22讲通关Go语言~完-16非类型安全：让你既爱又恨的unsafe

16 非类型安全：让你既爱又恨的 unsafe

上节课我留了一个小作业，让你练习一下如何使用反射调用一个方法，下面我来进行讲解。

还是以 person 这个结构体类型为例。

我为它增加一个方法 Print，功能是打印一段文本，示例代码如下：

func (p person) Print(prefix string){

   fmt.Printf("%s:Name is %s,Age is %d\n",prefix,p.Name,p.Age)

}

然后就可以通过反射调用 Print 方法了，示例代码如下：

func main() {

   p:=person{Name: "飞雪无情",Age: 20}

   pv:=reflect.ValueOf(p)

   //反射调用person的Print方法

   mPrint:=pv.MethodByName("Print")

   args:=[]reflect.Value{reflect.ValueOf("登录")}

   mPrint.Call(args)

}

从示例中可以看到，要想通过反射调用一个方法，首先要通过 MethodByName 方法找到相应的方法。

因为 Print 方法需要参数，所以需要声明参数，它的类型是 []reflect.Value，也就是示例中的 args 变量，最后就可以通过 Call 方法反射调用 Print 方法了。其中记得要把 args 作为参数传递给 Call 方法。

运行以上代码，可以看到如下结果：

登录:Name is 飞雪无情,Age is 20

从打印的结果可以看到，和我们直接调用 Print 方法是一样的结果，这也证明了通过反射调用 Print 方法是可行的。

下面我们继续深入 Go 的世界，这节课会介绍 Go 语言自带的 unsafe 包的高级用法。

顾名思义，unsafe 是不安全的。

Go 将其定义为这个包名，也是为了让我们尽可能地不使用它。

不过虽然不安全，它也有优势，那就是可以绕过 Go 的内存安全机制，直接对内存进行读写。所以有时候出于性能需要，还是会冒险使用它来对内存进行操作。

指针类型转换

Go 的设计者为了编写方便、提高效率且降低复杂度，将其设计成一门强类型的静态语言。强类型意味着一旦定义了，类型就不能改变；静态意味着类型检查在运行前就做了。同时出于安全考虑，Go 语言是不允许两个指针类型进行转换的。

我们一般使用 *T 作为一个指针类型，表示一个指向类型 T 变量的指针。

为了安全的考虑，两个不同的指针类型不能相互转换，比如 *int 不能转为 *float64。

我们来看下面的代码：

func main() {

   i:= 10

   ip:=&i

   var fp *float64 = (*float64)(ip)

   fmt.Println(fp)

}

这个代码在编译的时候，会提示 *cannot convert ip (type * int) to type * float64*，也就是不能进行强制转型。

那如果还是需要转换呢？这就需要使用 unsafe 包里的 Pointer 了。

下面我先为你介绍 unsafe.Pointer 是什么，然后再介绍如何转换。

unsafe.Pointer

unsafe.Pointer 是一种特殊意义的指针，可以表示任意类型的地址，类似 C 语言里的 void* 指针，是全能型的。

正常情况下，*int 无法转换为 *float64，但是通过 unsafe.Pointer 做中转就可以了。

在下面的示例中，我通过 unsafe.Pointer 把 *int 转换为 *float64，并且对新的 *float64 进行 3 倍的乘法操作，你会发现原来变量 i 的值也被改变了，变为 30。

ch16/main.go

func main() {

   i:= 10

   ip:=&i

   var fp *float64 = (*float64)(unsafe.Pointer(ip))

   *fp = *fp * 3

   fmt.Println(i)

}

这个例子没有任何实际意义，但是说明了通过 unsafe.Pointer 这个万能的指针，我们可以在 *T 之间做任何转换。

那么 unsafe.Pointer 到底是什么？为什么其他类型的指针可以转换为 unsafe.Pointer 呢？

这就要看 unsafe.Pointer 的源代码定义了，如下所示：

// ArbitraryType is here for the purposes of documentation

// only and is not actually part of the unsafe package. 

