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golang: 常用数据类型底层结构分析

由 梦想的初衷 提交于 2019-12-10 17:05:05

虽然golang是用C实现的，并且被称为下一代的C语言，但是golang跟C的差别还是很大的。它定义了一套很丰富的数据类型及数据结构，这些类型和结构或者是直接映射为C的数据类型，或者是用C struct来实现。了解golang的数据类型和数据结构的底层实现，将有助于我们更好的理解golang并写出质量更好的代码。

基础类型

源码在：$GOROOT/src/pkg/runtime/runtime.h 。我们先来看下基础类型：

/*
 * basic types
 */
typedef signed char             int8;
typedef unsigned char           uint8;
typedef signed short            int16;
typedef unsigned short          uint16;
typedef signed int              int32;
typedef unsigned int            uint32;
typedef signed long long int    int64;
typedef unsigned long long int  uint64;
typedef float                   float32;
typedef double                  float64;

#ifdef _64BIT
typedef uint64          uintptr;
typedef int64           intptr;
typedef int64           intgo; // Go's int
typedef uint64          uintgo; // Go's uint
#else
typedef uint32          uintptr;
typedef int32           intptr;
typedef int32           intgo; // Go's int
typedef uint32          uintgo; // Go's uint
#endif

/*
 * defined types
 */
typedef	uint8			bool;
typedef	uint8			byte;

int8、uint8、int16、uint16、int32、uint32、int64、uint64、float32、float64分别对应于C的类型，这个只要有C基础就很容易看得出来。uintptr和intptr是无符号和有符号的指针类型，并且确保在64位平台上是8个字节，在32位平台上是4个字节，uintptr主要用于golang中的指针运算。而intgo和uintgo之所以不命名为int和uint，是因为int在C中是类型名，想必uintgo是为了跟intgo的命名对应吧。intgo和uintgo对应golang中的int和uint。从定义可以看出int和uint是可变大小类型的，在64位平台上占8个字节，在32位平台上占4个字节。所以如果有明确的要求，应该选择int32、int64或uint32、uint64。byte类型的底层类型是uint8。可以看下测试：

package main

import (
        "fmt"
        "reflect"
)

func main() {
        var b byte = 'D'
        fmt.Printf("output: %v\n", reflect.TypeOf(b).Kind())
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
output: uint8

数据类型分为静态类型和底层类型，相对于以上代码中的变量b来说，byte是它的静态类型，uint8是它的底层类型。这点很重要，以后经常会用到这个概念。

rune类型

rune是int32的别名，用于表示unicode字符。通常在处理中文的时候需要用到它，当然也可以用range关键字。

string类型

string类型的底层是一个C struct。

struct String
{
        byte*   str;
        intgo   len;
};

成员str为字符数组，len为字符数组长度。golang的字符串是不可变类型，对string类型的变量初始化意味着会对底层结构的初始化。至于为什么str用byte类型而不用rune类型，这是因为golang的for循环对字符串的遍历是基于字节的，如果有必要，可以转成rune切片或使用range来迭代。我们来看个例子：

$GOPATH/src

----basictype_test

--------main.go

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

func main() {
	var str string = "hi, 陈一回~"
	p := (*struct {
		str uintptr
		len int
	})(unsafe.Pointer(&str))

	fmt.Printf("%+v\n", p)
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
output: &{str:135100456 len:14}

内建函数len对string类型的操作是直接从底层结构中取出len值，而不需要额外的操作，当然在初始化时必需同时初始化len的值。

slice类型

slice类型的底层同样是一个C struct。

struct	Slice
{				// must not move anything
	byte*	array;		// actual data
	uintgo	len;		// number of elements
	uintgo	cap;		// allocated number of elements
};

包括三个成员。array为底层数组，len为实际存放的个数，cap为总容量。使用内建函数make对slice进行初始化，也可以类似于数组的方式进行初始化。当使用make函数来对slice进行初始化时，第一个参数为切片类型，第二个参数为len，第三个参数可选，如果不传入，则cap等于len。通常传入cap参数来预先分配大小的slice，避免频繁重新分配内存。

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

func main() {
	var slice []int32 = make([]int32, 5, 10)
	p := (*struct {
		array uintptr
		len   int
		cap   int
	})(unsafe.Pointer(&slice))

	fmt.Printf("output: %+v\n", p)
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
output: &{array:406958176 len:5 cap:10}

由于切片指向一个底层数组，并且可以通过切片语法直接从数组生成切片，所以需要了解切片和数组的关系，否则可能就会不知不觉的写出有bug的代码。比如有如下代码：

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	var array = [...]int32{1, 2, 3, 4, 5}
	var slice = array[2:4]
	fmt.Printf("改变slice之前: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)
	slice[0] = 234
	fmt.Printf("改变slice之后: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
改变slice之前: array=[1 2 3 4 5], slice=[3 4]
改变slice之后: array=[1 2 234 4 5], slice=[234 4]

