Golang 中`[]byte`, `string`和`[]rune`的相互转化的底层原理和剖析

在golang中有些场景经常会用到[]byte和string的相互转化，尤其是在使用json.Marshal和json.Unmarshal的时候，经常会遇到需要这种转化。

本文主要说明以下内容：

几种类型相互转化的方法和性能分析
这些类型的底层存储
代码gist

相互转化

[]byte和string的相互转化

string -> []byte

func BenchmarkStringToByteSlice(b *testing.B) {
	s := genString(10000)
	b.ReportAllocs()
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		bs := []byte(s)
		if len(bs) != len(s) {
			b.Error("error")
		}
	}
}

func BenchmarkStringToByteSliceUnsafe(b *testing.B) {
	s := genString(10000)
	b.ReportAllocs()
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		l := len(s)
		bs := *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&reflect.SliceHeader{
			Data: (*(*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))).Data,
			Len:  l,
			Cap:  l,
		}))
		if len(bs) != len(s) {
			b.Error("error")
		}
	}
}

第一种使用[]byte这种直接转化，也是我们常用的方式，第二种是使用unsafe的方式。这两种区别就在于一个是重新分配了内存，另一个是复用了原来的内存。

benchmark的结果也验证了这一点

go test  -run=BenchmarkStringToByteSlice -bench=StringToByteSlice
# go-demo.test

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: go-demo
BenchmarkStringToByteSlice-12          	 1164224	       964 ns/op	   10285 B/op	       1 allocs/op
BenchmarkStringToByteSliceUnsafe-12    	1000000000	         0.380 ns/op	       0 B/op	       0 allocs/op
PASS
ok  	go-demo	2.089s

[]byte -> string

func BenchmarkSliceByteToString(b *testing.B) {
	bs := genSliceByte(100)
	b.ReportAllocs()
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		s := string(bs)
		if len(s) != len(bs) {
			b.Error("error")
		}
	}
}

func BenchmarkSliceByteToStringUnsafe(b *testing.B) {
	bs := genSliceByte(100)
	b.ReportAllocs()
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		s := *(*string)(unsafe.Pointer(&bs))
		if len(s) != len(bs) {
			b.Log("slice: ", len(bs), " string: ", len(s))
			b.Error("error: ")
		}
	}
}

benchmark 结果

go test  -run=BenchmarkSliceByteToString -bench=SliceByteToString
# go-demo.test

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: go-demo
BenchmarkSliceByteToString-12          	35913873	        32.4 ns/op	     112 B/op	       1 allocs/op
BenchmarkSliceByteToStringUnsafe-12    	1000000000	         0.253 ns/op	       0 B/op	       0 allocs/op
PASS
ok  	go-demo	3.796s

string和[]rune的相互转化

string和rune的相互转化其实和上面类似，主要是[]rune对应的[]byte数组长度需要计算下，这里就只贴一个[]rune到string的转化了

func BenchmarkSliceRuneToStringUnsafe(b *testing.B) {
	bs := genSliceRune(100)
	s1 := string(bs)
	b.ReportAllocs()
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		var l int
		for _, r := range bs {
			l += utf8.RuneLen(r)
		}
		s := *(*string)(unsafe.Pointer(&reflect.StringHeader{
			Data: (*(*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&bs))).Data,
			Len:  l,
		}))
		if len(s1) != len(s) {
			b.Error("error")
		}
	}
}

String和Slice的底层存储分析

reflect.SliceHeader 和reflect.StringHeader

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

两者类型基本一样，Slice多了一个Cap，其实这也决定了[]byte可以直接使用指针强转成string，但是反过来却不行

slice的底层存储

type slice struct {
	array unsafe.Pointer
	len   int
	cap   int
}

以汇编的形式看下slice的底层结构

package pkg

// var data = make([]int, 0, 10)
var data = []int{1, 2}

go tool compile -S pkg.go
go.cuinfo.packagename. SDWARFINFO dupok size=0
	0x0000 70 6b 67                                         pkg
"".data SDATA size=24
	0x0000 00 00 00 00 00 00 00 00 02 00 00 00 00 00 00 00  ................
	0x0010 02 00 00 00 00 00 00 00                          ........
	rel 0+8 t=1 ""..stmp_0+0
""..stmp_0 SNOPTRDATA size=16
	0x0000 01 00 00 00 00 00 00 00 02 00 00 00 00 00 00 00  ................
...

可以看到"".data 对应的是size是24（8byte的指针，len和cap各自8byte），slice里的内容是两个int对应的就是，"".stmp_0 里的内容

进一步分析data对应的二进制

data+8是02 00 ... ，对应len
data+16是02 00 对应cap

整个slice struct在内存里是紧凑分布的，所以我们可以进行指针类的强制转化，类似于c++中reinterpret_cast

string的底层结构

package pkg

var testStr = "abc"

go.cuinfo.packagename. SDWARFINFO dupok size=0
	0x0000 70 6b 67                                         pkg
go.string."abc" SRODATA dupok size=3
	0x0000 61 62 63                                         abc
"".testStr SDATA size=16
	0x0000 00 00 00 00 00 00 00 00 03 00 00 00 00 00 00 00  ................
	rel 0+8 t=1 go.string."abc"+0

和上文的slice很类似，size变成了16而已

Fat Pointer

像slice这种结构在c中常被称为fatpointer，感兴趣的同学可以参考Go Slices are Fat Pointers

总结

介绍了golang中string，[]byte和[]rune的转化及简单的性能分析
slice在golang中的底层存储

Golang 中[]byte, string和[]rune的相互转化的底层原理和剖析