// It represents the type of an arbitrary Go expression.

type ArbitraryType int

type Pointer *ArbitraryType

按 Go 语言官方的注释，ArbitraryType 可以表示任何类型（这里的 ArbitraryType 仅仅是文档需要，不用太关注它本身，只要记住可以表示任何类型即可）。

而 unsafe.Pointer 又是 *ArbitraryType，也就是说 unsafe.Pointer 是任何类型的指针，也就是一个通用型的指针，足以表示任何内存地址。

uintptr 指针类型

uintptr 也是一种指针类型，它足够大，可以表示任何指针。

它的类型定义如下所示：

// uintptr is an integer type that is large enough 

// to hold the bit pattern of any pointer.

type uintptr uintptr

既然已经有了 unsafe.Pointer，为什么还要设计 uintptr 类型呢？

这是因为 unsafe.Pointer 不能进行运算，比如不支持 +（加号）运算符操作，但是 uintptr 可以。

通过它，可以对指针偏移进行计算，这样就可以访问特定的内存，达到对特定内存读写的目的，这是真正内存级别的操作。

在下面的代码中，我以通过指针偏移修改 struct 结构体内的字段为例，演示 uintptr 的用法。

func main() {

   p :=new(person)

   //Name是person的第一个字段不用偏移，即可通过指针修改

   pName:=(*string)(unsafe.Pointer(p))

   *pName="飞雪无情"

   //Age并不是person的第一个字段，所以需要进行偏移，这样才能正确定位到Age字段这块内存，才可以正确的修改

   pAge:=(*int)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(p))+unsafe.Offsetof(p.Age)))

   *pAge = 20

   fmt.Println(*p)

}

type person struct {

   Name string

   Age int

}

这个示例不是通过直接访问相应字段的方式对 person 结构体字段赋值，而是通过指针偏移找到相应的内存，然后对内存操作进行赋值。

下面我详细介绍操作步骤。

• 先使用 new 函数声明一个 /*person 类型的指针变量 p。
• 然后把 /person 类型的指针变量 p 通过 unsafe.Pointer，转换为 /string 类型的指针变量 pName。
• 因为 person 这个结构体的第一个字段就是 string 类型的 Name，所以 pName 这个指针就指向 Name 字段（偏移为 0），对 pName 进行修改其实就是修改字段 Name 的值。
• 因为 Age 字段不是 person 的第一个字段，要修改它必须要进行指针偏移运算。所以需要先把指针变量 p 通过 unsafe.Pointer 转换为 uintptr，这样才能进行地址运算。既然要进行指针偏移，那么要偏移多少呢？这个偏移量可以通过函数 unsafe.Offsetof 计算出来，该函数返回的是一个 uintptr 类型的偏移量，有了这个偏移量就可以通过 + 号运算符获得正确的 Age 字段的内存地址了，也就是通过 unsafe.Pointer 转换后的 /*int 类型的指针变量 pAge。
• 然后需要注意的是，如果要进行指针运算，要先通过 unsafe.Pointer 转换为 uintptr 类型的指针。指针运算完毕后，还要通过 unsafe.Pointer 转换为真实的指针类型（比如示例中的 /*int 类型），这样可以对这块内存进行赋值或取值操作。
• 有了指向字段 Age 的指针变量 pAge，就可以对其进行赋值操作，修改字段 Age 的值了。

运行以上示例，你可以看到如下结果：

{飞雪无情 20}

这个示例主要是为了讲解 uintptr 指针运算，所以一个结构体字段的赋值才会写得这么复杂，如果按照正常的编码，以上示例代码会和下面的代码结果一样。

func main() {

   p :=new(person)

   p.Name = "飞雪无情"

   p.Age = 20

   fmt.Println(*p)

