golang: 經常使用數據類型底層結構分析

雖然golang是用C實現的，而且被稱爲下一代的C語言，可是golang跟C的差異仍是很大的。它定義了一套很豐富的數據類型及數據結構，這些類型和結構或者是直接映射爲C的數據類型，或者是用C struct來實現。瞭解golang的數據類型和數據結構的底層實現，將有助於咱們更好的理解golang並寫出質量更好的代碼。

基礎類型

源碼在：$GOROOT/src/pkg/runtime/runtime.h 。咱們先來看下基礎類型：

/*
 * 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;

int八、uint八、int1六、uint1六、int3二、uint3二、int6四、uint6四、float3二、float64分別對應於C的類型，這個只要有C基礎就很容易看得出來。uintptr和intptr是無符號和有符號的指針類型，而且確保在64位平臺上是8個字節，在32位平臺上是4個字節，uintptr主要用於golang中的指針運算。而intgo和uintgo之因此不命名爲int和uint，是由於int在C中是類型名，想必uintgo是爲了跟intgo的命名對應吧。intgo和uintgo對應golang中的int和uint。從定義能夠看出int和uint是可變大小類型的，在64位平臺上佔8個字節，在32位平臺上佔4個字節。因此若是有明確的要求，應該選擇int3二、int64或uint3二、uint64。byte類型的底層類型是uint8。能夠看下測試：

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

數據類型分爲靜態類型和底層類型，相對於以上代碼中的變量b來講，byte是它的靜態類型，uint8是它的底層類型。這點很重要，之後常常會用到這個概念。

rune類型

rune是int32的別名，用於表示unicode字符。一般在處理中文的時候須要用到它，固然也能夠用range關鍵字。

string類型

string類型的底層是一個C struct。

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

成員str爲字符數組，len爲字符數組長度。golang的字符串是不可變類型，對string類型的變量初始化意味着會對底層結構的初始化。至於爲何str用byte類型而不用rune類型，這是由於golang的for循環對字符串的遍歷是基於字節的，若是有必要，能夠轉成rune切片或使用range來迭代。咱們來看個例子：

$GOPATH/src

----basictype_test

--------main.go

package main

import (
	"fmt"
	"unsafe"
)

func main() {
	var str string = "hi, 陳一回~"
	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}

內建函數len對string類型的操做是直接從底層結構中取出len值，而不須要額外的操做，固然在初始化時必需同時初始化len的值。

slice類型

slice類型的底層一樣是一個C struct。

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

包括三個成員。array爲底層數組，len爲實際存放的個數，cap爲總容量。使用內建函數make對slice進行初始化，也能夠相似於數組的方式進行初始化。當使用make函數來對slice進行初始化時，第一個參數爲切片類型，第二個參數爲len，第三個參數可選，若是不傳入，則cap等於len。一般傳入cap參數來預先分配大小的slice，避免頻繁從新分配內存。

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}

因爲切片指向一個底層數組，而且能夠經過切片語法直接從數組生成切片，因此須要瞭解切片和數組的關係，不然可能就會不知不覺的寫出有bug的代碼。好比有以下代碼：

package main

import (
	"fmt"
)

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

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
改變slice以前: array=[1 2 3 4 5], slice=[3 4]
改變slice以後: array=[1 2 234 4 5], slice=[234 4]

您能夠清楚的看到，在改變slice後，array也被改變了。這是由於slice經過數組建立的切片指向這個數組，也就是說這個slice的底層數組就是這個array。所以很顯然，slice的改變其實就是改變它的底層數組。固然若是刪除或添加元素，那麼len也會變化，cap可能會變化。

那這個slice是如何指向array呢？slice的底層數組指針指向array中索引爲2的元素(由於切片是經過array[2:4]來生成的)，len記錄元素個數，而cap則等於len。

之因此說cap可能會變，是由於cap表示總容量，添加或刪除操做不必定會使總容量發生變化。咱們接着再來看另外一個例子：

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("改變slice以前: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)
	slice[0] = 234
	fmt.Printf("改變slice以後: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)
}

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

通過append操做以後，對slice的修改並未影響到array。緣由在於append的操做令slice從新分配底層數組，因此此時slice的底層數組再也不指向前面定義的array。

可是很顯然，這種規則對從切片生成的切片也是一樣的，請看代碼：

package main

import (
	"fmt"
)

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

$ cd $GOPATH/src/basictype_test
$ go build
$ ./basictype_test
改變slice2以前: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4]
改變slice2以後: slice1=[1 2 234 4 5], slice2=[234 4]

slice1和slice2共用一個底層數組，修改slice2的元素致使slice1也發生變化。

package main

import (
	"fmt"
)

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

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

而append操做可令slice1或slice2從新分配底層數組，所以對slice1或slice2執行append操做都不會相互影響。

接口類型

接口在golang中的實現比較複雜，在$GOROOT/src/pkg/runtime/type.h中定義了：

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中定義了：

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其實是一個結構體，包括兩個成員，一個是指向數據的指針，一個包含了成員的類型信息。Eface是interface{}底層使用的數據結構。由於interface中保存了類型信息，因此能夠實現反射。反射其實就是查找底層數據結構的元數據。完整的實如今：$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類型

golang的map實現是hashtable，源碼在：$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;
};

測試代碼以下：

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的坑仍是比較多的，須要深刻研究底層，不然很容易掉坑裏。