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C 和 Go 的指针

CGo 都是有指针概念的语言,这篇文章主要借这两者之间的异同来加深对 Go 指针的理解和使用。

运算符

C 和 Go 都相同:

  • & 运算符取出变量所在的内存地址

  • * 运算符取出指针变量所指向的内存地址里面的值,也叫 “ 解引用

C 语言版示例:

#include <stdio.h>

int main()
{
    int bar = 1;
    // 声明一个指向 int 类型的值的指针
    int *ptr;
    // 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针
    ptr = &bar;
    // 打印 ptr 的值(为地址),*prt 表示取出指针变量所指向的内存地址里面的值
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
    return (0);
}

// 输出结果:
// 0x7ffd5471ee54 1
复制代码

Go 语言版示例:

package main

import "fmt"

func main() {
	bar := 1
	// 声明一个指向 int 类型的值的指针
	var ptr *int
	// 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针
	ptr = &bar
	// 打印 ptr 变量储存的指针地址,*prt 表示取出指针变量所指向的内存地址里面的值
	fmt.Printf("%p %d\n", ptr, *ptr)
}

// 输出结果:
// 0xc000086020 1
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Go 还可以使用 new 关键字来分配内存创建指定类型的指针。

	// 声明一个指向 int 类型的值的指针
	// var ptr *int
	ptr := new(int)
	// 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针
	ptr = &bar
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数组名和数组首地址

对于一个数组

// C
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
// Go
// 需要指定长度,否则类型为切片
arr := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}
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在 C 中,数组名 arr 代表的是数组首元素的地址,相当于 &arr[0]

&arr 代表的是整个数组 arr 的首地址

// C
// arr 数组名代表数组首元素的地址
printf("arr -> %p\n", arr);
// &arr[0] 代表数组首元素的地址
printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0]);
// &arr 代表整个数组 arr 的首地址
printf("&arr -> %p\n", &arr);

// 输出结果:
// arr -> 0061FF0C
// &arr[0] -> 0061FF0C
// &arr -> 0061FF0C
复制代码

运行程序可以发现 arr&arr 的输出值是相同的,但是它们的意义完全不同。

首先数组名 arr 作为一个标识符,是 arr[0] 的地址,从 &arr[0] 的角度去看就是一个指向 int 类型的值的指针。

&arr 是一个指向 int[5] 类型的值的指针。

可以进一步对其进行指针偏移验证

// C
// 指针偏移
printf("arr+1 -> %p\n", arr + 1);
printf("&arr+1 -> %p\n", &arr + 1);

// 输出结果:
// arr+1 -> 0061FF10
// &arr+1 -> 0061FF20
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这里涉及到偏移量的知识:一个类型为 T 的指针的移动,是以 sizeof(T) 为移动单位的。

  • arr+1 : arr 是一个指向 int 类型的值的指针,因此偏移量为 1*sizeof(int)

  • &arr+1 : &arr 是一个指向 int[5] 的指针,它的偏移量为 1*sizeof(int)*5

到这里相信你应该可以理解 C 语言中的 arr&arr 的区别了吧,接下来看看 Go 语言

// 尝试将数组名 arr 作为地址输出
fmt.Printf("arr -> %p\n", arr)
fmt.Printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0])
fmt.Printf("&arr -> %p\n", &arr)

// 输出结果:
// arr -> %!p([5]int=[1 2 3 4 5])
// &arr[0] -> 0xc00000c300
// &arr -> 0xc00000c300
复制代码

&arr[0]&arr 与 C 语言一致。

但是数组名 arr 在 Go 中已经不是数组首元素的地址了,代表的是整个数组的值,所以输出时会提示 %!p([5]int=[1 2 3 4 5])

指针运算

指针本质上就是一个无符号整数,代表了内存地址。

指针和整数值可以进行加减法运算,比如上文的指针偏移例子:

  • n : 一个类型为 T 的指针,以 n*sizeof(T) 为单位向高位移动。

  • n : 一个类型为 T 的指针,以 n*sizeof(T) 为单位向低位移动。

其中 sizeof(T) 代表的是数据类型占据的字节,比如 int 在 32 位环境下为 4 字节,64 位环境下为 8 字节

C 语言示例:

#include <stdio.h>

int main()
{
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    // ptr 是一个指针,为 arr 数组的第一个元素地址
    int *ptr = arr;
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);

    // ptr 指针向高位移动一个单位,移向到 arr 数组第二个元素地址
    ptr++;
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
    return (0);
}