}

指针运算的核心在于它操作的是一个个内存地址，通过内存地址的增减，就可以指向一块块不同的内存并对其进行操作，而且不必知道这块内存被起了什么名字（变量名）。

指针转换规则

你已经知道 Go 语言中存在三种类型的指针，它们分别是：常用的 /*T、unsafe.Pointer 及 uintptr。

通过以上示例讲解，可以总结出这三者的转换规则：

• 任何类型的 /*T 都可以转换为 unsafe.Pointer；
• unsafe.Pointer 也可以转换为任何类型的 /*T；
• unsafe.Pointer 可以转换为 uintptr；
• uintptr 也可以转换为 unsafe.Pointer。

(指针转换示意图)

可以发现，unsafe.Pointer 主要用于指针类型的转换，而且是各个指针类型转换的桥梁。uintptr 主要用于指针运算，尤其是通过偏移量定位不同的内存。

unsafe.Sizeof

Sizeof 函数可以返回一个类型所占用的内存大小，这个大小只与类型有关，和类型对应的变量存储的内容大小无关，比如 bool 型占用一个字节、int8 也占用一个字节。

通过 Sizeof 函数你可以查看任何类型（比如字符串、切片、整型）占用的内存大小，示例代码如下：

fmt.Println(unsafe.Sizeof(true))

fmt.Println(unsafe.Sizeof(int8(0)))

fmt.Println(unsafe.Sizeof(int16(10)))

fmt.Println(unsafe.Sizeof(int32(10000000)))

fmt.Println(unsafe.Sizeof(int64(10000000000000)))

fmt.Println(unsafe.Sizeof(int(10000000000000000)))

fmt.Println(unsafe.Sizeof(string("飞雪无情")))

fmt.Println(unsafe.Sizeof([]string{"飞雪u无情","张三"}))

对于整型来说，占用的字节数意味着这个类型存储数字范围的大小，比如 int8 占用一个字节，也就是 8bit，所以它可以存储的大小范围是 -128~~127，也就是 −2^(n-1) 到 2^(n-1)−1。其中 n 表示 bit，int8 表示 8bit，int16 表示 16bit，以此类推。

对于和平台有关的 int 类型，要看平台是 32 位还是 64 位，会取最大的。比如我自己测试以上输出，会发现 int 和 int64 的大小是一样的，因为我用的是 64 位平台的电脑。

小提示：一个 struct 结构体的内存占用大小，等于它包含的字段类型内存占用大小之和。

总结

unsafe 包里最常用的就是 Pointer 指针，通过它可以让你在 /*T、uintptr 及 Pointer 三者间转换，从而实现自己的需求，比如零内存拷贝或通过 uintptr 进行指针运算，这些都可以提高程序效率。

unsafe 包里的功能虽然不安全，但的确很香，比如指针运算、类型转换等，都可以帮助我们提高性能。不过我还是建议尽可能地不使用，因为它可以绕开 Go 语言编译器的检查，可能会因为你的操作失误而出现问题。当然如果是需要提高性能的必要操作，还是可以使用，比如 []byte 转 string，就可以通过 unsafe.Pointer 实现零内存拷贝，下节课我会详细讲解。

unsafe 包还有一个函数我这节课没有讲，它是 Alignof，功能就是函数名字字面的意思，比较简单，你可以自己练习使用一下，这也是这节课的思考题。记得来听下节课哦！

参考资料

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/22%20%e8%ae%b2%e9%80%9a%e5%85%b3%20Go%20%e8%af%ad%e8%a8%80-%e5%ae%8c/16%20%20%e9%9d%9e%e7%b1%bb%e5%9e%8b%e5%ae%89%e5%85%a8%ef%bc%9a%e8%ae%a9%e4%bd%a0%e6%97%a2%e7%88%b1%e5%8f%88%e6%81%a8%e7%9a%84%20unsafe.md

• 16 非类型安全：让你既爱又恨的 unsafe
  • 指针类型转换
  • unsafe.Pointer
  • uintptr 指针类型
  • 指针转换规则
  • unsafe.Sizeof
  • 总结
• 参考资料