分析 Go 与 C 的指针

发布时间：2022-11-25 12:42:42 所属栏目：语言来源：

导读：　　运算符
　　C 和 Go 都相同：
　　
　　& 运算符取出变量所在的内存地址
　　* 运算符取出指针变量所指向的内存地址里面的值，也叫 “ 解引用 ”
　　C 语言版示例：
　　
　　#include <std

　　运算符
　　C 和 Go 都相同：
　　
　　& 运算符取出变量所在的内存地址
　　* 运算符取出指针变量所指向的内存地址里面的值，也叫 “ 解引用 ”
　　C 语言版示例：
　　
　　#include <stdio.h>
　　
　　int main()
　　{
　　    int bar = 1;
　　    // 声明一个指向 int 类型的值的指针
　　    int *ptr;
　　    // 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针
　　    ptr = &bar;
　　    // 打印 ptr 的值（为地址），*prt 表示取出指针变量所指向的内存地址里面的值
　　    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
　　    return (0);
　　}
　　
　　// 输出结果：
　　// 0x7ffd5471ee54 1
　　Go 语言版示例：
　　
　　package main
　　
　　import "fmt"
　　
　　func main() {
　　 bar := 1
　　 // 声明一个指向 int 类型的值的指针
　　 var ptr *int
　　 // 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针
　　 ptr = &bar
　　 // 打印 ptr 变量储存的指针地址，*prt 表示取出指针变量所指向的内存地址里面的值
　　 fmt.Printf("%p %d\n", ptr, *ptr)
　　}
　　
　　// 输出结果：
　　// 0xc000086020 1
　　Go 还可以使用 new 关键字来分配内存创建指定类型的指针。
　　
　　// 声明一个指向 int 类型的值的指针
　　// var ptr *int
　　ptr := new(int)
　　// 通过 & 取出 bar 变量所在的内存地址并赋值给 ptr 指针
　　ptr = &bar
　　数组名和数组首地址
　　对于一个数组
　　
　　// C
　　int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
　　// Go
　　// 需要指定长度，否则类型为切片
　　arr := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}
　　在 C 中，数组名 arr 代表的是数组首元素的地址，相当于 &arr[0]
　　
　　而 &arr 代表的是整个数组 arr 的首地址
　　
　　// C
　　// arr 数组名代表数组首元素的地址
　　printf("arr -> %p\n", arr);
　　// &arr[0] 代表数组首元素的地址
　　printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0]);
　　// &arr 代表整个数组 arr 的首地址
　　printf("&arr -> %p\n", &arr);
　　
　　// 输出结果：
　　// arr -> 0061FF0C
　　// &arr[0] -> 0061FF0C
　　// &arr -> 0061FF0C
　　运行程序可以发现 arr 和 &arr 的输出值是相同的，但是它们的意义完全不同。
　　
　　首先数组名 arr 作为一个标识符，是 arr[0] 的地址，从 &arr[0] 的角度去看就是一个指向 int 类型的值的指针。
　　
　　而 &arr 是一个指向 int[5] 类型的值的指针。
　　
　　可以进一步对其进行指针偏移验证
　　
　　// C
　　// 指针偏移
　　printf("arr+1 -> %p\n", arr + 1);
　　printf("&arr+1 -> %p\n", &arr + 1);
　　
　　// 输出结果：
　　// arr+1 -> 0061FF10
　　// &arr+1 -> 0061FF20
　　这里涉及到偏移量的知识：一个类型为 T 的指针的移动，是以 sizeof(T) 为移动单位的。
　　
　　arr+1 : arr 是一个指向 int 类型的值的指针，因此偏移量为 1*sizeof(int)
　　&arr+1 : &arr 是一个指向 int[5] 的指针，它的偏移量为 1*sizeof(int)*5
　　到这里相信你应该可以理解 C 语言中的 arr 和 &arr 的区别了吧，接下来看看 Go 语言
　　
　　// 尝试将数组名 arr 作为地址输出
　　fmt.Printf("arr -> %p\n", arr)
　　fmt.Printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0])
　　fmt.Printf("&arr -> %p\n", &arr)
　　
　　// 输出结果：
　　// arr -> %!p([5]int=[1 2 3 4 5])
　　// &arr[0] -> 0xc00000c300
　　// &arr -> 0xc00000c300
　　&arr[0] 和 &arr 与 C 语言一致。
　　
　　但是数组名 arr 在 Go 中已经不是数组首元素的地址了，代表的是整个数组的值，所以输出时会提示 %!p([5]int=[1 2 3 4 5])
　　
　　指针运算
　　指针本质上就是一个无符号整数，代表了内存地址。
　　
　　指针和整数值可以进行加减法运算，比如上文的指针偏移例子：
　　
　　加n : 一个类型为 T 的指针，以 n*sizeof(T) 为单位向高位移动。
　　减n : 一个类型为 T 的指针，以 n*sizeof(T) 为单位向低位移动。
　　其中 sizeof(T) 代表的是数据类型占据的字节，比如 int 在 32 位环境下为 4 字节，64 位环境下为 8 字节
　　
　　C 语言示例：
　　
　　#include <stdio.h>
　　
　　int main()
　　{
　　    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
　　    // ptr 是一个指针，为 arr 数组的第一个元素地址
　　    int *ptr = arr;
　　    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
　　
　　    // ptr 指针向高位移动一个单位，移向到 arr 数组第二个元素地址
　　    ptr++;
