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golang 的string与[]byte转换方式

运维开发网 https://www.qedev.com 2022-04-01 01:01 出处:网络 作者: 弃更内容请谨慎查看
相对于C语言,golang是类型安全的语言。但是安全的代价就是性能的妥协。下面我们看看Golang不想让我们看到的“秘密”——string的底层数据。通过reflect包,我们可以知道,在Golang...

相对于C语言,golang是类型安全的语言。但是安全的代价就是性能的妥协。

下面我们看看Golang不想让我们看到的“秘密”——string的底层数据。

通过reflect包,我们可以知道,在Golang底层,string和slice其实都是struct:

type SliceHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
    Cap  int
}
type StringHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
}

其中Data是一个指针,指向实际的数据地址,Len表示数据长度。

但是,在string和[]byte转换过程中,Golang究竟悄悄帮我们做了什么,来达到安全的目的?

在Golang语言规范里面,string数据是禁止修改的,试图通过&s[0], &b[0]取得string和slice数据指针地址也是不能通过编译的。

下面,我们就通过Golang的“黑科技”来一窥Golang背后的“秘密”

//return GoString's buffer slice(enable modify string)
func StringBytes(s string) Bytes {
    return *(*Bytes)(unsafe.Pointer(&s))
}
// convert b to string without copy
func BytesString(b []byte) String {
    return *(*String)(unsafe.Pointer(&b))
}
// returns &s[0], which is not allowed in go
func StringPointer(s string) unsafe.Pointer {
    p := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
    return unsafe.Pointer(p.Data)
}
// returns &b[0], which is not allowed in go
func BytesPointer(b []byte) unsafe.Pointer {
    p := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
    return unsafe.Pointer(p.Data)
}

以上4个函数的神奇之处在于,通过unsafe.Pointer和reflect.XXXHeader取到了数据首地址,并实现了string和[]byte的直接转换(这些操作在语言层面是禁止的)。

下面我们就通过这几个“黑科技”来测试一下语言底层的秘密:

func TestPointer(t *testing.T) {
    s := []string{
        "",
        "",
        "hello",
        "hello",
        fmt.Sprintf(""),
        fmt.Sprintf(""),
        fmt.Sprint编程客栈f("hello"),
        fmt.Sprintf("hello"),
    }
    fmt.Println("String to bytes:")
    for i, v := range s {
        b := unsafe.StringBytes(v)
        b2 := []byte(v)
        if b.Writeable() {
            b[0] = 'x'
        }
        fmt.Printf("%d\ts=%5s\tptr(v)=%-12v\tptr(StringBytes(v)=%-12v\tptr([]byte(v)=%-12v\n",
            i, v, unsafe.StringPointer(v), b.Pointer(), unsafe.BytesPointer(b2))
    }
    b := [][]byte{
        []byte{},
        []byte{'h', 'e', 'l', 'l', 'o'},
    }
    fmt.Println("Bytes to string:")
    for i, v := range b {
        s1 := unsafe.BytesString(v)
        s2 := string(v)
        fmt.Printf("%d\ts=%5s\tptr(v)=%-12v\tptr(StringBytes(vhttp://www.cppcns.com)=%-12v\tptr(string(v)=%-12v\n",
            i, s1, unsafe.BytesPointer(v), s1.Pointer(), unsafe.StringPointer(s2))
    }
}
const N = 3000000
func Benchmark_Normal(b *testing.B) {
    for i := 1; i < N; i++ {
        s := fmt.Sprintf("123456789012345678http://www.cppcns.com90123456789012345678901234567890")
        bb := []byte(s)
        bb[0] = 'x'
        s = string(bb)
        s = s
    }
}
func Benchmark_Direct(b *testing.B) {
    for i := 1; i < N; i++ {
        s := fmt.Sprintf("12345678901234567890123456789012345678901234567890")
        bb := unsafe.StringBytes(s)
        bb[0] = 'x'
        s = s
    }
}
//test result
//String to bytes:
//0 s=      ptr(v)=0x51bd70     ptr(StringBytes(v)=0x51bd70     ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//1 s=      ptr(v)=0x51bd70     ptr(StringBytes(v)=0x51bd70     ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//2 s=hello ptr(v)=0x51c2fa     ptr(StringBytes(v)=0x51c2fa     ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//www.cppcns.com3 s=hello ptr(v)=0x51c2fa     ptr(StringBytes(v)=0x51c2fa     ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//4 s=      ptr(v)=<nil>        ptr(StringBytes(v)=<nil>        ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//5 s=      ptr(v)=<nil>        ptr(StringBytes(v)=<nil>        ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//6 s=xello ptr(v)=0xc0420444b5 ptr(StringBytes(v)=0xc0420444b5 ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//7 s=xello ptr(v)=0xc0420444ba ptr(StringBytes(v)=0xc0420444ba ptr([]byte(v)=0xc042021c58
//Bytes to string:
//0 s=      ptr(v)=0x5c38b8     ptr(StringBytes(v)=0x5c38b8     ptr(string(v)=<nil>
//1 s=hello ptr(v)=0xc0420445e0 pRqLgFyOxVtr(StringBytes(v)=0xc0420445e0 ptr(string(v)=0xc042021c38
//Benchmark_Normal-4    1000000000           0.87 ns/op
//Benchmark_Direct-4    2000000000           0.24 ns/op

结论如下:

1、string常量会在编译期分配到只读段,对应数据地址不可写入,并且相同的string常量不会重复存储。

2、fmt.Sprintf生成的字符串分配在堆上,对应数据地址可修改。

3、常量空字符串有数据地址,动态生成的字符串没有设置数据地址

4、Golang string和[]byte转换,会将数据复制到堆上,返回数据指向复制的数据

5、动态生成的字符串,即使内容一样,数据也是在不同的空间

6、只有动态生成的string,数据可以被黑科技修改

7、string和[]byte通过复制转换,性能损失接近4倍

补充:Golang 使用unsafe.Pointer优化byte[]与String转换性能

我们知道一般来说对于一个String

如果想要转换为byte[]都是通过类型转换语法来实现的:

Res := string(bytes)

这种方式是Go所推荐的,优点就是安全,尽管这种操作会发生内存拷贝,导致性能上会有所损耗,这在处理一般业务时这种损耗是可以忽略的。

但如果是拷贝频繁的情况下,想要进行性能优化时,就需要引入unsafe.Pointer了:

func main()  {
 var s = []byte("我永远喜欢藤原千花.jpg")
 Res := *(*string)(unsafe.Pointer(&s))
 fmt.Println(Res)
}

通过unsafe.Pointer伪造String的过程没有发生内存拷贝,所以效率上会比发生内存拷贝的类型转换快,但代价就是把底层数据暴露出来,这种做法是不安全的。

至于为什么Slice能通过这种方式和String转换

我们可以看下它们的底层结构SliceHeader和StringHeader :

type SliceHeader struct {
 Data uintptr
 Len  int
 Cap  int
  } 
type StringHeader struct {
 Data uintptr
 Len  int
  }

两种类型只差了一个字段Cap(容量),前面剩余的字段都是内存对齐的,所以可以直接转换

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持我们。如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教。

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