Golang 语言中的非类型安全指针

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介绍

Golang 语言中的 unsafe 包中包含的操作会绕过 Golang 程序的类型安全检查，直接操作内存，从而达到提升性能的目的。导入 unsafe 包可能是不可移植（non-portable）的（随着 Golang 的版本迭代，可能会失效），并且不受 Go 1 兼容性准则的保护，所以我们应该谨慎使用。

本文主要介绍 unsafe 包的 unsafe.Pointer，它表示任意类型的指针，它类似于 C 语言中的无类型指针 void*，可以作为指针类型 *T 和 uintptr 类型值之间互相转换的中转站。

我们知道 Golang 语言中的指针类型 *T，表示一个指向 T 类型变量的指针，因为 Golang 语言是强类型的静态语言，为了安全考虑，规定两个不同的指针类型之间不可以互相转换，比如 *int 不能与 *float64 互相转换。但是，实际上是可以使用 unsafe.Pointer 进行转换。

Golang 语言中的内置数据类型 uintptr 也可以表示任何指针，它实际是数值类型，可以用于存储内存地址。它和 unsafe.Pointer 最大的区别是 unsafe.Pointer 不支持指针运算，比如 + 运算符，但 uintptr 可以支持。以下是 uintptr 的源码：

// uintptr is an integer type that is large enough to hold the bit pattern of
// any pointer.
type uintptr uintptr

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unsafe.Ponter 类型

有了前面内容的铺垫，我们开始介绍 unsafe.Ponter，它表示指向任意类型的指针。以下是 unsafe 包的源码：

// ArbitraryType is here for the purposes of documentation only and is not actually
// part of the unsafe package. It represents the type of an arbitrary Go expression.
type ArbitraryType int
type Pointer *ArbitraryType

unsafe.Ponter 类型有四个转换规则：

• 任何类型的指针值 *T 都可以转换为 unsafe.Pointer。
• unsafe.Pointer 可以转换为任何类型的指针值 *T。
• uintptr 可以转换为 unsafe.Pointer。
• unsafe.Pointer 可以转换为 uintptr。

unsafe.Pointer 允许程序绕过类型安全检查读写任意内存，所以使用时应格外小心。

unsafe.Pointer 包含 6 个使用模式：

• 使用 unsafe.Pointer 作为中转，将一个指针类型 *T 转换为另外一个指针类型 *T。
• 将 unsafe.Pointer 转换为 uintptr（但不返回给 unsafe.Pointer），然后使用 uintptr 值。
• 将 unsafe.Pointer 转换为 uintptr，然后使用 uintptr 值进行算术运算，最后将运算结果 uintptr 值再转换为 unsafe.Pointer。
• 调用 syscall.Syscall 时，将 unsafe.Pointer 转换为 uintptr 值，作为参数传递。
• 将 reflect.Value.Pointer 或 reflect.Value.UnsafeAddr 的返回结果 uintptr 值，从 uintptr 转换为 unsafe.Pointer。
• 将 reflect.SliceHeader 或 reflect.StringHeader 值的 Data 字段与 unsafe.Pointer 进行转换。

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unsafe.Pointer 和 uintptr 使用示例

因为 unsafe.Pointer 不支持运算，所以如果需要指针运算，还需要借助 uintptr 实现。以下示例是通过指针偏移对 struct 结构体中的字段进行指针运算操作，从而找到该字段的内存地址。

package main

import (
 "fmt"
 "unsafe"
)

type user struct {
 name string
 age uint
}
func main () {
 // 定义一个指针变量
 student := new(user)
 // user 结构体中的 name 字段是第一个字段，可以直接通过指针修改，不需要使用偏移
 studentName := (*string)(unsafe.Pointer(student))
 *studentName = "lucy"
 // user 结构体中的 age 字段不是第一个字段，所以需要使用偏移才能找到 age 字段的内存地址，修改值
 studentAge := (*uint)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(student)) + unsafe.Offsetof(student.age)))
 *studentAge = 18
 fmt.Println(*student)
}

阅读上面这段代码，我们使用 new 函数定义了一个 *user 类型的指针变量 student，然后使用 unsafe.Pointer 将 *user 类型的指针变量 student 转换为 *string 类型的指针变量 studentName，然后修改 studentName 的值，实际上就是修改 name 字段的值。

因为 age 字段不是 user 结构体的第一个字段，所以需要先使用偏移量找到 age 字段的内存地址，具体操作步骤是：先将 student 指针变量通过 unsafe.Pointer 和 uintptr 转换为 uintptr，然后就可以使用函数 unsafe.Offsetof 计算出 age 字段的偏移量，该函数返回结果也是 uintptr 类型，因为 uintptr 支持运算，最后使用 + 运算符获取 age 字段的内存地址。

找到 age 字段的内存地址之后，还要使用 unsafe.Pointer 转换为 *uint 指针类型，才可以对该内存地址进行读写操作。

该示例主要是为了方便介绍 uintptr 指针运算，没有实际意义。

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总结

本文介绍了非类型安全指针，它可用于指针类型之间互相转换，但是它绕开了类型安全检查，同时随着 Golang 的版本迭代，unsafe 包可能会失效，并且 unsafe 包不受 Go 1 兼容性准则的保护，所以我们应该谨慎使用。