深入了解Golang的指针用法

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与C语言一样,Go语言中同样有指针,通过指针,我们可以只传递变量的内存地址,而不是传递整个变量,这在一定程度上可以节省内存的占用,但凡事有利有弊,Go指针在使用也有一些注意点,稍不留神就会踩坑,下面就让我们一起来细嗦下。

1.指针类型的变量

在Golang中,我们可以通过**取地址符号&**得到变量的地址,而这个新的变量就是一个指针类型的变量,指针变量与普通变量的区别在于,它存的是内存地址,而不是实际的值。

图一

如果是普通类型的指针变量(比如 int),是无法直接对其赋值的,必须通过 * 取值符号才行。

func main() {
	num := 1
	numP := &num
	
	//numP = 2 // 报错:(type untyped int) cannot be represented by the type *int
	*numP = 2
}

但结构体却比较特殊,在日常开发中,我们经常看到一个结构体指针的内部变量仍然可以被赋值,比如下面这个例子,这是为什么呢?

type Test struct {
	Num int
}

// 直接赋值和指针赋值
func main() {
	test := Test{Num: 1}
	test.Num = 3
	fmt.Println("v1", test) // 3

	testP := &test
	testP.Num = 4           // 结构体指针可以赋值
	fmt.Println("v2", test) // 4
}

这是因为结构体本身是一个连续的内存,通过 testP.Num ,本质上拿到的是一个普通变量,并不是一个指针变量,所以可以直接赋值。

图二

那slice、map、channel这些又该怎么理解呢?为什么不用取地址符号也能打印它们的地址?比如下面的例子

func main() {
	nums := []int{1, 2, 3}
	fmt.Printf("%p\n", nums)     // 0xc0000160c0
	fmt.Printf("%p\n", &nums[0]) // 0xc0000160c0

	maps := map[string]string{"aa": "bb"}
	fmt.Printf("%p\n", maps) // 0xc000076180

	ch := make(chan int, 0)
	fmt.Printf("%p\n", ch) // 0xc00006c060
}

这是因为,它们本身就是指针类型!只不过Go内部为了书写的方便,并没有要求我们在前面加上 *** 符号**。

在Golang的运行时内部,创建slice的时候其实返回的就是一个指针:

// 源码  runtime/slice.go
// 返回值是:unsafe.Pointer
func makeslice(et *_type, len, cap int) unsafe.Pointer {
	mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(cap))
	if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 || len > cap {
		// NOTE: Produce a 'len out of range' error instead of a
		// 'cap out of range' error when someone does make([]T, bignumber).
		// 'cap out of range' is true too, but since the cap is only being
		// supplied implicitly, saying len is clearer.
		// See golang.org/issue/4085.
		mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(len))
		if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 {
			panicmakeslicelen()
		}
		panicmakeslicecap()
	}

	return mallocgc(mem, et, true)
}

而且返回的指针地址其实就是slice第一个元素的地址(上面的例子也体现了),当然如果slice是一个nil,则返回的是 0x0 的地址。slice在参数传递的时候其实拷贝的指针的地址,底层数据是共用的,所以对其修改也会影响到函数外的slice,在下面也会讲到。

map和slice其实也是类似的,在在Golang的运行时内部,创建map的时候其实返回的就是一个hchan指针:

// 源码  runtime/chan.go
// 返回值是:*hchan
func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
	elem := t.elem

	// compiler checks this but be safe.
	if elem.size >= 1<<16 {
		throw("makechan: invalid channel element type")
	}
	...
	return c
}

最后,为什么 fmt.Printf 函数能够直接打印slice、map的地址,除了上面的原因,还有一个原因是其内部也做了特殊处理:

// 第一层源码
func Printf(format string, a ...interface{}) (n int, err error) {
	return Fprintf(os.Stdout, format, a...)
}

