5.指针 · golang

Go 语言指针我们都知道，变量是一种使用方便的占位符，用于引用计算机内存地址。 Golang 支持指针类型 *T，指针的指针 **T，以及包含包名前缀的 *<package>.T。 ~~~ • 默认值 nil，没有 NULL 常量。 • 操作符 "&" （取地址符）取变量地址，"*" （取值符）透过指针访问目标对象。 • 不支持指针运算，不支持 "->" 运算符，直接用 "." 访问目标成员。 ~~~ 以下实例演示了变量在内存中地址： ~~~ package main import "fmt" func main() { var a int = 10 fmt.Printf("变量的地址: %x\n", &a) } ~~~ 执行以上代码输出结果为： ~~~ 变量的地址: c420012058 ~~~ 现在我们已经了解了什么是内存地址和如何去反问它。接下来我们将具体介绍指针。什么是指针一个指针变量可以指向任何一个值的内存地址，它指向那个值的内存地址。类似于变量和常量，在使用指针前你需要声明指针。指针声明格式如下： var name *类型指针声明： ~~~ package main var ip *int /* 指向整型*/ //声明一个int值得指针变量 var fp *float32 /* 指向浮点型 */ var sp *string /* 指向字符串类型 */ func main() { } ~~~ 如何使用指针指针使用流程：定义指针变量。为指针变量赋值。访问指针变量中指向地址的值。在指针类型前面加上 * 号（前缀）来获取指针所指向的内容。 ~~~ package main import "fmt" func main() { var a int = 20 /* 声明实际变量 */ var ip *int /* 声明指针变量 */ ip = &a /* 指针变量的存储地址 */ fmt.Printf("a 变量的地址是: %x\n", &a) /* 指针变量的存储地址 */ fmt.Printf("ip 变量的存储地址: %x\n", ip) /* 使用指针访问值 */ fmt.Printf("*ip 变量的值: %d\n", *ip) } ~~~ 输出结果： ~~~ a 变量的地址是: c420012058 ip 变量的存储地址: c420012058 *ip 变量的值: 20 ~~~ 直接用指针访问目标对象成员： ~~~ package main import ( "fmt" ) func main() { type data struct{ a int } var d = data{1234} var p *data p = &d fmt.Printf("%p, %v\n", p, p.a) // 直接用指针访问目标对象成员，无须转换。 } ~~~ 输出结果: ~~~ 0xc420012058, 1234 ~~~ 不能对指针做加减法等运算。 ~~~ package main func main() { x := 1234 p := &x p++ } ~~~ 输出结果： ~~~ ./main.go:6:3: invalid operation: p++ (non-numeric type *int) ~~~ 可以在 unsafe.Pointer 和任意类型指针间进转换。 ~~~ package main import ( "fmt" "unsafe" ) func main() { x := 0x12345678 p := unsafe.Pointer(&x) // *int -> Pointer n := (*[4]byte)(p) // Pointer -> *[4]byte for i := 0; i < len(n); i++ { fmt.Printf("%X ", n[i]) } fmt.Println() } ~~~ 输出结果: ~~~ 78 56 34 12 ~~~ 返回局部变量指针是安全的，编译器会根据需要将其分配在 GC Heap 上。 ~~~ package main func main() {} func test() *int { x := 100 return &x // 在堆上分配 x 内存。但在内联时，也可能直接分配在目标栈。 } ~~~ 将 Pointer 转换成 uintptr，可变相实现指针运算。 ~~~ package main import ( "fmt" "unsafe" ) func main() { d := struct { s string x int }{"abc", 100} p := uintptr(unsafe.Pointer(&d)) // *struct -> Pointer -> uintptr p += unsafe.Offsetof(d.x) // uintptr + offset p2 := unsafe.Pointer(p) // uintptr -> Pointer px := (*int)(p2) // Pointer -> *int *px = 200 // d.x = 200 fmt.Printf("%#v\n", d) } ~~~ 输出结果: ~~~ struct { s string; x int }{s:"abc", x:200} ~~~ 注意:GC 把 uintptr 当成普通整数对象，它无法阻止 "关联" 对象被回收。 