　　    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
　　    return (0);
　　}
　　
　　// 输出结果：
　　// 0061FF08 1
　　// 0061FF0C 2
　　在这里 ptr++ 从 0061FF08 移动了 sizeof(int) = 4 个字节到 0061FF0C ，指向了下一个数组元素的地址
　　
　　Go 语言示例：
　　
　　package main
　　
　　import "fmt"
　　
　　func main() {
　　 arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5}
　　
　　 // ptr 是一个指针，为 arr 数组的第一个元素地址
　　 ptr := &arr[0]
　　 fmt.Println(ptr, *ptr)
　　
　　 // ptr 指针向高位移动一个单位，移向到 arr 数组第二个元素地址
　　 ptr++
　　 fmt.Println(ptr, *ptr)
　　}
　　
　　// 输出结果：
　　// 编译报错：
　　// .\main.go:13:5: invalid operation: ptr++ (non-numeric type *uint32)
　　编译报错 *uint32 非数字类型，不支持运算，说明 Go 是不支持指针运算的。
　　
　　这个其实在 Go Wiki[1] 中的 Go 从 C++ 过渡文档中有提到过：Go has pointers but not pointer arithmetic.
　　
　　Go 有指针但不支持指针运算。
　　
　　另辟蹊径
　　那还有其他办法吗?答案当然是有的。
　　
　　在 Go 标准库中提供了一个 unsafe 包用于编译阶段绕过 Go 语言的类型系统，直接操作内存。
　　
　　我们可以利用 unsafe 包来实现指针运算。
　　
　　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
　　核心介绍：
　　
　　uintptr : Go 的内置类型。是一个无符号整数，用来存储地址，支持数学运算。常与 unsafe.Pointer 配合做指针运算
　　unsafe.Pointer : 表示指向任意类型的指针，可以和任何类型的指针互相转换(类似 C 语言中的 void* 类型的指针)，也可以和 uintptr 互相转换
　　unsafe.Sizeof : 返回操作数在内存中的字节大小，参数可以是任意类型的表达式，例如 fmt.Println(unsafe.Sizeof(uint32(0))) 的结果为 4
　　unsafe.Offsetof : 函数的参数必须是一个字段 x.f，然后返回 f 字段相对于 x 起始地址的偏移量，用于计算结构体成员的偏移量
　　原理：
　　
　　Go 的 uintptr 类型存储的是地址，且支持数学运算
　　
　　*T (任意指针类型) 和 unsafe.Pointer 不能运算，但是 unsafe.Pointer 可以和 *T 、 uintptr 互相转换
　　
　　因此，将 *T 转换为 unsafe.Pointer 后再转换为 uintptr ，uintptr 进行运算之后重新转换为 unsafe.Pointer => *T 即可
　　
　　代码实现：
　　
　　package main
　　
　　import (
　　 "fmt"
　　 "unsafe"
　　)
　　
　　func main() {
　　 arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5}
　　
　　 ptr := &arr[0]
　　
　　 // ptr(*uint32类型) => one(unsafe.Pointer类型)
　　 one := unsafe.Pointer(ptr)
　　 // one(unsafe.Pointer类型) => *uint32
　　 fmt.Println(one, *(*uint32)(one))
　　
　　 // one(unsafe.Pointer类型) => one(uintptr类型) 后向高位移动 unsafe.Sizeof(arr[0]) = 4 字节
　　 // twoUintptr := uintptr(one) + unsafe.Sizeof(arr[0])
　　 // ！！twoUintptr 不能作为临时变量
　　 // uintptr 类型的临时变量只是一个无符号整数，并不知道它是一个指针地址，可能被 GC
　　 // 运算完成后应该直接转换回 unsafe.Pointer :
　　 two := unsafe.Pointer(uintptr(one) + unsafe.Sizeof(arr[0]))
　　 fmt.Println(two, *(*uint32)(two))
　　}
　　
　　// 输出结果：
　　// 0xc000012150 1
　　// 0xc000012154 2
　　甚至还可以更改结构体的私有成员：
　　
　　// model/model.go
　　
　　package model
　　
　　import (
　　 "fmt"
　　)
　　
　　type M struct {
　　 foo uint32
　　 bar uint32
　　}
　　
　　func (m M) Print() {
　　 fmt.Println(m.foo, m.bar)
　　}
　　
　　// main.go
　　
　　package main
　　
　　import (
　　 "example/model"
　　 "unsafe"
　　)
　　
　　func main() {
　　 m := model.M{}
　　 m.Print()
　　
　　 foo := unsafe.Pointer(&m)
　　 *(*uint32)(foo) = 1
　　 bar := unsafe.Pointer(uintptr(foo) + 4)
　　 *(*uint32)(bar) = 2
　　
　　 m.Print()
　　}
　　
　　// 输出结果：
　　// 0 0
　　// 1 2
　　小 Tips
　　Go 的底层 slice 切片源码就使用了 unsafe 包
　　
　　// slice 切片的底层结构
　　type slice struct {
　　 // 底层是一个数组指针
　　 array unsafe.Pointer
　　 // 长度
　　 len int
　　 // 容量
　　 cap int
　　}
　　总结
　　Go 可以使用 & 运算符取地址，也可以使用 new 创建指针
　　Go 的数组名不是首元素地址
　　Go 的指针不支持运算
　　Go 可以使用 unsafe 包打破安全机制来操控指针，但对我们开发者而言，是 "unsafe" 不安全的

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