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Go語言空結構體詳解_Golang

作者：漫漫Coding路 ? 更新時間： 2022-04-05 編程語言

前言

在使用 Go 語言開發過程中，我們不免會定義結構體，但是我們定義的結構體都是有字段的，基本不會定義不包含字段的 空結構體。你可能會反過來問，沒有字段的空結構體有什么用呢？那么我們這篇文章就來研究下空結構體吧！

注：本文基于go 1.14.4 分析

什么是空結構體

我們說不包含任何字段的結構體叫做空結構體，可以通過如下的方式定義空結構體：

原生定義

var a struct{}

類型別名

type empty struct{}
var e empty

特點

地址相同

我們分別定義兩個非空結構體和空結構體變量，然后取地址打印，發現空結構體變量的地址是相同的：

// 定義一個非空結構體
type User struct {
?? ?name string
}

func main() {
?
? // 兩個非空結構體的變量地址不同
? var user1 User
?? ?var user2 User
?? ?fmt.Printf("%p \n", &user1) // 0xc000318670
?? ?fmt.Printf("%p \n", &user2) // 0xc000318680
??
? // 定義兩個空結構體，地址相同
?? ?var first struct{}
?? ?var second struct{}
?? ?fmt.Printf("%p \n", &first) ? ?// 0x1ca15f0?
?? ?fmt.Printf("%p \n", &second) ? // 0x1ca15f0?
}

我們知道 Go 語言中的變量傳遞都是值傳遞，對于傳參前后的變量地址應該不同，我們通過傳參的方式再來試一下：

// 非空結構體
type NonEmptyUser struct {
?? ?name string
}

// 空結構體
type EmptyUser struct{}

// 打印非空結構體參數地址
func testNonEmptyUser(user NonEmptyUser) {
?? ?fmt.Printf("%p \n", &user)
}

// 打印空結構體參數地址
func testEmptyUser(user EmptyUser) {
?? ?fmt.Printf("%p \n", &user)
}


func main() {
??
?? ?// 兩個非空結構體的變量地址不同
?? ?var user1 NonEmptyUser
?? ?fmt.Printf("%p \n", &user1) // 0xc0001986c0
?? ?testNonEmptyUser(user1)?? ??? ??? ?// 0xc0001986d0

??
?? ?// 兩個空結構體變量的地址相同
?? ?var user2 EmptyUser
?? ?fmt.Printf("%p \n", &user2) // 0x1ca25f0
?? ?testEmptyUser(user2)?? ??? ??? ??? ?// 0x1ca25f0
??
}

發現對于非空結構體，傳參前后的地址是不同的，但是對于空結構體變量，前后地址是一致的。

大小為0

在Go中，我們可以使用 unsafe.Sizeof 來計算一個變量占用的字節數，那么就舉幾個例子來看下：

type EmptyUser struct{}

func main() {
?? ?var i int
?? ?var s string
?? ?var m []string
?? ?var u EmptyUser
??
?? ?fmt.Println(unsafe.Sizeof(i)) // 8
?? ?fmt.Println(unsafe.Sizeof(s)) // 16
?? ?fmt.Println(unsafe.Sizeof(m)) // 24
?? ?fmt.Println(unsafe.Sizeof(u)) // 0
}

可以看到空結構體占用的內存空間大小為0，同時對于空結構體的組合，占用空間大小也為0：

// 空結構體的組合
type EmptyUser struct {
?? ?name struct{}
?? ?age ?struct{}
}

func main() {
?? ?
?? ?var u EmptyUser

?? ?fmt.Println(unsafe.Sizeof(u)) // 0
}

原理探究

為什么空結構體的地址都相同，而且大小都為0呢，我們一起來看下源碼（go/src/runtime/malloc.go）：

// base address for all 0-byte allocations
var zerobase uintptr

// 創建新的對象時，調用 mallocgc 分配內存
func newobject(typ *_type) unsafe.Pointer {
?? ?return mallocgc(typ.size, typ, true)
}

