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Go的内存对齐和指针运算详解和实践

2020年01月13日 20:02:02阅读数:209博客 / 虎小弟 / 技术人技术事

uintptr 和 unsafe普及

uintptr

在Go的源码中uintptr的定义如下:

  1. /* uintptr is an integer type that is large enough to hold the bit pattern of any pointer.
  2. 从英文注释可以看出 uintptr是一个整形,它的大小能够容纳任何指针的位模式,它是无符号的,最大值为:18446744073709551615,怎么来的,int64最大值 * 2 +1
  3. */
  4. type uintptr uintptr

位模式:内存由字节组成.每个字节由8位bit组成,每个bit状态只能是0或1.所谓位模式,就是变量所占用内存的所有bit的状态的序列
指针大小:一个指针的大小是多少呢?在32位操作系统上,指针大小是4个字节,在64位操作系统上,指针的大小是8字节,
所以uintptr能够容纳任何指针的位模式,总的说uintptr表示的指针地址的值,可以用来进行数值计算
GC不会把uintptr当作指针,uintptr不会持有一个对象,uintptr类型的目标会被GC回收

unasfe

在Go中,unsafe是一个包,内容也比较简短,但注释非常多,这个包主要是用来在一些底层编程中,让你能够操作内存地址计算,也就是说Go本身是不支持指针运算,但还是留了一个后门,而且Go也不建议研发人员直接使用unsafe包的方法,因为它绕过了Go的内存安全原则,是不安全的,容易使你的程序出现莫名其妙的问题,不利于程序的扩展与维护但为什么说它呢,因为很多框架包括SDK中的源代码都用到了这个包的知识,在看源代码时这块不懂,容易懵。下面看看这个包定义了什么?

  1. //ArbitraryType的类型也是int,但它被赋予特殊的含义,代表一个Go的任意表达式类型
  2. type ArbitraryType int
  3. //Pointer是一个int指针类型,在Go种,它是所有指针类型的父类型,也就是说所有的指针类型都可以转化为Pointer, uintptr和Pointer可以相互转化
  4. type Pointer *ArbitraryType
  5. //返回指针变量在内存中占用的字节数(记住,不是变量对应的值占用的字节数)
  6. func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr
  7. /*Offsetof返回变量指定属性的偏移量,这个函数虽然接收的是任何类型的变量,但是有一个前提,就是变量要是一个struct类型,且还不能直接将这个struct类型的变量当作参数,只能将这个struct类型变量的属性当作参数*/
  8. func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr
  9. //返回变量对齐字节数量
  10. func Alignof(x ArbitraryType) uintptr

什么是内存对齐?为什么要内存对齐?

在我了解比较深入的语言中(Java Go)都有内存对齐的概念,百度百科对内存对齐的概念是这样定义的:“内存对齐”应该是编译器的“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上必发彩票_[官网首页],所谓的数据单元其实就是变量的值。

为什么要内存对齐呢?

  1. 平台原因(移植原因):不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常(32位平台上运行64位平台上编译的程序要求必须8字节对齐,否则发生panic)
  2. 性能原因:数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需要一次访问

对齐规则:也就是对齐的边界,多少个字节内存对齐,在32位操作系统上,是4个自己,在64位操作系统上是8个字节

通过一幅图来理解上面的内容,下图只是举个例子,位数并没有画全

指针运算和内存对齐实践

内存对齐实践

理论总是枯燥的,但必须了解,也许看了理论还是不懂,接下来通过实践让你明白

  1. //创建一个变量
  2. var i int8 = 10
  3. //建一个变量转化成Pointer 和 uintptr
  4. p := unsafe.Pointer(&i) //入参必须是指针类型的
  5. fmt.Println(p) //是内存地址0xc0000182da
  6. u := uintptr(i)
  7. fmt.Println(u) //结果就是10
  8. //Pointer转换成uintptr
  9. temp := uintptr(p)
  10. //uintptr转Pointer
  11. p= unsafe.Pointer(u)
  12. //获取指针大小
  13. u = unsafe.Sizeof(p) //传入指针,获取的是指针的大小
  14. fmt.Println(u) // 打印u是:8
  15. //获取的是变量的大小
  16. u = unsafe.Sizeof(i)
  17. fmt.Println(u) //打印u是:1
  18. //创建两个个结构体
  19. type Person1 struct{
  20. a bool
  21. b int64
  22. c int8
  23. d string
  24. }
  25. type Person2 struct{
  26. b int64
  27. c int8
  28. a bool
  29. d string
  30. }
  31. //接下来演示一下内存对齐,猜一猜下面l两个打印值是多少呢?
  32. person1 := Person1{a:true,b:1,c:1,d:"spw"}
  33. fmt.Println(unsafe.Sizeof(person1))
  34. person2 := Person2{b:1,c:1,a:true,d:"spw"}
  35. fmt.Println(unsafe.Sizeof(person2))
  36. //第一个结果是40,第二个结果是32,为什么会有这些差距呢?其实就是内存对齐做的鬼,我来详细解释一下

我们知道在Person1和Person2种变量类型都一样,只是顺序不太一样,
bool占1个字节,
int64占8个字节,
int8占一个字节,
string占用16个字节,
总的结果应该是 1+8+1+16= 26,为啥Person1是40呢,Person2是32,看下图

根据上图,我们就明白了,在结构体编写中存在内存对齐的概念,而且我们应该小心,尽可能的避免因内存对齐导致结构体大小增大,在书写过程中应该让小字节的变量挨着。必发彩票_[官网首页]我们可以工具进行检测(golangci-lint)。

我们可以通过func Alignof(x ArbitraryType) uintptr这个方法返回内存对齐的字节数量,如下代码

  1. type Person1 struct{
  2. a bool
  3. b int64
  4. c int8
  5. d string
  6. }
  7. p := Person{a:true,b:1,c:1,d:"spw"}
  8. fmt.Println(unsafe.Alignof(person))
  9. type Person2 struct{
  10. a bool
  11. c int8
  12. }
  13. p1 := Person1{a:true,b:1,c:1,d:"spw"}
  14. fmt.Println(unsafe.Alignof(p1))
  15. p2 := Person2{a:true,c:1}
  16. fmt.Println(unsafe.Alignof(p2))
  17. //你任务上面两个println打印多少呢?结果是8,1,在结构体中,内存对齐是按照结构体中最大字节数对齐的(但不会超过8)
指针运算实践

我们还是用代码来举例说明

  1. type W struct {
  2. b int32
  3. c int64
  4. }
  5. var w *W = new(W)
  6. //这时w的变量打印出来都是默认值0,0
  7. fmt.Println(w.b,w.c)
  8. //现在我们通过指针运算给b变量赋值为10
  9. b := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(w)) + unsafe.Offsetof(w.b))
  10. *((*int)(b)) = 10
  11. //此时结果就变成了10,0
  12. fmt.Println(w.b,w.c)

解释一下上面的代码
uintptr(unsafe.Pointer(w))获取了w的指针起始值,
unsafe.Offsetof(w.b) 获取b变量的偏移量
两个相加就得到了b的地址值,将通用指针Pointer转换成具体指针((*int)(b)),通过 符号取值,然后赋值,((int)(b)) 相当于把(必发彩票_[官网首页]int) 转换成 int了,最后对变量重新赋值成10,这样指针运算就完成了。

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