golang: 常用数据类型底层结构分析

Posted 2020-09-15 余磊

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了golang: 常用数据类型底层结构分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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。

以上是关于golang: 常用数据类型底层结构分析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

GoLanggolang底层数据类型实现原理

golang中接口interface和struct结构类的分析

Golang细节底层挖掘 - 每种零值为 nil 的类型的底层结构

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