本文转载自微信公众号「脑子进煎鱼了」，作者陈煎鱼。转载本文请联系脑子进煎鱼了公众号。
大家好，我是煎鱼。
在 Go 语言中总是有一些看上去奇奇怪怪的东西，咋一眼一看感觉很熟悉，但又不理解其在 Go 代码中的实际意义，面试官却爱问...
今天要给大家介绍的是 SliceHeader 和 StringHeader 结构体，了解清楚他到底是什么，又有什么用，并且会在最后给大家介绍 0 拷贝转换的内容。
一起愉快地开始吸鱼之路。
SliceHeader
SliceHeader 如其名，Slice + Header，看上去很直观，实际上是 Go Slice(切片)的运行时表现。
- type SliceHeader struct {
- Data uintptr
- Len int
- Cap int
- }
- Data：指向具体的底层数组。
- Len：代表切片的长度。
- Cap：代表切片的容量。
既然知道了切片的运行时表现，那是不是就意味着我们可以自己造一个?
在日常程序中，可以利用标准库 reflect 提供的 SliceHeader 结构体造一个：
- func main() {
- // 初始化底层数组
- s := [4]string{"脑子", "进", "煎鱼", "了"}
- s1 := s[0:1]
- s2 := s[:]
- // 构造 SliceHeader
- sh1 := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&s1))
- sh2 := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&s2))
- fmt.Println(sh1.Len, sh1.Cap, sh1.Data)
- fmt.Println(sh2.Len, sh2.Cap, sh2.Data)
- }
你认为输出结果是什么，这两个新切片会指向同一个底层数组的内存地址吗?
输出结果：
- 1 4 824634330936
- 4 4 824634330936
两个切片的 Data 属性所指向的底层数组是一致的，Len 属性的值不一样，sh1 和 sh2 分别是两个切片。
疑问
为什么两个新切片所指向的 Data 是同一个地址的呢?
这其实是 Go 语言本身为了减少内存占用，提高整体的性能才这么设计的。
将切片复制到任意函数的时候，对底层数组大小都不会影响。复制时只会复制切片本身(值传递)，不会涉及底层数组。
也就是在函数间传递切片，其只拷贝 24 个字节(指针字段 8 个字节，长度和容量分别需要 8 个字节)，效率很高。
坑
这种设计也引出了新的问题，在平时通过 s[i:j] 所生成的新切片，两个切片底层指向的是同一个底层数组。
假设在没有超过容量(cap)的情况下，对第二个切片操作会影响第一个切片。
这是很多 Go 开发常会碰到的一个大 “坑”，不清楚的排查了很久的都不得而终。
StringHeader
除了 SliceHeader 外，Go 语言中还有一个典型代表，那就是字符串(string)的运行时表现。
- type StringHeader struct {
- Data uintptr
- Len int
- }
- Data：存放指针，其指向具体的存储数据的内存区域。
- Len：字符串的长度。
可得知 “Hello” 字符串的底层数据如下：
- var data = [...]byte{
- 'h', 'e', 'l', 'l', 'o',
- }
底层的存储示意图如下：
真实演示例子如下：
- func main() {
- s := "脑子进煎鱼了"
- s1 := "脑子进煎鱼了"
- s2 := "脑子进煎鱼了"[7:]
- fmt.Printf("%d \n", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s)).Data)
- fmt.Printf("%d \n", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s1)).Data)
- fmt.Printf("%d \n", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s2)).Data)
- }
你认为输出结果是什么，变量 s 和 s1、s2 会指向同一个底层内存空间吗?
输出结果：
- 17608227
- 17608227
- 17608234
从输出结果来看，变量 s 和 s1 指向同一个内存地址。变量 s2 虽稍有偏差，但本质上也是指向同一块。
因为其是字符串的切片操作，是从第 7 位索引开始，因此正好的 17608234-17608227 = 7。也就是三个变量都是指向同一块内存空间，这是为什么呢?
这是因为在 Go 语言中，字符串都是只读的，为了节省内存，相同字面量的字符串通常对应于同一字符串常量，因此指向同一个底层数组。
0 拷贝转换
为什么会有人关注到 SliceHeader、StringHeader 这类运行时细节呢，一大部分原因是业内会有开发者，希望利用其实现零拷贝的 string 到 bytes 的转换。
常见转换代码如下：
- func string2bytes(s string) []byte {
- stringHeader := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
- bh := reflect.SliceHeader{
- Data: stringHeader.Data,
- Len: stringHeader.Len,
- Cap: stringHeader.Len,
- }
- return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&bh))
- }
但这其实是错误的，官方明确表示：
the Data field is not sufficient to guarantee the data it references will not be garbage collected, so programs must keep a separate, correctly typed pointer to the underlying data.
SliceHeader、StringHeader 的 Data 字段是一个 uintptr 类型。由于 Go 语言只有值传递。
因此在上述代码中会出现将 Data 作为值拷贝的情况，这就会导致无法保证它所引用的数据不会被垃圾回收(GC)。
应该使用如下转换方式：
- func main() {
- s := "脑子进煎鱼了"
- v := string2bytes1(s)
- fmt.Println(v)
- }
- func string2bytes1(s string) []byte {
- stringHeader := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
- var b []byte
- pbytes := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
- pbytes.Data = stringHeader.Data
- pbytes.Len = stringHeader.Len
- pbytes.Cap = stringHeader.Len
- return b
- }
在程序必须保留一个单独的、正确类型的指向底层数据的指针。
在性能方面，若只是期望单纯的转换，对容量(cap)等字段值不敏感，也可以使用以下方式：
- func string2bytes2(s string) []byte {
- return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
- }
性能对比：
- string2bytes1-1000-4 3.746 ns/op 0 allocs/op
- string2bytes1-1000-4 3.713 ns/op 0 allocs/op
- string2bytes1-1000-4 3.969 ns/op 0 allocs/op
- string2bytes2-1000-4 2.445 ns/op 0 allocs/op
- string2bytes2-1000-4 2.451 ns/op 0 allocs/op
- string2bytes2-1000-4 2.455 ns/op 0 allocs/op
会相当标准的转换性能会稍快一些，这种强转也会导致一个小问题。
代码如下：
- func main() {
- s := "脑子进煎鱼了"
- v := string2bytes2(s)
- println(len(v), cap(v))
- }
- func string2bytes2(s string) []byte {
- return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
- }
输出结果：
- 18 824633927632
这种强转其会导致 byte 的切片容量非常大，需要特别注意。一般还是推荐使用标准的 SliceHeader、StringHeader 方式就好了，也便于后来的维护者理解。
总结
在这篇文章中，我们介绍了字符串(string)和切片(slice)的两个运行时表现，分别是 StringHeader 和 SliceHeader。
同时了解到其运行时表现后，我们还针对其两者的地址指向，常见坑进行了说明。
最后我们进一步深入，面向 0 拷贝转换的场景进行了介绍和性能分析。
你平时有没有遇到过这块的疑惑或问题呢，欢迎大家一起讨论!
参考
Go语言slice的本质-SliceHeader
数组、字符串和切片
零拷贝实现string 和bytes的转换疑问
