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go語言和c語言在指標上有什麼區別

2022-11-30 22:00:57

區別：1、go語言可以使用new關鍵字來分配記憶體建立指定型別的指標，而c語言不行。2、c語言中陣列名arr代表的是陣列首元素的地址，相當於「&arr[0]」；go語言中陣列名arr不代表陣列首元素的地址，代表的是整個陣列的值。3、go語言不支援指標運算，而c語言支援指標運算。4、

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本教學操作環境：windows7系統、GO 1.18版本、Dell G3電腦。

C 和 Go 都是有指標概念的語言，這篇文章主要借這兩者之間的異同來加深對 Go 指標的理解和使用。

運運算元

C 和 Go 都相同：

  • & 運運算元取出變數所在的記憶體地址

  • * 運運算元取出指標變數所指向的記憶體地址裡面的值，也叫 「 解除參照 」

C 語言版範例：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int bar = 1;
    // 宣告一個指向 int 型別的值的指標
    int *ptr;
    // 通過 & 取出 bar 變數所在的記憶體地址並賦值給 ptr 指標
    ptr = &bar;
    // 列印 ptr 的值（為地址），*prt 表示取出指標變數所指向的記憶體地址裡面的值
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
    return (0);
}

// 輸出結果：
// 0x7ffd5471ee54 1
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Go 語言版範例：

package main

import "fmt"

func main() {
 bar := 1
 // 宣告一個指向 int 型別的值的指標
 var ptr *int
 // 通過 & 取出 bar 變數所在的記憶體地址並賦值給 ptr 指標
 ptr = &bar
 // 列印 ptr 變數儲存的指標地址，*prt 表示取出指標變數所指向的記憶體地址裡面的值
 fmt.Printf("%p %d\n", ptr, *ptr)
}

// 輸出結果：
// 0xc000086020 1
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Go 還可以使用 new 關鍵字來分配記憶體建立指定型別的指標。

 // 宣告一個指向 int 型別的值的指標
 // var ptr *int
 ptr := new(int)
 // 通過 & 取出 bar 變數所在的記憶體地址並賦值給 ptr 指標
 ptr = &bar
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陣列名和陣列首地址

對於一個陣列

// C
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
// Go
// 需要指定長度，否則型別為切片
arr := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}
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在 C 中，陣列名 arr 代表的是陣列首元素的地址，相當於 &arr[0]

而 &arr 代表的是整個陣列 arr 的首地址

// C
// arr 陣列名代表陣列首元素的地址
printf("arr -> %p\n", arr);
// &arr[0] 代表陣列首元素的地址
printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0]);
// &arr 代表整個陣列 arr 的首地址
printf("&arr -> %p\n", &arr);

// 輸出結果：
// arr -> 0061FF0C
// &arr[0] -> 0061FF0C
// &arr -> 0061FF0C
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執行程式可以發現 arr 和 &arr 的輸出值是相同的，但是它們的意義完全不同。

首先陣列名 arr 作為一個識別符號，是 arr[0] 的地址，從 &arr[0] 的角度去看就是一個指向 int 型別的值的指標。

而 &arr 是一個指向 int[5] 型別的值的指標。

可以進一步對其進行指標偏移驗證

// C
// 指標偏移
printf("arr+1 -> %p\n", arr + 1);
printf("&arr+1 -> %p\n", &arr + 1);

// 輸出結果：
// arr+1 -> 0061FF10
// &arr+1 -> 0061FF20
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這裡涉及到偏移量的知識：一個型別為 T 的指標的移動，是以 sizeof(T) 為移動單位的。

  • arr+1 : arr 是一個指向 int 型別的值的指標，因此偏移量為 1*sizeof(int)

  • &arr+1 : &arr 是一個指向 int[5] 的指標，它的偏移量為 1*sizeof(int)*5

到這裡相信你應該可以理解 C 語言中的 arr 和 &arr 的區別了吧，接下來看看 Go 語言

// 嘗試將陣列名 arr 作為地址輸出
fmt.Printf("arr -> %p\n", arr)
fmt.Printf("&arr[0] -> %p\n", &arr[0])
fmt.Printf("&arr -> %p\n", &arr)

// 輸出結果：
// arr -> %!p([5]int=[1 2 3 4 5])
// &arr[0] -> 0xc00000c300
// &arr -> 0xc00000c300
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&arr[0] 和 &arr 與 C 語言一致。

但是陣列名 arr 在 Go 中已經不是陣列首元素的地址了，代表的是整個陣列的值，所以輸出時會提示 %!p([5]int=[1 2 3 4 5])

