Go 與 C 的指針

C 和 Go 都是有指針概念的語言，這篇文章主要借這兩者之間的異同來加深對 Go 指針的理解和使用。

運算符

C 和 Go 都相同：

• & 運算符取出變量所在的內存地址

• * 運算符取出指針變量所指向的內存地址里面的值，也叫 “ 解引用 ”

C 語言版示例：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int bar = 1;
    // 聲明一個指向 int 類型的值的指針
    int *ptr;
    // 通過 & 取出 bar 變量所在的內存地址并賦值給 ptr 指針
    ptr = &bar;
    // 打印 ptr 的值（為地址），*prt 表示取出指針變量所指向的內存地址里面的值
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
    return (0);
}

// 輸出結果：
// 0x7ffd5471ee54 1

Go 語言版示例：

package main

import "fmt"

func main() {
 bar := 1
 // 聲明一個指向 int 類型的值的指針
 var ptr *int
 // 通過 & 取出 bar 變量所在的內存地址并賦值給 ptr 指針
 ptr = &bar
 // 打印 ptr 變量儲存的指針地址，*prt 表示取出指針變量所指向的內存地址里面的值
 fmt.Printf("%p %d\n", ptr, *ptr)
}

// 輸出結果：
// 0xc000086020 1

Go 還可以使用 new 關鍵字來分配內存創(chuàng)建指定類型的指針。

 // 聲明一個指向 int 類型的值的指針
 // var ptr *int
 ptr := new(int)
 // 通過 & 取出 bar 變量所在的內存地址并賦值給 ptr 指針
 ptr = &bar

數(shù)組名和數(shù)組首地址

對于一個數(shù)組

// C
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
// Go
// 需要指定長度，否則類型為切片
arr := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}

在 C 中，數(shù)組名 arr 代表的是數(shù)組首元素的地址，相當于 &arr[0]

而 &arr 代表的是整個數(shù)組 arr 的首地址

// C
// arr 數(shù)組名代表數(shù)組首元素的地址
printf("arr -> %p\n", arr);
// &arr[0] 代表數(shù)組首元素的地址
printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0]);
// &arr 代表整個數(shù)組 arr 的首地址
printf("&arr -> %p\n", &arr);

// 輸出結果：
// arr -> 0061FF0C
// &arr[0] -> 0061FF0C
// &arr -> 0061FF0C

運行程序可以發(fā)現(xiàn) arr 和 &arr 的輸出值是相同的，但是它們的意義完全不同。

首先數(shù)組名 arr 作為一個標識符，是 arr[0] 的地址，從 &arr[0] 的角度去看就是一個指向 int 類型的值的指針。

而 &arr 是一個指向 int[5] 類型的值的指針。

可以進一步對其進行指針偏移驗證

// C
// 指針偏移
printf("arr+1 -> %p\n", arr + 1);
printf("&arr+1 -> %p\n", &arr + 1);

// 輸出結果：
// arr+1 -> 0061FF10
// &arr+1 -> 0061FF20

這里涉及到偏移量的知識：一個類型為 T 的指針的移動，是以 sizeof(T) 為移動單位的。

• arr+1 : arr 是一個指向 int 類型的值的指針，因此偏移量為 1*sizeof(int)

• &arr+1 : &arr 是一個指向 int[5] 的指針，它的偏移量為 1*sizeof(int)*5

到這里相信你應該可以理解 C 語言中的 arr 和 &arr 的區(qū)別了吧，接下來看看 Go 語言

// 嘗試將數(shù)組名 arr 作為地址輸出
fmt.Printf("arr -> %p\n", arr)
fmt.Printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0])
fmt.Printf("&arr -> %p\n", &arr)

// 輸出結果：
// arr -> %!p([5]int=[1 2 3 4 5])
// &arr[0] -> 0xc00000c300
// &arr -> 0xc00000c300

&arr[0] 和 &arr 與 C 語言一致。

但是數(shù)組名 arr 在 Go 中已經不是數(shù)組首元素的地址了，代表的是整個數(shù)組的值，所以輸出時會提示 %!p([5]int=[1 2 3 4 5])

指針運算

指針本質上就是一個無符號整數(shù)，代表了內存地址。

指針和整數(shù)值可以進行加減法運算，比如上文的指針偏移例子：

• 加n : 一個類型為 T 的指針，以 n*sizeof(T) 為單位向高位移動。

• 減n : 一個類型為 T 的指針，以 n*sizeof(T) 為單位向低位移動。

其中 sizeof(T) 代表的是數(shù)據類型占據的字節(jié)，比如 int 在 32 位環(huán)境下為 4 字節(jié)，64 位環(huán)境下為 8 字節(jié)

