En savoir plus sur le package dangereux dans Golang

Dans certaines bibliothèques de bas niveau, vous voyez souvent l'utilisation du package non sécurisé. Cet article vous amènera à comprendre le package non sécurisé dans Golang, à présenter le rôle du package non sécurisé et à utiliser Pointer. J'espère qu'il vous sera utile !

Le package unsafe fournit certaines opérations qui peuvent contourner le contrôle de sécurité de type go, exploitant ainsi directement les adresses mémoire et effectuant des opérations délicates. L'environnement d'exécution de l'exemple de code est go version go1.18 darwin/amd64

Memory Alignment

Le package unsafe fournit la méthode Sizeof pour obtenir la taille de la mémoire occupée par les variables "à l'exclusion de la taille de la mémoire pointée par les pointeurs vers les variables", et Alignof obtient l'alignement de la mémoire coefficient. Vous pouvez rechercher sur Google des règles d'alignement de mémoire spécifiques.

type demo1 struct {
   a bool  // 1
   b int32 // 4
   c int64 // 8
}

type demo2 struct {
   a bool  // 1
   c int64 // 8
   b int32 // 4
}

type demo3 struct { // 64 位操作系统, 字长 8
   a *demo1 // 8
   b *demo2 // 8
}

func MemAlign() {
   fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo1{}), unsafe.Alignof(demo1{}), unsafe.Alignof(demo1{}.a), unsafe.Alignof(demo1{}.b), unsafe.Alignof(demo1{}.c)) // 16,8,1,4,8
   fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo2{}), unsafe.Alignof(demo2{}), unsafe.Alignof(demo2{}.a), unsafe.Alignof(demo2{}.b), unsafe.Alignof(demo2{}.c)) // 24,8,1,4,8
   fmt.Println(unsafe.Sizeof(demo3{}))                                                                                                           // 16
}                                                                                                         // 16}复制代码

Dans le cas ci-dessus, vous pouvez voir que demo1 et demo2 contiennent les mêmes attributs, mais l'ordre des attributs définis est différent, ce qui entraîne des tailles de mémoire différentes. variables. C'est parce que l'alignement de la mémoire se produit.

Lorsque l'ordinateur traite des tâches, il traitera les données dans des unités de longueurs de mots spécifiques "Par exemple : système d'exploitation 32 bits, la longueur du mot est de 4 ; système d'exploitation 64 bits, la longueur du mot est de 8". Ensuite, lors de la lecture des données, l'unité est également basée sur la longueur des mots. Par exemple : pour les systèmes d'exploitation 64 bits, le nombre d'octets lus par le programme en même temps est un multiple de 8. Voici la disposition de demo1 sous alignement non-mémoire et alignement mémoire :

Alignement non-mémoire :

La variable c sera placée dans des longueurs de mots différentes Lors de la lecture, le CPU doit lire deux fois en même temps, et lisez les deux. Ce n'est qu'en traitant les résultats des temps que nous pouvons obtenir la valeur de c. Bien que cette méthode économise de l’espace mémoire, elle augmentera le temps de traitement.

Alignement de la mémoire :

L'alignement de la mémoire adopte un schéma qui peut éviter la situation du même alignement de non-mémoire, mais il prendra de l'espace supplémentaire "espace pour le temps". Vous pouvez rechercher sur Google des règles d'alignement de mémoire spécifiques.

Pointeur non sécurisé

En go, vous pouvez déclarer un type de pointeur ici. Le type ici est un pointeur sûr, ce qui signifie que vous devez indiquer clairement le type vers lequel pointe le pointeur. Si les types ne correspondent pas, une erreur se produira lors de la compilation. Comme dans l'exemple suivant, le compilateur pensera que MyString et string sont de types différents et ne peuvent pas être attribués.

func main() {
   type MyString string
   s := "test"
   var ms MyString = s // Cannot use 's' (type string) as the type MyString
   fmt.Println(ms)
}

Existe-t-il un type qui peut pointer vers des variables de n'importe quel type ? Vous pouvez utiliser unsfe.Pointer, qui peut pointer vers n'importe quel type de variable. Grâce à la déclaration de Pointer, on peut savoir qu'il s'agit d'un type pointeur, pointant vers l'adresse de la variable. La valeur correspondant à l'adresse spécifique peut être convertie via uinptr. Le pointeur a les quatre opérations spéciales suivantes :

