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Golang?中的?unsafe.Pointer?和?uintptr詳解_Golang

作者：ag9920 ? 更新時間： 2022-10-01 編程語言

前言

日常開發中經常看到大佬們用各種 unsafe.Pointer, uintptr 搞各種花活，作為小白一看到 unsafe 就發憷，不了解二者的區別和場景，自然心里沒數。今天我們就來學習下這部分知識。

uintptr

uintptr 的定義在 builtin 包下，定義如下：

// uintptr is an integer type that is large enough to hold the bit pattern of
// any pointer.
type uintptr uintptr

參照注釋我們知道：

  • uintptr 是一個整數類型（這個非常重要），注意，他不是個指針；
  • 但足夠保存任何一種指針類型。

unsafe 包支持了這些方法來完成【類型】=> uintptr 的轉換：

func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr
func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr
func Alignof(x ArbitraryType) uintptr

你可以將任意類型變量轉入，獲取對應語義的 uintptr，用來后續計算內存地址（比如基于一個結構體字段地址，獲取下一個字段地址等）。

unsafe.Pointer

我們來看一下什么是 unsafe 包下的 Pointer：

// ArbitraryType is here for the purposes of documentation only and is not actually
// part of the unsafe package. It represents the type of an arbitrary Go expression.
type ArbitraryType int
// Pointer represents a pointer to an arbitrary type. There are four special operations
// available for type Pointer that are not available for other types:
//	- A pointer value of any type can be converted to a Pointer.
//	- A Pointer can be converted to a pointer value of any type.
//	- A uintptr can be converted to a Pointer.
//	- A Pointer can be converted to a uintptr.
// Pointer therefore allows a program to defeat the type system and read and write
// arbitrary memory. It should be used with extreme care.
type Pointer *ArbitraryType

這里的 ArbitraryType 僅僅是為了便于開發者理解。語義上來講你可以把 Pointer 理解為一個可以指向任何一種類型的【指針】。

這一點很關鍵。我們此前遇到的場景一般都是，先定義一個類型，然后就有了這個類型對應的指針。而 unsafe.Pointer 則是一個通用的解法，不管你是什么類型都可以。突破了這層限制，我們就可以在運行時具備更多能力，也方便適配一些通用場景。

官方提供了四種 Pointer 支持的場景：

  • 任意類型的指針可以轉換為一個 Pointer；
  • 一個 Pointer 也可以被轉為任意類型的指針；
  • uintptr 可以被轉換為 Pointer;
  • Pointer 也可以被轉換為 uintptr。

這樣強大的能力使我們能夠繞開【類型系統】，丟失了編譯期的校驗，所以使用時一定要小心。

使用姿勢

常規類型互轉

func Float64bits(f float64) uint64 {
    return *(*uint64)(unsafe.Pointer(&f))
}

我們取 f 的指針，將其轉為 unsafe.Pointer，再轉為一個 uint64 的指針，最后解出來值。

其實本質就是把 unsafe.Pointer 當成了一個媒介。用到了他可以從任意一個類型轉換得來，也可以轉為任意一個類型。

這樣的用法有一定的前提：

  • 轉化的目標類型（uint64) 的 size 一定不能比原類型 (float64)還大（二者size都是8個字節）；
  • 前后兩種類型有等價的 memory layout；

比如，int8 轉為 int64 是不支持的，我們測試一下：

package main
import (
	"fmt"
	"unsafe"
)
func main() {
	fmt.Println("int8 => int64", Int8To64(5))
	fmt.Println("int64 => int8", Int64To8(5))
}
func Int64To8(f int64) int8 {
	return *(*int8)(unsafe.Pointer(&f))
}
func Int8To64(f int8) int64 {
	return *(*int64)(unsafe.Pointer(&f))
}

運行后你會發現，int64 => int8 轉換正常，從小到大則會出問題：

int8 => int64 1079252997
int64 => int8 5

Program exited.