// 输出结果:
// 0061FF08 1
// 0061FF0C 2
复制代码

在这里 ptr++0061FF08 移动了 sizeof(int) = 4 个字节到 0061FF0C ,指向了下一个数组元素的地址

Go 语言示例:

package main

import "fmt"

func main() {
	arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5}

	// ptr 是一个指针,为 arr 数组的第一个元素地址
	ptr := &arr[0]
	fmt.Println(ptr, *ptr)

	// ptr 指针向高位移动一个单位,移向到 arr 数组第二个元素地址
	ptr++
	fmt.Println(ptr, *ptr)
}

// 输出结果:
// 编译报错:
// .\main.go:13:5: invalid operation: ptr++ (non-numeric type *uint32)
复制代码

编译报错 *uint32 非数字类型,不支持运算,说明 Go 是不支持指针运算的。

这个其实在 Go Wiki 中的 Go 从 C++ 过渡文档中有提到过: Go has pointers but not pointer arithmetic.

Go 有指针但不支持指针运算。

另辟蹊径

那还有其他办法吗?答案当然是有的。

在 Go 标准库中提供了一个 unsafe 包用于编译阶段绕过 Go 语言的类型系统,直接操作内存。

我们可以利用 unsafe 包来实现指针运算。

func Alignof(x ArbitraryType) uintptr
func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr
func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr
type ArbitraryType
func Slice(ptr *ArbitraryType, len IntegerType) []ArbitraryType
type IntegerType
type Pointer
func Add(ptr Pointer, len IntegerType) Pointer
复制代码

核心介绍:

  • uintptr : Go 的内置类型。是一个无符号整数,用来存储地址,支持数学运算。常与 unsafe.Pointer 配合做指针运算

  • unsafe.Pointer : 表示指向任意类型的指针,可以和任何类型的指针互相转换(类似 C 语言中的 void* 类型的指针),也可以和 uintptr 互相转换

  • unsafe.Sizeof : 返回操作数在内存中的字节大小,参数可以是任意类型的表达式,例如 fmt.Println(unsafe.Sizeof(uint32(0))) 的结果为 4

  • unsafe.Offsetof : 函数的参数必须是一个字段 x.f,然后返回 f 字段相对于 x 起始地址的偏移量,用于计算结构体成员的偏移量

原理:

Go 的 uintptr 类型存储的是地址,且支持数学运算

*T (任意指针类型) 和 unsafe.Pointer 不能运算,但是 unsafe.Pointer 可以和 *Tuintptr 互相转换

因此,将 *T 转换为 unsafe.Pointer 后再转换为 uintptruintptr 进行运算之后重新转换为 unsafe.Pointer => *T 即可

代码实现:

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

func main() {
	arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5}

	ptr := &arr[0]

	// ptr(*uint32类型) => one(unsafe.Pointer类型)
	one := unsafe.Pointer(ptr)
	// one(unsafe.Pointer类型) => *uint32
	fmt.Println(one, *(*uint32)(one))

	// one(unsafe.Pointer类型) => one(uintptr类型) 后向高位移动 unsafe.Sizeof(arr[0]) = 4 字节
	// twoUintptr := uintptr(one) + unsafe.Sizeof(arr[0])
	// !!twoUintptr 不能作为临时变量
	// uintptr 类型的临时变量只是一个无符号整数,并不知道它是一个指针地址,可能被 GC
	// 运算完成后应该直接转换回 unsafe.Pointer :
	two := unsafe.Pointer(uintptr(one) + unsafe.Sizeof(arr[0]))
	fmt.Println(two, *(*uint32)(two))
}

// 输出结果:
// 0xc000012150 1
// 0xc000012154 2
复制代码

甚至还可以更改结构体的私有成员:

// model/model.go

package model

import (
	"fmt"
)

type M struct {
	foo uint32
	bar uint32
}

func (m M) Print() {
	fmt.Println(m.foo, m.bar)
}

// main.go

package main

import (
	"example/model"
	"unsafe"
)

func main() {
	m := model.M{}
	m.Print()

	foo := unsafe.Pointer(&m)
	*(*uint32)(foo) = 1
	bar := unsafe.Pointer(uintptr(foo) + 4)
	*(*uint32)(bar) = 2

	m.Print()
}

// 输出结果:
// 0 0
// 1 2
复制代码

小 Tips

Go 的底层 slice 切片源码就使用了 unsafe

// slice 切片的底层结构
type slice struct {
	// 底层是一个数组指针
	array unsafe.Pointer
	// 长度
	len int
	// 容量
	cap int
}
复制代码

总结

  • Go 可以使用 & 运算符取地址,也可以使用 new 创建指针

  • Go 的数组名不是首元素地址

  • Go 的指针不支持运算

  • Go 可以使用 unsafe 包打破安全机制来操控指针,但对我们开发者而言,是 "unsafe" 不安全的

最后

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