Go結構體SliceHeader及StringHeader作用詳解
引言
在 Go 語言中總是有一些看上去奇奇怪怪的東西，咋一眼一看感覺很熟悉，但又不理解其在 Go 代碼中的實際意義，面試官卻愛問…
今天要給大傢介紹的是 SliceHeader 和 StringHeader 結構體，瞭解清楚他到底是什麼，又有什麼用，並且會在最後給大傢介紹 0 拷貝轉換的內容。
一起愉快地開始吸魚之路。
SliceHeader
SliceHeader 如其名，Slice + Header，看上去很直觀，實際上是 Go Slice（切片）的運行時表現。
SliceHeader 的定義如下：
type SliceHeader struct {
Data uintptr
Len int
Cap int
}
- Data：指向具體的底層數組。
- Len：代表切片的長度。
- Cap：代表切片的容量。
既然知道瞭切片的運行時表現，那是不是就意味著我們可以自己造一個？
在日常程序中，可以利用標準庫 reflect 提供的 SliceHeader 結構體造一個：
func main() {
// 初始化底層數組
s := [4]string{"腦子", "進", "煎魚", "瞭"}
s1 := s[0:1]
s2 := s[:]
// 構造 SliceHeader
sh1 := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&s1))
sh2 := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&s2))
fmt.Println(sh1.Len, sh1.Cap, sh1.Data)
fmt.Println(sh2.Len, sh2.Cap, sh2.Data)
}
你認為輸出結果是什麼，這兩個新切片會指向同一個底層數組的內存地址嗎？
輸出結果：
1 4 824634330936
4 4 824634330936
兩個切片的 Data 屬性所指向的底層數組是一致的，Len 屬性的值不一樣，sh1 和 sh2 分別是兩個切片。
疑問
為什麼兩個新切片所指向的 Data 是同一個地址的呢？
這其實是 Go 語言本身為瞭減少內存占用，提高整體的性能才這麼設計的。
將切片復制到任意函數的時候，對底層數組大小都不會影響。復制時隻會復制切片本身（值傳遞），不會涉及底層數組。
也就是在函數間傳遞切片，其隻拷貝 24 個字節（指針字段 8 個字節，長度和容量分別需要 8 個字節），效率很高。
坑
這種設計也引出瞭新的問題，在平時通過 s[i:j] 所生成的新切片，兩個切片底層指向的是同一個底層數組。
假設在沒有超過容量（cap）的情況下，對第二個切片操作會影響第一個切片。
這是很多 Go 開發常會碰到的一個大 “坑”，不清楚的排查瞭很久的都不得而終。
StringHeader
除瞭 SliceHeader 外，Go 語言中還有一個典型代表，那就是字符串（string）的運行時表現。
StringHeader 的定義如下：
type StringHeader struct {
Data uintptr
Len int
}
- Data：存放指針，其指向具體的存儲數據的內存區域。
- Len：字符串的長度。
可得知 “Hello” 字符串的底層數據如下：
var data = [...]byte{
'h', 'e', 'l', 'l', 'o',
}
底層的存儲示意圖如下：
圖來自網絡
真實演示例子如下：
func main() {
s := "腦子進煎魚瞭"
s1 := "腦子進煎魚瞭"
s2 := "腦子進煎魚瞭"[7:]
fmt.Printf("%d \n", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s)).Data)
fmt.Printf("%d \n", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s1)).Data)
fmt.Printf("%d \n", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s2)).Data)
}
你認為輸出結果是什麼，變量 s 和 s1、s2 會指向同一個底層內存空間嗎？
輸出結果：
17608227
17608227
17608234
從輸出結果來看，變量 s 和 s1 指向同一個內存地址。變量 s2 雖稍有偏差，但本質上也是指向同一塊。
因為其是字符串的切片操作，是從第 7 位索引開始，因此正好的 17608234-17608227 = 7。也就是三個變量都是指向同一塊內存空間，這是為什麼呢？
這是因為在 Go 語言中，字符串都是隻讀的，為瞭節省內存，相同字面量的字符串通常對應於同一字符串常量，因此指向同一個底層數組。
0 拷貝轉換
為什麼會有人關註到 SliceHeader、StringHeader 這類運行時細節呢，一大部分原因是業內會有開發者，希望利用其實現零拷貝的 string 到 bytes 的轉換。
常見轉換代碼如下：
func string2bytes(s string) []byte {
stringHeader := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
bh := reflect.SliceHeader{
Data: stringHeader.Data,
Len: stringHeader.Len,
Cap: stringHeader.Len,
}
return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&bh))
}
但這其實是錯誤的，官方明確表示：
the Data field is not sufficient to guarantee the data it references will not be garbage collected, so programs must keep a separate, correctly typed pointer to the underlying data.
SliceHeader、StringHeader 的 Data 字段是一個 uintptr 類型。由於 Go 語言隻有值傳遞。
因此在上述代碼中會出現將 Data 作為值拷貝的情況，這就會導致無法保證它所引用的數據不會被垃圾回收（GC）。
應該使用如下轉換方式：
func main() {
s := "腦子進煎魚瞭"
v := string2bytes1(s)
fmt.Println(v)
}
func string2bytes1(s string) []byte {
stringHeader := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
var b []byte
pbytes := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
pbytes.Data = stringHeader.Data
pbytes.Len = stringHeader.Len
pbytes.Cap = stringHeader.Len
return b
}
在程序必須保留一個單獨的、正確類型的指向底層數據的指針。
在性能方面，若隻是期望單純的轉換，對容量（cap）等字段值不敏感，也可以使用以下方式：
func string2bytes2(s string) []byte {
return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
}
性能對比：
string2bytes1-1000-4 3.746 ns/op 0 allocs/op string2bytes1-1000-4 3.713 ns/op 0 allocs/op string2bytes1-1000-4 3.969 ns/op 0 allocs/op string2bytes2-1000-4 2.445 ns/op 0 allocs/op string2bytes2-1000-4 2.451 ns/op 0 allocs/op string2bytes2-1000-4 2.455 ns/op 0 allocs/op
會相當標準的轉換性能會稍快一些，這種強轉也會導致一個小問題。
代碼如下：
func main() {
s := "腦子進煎魚瞭"
v := string2bytes2(s)
println(len(v), cap(v))
}
func string2bytes2(s string) []byte {
return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
}
輸出結果：
18 824633927632
這種強轉其會導致 byte 的切片容量非常大，需要特別註意。一般還是推薦使用標準的 SliceHeader、StringHeader 方式就好瞭，也便於後來的維護者理解。
總結
在這篇文章中，我們介紹瞭字符串（string）和切片（slice）的兩個運行時表現，分別是 StringHeader 和 SliceHeader。
同時瞭解到其運行時表現後，我們還針對其兩者的地址指向，常見坑進行瞭說明。
最後我們進一步深入，面向 0 拷貝轉換的場景進行瞭介紹和性能分析。
參考
- Go語言slice的本質-SliceHeader
- 數組、字符串和切片
- 零拷貝實現string 和bytes的轉換疑問
以上就是Go結構體SliceHeader及StringHeader作用詳解的詳細內容，更多關於Go結構體SliceHeader StringHeader的資料請關註WalkonNet其它相關文章！