Pointer => uintptr

從 Pointer 轉 uintptr 本質產出的是這個 Pointer 指向的值的內存地址，一個整型。

這里還是要在強調一下：

  • uintptr 指的是具體的內存地址，不是個指針，沒有指針的語義，你可以將 uintptr 打印出來比對地址是否相同。
  • 即便某個對象因為 GC 等原因被回收，uintptr的值也不會連帶著變動。
  • uintptr地址關聯的對象可以被垃圾回收。GC不認為uintptr是活引用，因此unitptr地址指向的對象可以被垃圾收集。

指針算數計算：Pointer => uintptr => Pointer

將一個指針轉為 uintptr 將會得到它指向的內存地址，而我們又可以結合 SizeOf，AlignOf，Offsetof 來計算出來另一個 uintptr 進行計算。

這類場景最常見的是【獲取結構體中的變量】或【數組中的元素】。

比如：

f := unsafe.Pointer(&s.f) 
f := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&s)) + unsafe.Offsetof(s.f))

e := unsafe.Pointer(&x[i])
e := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&x[0])) + i*unsafe.Sizeof(x[0]))

上面這兩組運算本質是相同的，一種是直接拿地址，一種是通過計算 size，offset 來實現。

注意：變量到 uintptr 的轉換以及計算必須在一個表達式中完成（需要保證原子性）：

錯誤的案例：

u := uintptr(p)
p = unsafe.Pointer(u + offset)

uintptr 到 Pointer 的轉換一定要在一個表達式，不能用 uintptr 存起來，下個表達式再轉。

uintptr + offset 算地址，再跟 Pointer 轉化其實是一個很強大的能力，我們再來看一個實際的例子：

package main
import (
	"fmt"
	"unsafe"
)
func main() {
	length := 6
	arr := make([]int, length)
	for i := 0; i < length; i++ {
		arr[i] = i
	}
	fmt.Println(arr)
	// [0 1 2 3 4 5]
	// 取slice的第5個元素：通過計算第1個元素 + 4 個元素的size 得出
	end := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&arr[0])) + 4*unsafe.Sizeof(arr[0]))

	fmt.Println(*(*int)(end)) // 4
	fmt.Println(arr[4]) // 4
	
}

unsafe.Pointer 不能進行算數計算，uintptr 其實是很好的一個補充。

reflect 包中從 uintptr => Ptr

我們知道，reflect 的 Value 提供了兩個方法 Pointer 和 UnsafeAddr 返回 uintptr。這里不使用 unsafe.Pointer 的用意在于避免用戶不 import unsafe 包就能將結果轉成任意類型，但這也帶來了問題。

上面有提到，千萬不能先保存一個 uintptr，再轉 unsafe.Pointer，這樣的結果是很不可靠的。所以我們必須在調用完 Pointer/UnsafeAddr 之后就立刻轉 unsafe.Pointer。

正例:

p := (*int)(unsafe.Pointer(reflect.ValueOf(new(int)).Pointer()))

反例：

u := reflect.ValueOf(new(int)).Pointer()
p := (*int)(unsafe.Pointer(u))

實戰案例

string vs []byte

活學活用，其實參照上面轉換的第一個案例就可以實現，不需要 uintptr。還是一樣的思路，用 unsafe.Pointer 作為媒介，指針轉換結束后，解指針拿到值即可。

import (
	"unsafe"
)
func BytesToString(b []byte) string {
	return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}
func StringToBytes(s string) []byte {
	return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
}

其實這里從 []byte 轉 string 的操作就是和 strings 包下 Builder 的設計一致的：

// A Builder is used to efficiently build a string using Write methods.
// It minimizes memory copying. The zero value is ready to use.
// Do not copy a non-zero Builder.
type Builder struct {
	addr *Builder // of receiver, to detect copies by value
	buf  []byte
}
// String returns the accumulated string.
func (b *Builder) String() string {
	return *(*string)(unsafe.Pointer(&b.buf))
}

// Reset resets the Builder to be empty.
func (b *Builder) Reset() {
	b.addr = nil
	b.buf = nil
}

// Write appends the contents of p to b's buffer.
// Write always returns len(p), nil.
func (b *Builder) Write(p []byte) (int, error) {
	b.copyCheck()
	b.buf = append(b.buf, p...)
	return len(p), nil
}

// WriteString appends the contents of s to b's buffer.
// It returns the length of s and a nil error.
func (b *Builder) WriteString(s string) (int, error) {
	b.copyCheck()
	b.buf = append(b.buf, s...)
	return len(s), nil
}

strings.Builder 設計之處就是為了最大程度降低內存拷貝。本質是維護了一個 buf 的字節數組。

sync.Pool

sync.Pool 的設計中在本地 pool 沒有可以返回 Get 的元素時，會到其他 poolLocal 偷一個元素回來，這個跳轉到其他 pool 的操作就是用 unsafe.Pointer + uintptr + SizeOf 實現的，參考一下：

func indexLocal(l unsafe.Pointer, i int) *poolLocal {
	lp := unsafe.Pointer(uintptr(l) + uintptr(i)*unsafe.Sizeof(poolLocal{}))
	return (*poolLocal)(lp)
}

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7127600972573966373

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