Go 与 C 的指针
共 7764字，需浏览 16分钟
·
2021-09-19 13:41
C 和 Go 都是有指针概念的语言，这篇文章主要借这两者之间的异同来加深对 Go 指针的理解和使用。
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4unsafe.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
参考资料
Go Wiki: https://github.com/golang/go/wiki/GoForCPPProgrammers