[]byte与string的两种转换方式和底层实现

fasthttp关于string和[]byte的转换方式和大家平常普遍使用的方式不一样,fasthttp转换实现如下:

//[]byte转string
func b2s(b []byte) string {
    return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}
 
//string转[]byte
func s2b(s string) (b []byte) {
    bh := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
    sh := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
    bh.Data = sh.Data
    bh.Cap = sh.Len
    bh.Len = sh.Len
    return b
}

为什么不用我们常见的string和[]byte的转换方式呢?这样做是怎么提高性能的呢?…

带着这些疑问,今天不念将分享下并总结string和[]byte的转换方式,不同的转换方式之间的实现和区别!

图片[1]-[]byte与string的两种转换方式和底层实现-不念博客

两种转换方式

如果此时此刻你刚好遇到面试官问你string和[]byte如何进行转换,有几种方式?你能答上来吗

反正在写这篇文章之前不念估计是答不出来的,哈哈!

毕竟知道的越多,不知道的也越多嘛

那今天我们就来聊聊,继续往下读之前,我们先了解下这两种数据类型:

string和[]byte

图片[2]-[]byte与string的两种转换方式和底层实现-不念博客

从上图中可以看出 stringStruct和slice还是有一些相似之处,str和array指针指向底层数组的地址,len代表的就是数组长度。

关于string类型,在go标准库中官方说明如下:

// string is the set of all strings of 8-bit bytes, conventionally but not
// necessarily representing UTF-8-encoded text. A string may be empty, but
// not nil. Values of string type are immutable.

type string string

string是8位字节的集合,string的定义在上图中左侧,通常但不一定代表UTF-8编码的文本。string可以为空,但是不能为nil,并且string的值是不能改变的。

为什么string类型没有cap字段

string的不可变性,也就不能直接向底层数组追加元素,所以不需要Cap。

而[]byte就是一个byte类型的切片,切片本质也是一个结构体。

这里我们先记住下这两种数据类型的特点,对后面的了解两者的转换有帮助!

标准方式

Golang中string与[]byte的互换,这是我们常用的,也是立马能想到的转换方式,这种方式称为标准方式。

// string 转 []byte
s1 := "xiaoxu"
b := []byte(s1)

// []byte 转 string
s2 := string(b)

那还有其他方式吗?当然有的,那就是强转换

强转换方式

强转换方式是通过unsafe和reflect包来实现的,代码如下:

//[]byte转string
func b2s(b []byte) string {
    return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}
 
//string转[]byte
func s2b(s string) (b []byte) {
    bh := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
    sh := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
    bh.Data = sh.Data
    bh.Cap = sh.Len
    bh.Len = sh.Len
    return b
}

可以看出利用reflect.SliceHeader(代表一个运行时的切片) 和 unsafe.Pointer进行指针替换。

为什么可以这么做呢?

前面我们在讲string和[]byte类型的时候就提了,因为两者的底层结构的字段相似!

array和str的len是一致的,而唯一不同的就是cap字段,所以他们的内存布局上是对齐的。

分析

我们看下这两种转换方式底层是如何实现的,这些实现代码在标准库中都是有的,下面底层实现的代码来自Go 1.18.6版本。

标准方式底层实现

string转[]byte底层实现

先看string转[]byte的实现,(实现源码在 src/runtime/string.go 中)

const tmpStringBufSize = 32

//长度32的数组
type tmpBuf [tmpStringBufSize]byte

//时间函数
func stringtoslicebyte(buf *tmpBuf, s string) []byte {
    var b []byte
    //判断字符串长度是否小于等于32
    if buf != nil && len(s) <= len(buf) {
        *buf = tmpBuf{}
        b = buf[:len(s)]
    } else {
        //预定义数组长度不够,重新分配内存
        b = rawbyteslice(len(s))
    }
    copy(b, s)
    return b
}

// rawbyteslice allocates a new byte slice. The byte slice is not zeroed.
//rawbyteslice函数 分配一个新的字节片。字节片未归零
func rawbyteslice(size int) (b []byte) {
    cap := roundupsize(uintptr(size))
    p := mallocgc(cap, nil, false)
    if cap != uintptr(size) {
        memclrNoHeapPointers(add(p, uintptr(size)), cap-uintptr(size))
    }

    *(*slice)(unsafe.Pointer(&b)) = slice{p, size, int(cap)}
    return
}
图片[3]-[]byte与string的两种转换方式和底层实现-不念博客

上面代码可以看出string转[]byte是,会根据字符串长度来决定是否需要重新分配一块内存。

  • • 预先定义了一个长度为32的数组
  • • 若字符串的长度不超过这个长度32的数组,copy函数实现string到[]byte的拷贝
  • • 若字符串的长度超过了这个长度32的数组,重新分配一块内存了,再进行copy

[]byte转string底层实现

再看[]byte转string的实现,(实现源码在 src/runtime/string.go 中)

const tmpStringBufSize = 32

//长度32的数组
type tmpBuf [tmpStringBufSize]byte

//实现函数
func slicebytetostring(buf *tmpBuf, ptr *byte, n int) (str string) {
    ...
    if n == 1 {
        p := unsafe.Pointer(&staticuint64s[*ptr])
        if goarch.BigEndian {
            p = add(p, 7)
        }
        stringStructOf(&str).str = p
        stringStructOf(&str).len = 1
        return
    }

    var p unsafe.Pointer
    //判断字符串长度是否小于等于32
    if buf != nil && n <= len(buf) {
        p = unsafe.Pointer(buf)
    } else {
        p = mallocgc(uintptr(n), nil, false)
    }
    stringStructOf(&str).str = p
    stringStructOf(&str).len = n
    //拷贝byte数组至字符串
    memmove(p, unsafe.Pointer(ptr), uintptr(n))
    return
}

跟string转[]byte一样,当数组长度超过32时,同样需要调用mallocgc分配一块新内存

强转换底层实现

从标准的转换方式中,我们知道如果字符串长度超过32的话,会重新分配一块新内存,进行内存拷贝。

//string转[]byte
func s2b(s string) (b []byte) {
    bh := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b))
    sh := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
    bh.Data = sh.Data
    bh.Cap = sh.Len
    bh.Len = sh.Len
    return b
}

强转换过程中,通过 神奇的unsafe.Pointer指针

  • • 任何类型的指针 *T 都可以转换为unsafe.Pointer类型的指针,可以存储任何变量的地址
  • • unsafe.Pointer 类型的指针也可以转换回普通指针,并且可以和类型*T不相同

refletc包的 reflect.SliceHeader 和 reflect.StringHeader分别代表什么意思?

reflect.SliceHeader:slice类型的运行时表示形式

reflect.StringHeader:string类型的运行时表示形式

//slice在运行时的描述符
type SliceHeader struct {      
     Data uintptr
     Len  int
    Cap  int
}

//string在运行时的描述符
type StringHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
}

*(reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&b)) 的目的就是通过unsafe.Pointer 把它们转换为 *reflect.SliceHeader 指针。

而运行时表现形式 SliceHeader 和 StringHeader,而这两个结构体都有一个 Data 字段,用于存放指向真实内容的指针。

[]byte 和 string之间的转换,就可以理解为是通过 unsafe.Pointer 把 *SliceHeader 转为 *StringHeader,也就是 *[]byte 和 *string之间的转换。

那么我们就可以理解相对于标准转换方式,强转换方式的优点在哪了!

直接替换指针的指向,避免了申请新内存(零拷贝),因为两者指向的底层字段Data地址相同

总结

今天不念和大家一起了解了[]byte和string类型,以及[]byte和string的两种转换方式。

不过Go语言提供给我们使用的还是标准转换方式,主要是因为在你不确定安全隐患的情况下,使用强转化方式可能不必要的问题。

不过像fasthttp那样,对程序对运行性能有高要求,那就可以考虑使用强转换方式!

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