Go语言 常用数据类型底层结构分析

虽然golang是用C实现的，并且被称为下一代的C语言，但是golang跟C的差别还是很大的。它定义了一套很丰富的数据类型及数据结构，这些类型和结构或者是直接映射为C的数据类型，或者是用C struct来实现。了解golang的数据类型和数据结构的底层实现，将有助于我们更好的理解golang并写出质量更好的代码。

基础类型

源码在：$GOROOT/src/pkg/runtime/runtime.h 。我们先来看下基础类型：

01/*

02 * basic types

03 */

04typedef signed char             int8;

05typedef unsigned char           uint8;

06typedef signed short            int16;

07typedef unsigned short          uint16;

08typedef signed int              int32;

09typedef unsigned int            uint32;

10typedef signed long long int    int64;

11typedef unsigned long long int  uint64;

12typedef float                   float32;

13typedef double                  float64;

14 

15#ifdef _64BIT

16typedef uint64          uintptr;

17typedef int64           intptr;

18typedef int64           intgo; // Go's int

19typedef uint64          uintgo; // Go's uint

20#else

21typedef uint32          uintptr;

22typedef int32           intptr;

23typedef int32           intgo; // Go's int

24typedef uint32          uintgo; // Go's uint

25#endif

26 

27/*

28 * defined types

29 */

30typedef uint8           bool;

31typedef uint8           byte;

int8、uint8、int16、uint16、int32、uint32、int64、uint64、float32、float64分别对应于C的类型，这个只要有C基础就很容易看得出来。uintptr和intptr是无符号和有符号的指针类型，并且确保在64位平台上是8个字节，在32位平台上是4个字节，uintptr主要用于golang中的指针运算。而intgo和uintgo之所以不命名为int和uint，是因为int在C中是类型名，想必uintgo是为了跟intgo的命名对应吧。intgo和uintgo对应golang中的int和uint。从定义可以看出int和uint是可变大小类型的，在64位平台上占8个字节，在32位平台上占4个字节。所以如果有明确的要求，应该选择int32、int64或uint32、uint64。byte类型的底层类型是uint8。可以看下测试：

01package main

02 

03import (

04        "fmt"

05        "reflect"

06)

07 

08func main() {

09        var b byte = 'D'

10        fmt.Printf("output: %v\n", reflect.TypeOf(b).Kind())

11}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4output: uint8

数据类型分为静态类型和底层类型，相对于以上代码中的变量b来说，byte是它的静态类型，uint8是它的底层类型。这点很重要，以后经常会用到这个概念。

rune类型

rune是int32的别名，用于表示unicode字符。通常在处理中文的时候需要用到它，当然也可以用range关键字。

string类型

string类型的底层是一个C struct。

1struct String

2{

3        byte*   str;

4        intgo   len;

5};

成员str为字符数组，len为字符数组长度。golang的字符串是不可变类型，对string类型的变量初始化意味着会对底层结构的初始化。至于为什么str用byte类型而不用rune类型，这是因为golang的for循环对字符串的遍历是基于字节的，如果有必要，可以转成rune切片或使用range来迭代。我们来看个例子：

$GOPATH/src

----basictype_test

--------main.go

01package main

02 

03import (

04    "fmt"

05    "unsafe"

06)

07 

08func main() {

09    var str string = "hi, 陈一回~"

10    p := (*struct {

11        str uintptr

12        len int

13    })(unsafe.Pointer(&str))

14 

15    fmt.Printf("%+v\n", p)

16}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4output: &{str:135100456 len:14}

内建函数len对string类型的操作是直接从底层结构中取出len值，而不需要额外的操作，当然在初始化时必需同时初始化len的值。

slice类型

slice类型的底层同样是一个C struct。

1struct  Slice

2{               // must not move anything

3    byte*   array;      // actual data

4    uintgo  len;        // number of elements

5    uintgo  cap;        // allocated number of elements

6};

包括三个成员。array为底层数组，len为实际存放的个数，cap为总容量。使用内建函数make对slice进行初始化，也可以类似于数组的方式进行初始化。当使用make函数来对slice进行初始化时，第一个参数为切片类型，第二个参数为len，第三个参数可选，如果不传入，则cap等于len。通常传入cap参数来预先分配大小的slice，避免频繁重新分配内存。

01package main

02 

03import (

04    "fmt"

05    "unsafe"

06)

07 

08func main() {

09    var slice []int32 = make([]int32, 5, 10)

10    p := (*struct {

11        array uintptr

12        len   int

13        cap   int

14    })(unsafe.Pointer(&slice))

15 

16    fmt.Printf("output: %+v\n", p)

17}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4output: &{array:406958176 len:5 cap:10}

由于切片指向一个底层数组，并且可以通过切片语法直接从数组生成切片，所以需要了解切片和数组的关系，否则可能就会不知不觉的写出有bug的代码。比如有如下代码：

01package main

02 

03import (

04    "fmt"

05)

06 

07func main() {

08    var array = [...]int32{1, 2, 3, 4, 5}

09    var slice = array[2:4]

10    fmt.Printf("改变slice之前: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)

11    slice[0] = 234

12    fmt.Printf("改变slice之后: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)

13}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4改变slice之前: array=[1 2 3 4 5], slice=[3 4]

5改变slice之后: array=[1 2 234 4 5], slice=[234 4]