// 第二层源码
func Fprintf(w io.Writer, format string, a ...interface{}) (n int, err error) {
	p := newPrinter()
	p.doPrintf(format, a)  // 核心
	n, err = w.Write(p.buf)
	p.free()
	return
}

// 第三层源码
func (p *pp) doPrintf(format string, a []interface{}) {
	 ...
	default:
			// Fast path for common case of ascii lower case simple verbs
			// without precision or width or argument indices.
			if 'a' <= c && c <= 'z' && argNum < len(a) {
				...
				p.printArg(a[argNum], rune(c))   // 核心是这里
				argNum++
				i++
				continue formatLoop
			}
			// Format is more complex than simple flags and a verb or is malformed.
			break simpleFormat
		}

}

// 第四层源码
func (p *pp) printArg(arg interface{}, verb rune) {
	p.arg = arg
	p.value = reflect.Value{}
  ...
	case 'p':
		p.fmtPointer(reflect.ValueOf(arg), 'p')
		return
	}
	...
}

// 最后了
func (p *pp) fmtPointer(value reflect.Value, verb rune) {
	var u uintptr
	switch value.Kind() {
  // 这里对这些特殊类型直接获取了其地址
	case reflect.Chan, reflect.Func, reflect.Map, reflect.Ptr, reflect.Slice, reflect.UnsafePointer:
		u = value.Pointer()
	default:
		p.badVerb(verb)
		return
	}
  ...
}

2.Go只有值传递,没有引用传递

值传递和引用传递相信大家都比较了解,在函数的调用过程中,如果是值传递,则在传递过程中,其实就是将参数的值复制一份传递到函数中,如果在函数内对其修改,并不会影响函数外面的参数值,而引用传递则相反。

type User struct {
	Name string
	Age  int
}

// 引用传递
func setNameV1(user *User) {
	user.Name = "test_v1"
}

// 值传递
func setNameV2(user User) {
	user.Name = "test_v2"
}

func main() {
	u := User{Name: "init"}
	fmt.Println("init", u)  // init {init 0}

	up := &u
	setNameV1(up)
	fmt.Println("v1", u) // v1 {test_v1 0}

	setNameV2(u)
	fmt.Println("v2", u) // v2 {test_v1 0}
}

但在Golang中,这所谓的“引用传递”其实本质上是值传递,因为这时候也发生了拷贝,只不过这时拷贝的是指针,而不是变量的值,所以**“Golang的引用传递其实是引用的拷贝”。**

图三

可以通过以下代码验证:

type User struct {
	Name string
	Age  int
}

// 注意这里有个误区,我一开始看 user(v1)打印后的地址和一开始(init)是一致的,从而以为这是引用传递
// 其实这里的user应该看做一个指针变量,我们需要对比的是它的地址,所以还要再取一次地址
func setNameV1(user *User) {
	fmt.Printf("v1: %p\n", user)  // 0xc0000a4018  与 init的地址一致
	fmt.Printf("v1_p: %p\n", &user) // 0xc0000ac020
	user.Name = "test_v1"
}

// 值传递
func setNameV2(user User) {
	fmt.Printf("v2_p: %p\n", &user) //0xc0000a4030
	user.Name = "test_v2"
}

func main() {
	u := User{Name: "init"}

	up := &u
	fmt.Printf("init: %p \n", up) //0xc0000a4018
	setNameV1(up)
	setNameV2(u)
}

注:slice、map等本质也是如此。

3.for range与指针

for range是在Golang中用于遍历元素,当它与指针结合时,稍不留神就会踩坑,这里有一段经典代码:

type User struct {
	Name string
	Age  int
}

func main() {
	userList := []User {
		User{Name: "aa", Age: 1},
		User{Name: "bb", Age: 1},
	}

	var newUser []*User
	for _, u := range userList {
		newUser = append(newUser, &u)
	}

	// 第一次:bb
	// 第二次:bb
	for _, nu := range newUser {
		fmt.Printf("%+v", nu.Name)
	}
}

