?'o',
}

底層的存儲示意圖如下：

圖來自網絡

真實演示例子如下：

func?main()?{
?s?:=?"腦子進煎魚了"
?s1?:=?"腦子進煎魚了"
?s2?:=?"腦子進煎魚了"[7:]
?fmt.Printf("%d?\n",?(*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s)).Data)
?fmt.Printf("%d?\n",?(*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s1)).Data)
?fmt.Printf("%d?\n",?(*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s2)).Data)
}

你認為輸出結果是什么，變量 s 和 s1、s2 會指向同一個底層內存空間嗎？

輸出結果：

17608227?
17608227?
17608234

從輸出結果來看，變量 s 和 s1 指向同一個內存地址。變量 s2 雖稍有偏差，但本質上也是指向同一塊。

因為其是字符串的切片操作，是從第 7 位索引開始，因此正好的 17608234-17608227 = 7。也就是三個變量都是指向同一塊內存空間，這是為什么呢？

這是因為在 Go 語言中，字符串都是只讀的，為了節省內存，相同字面量的字符串通常對應于同一字符串常量，因此指向同一個底層數組。

0 拷貝轉換

為什么會有人關注到 SliceHeader、StringHeader 這類運行時細節呢，一大部分原因是業內會有開發者，希望利用其實現零拷貝的 string 到 bytes 的轉換。

常見轉換代碼如下：

func?string2bytes(s?string)?[]byte?{
?stringHeader?:=?(*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
?bh?:=?reflect.SliceHeader{
??Data:?stringHeader.Data,
??Len:??stringHeader.Len,
??Cap:??stringHeader.Len,
?}
?return?*(*[]byte)(unsafe.Pointer(&bh))
}

但這其實是錯誤的，官方明確表示：

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.

SliceHeader、StringHeader 的 Data 字段是一個?uintptr?類型。由于 Go 語言只有值傳遞。

因此在上述代碼中會出現將?Data?作為值拷貝的情況，這就會導致無法保證它所引用的數據不會被垃圾回收（GC）。

應該使用如下轉換方式：

func?main()?{
?s?:=?"腦子進煎魚了"
?v?:=?string2bytes1(s)
?fmt.Println(v)
}
func?string2bytes1(s?string)?[]byte?{
?stringHeader?:=?(*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
?var?b?[]byte
?pbytes?:=?(*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
?pbytes.Data?=?stringHeader.Data
?pbytes.Len?=?stringHeader.Len
?pbytes.Cap?=?stringHeader.Len
?return?b
}

在程序必須保留一個單獨的、正確類型的指向底層數據的指針。

在性能方面，若只是期望單純的轉換，對容量（cap）等字段值不敏感，也可以使用以下方式：

func?string2bytes2(s?string)?[]byte?{
?return?*(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
}

性能對比：

string2bytes1-1000-4???3.746?ns/op??0?allocs/op
string2bytes1-1000-4???3.713?ns/op??0?allocs/op
string2bytes1-1000-4???3.969?ns/op??0?allocs/op
string2bytes2-1000-4???2.445?ns/op??0?allocs/op
string2bytes2-1000-4???2.451?ns/op??0?allocs/op
string2bytes2-1000-4???2.455?ns/op??0?allocs/op

會相當標準的轉換性能會稍快一些，這種強轉也會導致一個小問題。

代碼如下：

func?main()?{
?s?:=?"腦子進煎魚了"
?v?:=?string2bytes2(s)
?println(len(v),?cap(v))
}
func?string2bytes2(s?string)?[]byte?{
?return?*(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
}

輸出結果：

18 824633927632

這種強轉其會導致 byte 的切片容量非常大，需要特別注意。一般還是推薦使用標準的 SliceHeader、StringHeader 方式就好了，也便于后來的維護者理解。

總結

在這篇文章中，我們介紹了字符串（string）和切片（slice）的兩個運行時表現，分別是 StringHeader 和 SliceHeader。

同時了解到其運行時表現后，我們還針對其兩者的地址指向，常見坑進行了說明。

最后我們進一步深入，面向 0 拷貝轉換的場景進行了介紹和性能分析。

參考

• Go語言slice的本質-SliceHeader
• 數組、字符串和切片
• 零拷貝實現string 和bytes的轉換疑問