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浅析 Go 与 C 的指南

C 和 Go 都相同: 运算符取出变量所在的内存地址* 运算符取出指针变量所指向的内存地址里面的值,也叫 解引用 C 语言版示例:#include stdio.hint main(){ int bar = 1; // 声明一个指向 int 类型的值的指针 int *ptr; // 通过 取出 bar 变量所在的内存地址

C 和 Go 都相同:

 

& 运算符取出变量所在的内存地址

* 运算符取出指针变量所指向的内存地址里面的值,也叫 “ 解引用 ”

C 语言版示例:

 

#include <stdio.h> 

 

int main() 

    int bar = 1; 

    // 声明一个指向 int 类型的值的指针 

    int *ptr; 

    // 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针 

    ptr = &bar; 

    // 打印 ptr 的值(为地址),*prt 表示取出指针变量所指向的内存地址里面的值 

    printf("%p %d\n", ptr, *ptr); 

    return (0); 

 

// 输出结果: 

// 0x7ffd5471ee54 1 

Go 语言版示例:

 

package main 

 

import "fmt" 

 

func main() { 

 bar := 1 

 // 声明一个指向 int 类型的值的指针 

 var ptr *int 

 // 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针 

 ptr = &bar 

 // 打印 ptr 变量储存的指针地址,*prt 表示取出指针变量所指向的内存地址里面的值 

 fmt.Printf("%p %d\n", ptr, *ptr) 

 

// 输出结果: 

// 0xc000086020 1 

Go 还可以使用 new 关键字来分配内存创建指定类型的指针。

 

// 声明一个指向 int 类型的值的指针 

// var ptr *int 

ptr := new(int) 

// 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针 

ptr = &bar 

数组名和数组首地址

对于一个数组

 

// C 

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; 

// Go 

// 需要指定长度,否则类型为切片 

arr := [5]int{1, 2, 3, 4, 5} 

在 C 中,数组名 arr 代表的是数组首元素的地址,相当于 &arr[0]

 

而 &arr 代表的是整个数组 arr 的首地址

 

// C 

// arr 数组名代表数组首元素的地址 

printf("arr -> %p\n", arr); 

// &arr[0] 代表数组首元素的地址 

printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0]); 

// &arr 代表整个数组 arr 的首地址 

printf("&arr -> %p\n", &arr); 

 

// 输出结果: 

// arr -> 0061FF0C 

// &arr[0] -> 0061FF0C 

// &arr -> 0061FF0C 

运行程序可以发现 arr 和 &arr 的输出值是相同的,但是它们的意义完全不同。

 

首先数组名 arr 作为一个标识符,是 arr[0] 的地址,从 &arr[0] 的角度去看就是一个指向 int 类型的值的指针。

 

而 &arr 是一个指向 int[5] 类型的值的指针。

 

可以进一步对其进行指针偏移验证

 

// C 

// 指针偏移 

printf("arr+1 -> %p\n", arr + 1); 

printf("&arr+1 -> %p\n", &arr + 1); 

 

// 输出结果: 

// arr+1 -> 0061FF10 

// &arr+1 -> 0061FF20 

这里涉及到偏移量的知识:一个类型为 T 的指针的移动,是以 sizeof(T) 为移动单位的。

 

arr+1 : arr 是一个指向 int 类型的值的指针,因此偏移量为 1*sizeof(int)

&arr+1 : &arr 是一个指向 int[5] 的指针,它的偏移量为 1*sizeof(int)*5

到这里相信你应该可以理解 C 语言中的 arr 和 &arr 的区别了吧,接下来看看 Go 语言

 

// 尝试将数组名 arr 作为地址输出 

fmt.Printf("arr -> %p\n", arr) 

fmt.Printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0]) 

fmt.Printf("&arr -> %p\n", &arr) 

 

// 输出结果: 

// arr -> %!p([5]int=[1 2 3 4 5]) 

// &arr[0] -> 0xc00000c300 

// &arr -> 0xc00000c300 

&arr[0] 和 &arr 与 C 语言一致。

 

但是数组名 arr 在 Go 中已经不是数组首元素的地址了,代表的是整个数组的值,所以输出时会提示 %!p([5]int=[1 2 3 4 5])

 

指针运算

指针本质上就是一个无符号整数,代表了内存地址。

 

指针和整数值可以进行加减法运算,比如上文的指针偏移例子:

 

加n : 一个类型为 T 的指针,以 n*sizeof(T) 为单位向高位移动。

减n : 一个类型为 T 的指针,以 n*sizeof(T) 为单位向低位移动。

其中 sizeof(T) 代表的是数据类型占据的字节,比如 int 在 32 位环境下为 4 字节,64 位环境下为 8 字节

 

C 语言示例:

 

#include <stdio.h> 

 

int main() 

    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; 

    // ptr 是一个指针,为 arr 数组的第一个元素地址 

    int *ptr = arr; 

    printf("%p %d\n", ptr, *ptr); 

 

    // ptr 指针向高位移动一个单位,移向到 arr 数组第二个元素地址 

    ptr++; 

    printf("%p %d\n", ptr, *ptr); 

    return (0); 

 

// 输出结果: 