• Tout type de pointeur peut être converti en type de pointeur
• Les variables de type pointeur peuvent être converties en n'importe quel type de pointeur
• Les variables de type uintptr peuvent être converties en type de pointeur
• Type de pointeur. la variable peut être convertie en type uintprt

type Pointer *ArbitraryType

// uintptr is an integer type that is large enough to hold the bit pattern of
// any pointer.
type uintptr uintptr

func main() {
   d := demo1{true, 1, 2}
   p := unsafe.Pointer(&d)                // 任意类型的指针可以转换为 Pointer 类型
   pa := (*demo1)(p)                      // Pointer 类型变量可以转换成 demo1 类型的指针
   up := uintptr(p)                       // Pointer 类型的变量可以转换成 uintprt 类型
   pu := unsafe.Pointer(up)               // uintptr 类型的变量可以转换成 Pointer 类型; 当 GC 时, d 的地址可能会发生变更, 因此, 这里的 up 可能会失效
   fmt.Println(d.a, pa.a, (*demo1)(pu).a) // true true true

}

Six façons d'utiliser Pointer

Le document officiel donne six façons d'utiliser Pointer.

1. Convertir *T1 en *T2 via Pointer

Pointer pointe directement vers un morceau de mémoire, cette adresse mémoire peut donc être convertie en n'importe quel type. Il convient de noter ici que T1 et T2 doivent avoir la même disposition de mémoire et qu'il y aura des données anormales.

func main() {
   type myStr string
   ms := []myStr{"1", "2"}
   //ss := ([]string)(ms) Cannot convert an expression of the type '[]myStr' to the type '[]string'
   ss := *(*[]string)(unsafe.Pointer(&ms)) // 将 pointer 指向的内存地址直接转换成 *[]string
   fmt.Println(ms, ss)
}

Que se passera-t-il si la disposition de la mémoire de T1 et T2 est différente ? Dans l'exemple ci-dessous, bien que demo1 et demo2 contiennent la même structure, en raison de l'alignement de la mémoire, ils ont des configurations de mémoire différentes. Lors de la conversion du pointeur, 24 octets "sizeof" seront lus à partir de l'adresse de demo1, et la conversion sera effectuée selon les règles d'alignement de la mémoire de demo2. Le premier octet sera converti en a:true et 8 à 16 octets. sera converti en c. :2, 16-24 octets dépassent la plage de demo1, mais peuvent toujours être lus directement, et la valeur inattendue b:17368000 est obtenue.

type demo1 struct {
   a bool  // 1
   b int32 // 4
   c int64 // 8
}

type demo2 struct {
   a bool  // 1
   c int64 // 8
   b int32 // 4
}

func main() {
   d := demo1{true, 1, 2}
   pa := (*demo2)(unsafe.Pointer(&d)) // Pointer 类型变量可以转换成 demo2 类型的指针
   fmt.Println(pa.a, pa.b, pa.c) // true, 17368000, 2, 
}

2. Convertir le type de pointeur en type uintptr "Vous ne devez pas convertir uinptr en pointeur"

Pointer est un type de pointeur qui peut pointer vers n'importe quelle variable et peut être imprimé en convertissant le pointeur en pointeur uintptr pointe vers l'adresse de la variable. De plus : uintptr ne doit pas être converti en pointeur. Prenons l'exemple suivant : lorsque GC se produit, l'adresse de d peut changer, puis pointe vers la mauvaise mémoire en raison de mises à jour non synchronisées.

func main() {
   d := demo1{true, 1, 2}
   p := unsafe.Pointer(&d)
   up := uintptr(p)
   fmt.Printf("uintptr: %x, ptr: %p \n", up, &d) // uintptr: c00010c010, ptr: 0xc00010c010
   fmt.Println(*(*demo1)(unsafe.Pointer(up)))    // 不允许
}

3. 通过算数计算将 Pointer 转换为 uinptr 再转换回 Pointer

当 Piointer 指向一个结构体时, 可以通过此方式获取到结构体内部特定属性的 Pointer。

func main() {
   d := demo1{true, 1, 2}
   // 等同于 unsafe.Pointer(&d.b); unsafe.Add(unsafe.Pointer(&d), unsafe.Offsetof(d.b))
   pb := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&d)) + unsafe.Offsetof(d.b))
   fmt.Println(pb)
}

4. 当调用 syscall.Syscall 的时候, 可以讲 Pointer 转换为 uintptr

前面说过, 由于 GC 会导致变量的地址发生变更, 因此不可以直接处理 uintptr。但是, 在调用 syscall.Syscall 时候可以允许传递一个 uintptr, 这里可以简单理解为是编译器做了特殊处理, 来保证 uintptr 是安全的。