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
?? ?if gcphase == _GCmarktermination {
?? ??? ?throw("mallocgc called with gcphase == _GCmarktermination")
?? ?}

?? ?if size == 0 {
?? ??? ?return unsafe.Pointer(&zerobase)
?? ?}
?? ?......
}

通過源碼可以看出，創建新的對象時，需要調用 malloc.newobject() 進行內存分配，進一步調用 mallocgc 方法，在該方法中，如果判斷類型的 size==0 ，固定返回 zerobase 的地址。 zerobase 是一個 uintptr 全局變量，占用 8 個字節。

因此我們可以確定的是，在Go語言中，所有針對 size==0 的內存分配，用的都是同一個地址 &zerobase ，所以我們在一開始看到的所有空結構體地址都相同。

使用場景

空結構體不包含任何數據，那么其應用場景也應該不在乎值內容，只當做一個占位符。在這種場景下，由于其不占用內存空間，使用空結構體既可以做到節省空間，又可以提供語義支持。

集合(Set)

使用過 Java 的同學應該都用過 Set 類型，Set 是保存不重復元素的集合，但是 Go 語言沒有提供原生的 Set 類型。但是我們知道 Map 結構存儲的是 key-value 類型，key 不允許重復，因此可以利用 Map 來實現 Set，key存儲需要的數據，value 給個固定值就可以了。那么 value 給什么值好呢？這時候我們的 空結構體 就可以出場了，不占用空間，還可以完成占位操作，堪稱完美，下面我們看怎么實現吧。

// 定義了一個保存 string 類型的 Set集合
type Set map[string]struct{}

// 添加一個元素
func (s Set) Add(key string) {
?? ?s[key] = struct{}{}
}

// 移除一個元素
func (s Set) Remove(key string) {
?? ?delete(s, key)
}

// 是否包含一個元素
func (s Set) Contains(key string) bool {
?? ?_, ok := s[key]
?? ?return ok
}

// 初始化
func NewSet() Set {
?? ?s := make(Set)
?? ?return s
}
// 測試使用
func main() {
?? ?set := NewSet()
?? ?set.Add("hello")
?? ?set.Add("world")
?? ?fmt.Println(set.Contains("hello"))

?? ?set.Remove("hello")
?? ?fmt.Println(set.Contains("hello"))
}

channel中信號傳輸

空結構體 與 channel 可謂是一個經典組合，有時候我們只是需要一個信號來控制程序的運行邏輯，并不在意其內容如何。

在下面的例子中，我們定義了兩個 channel 用于接收兩個任務完成的信號，當接收到任務完成的信號時，就會觸發相應的動作。

func doTask1(ch chan struct{}) {
?? ?time.Sleep(time.Second)
?? ?fmt.Println("do task1")
?? ?ch <- struct{}{}
}

func doTask2(ch chan struct{}) {
?? ?time.Sleep(time.Second * 2)
?? ?fmt.Println("do task2")
?? ?ch <- struct{}{}
}

func main() {

?? ?ch1 := make(chan struct{})
?? ?ch2 := make(chan struct{})
?? ?go doTask1(ch1)
?? ?go doTask2(ch2)

?? ?for {
?? ??? ?select {
?? ??? ?case <-ch1:
?? ??? ??? ?fmt.Println("task1 done")
?? ??? ?case <-ch2:
?? ??? ??? ?fmt.Println("task2 done")
?? ??? ?case <-time.After(time.Second * 5):
?? ??? ??? ?fmt.Println("after 5 seconds")
?? ??? ??? ?return
?? ??? ?}
?? ?}
}

總結

本篇文章，我們學習了如下內容：

  • 空結構體是一種特殊的結構體，不包含任何元素
  • 空結構體的大小都為0
  • 空結構體的地址都相同
  • 由于空結構體不占用空間，從節省內存的角度出發，適用于實現Set結構、在 channel 中傳輸信號等

原文鏈接：https://lifelmy.github.io/post/2022_01_22_go_empty_struct/

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