按照正常的理解,应该第一次输出aa,第二次输出bb,但实际上两次都输出了bb,这是因为 for range 的时候,变量u实际上只初始化了一次(每次遍历的时候u都会被重新赋值,但是地址不变),导致每次append的时候,添加的都是同一个内存地址,所以最终指向的都是最后一个值bb。

我们可以通过打印指针地址来验证:

func main() {
	userList := []User {
		User{Name: "aa", Age: 1},
		User{Name: "bb", Age: 1},
	}

	var newUser []*User
	for _, u := range userList {
		fmt.Printf("point: %p\n", &u)
		fmt.Printf("val: %s\n", u.Name)
		newUser = append(newUser, &u)
	}
}

// 最终输出结果如下:
point: 0xc00000c030
val: aa
point: 0xc00000c030
val: bb

类似的错误在Goroutine也经常发生:

// 这里要注意下,理论上这里都应该输出10的,但有可能出现执行到7或者其他值的时候就输出了,所以实际上这里不完全都输出10
func main() {
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func(idx *int) {
			fmt.Println("go: ", *idx)
		}(&i)
	}
	time.Sleep(5 * time.Second)
}

4.闭包与指针

什么是闭包,一个函数和对其周围状态(lexical environment,词法环境)的引用捆绑在一起(或者说函数被引用包围),这样的组合就是闭包closure)。也就是说,闭包让你可以在一个内层函数中访问到其外层函数的作用域

当闭包与指针进行结合时,如果闭包里面是一个指针变量,则外部变量的改变,也会影响到该闭包,起到意想不到的效果,让我们继续在举几个例子进行说明:

func incr1(x *int) func() {
	return func() {
		*x = *x + 1   // 这里是一个指针
		fmt.Printf("incr point x = %d\n", *x)
	}
}
func incr2(x int) func() {
	return func() {
		x = x + 1
		fmt.Printf("incr normal x = %d\n", x)
	}
}

func main() {
	x := 1
	i1 := incr1(&x)
	i2 := incr2(x)
	i1() // point x = 2
	i2() // normal x = 2
	i1() // point x = 3
	i2() // normal x = 3

	x = 100
	i1() // point x = 101  // 闭包1的指针变量受外部影响,被重置为100,并继续递增
	i2() // normal x = 4
	i1() // point x = 102
	i2() // normal x = 5
}

5.指针与内存逃逸

内存逃逸的场景有很多,这里只讨论由指针引发的内存逃逸。理想情况下,肯定是尽量减少内存逃逸,因为这意味着GC(垃圾回收)的压力会减小,程序也会运行得更快。不过,使用指针又能减少内存的占用,所以这本质是内存和GC的权衡,需要合理使用。

下面是指针引发的内存逃逸的三种场景(欢迎大家补充~)

第一种场景:函数返回局部变量的指针

type Escape struct {
	Num1  int
	Str1  *string
	Slice []int
}

// 返回局部变量的指针
func NewEscape() *Escape {
	return &Escape{}   // &Escape{} escapes to heap
}

func main() {
	e := &Escape{Num1: 0}
}

第二种场景:被已经逃逸的变量引用的指针

func main() {
	e := NewEscape()
	e.SetNum1(10)

	name := "aa"
	// e.Str1 中,e是已经逃逸的变量, &name是被引用的指针
	e.Str1 = &name  // moved to heap: name
}

第三种场景:被指针类型的slice、map和chan引用的指针

func main() {
	e := NewEscape()
	e.SetNum1(10)

	name := "aa"
	e.Str1 = &name

	// 指针类型的slice
	arr := make([]*int, 2) 
	n := 10  // moved to heap: n
	arr[0] = &n // 被引用的指针
}

以上就是深入了解Golang的指针用法的详细内容,更多关于Golang指针的资料请关注米米素材网其它相关文章!