Go 空指针（nil）当一个指针被定义后没有分配到任何变量时，它的值为 nil。 nil 指针也称为空指针。 nil在概念上和其它语言的null、None、nil、NULL一样，都指代零值或空值。一个指针变量通常缩写为 ptr。实例： ~~~ package main import "fmt" func main() { var ptr *int fmt.Printf("ptr 的值为 : %x\n", ptr) } ~~~ 输出结果： ~~~ ptr 的值为 : 0 ~~~ 空指针判断： ~~~ package main import ( "fmt" ) func main() { var ptr1 *int var i int = 1 ptr2 := &i if ptr1 == nil { fmt.Println("prt1 是空指针") } if ptr2 != nil { fmt.Println("prt2 不是空指针") } } ~~~ 输出结果： ~~~ prt1 是空指针 prt2 不是空指针 ~~~ Go 指针数组在我们了解指针数组前，先看个实例，定义了长度为 3 的整型数组： ~~~ package main import "fmt" const MAX int = 3 func main() { a := [MAX]int{10, 100, 200} var i int for i = 0; i < MAX; i++ { fmt.Printf("a[%d] = %d\n", i, a[i]) } } ~~~ 输出结果： ~~~ a[0] = 10 a[1] = 100 a[2] = 200 ~~~ 有一种情况，我们可能需要保存数组，这样我们就需要使用到指针。以下声明了整型指针数组： ~~~ var ptr [MAX]*int; ~~~ ptr 为整型指针数组。因此每个元素都指向了一个值。以下实例的三个整数将存储在指针数组中： ~~~ package main import "fmt" const MAX int = 3 func main() { a := []int{9, 99, 999} var i int var ptr [MAX]*int for i = 0; i < MAX; i++ { ptr[i] = &a[i] /* 整数地址赋值给指针数组 */ } for i = 0; i < MAX; i++ { fmt.Printf("a[%d] = %d\n", i, *ptr[i]) } } ~~~ 输出结果： ~~~ a[0] = 9 a[1] = 99 a[2] = 999 ~~~ 如果一个指针变量存放的又是另一个指针变量的地址，则称这个指针变量为指向指针的指针变量。当定义一个指向指针的指针变量时，第一个指针存放第二个指针的地址，第二个指针存放变量的地址：指向指针的指针变量声明格式如下： ~~~ var ptr **int ~~~ 以上指向指针的指针变量为整型。访问指向指针的指针变量值需要使用两个 * 号，如下所示： ~~~ package main import "fmt" func main() { var a int var ptr *int var pptr **int a = 3000 /* 指针 ptr 地址 */ ptr = &a /* 指向指针 ptr 地址 */ pptr = &ptr /* 获取 pptr 的值 */ fmt.Printf("变量 a = %d\n", a) fmt.Printf("指针变量 *ptr = %d\n", *ptr) fmt.Printf("指向指针的指针变量 **pptr = %d\n", **pptr) } ~~~ 输出结果： ~~~ 变量 a = 3000 指针变量 *ptr = 3000 指向指针的指针变量 **pptr = 3000 ~~~ Go 像函数传递指针参数 Go 语言允许向函数传递指针，志需要在函数定义的参数上设置为指针类型即可。以下实例演示了如何向函数传递指针，并在函数调用后修改函数内的值，： ~~~ package main import "fmt" func main() { /* 定义局部变量 */ var a int = 100 var b int = 200 fmt.Printf("交换前 a 的值 : %d\n", a) fmt.Printf("交换前 b 的值 : %d\n", b) /* 调用函数用于交换值 * &a 指向 a 变量的地址 * &b 指向 b 变量的地址 */ swap(&a, &b) fmt.Printf("交换后 a 的值 : %d\n", a) fmt.Printf("交换后 b 的值 : %d\n", b) } func swap(x *int, y *int) { var temp int temp = *x /* 保存 x 地址的值 */ *x = *y /* 将 y 赋值给 x */ *y = temp /* 将 temp 赋值给 y */ } ~~~ 输出结果： ~~~ 交换前 a 的值 : 100 交换前 b 的值 : 200 交换后 a 的值 : 200 交换后 b 的值 : 100 ~~~ 指针类型转换 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。 ~~~ package main import "fmt" func main() { i := 10 ip := &i var fp *float64 = (*float64)(ip) fmt.Println(fp) } ~~~ 输出结果： ~~~ ./main.go:9:30: cannot convert ip (type *int) to type *float64 ~~~ 以上代码我们在编译的时候，会提示cannot convert ip (type *int) to type *float64，也就是不能进行强制转型。那如果我们还是需要进行转换怎么做呢？这就需要我们使用unsafe包里的Pointer了，下面我们先看看unsafe.Pointer是什么，然后再介绍如何转换。 Pointer unsafe.Pointer是一种特殊意义的指针，它可以包含任意类型的地址，有点类似于C语言里的void*指针，全能型的。 ~~~ package main import ( "fmt" "unsafe" ) func main() { i := 10 ip := &i var fp *float64 = (*float64)(unsafe.Pointer(ip)) *fp = *fp * 3 fmt.Println(i) } ~~~ 输出结果： ~~~ 30 ~~~ 以上示例，我们可以把*int转为*float64,并且我们尝试了对新的*float64进行操作，打印输出i，就会发现i的址同样被改变。以上这个例子没有任何实际的意义，但是我们说明了，通过unsafe.Pointer这个万能的指针，我们可以在*T之间做任何转换。 ~~~ type ArbitraryType int type Pointer *ArbitraryType ~~~ 可以看到unsafe.Pointer其实就是一个*int,一个通用型的指针。我们看下关于unsafe.Pointer的4个规则。任何指针都可以转换为unsafe.Pointer unsafe.Pointer可以转换为任何指针 uintptr可以转换为unsafe.Pointer unsafe.Pointer可以转换为uintptr 前面两个规则我们刚刚已经演示了，主要用于*T1和*T2之间的转换，那么最后两个规则是做什么的呢？我们都知道*T是不能计算偏移量的，也不能进行计算，但是uintptr可以，所以我们可以把指针转为uintptr再进行便宜计算，这样我们就可以访问特定的内存了，达到对不同的内存读写的目的。下面我们以通过指针偏移修改Struct结构体内的字段为例，来演示uintptr的用法。 ~~~ package main import ( "fmt" "unsafe" ) func main() { u := new(user) fmt.Println(*u) pName := (*string)(unsafe.Pointer(u)) *pName = "张三" pAge := (*int)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(u)) + unsafe.Offsetof(u.age))) *pAge = 20 fmt.Println(*u) } type user struct { name string age int } ~~~ 输出结果： ~~~ { 0} {张三 20} ~~~ 以上我们通过内存偏移的方式，定位到我们需要操作的字段，然后改变他们的值。第一个修改user的name值的时候，因为name是第一个字段，所以不用偏移，我们获取user的指针，然后通过unsafe.Pointer转为*string进行赋值操作即可。第二个修改user的age值的时候，因为age不是第一个字段，所以我们需要内存偏移，内存偏移牵涉到的计算只能通过uintptr，所我们要先把user的指针地址转为uintptr，然后我们再通过unsafe.Offsetof(u.age)获取需要偏移的值，进行地址运算(+)偏移即可。现在偏移后，地址已经是user的age字段了，如果要给它赋值，我们需要把uintptr转为*int才可以。所以我们通过把uintptr转为unsafe.Pointer,再转为*int就可以操作了。这里我们可以看到，我们第二个偏移的表达式非常长，但是也千万不要把他们分段，不能像下面这样。 ~~~ temp:=uintptr(unsafe.Pointer(u))+unsafe.Offsetof(u.age) pAge:=(*int)(unsafe.Pointer(temp)) *pAge = 20 ~~~ 逻辑上看，以上代码不会有什么问题，但是这里会牵涉到GC，如果我们的这些临时变量被GC，那么导致的内存操作就错了，我们最终操作的，就不知道是哪块内存了，会引起莫名其妙的问题。小结 unsafe是不安全的，所以我们应该尽可能少的使用它，比如内存的操纵，这是绕过Go本身设计的安全机制的，不当的操作，可能会破坏一块内存，而且这种问题非常不好定位。当然必须的时候我们可以使用它，比如底层类型相同的数组之间的转换；比如使用sync/atomic包中的一些函数时；还有访问Struct的私有字段时；该用还是要用，不过一定要慎之又慎。还有，整个unsafe包都是用于Go编译器的，不用运行时，在我们编译的时候，Go编译器已经把他们都处理了。