// 0061FF08 1 

// 0061FF0C 2 

在这里 ptr++ 从 0061FF08 移动了 sizeof(int) = 4 个字节到 0061FF0C ,指向了下一个数组元素的地址

 

Go 语言示例:

 

package main 

 

import "fmt" 

 

func main() { 

 arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5} 

 

 // ptr 是一个指针,为 arr 数组的第一个元素地址 

 ptr := &arr[0] 

 fmt.Println(ptr, *ptr) 

 

 // ptr 指针向高位移动一个单位,移向到 arr 数组第二个元素地址 

 ptr++ 

 fmt.Println(ptr, *ptr) 

 

// 输出结果: 

// 编译报错: 

// .\main.go:13:5: invalid operation: ptr++ (non-numeric type *uint32) 

编译报错 *uint32 非数字类型,不支持运算,说明 Go 是不支持指针运算的。

 

这个其实在 Go Wiki[1] 中的 Go 从 C++ 过渡文档中有提到过:Go has pointers but not pointer arithmetic.

 

Go 有指针但不支持指针运算。

 

另辟蹊径

那还有其他办法吗?答案当然是有的。

 

在 Go 标准库中提供了一个 unsafe 包用于编译阶段绕过 Go 语言的类型系统,直接操作内存。

 

我们可以利用 unsafe 包来实现指针运算。

 

func Alignof(x ArbitraryType) uintptr 

func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr 

func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr 

type ArbitraryType 

func Slice(ptr *ArbitraryType, len IntegerType) []ArbitraryType 

type IntegerType 

type Pointer 

func Add(ptr Pointer, len IntegerType) Pointer 

核心介绍:

 

uintptr : Go 的内置类型。是一个无符号整数,用来存储地址,支持数学运算。常与 unsafe.Pointer 配合做指针运算

unsafe.Pointer : 表示指向任意类型的指针,可以和任何类型的指针互相转换(类似 C 语言中的 void* 类型的指针),也可以和 uintptr 互相转换

unsafe.Sizeof : 返回操作数在内存中的字节大小,参数可以是任意类型的表达式,例如 fmt.Println(unsafe.Sizeof(uint32(0))) 的结果为 4

unsafe.Offsetof : 函数的参数必须是一个字段 x.f,然后返回 f 字段相对于 x 起始地址的偏移量,用于计算结构体成员的偏移量

原理:

 

Go 的 uintptr 类型存储的是地址,且支持数学运算

 

*T (任意指针类型) 和 unsafe.Pointer 不能运算,但是 unsafe.Pointer 可以和 *T 、 uintptr 互相转换

 

因此,将 *T 转换为 unsafe.Pointer 后再转换为 uintptr ,uintptr 进行运算之后重新转换为 unsafe.Pointer => *T 即可

 

代码实现:

 

package main 

 

import ( 

 "fmt" 

 "unsafe" 

 

func main() { 

 arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5} 

 

 ptr := &arr[0] 

 

 // ptr(*uint32类型) => one(unsafe.Pointer类型) 

 one := unsafe.Pointer(ptr) 

 // one(unsafe.Pointer类型) => *uint32 

 fmt.Println(one, *(*uint32)(one)) 

 

 // one(unsafe.Pointer类型) => one(uintptr类型) 后向高位移动 unsafe.Sizeof(arr[0]) = 4 字节 

 // twoUintptr := uintptr(one) + unsafe.Sizeof(arr[0]) 

 // !!twoUintptr 不能作为临时变量 

 // uintptr 类型的临时变量只是一个无符号整数,并不知道它是一个指针地址,可能被 GC 

 // 运算完成后应该直接转换回 unsafe.Pointer : 

 two := unsafe.Pointer(uintptr(one) + unsafe.Sizeof(arr[0])) 

 fmt.Println(two, *(*uint32)(two)) 

 

// 输出结果: 

// 0xc000012150 1 

// 0xc000012154 2 

甚至还可以更改结构体的私有成员:

 

// model/model.go 

 

package model 

 

import ( 

 "fmt" 

 

type M struct { 

 foo uint32 

 bar uint32 

 

func (m M) Print() { 

 fmt.Println(m.foo, m.bar) 

 

// main.go 

 

package main 

 

import ( 

 "example/model" 

 "unsafe" 

 

func main() { 

 m := model.M{} 

 m.Print() 

 

 foo := unsafe.Pointer(&m) 

 *(*uint32)(foo) = 1 

 bar := unsafe.Pointer(uintptr(foo) + 4) 

 *(*uint32)(bar) = 2 

 

 m.Print() 

 

// 输出结果: 

// 0 0 

// 1 2 

小 Tips

Go 的底层 slice 切片源码就使用了 unsafe 包

 

// slice 切片的底层结构 

type slice struct { 

 // 底层是一个数组指针 

 array unsafe.Pointer 

 // 长度 

 len int 

 // 容量 

 cap int 

总结

Go 可以使用 & 运算符取地址,也可以使用 new 创建指针

Go 的数组名不是首元素地址

Go 的指针不支持运算

Go 可以使用 unsafe 包打破安全机制来操控指针,但对我们开发者而言,是 "unsafe" 不安全的

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作者: dawei

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