• 调用方式：
• syscall.Syscall(SYS_READ, uintptr( fd ), uintptr(unsafe.Pointer(p)), uintptr(n))

下面这种方式是不允许的：

u := uintptr(unsafe.Pointer(p)) // 不应该保存到一个变量上 syscall.Syscall(SYS_READ, uintptr( fd ), u, uintptr(n))

5. 可以将 reflect.Value.Pointer 或 reflect.Value.UnsafeAddr 的结果「uintptr」转换为 Pointer

在 reflect 包中的 Value.Pointer 和 Value.UnsafeAddr 直接返回了地址对应的值「uintptr」, 可以直接将其结果转为 Pointer

func main() {
   d := demo1{true, 1, 2}
   // 等同于 unsafe.Pointer(&d.b); unsafe.Add(unsafe.Pointer(&d), unsafe.Offsetof(d.b))
   pb := unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&d)) + unsafe.Offsetof(d.b))
   // up := reflect.ValueOf(&d.b).Pointer(), pc := unsafe.Pointer(up); 不安全, 不应存储到变量中
   pc := unsafe.Pointer(reflect.ValueOf(&d.b).Pointer())
   fmt.Println(pb, pc)
}

6. 可以将 reflect.SliceHeader 或者 reflect.StringHeader 的 Data 字段与 Pointer 相互转换

SliceHeader 和 StringHeader 其实是 slice 和 string 的内部实现, 里面都包含了一个字段 Data「uintptr」, 存储的是指向 []T 的地址, 这里之所以使用 uinptr 是为了不依赖 unsafe 包。

func main() {
   s := "a"
   hdr := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s)) // *string to *StringHeader
   fmt.Println(*(*[1]byte)(unsafe.Pointer(hdr.Data))) // 底层存储的是 utf 编码后的 byte 数组
   arr := [1]byte{65}
   hdr.Data = uintptr(unsafe.Pointer(&arr))
   hdr.Len = len(arr)
   ss := *(*string)(unsafe.Pointer(hdr))
   fmt.Println(ss) // A
   arr[0] = 66
   fmt.Println(ss) //B
}

应用

string、byte 转换

在业务上, 经常遇到 string 和 []byte 的相互转换。我们知道, string 底层其实也是存储的一个 byte 数组, 可以通过 reflect 直接获取 string 指向的 byte 数组, 赋值给 byte 切片, 避免内存拷贝。

func StrToByte(str string) []byte {
   return []byte(str)
}

func StrToByteV2(str string) (b []byte) {
   bh := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
   sh := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&str))
   bh.Data = sh.Data
   bh.Cap = sh.Len
   bh.Len = sh.Len
   return b
}

// go test -bench .
func BenchmarkStrToArr(b *testing.B) {
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      StrToByte(`{"f": "v"}`)
   }
}

func BenchmarkStrToArrV2(b *testing.B) {
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      StrToByteV2(`{"f": "v"}`)
   }
}

//goos: darwin
//goarch: amd64
//pkg: github.com/demo/lsafe
//cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
//BenchmarkStrToArr-12            264733503                4.311 ns/op
//BenchmarkStrToArrV2-12          1000000000               0.2528 ns/op

通过观察 string 和 byte 的内存布局我们可以知道, 无法直接将 string 转为 []byte 「确实 cap 字段」, 但是可以直接将 []byte 转为 string

func ByteToStr(b []byte) string {
   return string(b)
}

func ByteToStrV2(b []byte) string {
   return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}

// go test -bench .
func BenchmarkArrToStr(b *testing.B) {
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      ByteToStr([]byte{65})
   }
}

func BenchmarkArrToStrV2(b *testing.B) {
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      ByteToStrV2([]byte{65})
   }
}

//goos: darwin
//goarch: amd64
//pkg: github.com/demo/lsafe
//cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
//BenchmarkArrToStr-12            536188455                2.180 ns/op
//BenchmarkArrToStrV2-12          1000000000               0.2526 ns/op

总结

本文介绍了如何使用 unsafe 包绕过类型检查, 直接操作内存。正如 go 作者对包的命名一样, 它是 unsafe 的, 随着 go 版本的迭代, 有些机制可能会发生变更。如无必要, 不应使用这个包。如果要使用 unsafe 包, 一定要理解清楚Pointer、uinptr、对齐系数等概念。

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