详解如何使用unsafe标准库突破Golang中的类型限制

2024-08-14 14:05 开发作者：码乐

1 简介

在使用C语言编程时，常常因为类型的问题大伤脑筋，而其他语言比如Java，python默认类型又是难以改变的，golang提供了一些方式用于喜欢hack的用户。

2 标准库unsafe的简单介绍

官方说明标准库 unsafe 包含绕过 Go 程序的类型安全的操作。

导入unsafe包可能是不可移植的，并且不受 Go 1 兼容性指南的保护。

在1.20中，标准库的unsafe包很小, 二个结构体类型，八个函数，在一个文件中。

package unsage

    type ArbitraryType int
    type IntegerType int
    type Pointer *ArbitraryType

    func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr
    func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr
    func Alignof(x ArbitraryType) uintptr

    func Add(ptr Pointer, len IntegerType) Pointer
    func Slice(ptr *ArbitraryType, len IntegerType) []ArbitraryType
    func SliceData(slice []ArbitraryType) *ArbitraryType
    func String(ptr *byte, len IntegerType) string
    func StringData(str string) *byte

unsafe包定义了二个类型和八个函数，二个类型 ArbitraryType 和 IntegerType 不真正属于unsafe包，我们在Go代码中并不能使用它们定义变量编程客栈。

它表示一个任意表达式的类型，仅用于文档目的，Go编译器会对其做特殊处理。

虽然位于 unsafe，但是 Alignof，Offsetof，Sizeof，这三个函数的使用是绝对安全的。以至于Go设计者Rob pike提议移走它们。

这三个函数的共同点是都返回 uintptr 类型。

之所以使用 uintptr 类型而不是 uint64 整型，因为这三个函数更多应用于有 unsafe.Pointer和 uintptr类型参数的指针运算。

采用uintptr做为返回值类型可以减少指针运算表达式的显式类型转换。

2.1 获取大小 Sizeof

Sizeof 用于获取一个表达式的大小。该函数获取一个任意类型的表达式 x，并返回按bytes计算的大小，假设变量v，并且v通过 v =x声明。

Sizeof 接收任何类型的表达式x，并返回以bytes字节为单位的大小，并且假设变量v是通过var v = x声明的。该大小不包括任何可能被x引用的内存。

例如，如果x是一个切片，Sizeof返回切片描述符的大小，而不是该片所引用的内存的大小。

对于一个结构体，其大小包括由字段对齐引入的任何填充。

如果参数x的类型没有变化，不具有可变的大小，Sizeof的返回值是一个Go常数不可变值。

（如果一个类型是一个类型参数，或者是一个数组，则该类型具有可变的大小或结构类型中的元素大小可变）。

示例：

var (
        i  int = 5
        a      = [10]int{}
        ss     = a[:]
        f  FuncFoo

        preValue = map[string]uintptr{
            "i":       8,
            "a":       80,
            "ss":      24,
            "f":       48,
            "f.c":     10,
            "int_nil": 8,
        }
    )

    type FuncFoo struct {
        a int
        b string
        c [10]byte
        d float64
    }
    func TestFuncSizeof(t *testing.T) {
        defer setUp(t.Name())()
        fmt.Printf("\tExecute test:%v\n", t.Name())

        if unsafe.Sizeof(i) != preValue["i"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("size: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["i"]), t)
        }

        if unsafe.Sizeof(a) != preValue["a"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("size: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["a"]), t)

        }

        if unsafe.Sizeof(ss) != preValue["ss"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("size: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["ss"]), t)

        }
        if unsafe.Sizeof(f) != preValue["f"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("size: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["f"]), t)

        }
        if unsafe.Sizeof(f.c) != preValue["f.c"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("size: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["f.c"]), t)

        }
        if unsafe.Sizeof(unsafe.Sizeof((*int)(nil))) != preValue["int_nil"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("size: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["int_nil"])编程客栈, t)

        }
    }

Sizeof 函数不支持之间传入无类型信息的nil值，如下错误

unsafe.Sizeof(nil)

我们必须显式告知 Sizeof 传入的nil究竟是那个类型，

unsafe.Sizeof(unsafe.Sizeof((*int)(nil)))

