unsafe 包详解
在 乌克兰 的利沃夫举行的 Lviv Golang community event[1] 中，我发表了一个关于 unsafe 包的演讲，这个演讲中我尝试回答了标题中提到的问题：unsafe 包究竟有多 unsafe。
从 unsafe 包的名字就能感受到 Go 研发团队的警告：使用这个包的代价将是巨大的。我觉得这个包名起的非常巧妙，它完美地符合了 《Effective Go》中对包名的所有建议。在使用 unsafe 包的时候，我们应当严格遵循 Go 研发团队的文档和建议。这个包的官方概述就只有简单的一段话：
附带一段简单的警告：
引用 unsafe 包可能会导致你代码的不具备可移植性，并且不再受到 Go 1 兼容性规约的保护。 golang.org[3]
函数功能的描述看起来非常的抽象，我们来瞅一眼这些 “unsafe” 的操作：
func Alignof(x ArbitraryType) uintptr
func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr
func Sizeof (x ArbitraryType) uintptr
type ArbitraryType
type Pointer
其中有一个 ArbitraryType 类型：
只是为了文档记录的目的而存在，实际上它没有参与到 unsafe 包的实现。这个类型代表了任意的 Go 语言表达式。
所以实际上 unsafe 包就只包含三个函数和一个类型，既然就这么点东西，那我们试着把这个包全部过一遍。现在我们手头上已经有了 Go 研发团队给我的文档和源码，下一步要怎么做？这时候不妨重温一句名人名言：
多说无益，放码过来 —— Linus Torvalds[4]
好，既然如此我们就直接看源码吧……
神奇的事情发生了——这个 unsafe 包压根就 没有源码[5] 呀。它有函数的签名和类型定义，但是没有实现的代码：无论是 Go 还是汇编的代码都没有。之所以会出现这个情况，是因为 unsafe 包的功能需要在层次更低的编译器层面实现，所以这个包其实是内置在编译器里面实现的，这个 .go 文件只是为了达到文档记录的目的。所以我在上文反复强调要严格遵循 Go 研发团队的文档和建议，因为你也只能看到这些文档。废话不多说，先来看看 Sizeof 函数吧。
func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr
函数接受某个变量，然后返回 uintptr 类型的结果。这个函数的名字可以看出，这个函数返回某个变量的大小。为了理解方便，请允许我用几个图示来可视化一下这些概念。众所周知，我们的 Go 程序需要内存来完成各种功能，其中就包含使用内存来保存变量。下面我将用这些标签来表示内存：
– 1 个字节的内存
– 1 个字节的被占用的内存
– 1 个字节的被占用但实际没有作用的内存（后面会详细解释这个）
⬆️ – 指向内存地址的指针
下面我使用这些标签来展示这个结构的内存布局：
type X struct {
n1 int16
n2 int16
}
它在内存中的布局是这样
Sizeof memory usage
X 结构体 有两个字段，其中每一个都占 2 个字节，所以整个结构体占用 size(n1) + size(n2) + size(X) = 2 + 2 + 0 = 4。显然，下面语句是成立的：
unsafe.Sizeof(X) == 4 // true
func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr
这个函数就有点难度了，函数签名和上面的函数是同样的，但是它返回的是 offset（偏移值）。我再次使用标签来解释这个机制——还是用刚才的 X 结构体，还是同样的两个字段：
type X struct {
n1 int16
n2 int16
}
现在我们已经知道他在内存里面是怎样布局的了，这一次我们来看看每个字段各占多少个字节，内存分配的情况如下图：
Offsetof memory usage
不难猜到，内存的布局是这样的：第一个字段 X.n1 占了前 2 个字节，而第二个字段 X.n2 占了接下来的 2 个字节。所以下面两个语句都是成立的：
unsafe.Offsetof(X.n1) == 0 // true
unsafe.Offsetof(X.n2) == 2 // true
func Alignof(x ArbitraryType) uintptr
这个函数是最好玩的一个，因为要透彻了解这个函数，你需要了解 alignment（数据结构对齐）[6] 是怎么回事。简单来说，它让数据在内存中以某种的布局来存放，使该数据的读取能够更加的快速。这个接收一个变量作为参数，并返回这个变量的对齐字节。为了更加直观，我们需要修改一下上面的例子：
