Go语言源码分析之unsafe

1.什么是unsafe

unsafe 库让 golang 可以像C语言一样操作计算机内存，但这并不是golang推荐使用的，能不用尽量不用，就像它的名字所表达的一样，它绕过了golang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。

先简单介绍下Golang指针类型：

*类型：普通指针，用于传递对象地址，不能进行指针运算。
unsafe.Pointer：通用指针类型，用于转换不同类型的指针，不能进行指针运算。
uintptr：用于指针运算，GC 不把 uintptr 当指针，uintptr 无法持有对象，uintptr 类型的目标会被回收。

unsafe.Pointer 可以和普通指针进行相互转换。

unsafe.Pointer 可以和 uintptr 进行相互转换。

也就是说 unsafe.Pointer 是桥梁，可以让任意类型的指针实现相互转换，也可以将任意类型的指针转换为 uintptr 进行指针运算。

unsafe底层源码如下：

两个类型：

// go 1.14 src/unsafe/unsafe.go
type ArbitraryType int
type Pointer *ArbitraryType

ArbitraryType是int的一个别名，在Go中对ArbitraryType赋予特殊的意义。代表一个任意Go表达式类型。

Pointer 是 int指针类型的一个别名，在Go中可以把Pointer类型，理解成任何指针的父类型。

三个函数：

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

通过分析发现，这三个函数的参数均是ArbitraryType类型，就是接受任何类型的变量。

Sizeof 返回类型 x 所占据的字节数，但不包含 x 所指向的内容的大小。例如，对于一个指针，函数返回的大小为 8 字节（64位机上），一个 slice 的大小则为 slice header 的大小。
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。
Alignof返回变量对齐字节数量

2.unsafe包的操作

2.1大小Sizeof

unsafe.Sizeof函数返回的就是uintptr类型的值，表示所占据的字节数（表达式，即值的大小）：

package main

import (
	"fmt"
	"reflect"
	"unsafe"
)

func main() {
	var a int32
	var b = &a
	fmt.Println(reflect.TypeOf(unsafe.Sizeof(a))) // uintptr
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(a))                 // 4
	fmt.Println(reflect.TypeOf(b).Kind()) // ptr
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(b)) // 8
}

对于 a来说，它是int32类型，在内存中占4个字节，而对于b来说，是*int32类型，即底层为ptr指针类型，在64位机下占8字节。

2.2偏移Offsetof

对于一个结构体，通过 Offset 函数可以获取结构体成员的偏移量，进而获取成员的地址，读写该地址的内存，就可以达到改变成员值的目的。

这里有一个内存分配相关的事实：结构体会被分配一块连续的内存，结构体的地址也代表了第一个字段的地址。

举个例子：

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

type user struct {
	id   int32
	name string
	age  byte
}

func main() {
	var u = user{
		id:   1,name: "xiaobai",age:  22,}
	fmt.Println(u)
	fmt.Println(unsafe.Offsetof(u.id))   // 0  id在结构体user中的偏移量,也是结构体的地址
	fmt.Println(unsafe.Offsetof(u.name)) // 8
	fmt.Println(unsafe.Offsetof(u.age))  // 24

	// 根据偏移量修改字段的值 比如将id字段改为1001
	// 因为结构体的地址相当于第一个字段id的地址
	// 直接用unsafe包自带的Pointer获取id指针
	id := (*int)(unsafe.Pointer(&u))
	*id = 1001

	// 更加相对于id字段的偏移量获取name字段的地址并修改其内容
	// 需要用到uintptr进行指针运算 然后再利用unsafe.Pointer这个媒介将uintptr类型转换成一般的指针类型*string
	name := (*string)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&u)) + unsafe.Offsetof(u.name)))
	*name = "花花"

	// 同理更改age字段
	age := (*int)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&u)) + unsafe.Offsetof(u.age)))
	*age = 33

	fmt.Println(u)
}

2.3对齐Alignof

要了解这个函数，你需要了解数据对齐。简单的说，它让数据结构在内存中以某种的布局存放，是该数据的读取性能能够更加的快速。

CPU 读取内存是一块一块读取的，块的大小可以为 2、4、6、8、16 字节等大小。块大小我们称其为内存访问粒度。

普通字段的对齐值

fmt.Printf("bool align: %d\n",unsafe.Alignof(bool(true)))
fmt.Printf("int32 align: %d\n",unsafe.Alignof(int32(0)))
fmt.Printf("int8 align: %d\n",unsafe.Alignof(int8(0)))
fmt.Printf("int64 align: %d\n",unsafe.Alignof(int64(0)))
fmt.Printf("byte align: %d\n",unsafe.Alignof(byte(0)))
fmt.Printf("string align: %d\n",unsafe.Alignof("EDDYCJY"))
fmt.Printf("map align: %d\n",unsafe.Alignof(map[string]string{}))

输出结果：

bool align: 1
int32 align: 4
int8 align: 1
int64 align: 8
byte align: 1
string align: 8
map align: 8

在 Go 中可以调用 unsafe.Alignof 来返回相应类型的对齐系数。通过观察输出结果，可得知基本都是 2ⁿ，最大也不会超过 8。这是因为我们的64位编译器默认对齐系数是 8，因此最大值不会超过这个数。

对齐规则

结构体的成员变量，第一个成员变量的偏移量为 0。往后的每个成员变量的对齐值必须为编译器默认对齐长度（#pragma pack(n)）或当前成员变量类型的长度（unsafe.Sizeof），取最小值作为当前类型的对齐值。其偏移量必须为对齐值的整数倍
结构体本身，对齐值必须为编译器默认对齐长度或结构体的所有成员变量类型中的最大长度，取最大数的最小整数倍作为对齐值

结合以上两点，可得知若编译器默认对齐长度超过结构体内成员变量的类型最大长度时，默认对齐长度是没有任何意义的

结构体的对齐值

下面来看一下结构体的对齐：

type part struct {
	a bool  // 1
	b int32 //4
	c int8  // 1
	d int64 // 8
	e byte  // 1
}

func main() {
	var p part
	fmt.Println(unsafe.Sizeof(p)) // 32
}

按照普通字段（结构体内成员变量）的对齐方式，我们可以计算得出，这个结构体的大小占1+4+1+8+1=15个字节，但是用unsafe.Sizeof计算发现part结构体占32字节，是不是有点惊讶

Go语言源码分析之unsafe

Go语言源码分析之unsafe

1.什么是unsafe

2.unsafe包的操作

2.1大小Sizeof

2.2偏移Offsetof

2.3对齐Alignof

普通字段的对齐值

对齐规则

结构体的对齐值

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