必须显式告知nil是哪个类型的nil，这就是传入一个值 nil 但是类型明确的变量。

对齐系数 Alignof 用于获取一个表达式的内地地址对齐系数，对齐系数 alignment factor 是一个计算机体系架构 computer architecture 层面的术语。

在不同计算机体系中，处理器对变量地址都有对齐要求，即变量的地址必须可被该变量的对齐系数整除。

它接收一个任何类型的表达式x，并返回所需的排列方式假设变量v是通过var v = x声明的。

它是m一个最大的值。

例1，

a      = [10]int{}

        reflect.TypeOf(x).Align()  //8
        unsafe.Alignof(a)   //8

它与reflect.TypeOf(x).Align()返回的值相同。

作为一个特例，如果一个变量s是结构类型，f是一个字段，那么Alignof(s.f)将返回所需的对齐方式。

该类型的字段在结构中的位置。这种情况与reeflect.TypeOf(s.f).FieldAlign()返回的值。

Alignof的返回值是一个Go常数，如果参数的类型不具有可变大小。

（关于可变大小类型的定义，请参见[Sizeof]的描述）。

继上例2：

var (
        i  int = 5
        a      = [10]int{}
        ss     = a[:]
        f  FuncFoo
        zhs = "文"

        preValue = map[string]uintptr{
            "i":       8,
            "a":       80,
            "ss":      24,
            "f":       48,
            "f.c":     10,
            "int_nil": 8,
        }
    )

    func TestAlignof(t *testing.T) {

        defer setUp(t.Name())()
        fmt.Printf("\tExecute test:%v\n", t.Name())

        var x int 

        b := uintptr(unsafe.Pointer(&x))%unsafe.Alignof(x) == 0
        t.Log("alignof:", b)

        if unsafe.Alignof(i) != preValue["i"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["int_nil"]), t)

        }

        if unsafe.Alignof(a) != preValue["i"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["int_nil"]), t)

        }

        if unsafe.Alignof(ss) != preValue["i"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["int_nil"]), t)

        }

        if unsafe.Alignof(f.a) != preValue["i"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["int_nil"]), t)

        }

        if unsafe.Alignof(f) != preValue["i"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["int_nil"]), t)

        }

中文对齐系数为 8

if unsafe.Alignof(zhs) != preValue["i"] {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), preValue["i"]), t)
        }

空结构体对齐系数 1

if unsafe.Alignof(struct{}{}) != 1 {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), 1), t)
        }

byte 数组对齐系数为 1

if unsafe.Alignof(sbyte) != 1 {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), 1), t)
        }

长度为0 的数组，与其元素的对齐系数相同

if unsafe.Alignof([0]int{}) != 8 {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), 8), t)
        }

长度为0 的数组，与其元素的对齐系数相同

if unsafe.Alignof([0]struct{}{}) != 1 {
            ErrorHandler(fmt.Sprintf("Alignof: %v not equal %v", unsafe.Sizeof(i), 1), t)
        }

    }

执行它：

go test -timeout 30s -run ^TestAlignof$ ./unsafe_case.go

对齐系数 alignment factor，变量的地址必须可被该变量的对齐系数整除。

2.2 使用对齐的例子

我们使用相同字段，分别创建两个结构体属性分别为对齐或不对齐，帮助 go 更好地分配内存和使用cpu读取，查看效果

type RandomResource struct {
        Cloud               string // 16 bytes
        Name                string // 16 bytes
        HaveDSL             bool   //  1 byte
        PluginVersion       string // 16 bytes
        IsVersionControlled bool   //  1 byte
        TerraformVersion    string // 16 bytes
        ModuleVersionMajor  int32  //  4 bytes
    }

    type OrderResource struct {
        ModuleVersionMajor  int32  //  4 bytes
        HaveDSL             boohttp://www.devze.coml   //  1 byte
        IsVersionControlled bool   //  1 byte
        Cloud               string // 16 bytes
        Name                string // 16 bytes
        PluginVersion       string // 16 bytes
        TerraformVersion    string // 16 bytes

    }

字段存储使用的空间与字段值没有关系

var d RandomResource
         d.Cloud = "aws-singapore"
         ...