您可以清楚的看到，在改变slice后，array也被改变了。这是因为slice通过数组创建的切片指向这个数组，也就是说这个slice的底层数组就是这个array。因此很显然，slice的改变其实就是改变它的底层数组。当然如果删除或添加元素，那么len也会变化，cap可能会变化。

那这个slice是如何指向array呢？slice的底层数组指针指向array中索引为2的元素(因为切片是通过array[2:4]来生成的)，len记录元素个数，而cap则等于len。

之所以说cap可能会变，是因为cap表示总容量，添加或删除操作不一定会使总容量发生变化。我们接着再来看另一个例子：

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	var array = [...]int32{1, 2, 3, 4, 5}
	var slice = array[2:4]
	slice = append(slice, 6, 7, 8)
	fmt.Printf("改变slice之前: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)
	slice[0] = 234
	fmt.Printf("改变slice之后: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
改变slice之前: array=[1 2 3 4 5], slice=[3 4 6 7 8]
改变slice之后: array=[1 2 3 4 5], slice=[234 4 6 7 8]

经过append操作之后，对slice的修改并未影响到array。原因在于append的操作令slice重新分配底层数组，所以此时slice的底层数组不再指向前面定义的array。

但是很显然，这种规则对从切片生成的切片也是同样的，请看代码：

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	var slice1 = []int32{1, 2, 3, 4, 5}
	var slice2 = slice1[2:4]
	fmt.Printf("改变slice2之前: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)
	slice2[0] = 234
	fmt.Printf("改变slice2之后: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
改变slice2之前: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4]
改变slice2之后: slice1=[1 2 234 4 5], slice2=[234 4]

slice1和slice2共用一个底层数组，修改slice2的元素导致slice1也发生变化。

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	var slice1 = []int32{1, 2, 3, 4, 5}
	var slice2 = slice1[2:4]
	fmt.Printf("改变slice2之前: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)
	slice2 = append(slice2, 6, 7, 8)
	fmt.Printf("改变slice2之后: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
改变slice2之前: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4]
改变slice2之后: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4 6 7 8]

而append操作可令slice1或slice2重新分配底层数组，因此对slice1或slice2执行append操作都不会相互影响。

接口类型

接口在golang中的实现比较复杂，在$GOROOT/src/pkg/runtime/type.h中定义了：

struct Type
{
	uintptr size;
	uint32 hash;
	uint8 _unused;
	uint8 align;
	uint8 fieldAlign;
	uint8 kind;
	Alg *alg;
	void *gc;
	String *string;
	UncommonType *x;
	Type *ptrto;
};

在$GOROOT/src/pkg/runtime/runtime.h中定义了：

struct Iface
{
	Itab*	tab;
	void*	data;
};
struct Eface
{
	Type*	type;
	void*	data;
};
struct	Itab
{
	InterfaceType*	inter;
	Type*	type;
	Itab*	link;
	int32	bad;
	int32	unused;
	void	(*fun[])(void);
};

interface实际上是一个结构体，包括两个成员，一个是指向数据的指针，一个包含了成员的类型信息。Eface是interface{}底层使用的数据结构。因为interface中保存了类型信息，所以可以实现反射。反射其实就是查找底层数据结构的元数据。完整的实现在：$GOROOT/src/pkg/runtime/iface.c 。

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

func main() {
	var str interface{} = "Hello World!"
	p := (*struct {
		tab  uintptr
		data uintptr
	})(unsafe.Pointer(&str))

	fmt.Printf("%+v\n", p)
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
output: &{tab:134966528 data:406847688}

map类型

golang的map实现是hashtable，源码在：$GOROOT/src/pkg/runtime/hashmap.c 。

struct Hmap
{
	uintgo  count;
	uint32  flags;
	uint32  hash0;
	uint8   B;
	uint8   keysize;
	uint8   valuesize;
	uint16  bucketsize;

	byte    *buckets;
	byte    *oldbuckets;
	uintptr nevacuate;
};

测试代码如下：

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

func main() {
	var m = make(map[string]int32, 10)
	m["hello"] = 123
	p := (*struct {
		count      int
		flags      uint32
		hash0      uint32
		B          uint8
		keysize    uint8
		valuesize  uint8
		bucketsize uint16

		buckets    uintptr
		oldbuckets uintptr
		nevacuate  uintptr
	})(unsafe.Pointer(&m))

	fmt.Printf("output: %+v\n", p)
}

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
output: &{count:407032064 flags:0 hash0:134958144 B:192 keysize:0 valuesize:64 bucketsize:30063 buckets:540701813 oldbuckets:0 nevacuate:0}

golang的坑还是比较多的，需要深入研究底层，否则很容易掉坑里。

标签
golang
类型
数据类型
基础类型
底层结构
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