指標運算

指標本質上就是一個無符號整數，代表了記憶體地址。

指標和整數值可以進行加減法運算，比如上文的指標偏移例子：

  • 加n : 一個型別為 T 的指標，以 n*sizeof(T) 為單位向高位移動。

  • 減n : 一個型別為 T 的指標，以 n*sizeof(T) 為單位向低位移動。

其中 sizeof(T) 代表的是資料型別佔據的位元組，比如 int 在 32 位環境下為 4 位元組，64 位環境下為 8 位元組

C 語言範例：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    // ptr 是一個指標，為 arr 陣列的第一個元素地址
    int *ptr = arr;
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);

    // ptr 指標向高位移動一個單位，移向到 arr 陣列第二個元素地址
    ptr++;
    printf("%p %d\n", ptr, *ptr);
    return (0);
}

// 輸出結果：
// 0061FF08 1
// 0061FF0C 2
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在這裡 ptr++ 從 0061FF08 移動了 sizeof(int) = 4 個位元組到 0061FF0C ，指向了下一個陣列元素的地址

Go 語言範例：

package main

import "fmt"

func main() {
 arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5}

 // ptr 是一個指標，為 arr 陣列的第一個元素地址
 ptr := &arr[0]
 fmt.Println(ptr, *ptr)

 // ptr 指標向高位移動一個單位，移向到 arr 陣列第二個元素地址
 ptr++
 fmt.Println(ptr, *ptr)
}

// 輸出結果：
// 編譯報錯：
// .\main.go:13:5: invalid operation: ptr++ (non-numeric type *uint32)
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編譯報錯 *uint32 非數位型別，不支援運算，說明 Go 是不支援指標運算的。

這個其實在 Go Wiki[1] 中的 Go 從 C++ 過渡檔案中有提到過：Go has pointers but not pointer arithmetic.

Go 有指標但不支援指標運算。

另闢蹊徑

那還有其他辦法嗎？答案當然是有的。

在 Go 標準庫中提供了一個 unsafe 包用於編譯階段繞過 Go 語言的型別系統，直接操作記憶體。

我們可以利用 unsafe 包來實現指標運算。

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
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核心介紹：

  • uintptr : Go 的內建型別。是一個無符號整數，用來儲存地址，支援數學運算。常與 unsafe.Pointer 配合做指標運算

  • unsafe.Pointer : 表示指向任意型別的指標，可以和任何型別的指標互相轉換（類似 C 語言中的 void* 型別的指標），也可以和 uintptr 互相轉換

  • unsafe.Sizeof : 返回運算元在記憶體中的位元組大小，引數可以是任意型別的表示式，例如 fmt.Println(unsafe.Sizeof(uint32(0))) 的結果為 4

  • unsafe.Offsetof : 函數的引數必須是一個欄位 x.f，然後返回 f 欄位相對於 x 起始地址的偏移量，用於計算結構體成員的偏移量

原理：

Go 的 uintptr 型別儲存的是地址，且支援數學運算

*T (任意指標型別) 和 unsafe.Pointer 不能運算，但是 unsafe.Pointer 可以和 *T 、 uintptr 互相轉換

因此，將 *T 轉換為 unsafe.Pointer 後再轉換為 uintptr ，uintptr 進行運算之後重新轉換為 unsafe.Pointer => *T 即可

程式碼實現：

package main

import (
 "fmt"
 "unsafe"
)

func main() {
 arr := [5]uint32{1, 2, 3, 4, 5}

 ptr := &arr[0]

 // ptr(*uint32型別) => one(unsafe.Pointer型別)
 one := unsafe.Pointer(ptr)
 // one(unsafe.Pointer型別) => *uint32
 fmt.Println(one, *(*uint32)(one))

 // one(unsafe.Pointer型別) => one(uintptr型別) 後向高位移動 unsafe.Sizeof(arr[0]) = 4 位元組
 // twoUintptr := uintptr(one) + unsafe.Sizeof(arr[0])
 // ！！twoUintptr 不能作為臨時變數
 // uintptr 型別的臨時變數只是一個無符號整數，並不知道它是一個指標地址，可能被 GC
 // 運算完成後應該直接轉換回 unsafe.Pointer :
 two := unsafe.Pointer(uintptr(one) + unsafe.Sizeof(arr[0]))
 fmt.Println(two, *(*uint32)(two))
}

// 輸出結果：
// 0xc000012150 1
// 0xc000012154 2
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甚至還可以更改結構體的私有成員：

// 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()
}

// 輸出結果：
// 0 0
// 1 2
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小 Tips

Go 的底層 slice 切片原始碼就使用了 unsafe 包

// slice 切片的底層結構
type slice struct {
 // 底層是一個陣列指標
 array unsafe.Pointer
 // 長度
 len int
 // 容量
 cap int
}
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總結

  • Go 可以使用 & 運運算元取地址，也可以使用 new 建立指標

  • Go 的陣列名不是首元素地址

  • Go 的指標不支援運算

  • Go 可以使用 unsafe 包打破安全機制來操控指標，但對我們開發者而言，是 "unsafe" 不安全的

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