您可以清楚的看到，在改变slice后，array也被改变了。这是因为slice通过数组创建的切片指向这个数组，也就是说这个slice的底层数组就是这个array。因此很显然，slice的改变其实就是改变它的底层数组。当然如果删除或添加元素，那么len也会变化，cap可能会变化。

那这个slice是如何指向array呢？slice的底层数组指针指向array中索引为2的元素(因为切片是通过array[2:4]来生成的)，len记录元素个数，而cap则等于len。

之所以说cap可能会变，是因为cap表示总容量，添加或删除操作不一定会使总容量发生变化。我们接着再来看另一个例子：

01package main

02 

03import (

04    "fmt"

05)

06 

07func main() {

08    var array = [...]int32{1, 2, 3, 4, 5}

09    var slice = array[2:4]

10    slice = append(slice, 6, 7, 8)

11    fmt.Printf("改变slice之前: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)

12    slice[0] = 234

13    fmt.Printf("改变slice之后: array=%+v, slice=%+v\n", array, slice)

14}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4改变slice之前: array=[1 2 3 4 5], slice=[3 4 6 7 8]

5改变slice之后: array=[1 2 3 4 5], slice=[234 4 6 7 8]

经过append操作之后，对slice的修改并未影响到array。原因在于append的操作令slice重新分配底层数组，所以此时slice的底层数组不再指向前面定义的array。

但是很显然，这种规则对从切片生成的切片也是同样的，请看代码：

01package main

02 

03import (

04    "fmt"

05)

06 

07func main() {

08    var slice1 = []int32{1, 2, 3, 4, 5}

09    var slice2 = slice1[2:4]

10    fmt.Printf("改变slice2之前: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)

11    slice2[0] = 234

12    fmt.Printf("改变slice2之后: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)

13}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4改变slice2之前: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4]

5改变slice2之后: slice1=[1 2 234 4 5], slice2=[234 4]

slice1和slice2共用一个底层数组，修改slice2的元素导致slice1也发生变化。

01package main

02 

03import (

04    "fmt"

05)

06 

07func main() {

08    var slice1 = []int32{1, 2, 3, 4, 5}

09    var slice2 = slice1[2:4]

10    fmt.Printf("改变slice2之前: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)

11    slice2 = append(slice2, 6, 7, 8)

12    fmt.Printf("改变slice2之后: slice1=%+v, slice2=%+v\n", slice1, slice2)

13}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4改变slice2之前: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4]

5改变slice2之后: slice1=[1 2 3 4 5], slice2=[3 4 6 7 8]

而append操作可令slice1或slice2重新分配底层数组，因此对slice1或slice2执行append操作都不会相互影响。

接口类型

接口在golang中的实现比较复杂，在$GOROOT/src/pkg/runtime/type.h中定义了：

01struct Type

02{

03    uintptr size;

04    uint32 hash;

05    uint8 _unused;

06    uint8 align;

07    uint8 fieldAlign;

08    uint8 kind;

09    Alg *alg;

10    void *gc;

11    String *string;

12    UncommonType *x;

13    Type *ptrto;

14};

在$GOROOT/src/pkg/runtime/runtime.h中定义了：

01struct Iface

02{

03    Itab*   tab;

04    void*   data;

05};

06struct Eface

07{

08    Type*   type;

09    void*   data;

10};

11struct  Itab

12{

13    InterfaceType*  inter;

14    Type*   type;

15    Itab*   link;

16    int32   bad;

17    int32   unused;

18    void    (*fun[])(void);

19};

interface实际上是一个结构体，包括两个成员，一个是指向数据的指针，一个包含了成员的类型信息。Eface是interface{}底层使用的数据结构。因为interface中保存了类型信息，所以可以实现反射。反射其实就是查找底层数据结构的元数据。完整的实现在：$GOROOT/src/pkg/runtime/iface.c 。

01package main

02 

03import (

04    "fmt"

05    "unsafe"

06)

07 

08func main() {

09    var str interface{} = "Hello World!"

10    p := (*struct {

11        tab  uintptr

12        data uintptr

13    })(unsafe.Pointer(&str))

14 

15    fmt.Printf("%+v\n", p)

16}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4output: &{tab:134966528 data:406847688}

map类型

golang的map实现是hashtable，源码在：$GOROOT/src/pkg/runtime/hashmap.c 。

01struct Hmap

02{

03    uintgo  count;

04    uint32  flags;

05    uint32  hash0;

06    uint8   B;

07    uint8   keysize;

08    uint8   valuesize;

09    uint16  bucketsize;

10 

11    byte    *buckets;

12    byte    *oldbuckets;

13    uintptr nevacuate;

14};

测试代码如下：

view source

print?

01package main

02 

03import (

04    "fmt"

05    "unsafe"

06)

07 

08func main() {

09    var m = make(map[string]int32, 10)

10    m["hello"] = 123

11    p := (*struct {

12        count      int

13        flags      uint32

14        hash0      uint32

15        B          uint8

16        keysize    uint8

17        valuesize  uint8

18        bucketsize uint16

19 

20        buckets    uintptr

21        oldbuckets uintptr

22        nevacuate  uintptr

23    })(unsafe.Pointer(&m))

24 

25    fmt.Printf("output: %+v\n", p)

26}

1$ cd $GOPATH/src/basictype_test

2$ go build

3$ ./basictype_test

4output: &{count:407032064 flags:0 hash0:134958144 B:192 keysize:0 valuesize:64 bucketsize:30063 buckets:540701813 oldbuckets:0 nevacuate:0}

golang的坑还是比较多的，需要深入研究底层，否则很容易掉坑里。