有點不安全卻又一亮的 Go unsafe.Pointer

在上一篇文章 《深入理解 Go Slice》 中，大家會發現其底層數據結構使用了 unsafe.Pointer。因此想着再介紹一下其關聯知識

原文地址：有點不安全卻又一亮的 Go unsafe.Pointer

前言

在大家學習 Go 的時候，肯定都學過 “Go 的指針是不支持指針運算和轉換” 這個知識點。爲什麼呢？

首先，Go 是一門靜態語言，所有的變量都必須爲標量類型。不同的類型不能夠進行賦值、計算等跨類型的操作。那麼指針也對應着相對的類型，也在 Compile 的靜態類型檢查的範圍內。同時靜態語言，也稱爲強類型。也就是一旦定義了，就不能再改變它

錯誤示例

func main(){
    num := 5
    numPointer := &num

    flnum := (*float32)(numPointer)
    fmt.Println(flnum)
}

輸出結果：

# command-line-arguments
...: cannot convert numPointer (type *int) to type *float32

在示例中，我們創建了一個 num 變量，值爲 5，類型爲 int。取了其對於的指針地址後，試圖強制轉換爲 *float32，結果失敗...

unsafe

針對剛剛的 “錯誤示例”，我們可以採用今天的男主角 unsafe 標準庫來解決。它是一個神奇的包，在官方的詮釋中，有如下概述：

• 圍繞 Go 程序內存安全及類型的操作
• 很可能會是不可移植的
• 不受 Go 1 兼容性指南的保護

簡單來講就是，不怎麼推薦你使用。因爲它是 unsafe（不安全的），但是在特殊的場景下，使用了它。可以打破 Go 的類型和內存安全機制，讓你獲得眼前一亮的驚喜效果 😄

Pointer

爲了解決這個問題，需要用到 unsafe.Pointer。它表示任意類型且可尋址的指針值，可以在不同的指針類型之間進行轉換（類似 C 語言的 void * 的用途）

其包含四種核心操作：

• 任何類型的指針值都可以轉換爲 Pointer
• Pointer 可以轉換爲任何類型的指針值
• uintptr 可以轉換爲 Pointer
• Pointer 可以轉換爲 uintptr

在這一部分，重點看第一點、第二點。你再想想怎麼修改 “錯誤示例” 讓它運行起來？

func main(){
    num := 5
    numPointer := &num

    flnum := (*float32)(unsafe.Pointer(numPointer))
    fmt.Println(flnum)
}

輸出結果：

0xc4200140b0

在上述代碼中，我們小加改動。通過 unsafe.Pointer 的特性對該指針變量進行了修改，就可以完成任意類型（*T）的指針轉換

需要注意的是，這時還無法對變量進行操作或訪問。因爲不知道該指針地址指向的東西具體是什麼類型。不知道是什麼類型，又如何進行解析呢。無法解析也就自然無法對其變更了

Offsetof

在上小節中，我們對普通的指針變量進行了修改。那麼它是否能做更復雜一點的事呢？

type Num struct{
    i string
    j int64
}

func main(){
    n := Num{i: "EDDYCJY", j: 1}
    nPointer := unsafe.Pointer(&n)

    niPointer := (*string)(unsafe.Pointer(nPointer))
    *niPointer = "煎魚"

    njPointer := (*int64)(unsafe.Pointer(uintptr(nPointer) + unsafe.Offsetof(n.j)))
    *njPointer = 2

    fmt.Printf("n.i: %s, n.j: %d", n.i, n.j)
}

輸出結果：

n.i: 煎魚, n.j: 2

在剖析這段代碼做了什麼事之前，我們需要了解結構體的一些基本概念：

• 結構體的成員變量在內存存儲上是一段連續的內存
• 結構體的初始地址就是第一個成員變量的內存地址
• 基於結構體的成員地址去計算偏移量。就能夠得出其他成員變量的內存地址

再回來看看上述代碼，得出執行流程：

• 修改 n.i 值：i 爲第一個成員變量。因此不需要進行偏移量計算，直接取出指針後轉換爲 Pointer，再強制轉換爲字符串類型的指針值即可
• 修改 n.j 值：j 爲第二個成員變量。需要進行偏移量計算，纔可以對其內存地址進行修改。在進行了偏移運算後，當前地址已經指向第二個成員變量。接着重複轉換賦值即可

需要注意的是，這裏使用瞭如下方法（來完成偏移計算的目標）：

1、uintptr：uintptr 是 Go 的內置類型。返回無符號整數，可存儲一個完整的地址。後續常用於指針運算

type uintptr uintptr

2、unsafe.Offsetof：返回變量的字節大小，也就是本文用到的偏移量大小。需要注意的是入參 ArbitraryType 表示任意類型，並非定義的 int。它實際作用是一個佔位符

func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr

在這一部分，其實就是巧用了 Pointer 的第三、第四點特性。這時候就已經可以對變量進行操作了 😄

錯誤示例

func main(){
    n := Num{i: "EDDYCJY", j: 1}
    nPointer := unsafe.Pointer(&n)
    ...

    ptr := uintptr(nPointer)
    njPointer := (*int64)(unsafe.Pointer(ptr + unsafe.Offsetof(n.j)))
    ...
}

這裏存在一個問題，uintptr 類型是不能存儲在臨時變量中的。因爲從 GC 的角度來看，uintptr 類型的臨時變量只是一個無符號整數，並不知道它是一個指針地址

因此當滿足一定條件後，ptr 這個臨時變量是可能被垃圾回收掉的，那麼接下來的內存操作，豈不成迷？

總結

簡潔回顧兩個知識點。第一是 unsafe.Pointer 可以讓你的變量在不同的指針類型轉來轉去，也就是表示爲任意可尋址的指針類型。第二是 uintptr 常用於與 unsafe.Pointer 打配合，用於做指針運算，巧妙地很

最後還是那句，沒有特殊必要的話。是不建議使用 unsafe 標準庫，它並不安全。雖然它常常能讓你眼前一亮 👌