type X struct {
n1 int8
n2 int16
}
可以看到现在 n1 的类型变成了 int8，这会有什么变化吗，我们先看看 Sizeof, 因为 n1 只占 1 个字节了，所以合理地推测，X 结构体的大小会变成 3，因为：size(X) = size(n1) + size(n2) = 1 + 2 = 3。 但是 现实真的如此吗 ？
……
不是的，因为 alignment 的缘故，X 结构体在内存的结构如下：
Alignof memory usage
由于 alignment 机制的要求，n2 的 内存起始地址应该是自身大小的整数倍 ，也就是说它的起始地址只能是 0、2、4、6、8 等偶数，所以 n2 的起始地址没有紧接着 n1 后面，而是空出了 1 个字节。最后导致结构体 X 的大小是 4 而不是 3。机智的读者可能会想到：n1 和 n2 换个位置会怎样呢？这样一来，n2 的起始地址是 0，而 n1 的其实地址是 2，这么一来结构体X 的大小就变成 3 了吧？答案是……不对的。原因还是因为 alignment，因为 alignment 除了要求字段的其实地址应该是自身大小的整数倍，还要求 整个结构体的大小，是结构体中最大的字段的大小的整数倍 ，这使得结构体可以由多个内存块组成，其中每个内存块的大小都等于最大的字段的大小。我们可以利用这个知识来减少结构体的内存占用。考察以下代码：
type First struct {
a int8
b int64
c int8
}
type Second struct {
a int8
c int8
b int64
}
fmt.Println("Big brain time: ", unsafe.Sizeof(First{}) == unsafe.Sizeof(Second{}))
上面两个结构体大小不同，是因为 First 结构体由三个大小为 8 字节的内存块组成：Sizeof(First.a) + 7 个空闲的字节 + Sizeof(First.b) + Sizeof(First.c) + 7 个空闲的字节 = 24 字节。而 Second 结构体只包含 2 个 大小为 8 字节的内存块：Sizeof(Second.a) + Sizeof(Second.b) + 6 个空闲的字节 + Sizeof(Second.b) = 16 字节。下次你定义结构体的时候可以用上这个小知识。
下面的代码片段总结了上述三个函数的用法：
var x struct {
a int64
b bool
c string
}
fmt.Println("Size of x: ", unsafe.Sizeof(x))
fmt.Println("Size of x.c: ", unsafe.Sizeof(x.c))
fmt.Println("Alignment of x.a: ", unsafe.Alignof(x.a))
fmt.Println("Alignment of x.b: ", unsafe.Alignof(x.b))
fmt.Println("Alignment of x.c: ", unsafe.Alignof(x.c))
fmt.Println("\nOffset of x.a: ", unsafe.Offsetof(x.a))
fmt.Println("Offset of x.b: ", unsafe.Offsetof(x.b))
fmt.Println("Offset of x.c: ", unsafe.Offsetof(x.c))
上述的三个方法都是在 编译期 [7] 执行的，这意味着只要它们在编译器没有报错，在运行时不会有问题发生。但是我们的下一位嘉宾 unsafe.Pointer 可就没那么好惹了，它有可能会发生[运行时的错误]( “运行时的错误”))。我将会在本文的第二部分详细介绍 unsafe.Pointer 以及使用它的过程中容易出现的问题。
via:
作者： Denys Nahurnyi[8] 译者： Alex-liutao[9] 校对： @unknwon[10]
本文由 GCTT[11] 原创编译， Go 中文网[12] 荣誉推出
参考资料
[1]
Lviv Golang community event:
[2]
golang.org: #pkg-overview
[3]
golang.org: #pkg-overview
[4]
Linus Torvalds:
[5]
没有源码:
[6]
alignment（数据结构对齐）: 数据结构对齐
[7]
编译期:
[8]
Denys Nahurnyi:
[9]
Alex-liutao:
[10]
@unknwon:
[11]
GCTT:
[12]
Go 中文网:
