了解一下Golang中的unsafe包

在一些底層的庫中, 經常會看到使用 unsafe 套件的地方。這篇文章就來帶大家了解Golang中的unsafe包，介紹一下unsafe 包的功能和Pointer的使用方式，希望對大家有幫助！

unsafe 套件提供了一些操作可以繞過 go 的類型安全檢查, 從而直接操作記憶體位址, 做一些 tricky 操作。範例程式碼運行環境是go version go1.18 darwin/amd64

記憶體對齊

##unsafe 套件提供了Sizeof 方法取得變數佔用記憶體大小「不包含指標指向變數的記憶體大小」, Alignof 取得記憶體對齊係數, 特定記憶體對齊規則可以自行google.

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

從上面case 可以看到demo1 和demo2 包含相同的屬性, 只是定義的屬性順序不同, 卻導致變數的記憶體大小不同。這裡是因為發生了記憶體對齊。

電腦在處理任務時, 會依照特定的字長「例如：32 位元作業系統, 字長為 4; 64 位元作業系統, 字長為 8」為單位處理資料。那麼, 在讀取資料的時候也是按照字長為單位。例如: 對於 64 位元作業系統, 程式一次讀取的位元組數為 8 的倍數。下面是demo1 在非記憶體對齊和記憶體對齊下的版面：

非記憶體對齊：

變數c 會被放在不同的字長裡面, cpu 在讀取的時候需要同時讀取兩次, 同時對兩次的結果做處理, 才能拿到c 的值。這種方式雖然節省了記憶體空間, 但是會增加處理時間。

記憶體對齊：

記憶體對齊採用了一種方案, 可以避免同一個非記憶體對齊的這種情況, 但是會額外佔用一些空間「空間換時間」。特定記憶體對齊規則可以自行 google。

Unsafe Pointer

#在go 中可以宣告一個指標型別, 這裡的型別是safe pointer, 即要明確指標指向的類型, 如果類型不匹配將會在編譯時報錯。如下面的範例, 編譯器會認為 MyString 和 string 是不同的型別, 無法進行賦值。

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

那有沒有一種型別, 可以指向任意型別的變數呢？可以使用 unsfe.Pointer, 它可以指向任意類型的變數。透過Pointer 的宣告, 可以知道它是一個指標類型, 指向變數所在的位址。具體的位址對應的值可以透過 uinptr 進行轉換。 Pointer 有以下四個特殊的操作：

任意型別的指標都可以轉換成Pointer 類型
Pointer 類型的變數可以轉換成任意型別的指標
#uintptr 類型的變數可以轉換成Pointer 類型
Pointer 類型的變數可以轉換成uintprt 類型

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

}

Pointer 的六種使用方式

#在官方文件中給出了Pointer 的六種使用姿勢。

1. 透過Pointer 將*T1 轉換為*T2

Pointer 直接指向一塊記憶體, 因此可以將此區塊記憶體位址轉為任意型別。這裡需要注意, T1 和 T2 需要有相同的記憶體佈局, 會有異常資料。

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)
}

如果 T1 和 T2 的記憶體佈局不同, 會發生什麼事呢？在下面的範例子中, demo1 和 demo2 雖然包含相同的結構體, 由於記憶體對齊, 導致兩者是不同的記憶體佈局。將Pointer 轉換時, 會從demo1 的位址開始讀取24「sizeof」 個位元組, 依照demo2 記憶體對齊規則轉換, 將第一個位元組轉換為a:true, 8-16 個位元組轉換為c :2, 16-24 個位元組超出了demo1 的範圍, 但仍可以直接讀取, 取得了非預期的值b:17368000。

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. 將Pointer 類型轉換為uintptr 類型「不應該將uinptr 轉為Pointer」

#Pointer 是一個指標型別, 可以指向任意變數, 可以透過將Pointer 轉換為uintptr 來列印Pointer 指向變數的位址。此外：不應該將 uintptr 轉換為 Pointer。如下面的範例: 當發生 GC 時， d 的位址可能會發生變更, 那麼 up 由於未同步更新而指向錯誤的記憶體。

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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以上是了解一下Golang中的unsafe包的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！