C 語言示例：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    // ptr 是一個指針，為 arr 數(shù)組的第一個元素地址
    int *ptr = arr;
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);

    // ptr 指針向高位移動一個單位，移向到 arr 數(shù)組第二個元素地址
    ptr++;
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
    return (0);
}

// 輸出結果：
// 0061FF08 1
// 0061FF0C 2

在這里 ptr++ 從 0061FF08 移動了 sizeof(int) = 4 個字節(jié)到 0061FF0C ，指向了下一個數(shù)組元素的地址

Go 語言示例：

package main

import "fmt"

func main() {
 arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5}

 // ptr 是一個指針，為 arr 數(shù)組的第一個元素地址
 ptr := &arr[0]
 fmt.Println(ptr, *ptr)

 // ptr 指針向高位移動一個單位，移向到 arr 數(shù)組第二個元素地址
 ptr++
 fmt.Println(ptr, *ptr)
}

// 輸出結果：
// 編譯報錯：
// .\main.go:13:5: invalid operation: ptr++ (non-numeric type *uint32)

編譯報錯 *uint32 非數(shù)字類型，不支持運算，說明 Go 是不支持指針運算的。

這個其實在 Go Wiki^[1] 中的 Go 從 C++ 過渡文檔中有提到過：Go has pointers but not pointer arithmetic.

Go 有指針但不支持指針運算。

另辟蹊徑

那還有其他辦法嗎？答案當然是有的。

在 Go 標準庫中提供了一個 unsafe 包用于編譯階段繞過 Go 語言的類型系統(tǒng)，直接操作內存。

我們可以利用 unsafe 包來實現(xiàn)指針運算。

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

核心介紹：

• uintptr : Go 的內置類型。是一個無符號整數(shù)，用來存儲地址，支持數(shù)學運算。常與 unsafe.Pointer 配合做指針運算

• unsafe.Pointer : 表示指向任意類型的指針，可以和任何類型的指針互相轉換（類似 C 語言中的 void* 類型的指針），也可以和 uintptr 互相轉換

• unsafe.Sizeof : 返回操作數(shù)在內存中的字節(jié)大小，參數(shù)可以是任意類型的表達式，例如 fmt.Println(unsafe.Sizeof(uint32(0))) 的結果為 4

• unsafe.Offsetof : 函數(shù)的參數(shù)必須是一個字段 x.f，然后返回 f 字段相對于 x 起始地址的偏移量，用于計算結構體成員的偏移量

原理：

Go 的 uintptr 類型存儲的是地址，且支持數(shù)學運算

*T (任意指針類型) 和 unsafe.Pointer 不能運算，但是 unsafe.Pointer 可以和 *T 、 uintptr 互相轉換

因此，將 *T 轉換為 unsafe.Pointer 后再轉換為 uintptr ，uintptr 進行運算之后重新轉換為 unsafe.Pointer => *T 即可

代碼實現(xiàn)：

package main

import (
 "fmt"
 "unsafe"
)

func main() {
 arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5}

 ptr := &arr[0]

 // ptr(*uint32) => unsafe.Pointer
 unsafePtr := unsafe.Pointer(ptr)
 // (*uint32)(unsafePtr) : unsafe.Pointer => *uint32
 fmt.Println(unsafePtr, *(*uint32)(unsafePtr))

 // unsafe.Pointer => uintptr
 // uintptr 向高位移動 unsafe.Sizeof(arr[0]) = 4 字節(jié)
 uintptrPtr := uintptr(unsafePtr) + unsafe.Sizeof(arr[0])

 // uintptr => unsafe.Pointer
 unsafePtr = unsafe.Pointer(uintptrPtr)
 // (*uint32)(unsafePtr) : unsafe.Pointer => *uint32
 fmt.Println(unsafePtr, *(*uint32)(unsafePtr))
}


// 輸出結果：
// 0xc000012150 1
// 0xc000012154 2

小 Tips

Go 的底層 slice 切片源碼就使用了 unsafe 包

// slice 切片的底層結構
type slice struct {
 // 底層是一個數(shù)組指針
 array unsafe.Pointer
 // 長度
 len int
 // 容量
 cap int
}

總結

• Go 可以使用 & 運算符取地址，也可以使用 new 創(chuàng)建指針

• Go 的數(shù)組名不是首元素地址

• Go 的指針不支持運算

• Go 可以使用 unsafe 包打破安全機制來操控指針，但對我們開發(fā)者而言，是 "unsafe" 不安全的

參考資料