         InfoHandler(fmt.Sprintf("随机顺序属性的结构体内存 总共占用 StructType: %T => [%d]\n", d, unsafe.Sizeof(d)), m)
         var te = OrderResource{}
         te.Cloud = "aws-singapore"  
         ...
         m.Logf("属性对齐的结构体内存 总共占用  StructType:d %T => [%d]\n", te, unsafe.Sizeof(te))

然后复制结构体，并改变其属性值，查看存储空间和值的长度变化

te2 := te
        te2.Cloud = "ali2"
        m.Logf("结构体2 te2:%#v\n", &te2)
        m.Logf("结构体1 te:%#v\n", &te)

        m.Log("改变 te3 将同时改变 te,te3 指向了 te的地址")
        m.Log("复制了对齐结构体，并重新赋值，用于查看字段长度。")
        m.Log("(*te).Cloud:", (te).Cloud, "*te.Cloud", te.Cloud, "te size:", unsafe.Sizeof(te.Cloud), "te value len:", len(te.Cloud))

        te3 := &te
        te3.Cloud = "HWCloud2"

        m.Log("(*te3).Cloud:", (*te3).Cloud, "*te3.Cloud", te3.Cloud, "te3 size:", unsafe.Sizeof(te3.Cloud), "te3 value len:", len(te3.Cloud))
        m.Logf("字段 Cloud:%v te3:%p\n", (*te3).Cloud, te3)
        m.Logf(tWerV"字段 Cloud:%v order:%v te:%v, addr:%p\n", te.Cloud, (te).Cloud, te, &te)

执行它，

go test -v .\case_test.go

得到以下输出:

随机顺序属性的结构体内存总共占用 StructType: main.Raesource => [88]

属性对齐的结构体内存总共占用 StructType:d jsmain.OrderResource => [72]

改变 te3 将同时改变 te,te3 指向了 te的地址

case_test.go:186: 复制了对齐结构体，并重新赋值，用于查看字段长度。
case_test.go:188: (*te).Cloud: aws-singapore *te.Cloud aws-singapore te size: 16 te Alignof: 8 te value len: 13 reflect Align len and field Align len: 8 8
case_test.go:190: (*te2).Cloud: ali2 *te2.Cloud aws-singapore te2 size: 16 te2 Alignof: 8 te2 value len: 4 reflect Align len and field Align len: 8 8
case_test.go:196: (*te3).Cloud: HWCloud2-asia-southeast-from-big-plant-place-air-local-video-service-picture-merge-from-other-all-company *te3.Cloud HWCloud2-asia-southeast-from-big-plant-place-air-local-video-service-picture-merge-from-other-all-company te3
size: 16 te3 Alignof: 8 te3 value len: 105 reflect Align len and field Align len: 8 8
case_test.go: 结构体1字段 Cloud:HWCloud2-asia-southeast-from-big-plant-place-air-local-video-service-picture-merge-from-other-all-company te2:0xc0000621e0
case_test.go:198: 结构体2字段 Cloud:ali2 te2:0xc000062280
case_test.go:199: 结构体3字段 Cloud:HWCloud2-asia-southeast-from-big-plant-place-air-local-video-service-picture-merge-from-other-all-company te3:0xc0000621e0

小结

我们介绍了unsafe包的检查功能，在初始化时，go结构体已经分配了对于的内存空间，

一个结构体而言，结构体属性为随机顺序的，go将分配更多内存空间。即使是复制后。

比如结构体的Cloud 字段。

Sizeof表达式大小总是16，

而对齐系数 Alignof 大小总是8，

而在不同的结构体实例中值长度可以为 4，13， 105.

本节源码地址：https://github.com/hahamx/examples/tree/main/alg_practice/2_sys_io

到此这篇关于详解如何使用unsafe标准库突破Golang中的类型限制的文章就介绍到这了,更多相关Go unsafe内容请搜索编程客栈(www.devze.com)以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程客栈(www.devze.com)！

继续阅读：Go unsafe Go unsafe使用 Go unsafe类型限制

详解如何使用unsafe标准库突破Golang中的类型限制

目录

1 简介

2 标准库unsafe的简单介绍

2.1 获取大小 Sizeof

2.2 使用对齐的例子

小结

更多精彩内容

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