Go語言模型:string的底層數據結構與高效操作詳解
Golang的string類型底層數據結構簡單，本質也是一個結構體實例，且是const不可變。
string的底層數據結構
通過下面一個例子來看：
package main
import (
"fmt"
"unsafe"
)
// from: string.go 在GoLand IDE中雙擊shift快速找到
type stringStruct struct {
array unsafe.Pointer // 指向一個 [len]byte 的數組
length int // 長度
}
func main() {
test := "hello"
p := (*str)(unsafe.Pointer(&test))
fmt.Println(&p, p) // 0xc420070018 &{0xa3f71 5}
c := make([]byte, p.length)
for i := 0; i < p.length; i++ {
tmp := uintptr(unsafe.Pointer(p.array)) // 指針類型轉換通過unsafe包
c[i] = *(*byte)(unsafe.Pointer(tmp + uintptr(i))) // 指針運算隻能通過uintptr
}
fmt.Println(c) // [104 101 108 108 111]
fmt.Println(string(c)) // [byte] --> string, "hello"
test2 := test + " world" // 字符串是不可變類型，會生成一個新的string實例
p2 := (*str)(unsafe.Pointer(&test2))
fmt.Println(&p2, p2) // 0xc420028030 &{0xc42000a2e5 11}
fmt.Println(test2) // hello, world
}
string的拼接與修改
+操作
string類型是一個不可變類型，那麼任何對string的修改都會新生成一個string的實例，如果是考慮效率的場景就要好好考慮一下如何修改瞭。先說一下最長用的+操作，同樣上面的例子，看一下+操作拼接字符串的反匯編：
25 test2 := test + " world" 0x00000000004824d7 <+1127>: lea 0x105a2(%rip),%rax # 0x492a80 0x00000000004824de <+1134>: mov %rax,(%rsp) 0x00000000004824e2 <+1138>: callq 0x40dda0 <runtime.newobject> # 調用newobject函數 0x00000000004824e7 <+1143>: mov 0x8(%rsp),%rax 0x00000000004824ec <+1148>: mov %rax,0xa0(%rsp) 0x00000000004824f4 <+1156>: mov 0xa8(%rsp),%rax 0x00000000004824fc <+1164>: mov 0x8(%rax),%rcx 0x0000000000482500 <+1168>: mov (%rax),%rax 0x0000000000482503 <+1171>: mov %rax,0x8(%rsp) 0x0000000000482508 <+1176>: mov %rcx,0x10(%rsp) 0x000000000048250d <+1181>: movq $0x0,(%rsp) 0x0000000000482515 <+1189>: lea 0x30060(%rip),%rax # 0x4b257c 0x000000000048251c <+1196>: mov %rax,0x18(%rsp) 0x0000000000482521 <+1201>: movq $0x6,0x20(%rsp) 0x000000000048252a <+1210>: callq 0x43cc00 <runtime.concatstring2> # 調用concatstring2函數
因為當前go[2018.11 version: go1.11]的不是遵循默認的x86 calling convention用寄存器傳參，而是通過stack進行傳參，所以go的反匯編不像c的那麼容易理解，不過大概看懂+背後的操作還是沒問題的，看一下runtime源碼的拼接函數：
func concatstring2(buf *tmpBuf, a [2]string) string {
return concatstrings(buf, a[:])
}
// concatstrings implements a Go string concatenation x+y+z+...
// The operands are passed in the slice a.
// If buf != nil, the compiler has determined that the result does not
// escape the calling function, so the string data can be stored in buf
// if small enough.
func concatstrings(buf *tmpBuf, a []string) string {
idx := 0
l := 0
count := 0
for i, x := range a {
n := len(x)
if n == 0 {
continue
}
if l+n < l {
throw("string concatenation too long")
}
l += n
count++
idx = i
}
if count == 0 {
return ""
}
// If there is just one string and either it is not on the stack
// or our result does not escape the calling frame (buf != nil),
// then we can return that string directly.
if count == 1 && (buf != nil || !stringDataOnStack(a[idx])) {
return a[idx]
}
s, b := rawstringtmp(buf, l)
for _, x := range a {
copy(b, x) // 最關鍵的拷貝操作
b = b[len(x):]
}
return s
}
分析runtime的concatstrings實現，可以看出+最後新申請buf，拷貝原來的string到buf，最後返回新實例。那麼每次的+操作，都會涉及新申請buf，然後是對應的copy。如果反復使用+，就不可避免有大量的申請內存操作，對於大量的拼接，性能就會受到影響瞭。
bytes.Buffer
通過看源碼，bytes.Buffer 增長buffer時是按照2倍來增長內存，可以有效避免頻繁的申請內存，通過一個例子來看：
func main() {
var buf bytes.Buffer
for i := 0; i < 10; i++ {
buf.WriteString("hi ")
}
fmt.Println(buf.String())
}
對應的byte包庫函數源碼
// @file: buffer.go
func (b *Buffer) WriteString(s string) (n int, err error) {
b.lastRead = opInvalid
m, ok := b.tryGrowByReslice(len(s))
if !ok {
m = b.grow(len(s)) // 高效的增長策略 -> let capacity get twice as large
}
return copy(b.buf[m:], s), nil
}
// @file: buffer.go
// let capacity get twice as large !!!
func (b *Buffer) grow(n int) int {
m := b.Len()
// If buffer is empty, reset to recover space.
if m == 0 && b.off != 0 {
b.Reset()
}
// Try to grow by means of a reslice.
if i, ok := b.tryGrowByReslice(n); ok {
return i
}
// Check if we can make use of bootstrap array.
if b.buf == nil && n <= len(b.bootstrap) {
b.buf = b.bootstrap[:n]
return 0
}
c := cap(b.buf)
if n <= c/2-m {
// We can slide things down instead of allocating a new
// slice. We only need m+n <= c to slide, but
// we instead let capacity get twice as large so we
// don't spend all our time copying.
copy(b.buf, b.buf[b.off:])
} else if c > maxInt-c-n {
panic(ErrTooLarge)
} else {
// Not enough space anywhere, we need to allocate.
buf := makeSlice(2*c + n)
copy(buf, b.buf[b.off:])
b.buf = buf
}
// Restore b.off and len(b.buf).
b.off = 0
b.buf = b.buf[:m+n]
return m
}
string.join
這個函數可以一次申請最終string的大小，但是使用得預先準備好所有string，這種場景也是高效的，一個例子：
func main() {
var strs []string
for i := 0; i < 10; i++ {
strs = append(strs, "hi")
}
fmt.Println(strings.Join(strs, " "))
}
對應庫的源碼：
// Join concatenates the elements of a to create a single string. The separator string
// sep is placed between elements in the resulting string.
func Join(a []string, sep string) string {
switch len(a) {
case 0:
return ""
case 1:
return a[0]
case 2:
// Special case for common small values.
// Remove if golang.org/issue/6714 is fixed
return a[0] + sep + a[1]
case 3:
// Special case for common small values.
// Remove if golang.org/issue/6714 is fixed
return a[0] + sep + a[1] + sep + a[2]
}
// 計算好最終的string的大小
n := len(sep) * (len(a) - 1) //
for i := 0; i < len(a); i++ {
n += len(a[i])
}
b := make([]byte, n)
bp := copy(b, a[0])
for _, s := range a[1:] {
bp += copy(b[bp:], sep)
bp += copy(b[bp:], s)
}
return string(b)
}
strings.Builder (go1.10+)
看到這個名字，就想到瞭Java的庫，哈哈，這個Builder用起來是最方便的，不過是在1.10後引入的。其高效也是體現在2倍速的內存增長, WriteString函數利用瞭slice類型對應append函數的2倍速增長。
一個例子：
func main() {
var s strings.Builder
for i := 0; i < 10; i++ {
s.WriteString("hi ")
}
fmt.Println(s.String())
}
對應庫的源碼
@file: builder.go
// WriteString appends the contents of s to b's buffer.
// It returns the length of s and a nil error.
func (b *Builder) WriteString(s string) (int, error) {
b.copyCheck()
b.buf = append(b.buf, s...)
return len(s), nil
}
總結
Golang的字符串處理還是挺方便的，有垃圾回收和一些內置的語言級寫法支持，讓復雜字符串操作沒有那麼繁瑣瞭，比起C/C++高效瞭不少。
補充：go string的內部實現
go string 內部實現
這個string的探索
來來個例子
func boo(a int, b int)(int, string){
return a + b, "abcd"
}
81079 000000000044dfa0 <main.boo>: 81080 44dfa0:>------48 c7 44 24 18 00 00 >--movq $0x0,0x18(%rsp) 81081 44dfa7:>------00 00- 81082 44dfa9:>------0f 57 c0 >--xorps %xmm0,%xmm0 81083 44dfac:>------0f 11 44 24 20 >--movups %xmm0,0x20(%rsp) 81084 44dfb1:>------48 8b 44 24 08 >--mov 0x8(%rsp),%rax 81085 44dfb6:>------48 03 44 24 10 >--add 0x10(%rsp),%rax 81086 44dfbb:>------48 89 44 24 18 >--mov %rax,0x18(%rsp) 81087 44dfc0:>------48 8d 05 d4 eb 01 00 >--lea 0x1ebd4(%rip),%rax # 46cb9b <go.string.*+0xbb> 81088 44dfc7:>------48 89 44 24 20 >--mov %rax,0x20(%rsp) 81089 44dfcc:>------48 c7 44 24 28 04 00 >--movq $0x4,0x28(%rsp) 81090 44dfd3:>------00 00- 81091 44dfd5:>------c3 >--retq---
其中
81087 44dfc0:>------48 8d 05 d4 eb 01 00 >--lea 0x1ebd4(%rip),%rax # 46cb9b <go.string.*+0xbb> 81088 44dfc7:>------48 89 44 24 20 >--mov %rax,0x20(%rsp) 81089 44dfcc:>------48 c7 44 24 28 04 00 >--movq $0x4,0x28(%rsp) 81090 44dfd3:>------00 00- 81091 44dfd5:>------c3 >--retq--- lea 0x1ebd4(%rip),%rax得到char*, mov %rax,0x20(%rsp)復制給返回值, movq $0x4,0x28(%rsp)把長度也填進去,
其實可以看到string就是c裡面的char* 和len的組合
以上為個人經驗，希望能給大傢一個參考，也希望大傢多多支持WalkonNet。如有錯誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教。
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