Go string 实现原理剖析(你真的了解string吗)

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string标准概念

Go标准库builtin给出了所有内置类型的定义。
源代码位于src/builtin/builtin.go,其中关于string的描述如下:

// 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

所以string是8比特字节的集合,通常但并不一定是UTF-8编码的文本。

另外,还提到了两点,非常重要:

string 数据结构

源码包src/runtime/string.go:stringStruct定义了string的数据结构:

type stringStruct struct {
	str unsafe.Pointer
	len int
}

其数据结构很简单:

string数据结构跟切片有些类似,只不过切片还有一个表示容量的成员,事实上string和切片,准确的说是byte切片经常发生转换。这个后面再详细介绍。

string操作

声明

如下代码所示,可以声明一个string变量变赋予初值:

    var str string
    str = "Hello World"

字符串构建过程是先跟据字符串构建stringStruct,再转换成string。转换的源码如下:

func gostringnocopy(str *byte) string { // 跟据字符串地址构建string
	ss := stringStruct{str: unsafe.Pointer(str), len: findnull(str)} // 先构造stringStruct
	s := *(*string)(unsafe.Pointer(&ss))                             // 再将stringStruct转换成string
	return s
}

string在runtime包中就是stringStruct,对外呈现叫做string。

[]byte转string

byte切片可以很方便的转换成string,如下所示:

func GetStringBySlice(s []byte) string {
    return string(s)
}

需要注意的是这种转换需要一次内存拷贝。

转换过程如下:

  1. 跟据切片的长度申请内存空间,假设内存地址为p,切片长度为len(b);
  2. 构建string(string.str = p;string.len = len;)
  3. 拷贝数据(切片中数据拷贝到新申请的内存空间)

转换示意图:

string转[]byte

string也可以方便的转成byte切片,如下所示:

func GetSliceByString(str string) []byte {
    return []byte(str)
}

string转换成byte切片,也需要一次内存拷贝,其过程如下:

转换示意图:

字符串拼接

字符串可以很方便的拼接,像下面这样:

str := "Str1" + "Str2" + "Str3"

即便有非常多的字符串需要拼接,性能上也有比较好的保证,因为新字符串的内存空间是一次分配完成的,所以性能消耗主要在拷贝数据上。

一个拼接语句的字符串编译时都会被存放到一个切片中,拼接过程需要遍历两次切片,第一次遍历获取总的字符串长度,据此申请内存,第二次遍历会把字符串逐个拷贝过去。

字符串拼接伪代码如下:

func concatstrings(a []string) string { // 字符串拼接
    length := 0        // 拼接后总的字符串长度

    for _, str := range a {
        length += length(str)
    }

    s, b := rawstring(length) // 生成指定大小的字符串,返回一个string和切片,二者共享内存空间

    for _, str := range a {
        copy(b, str)    // string无法修改,只能通过切片修改
        b = b[len(str):]
    }
    
    return s
}

因为string是无法直接修改的,所以这里使用rawstring()方法初始化一个指定大小的string,同时返回一个切片,二者共享同一块内存空间,后面向切片中拷贝数据,也就间接修改了string。

rawstring()源代码如下:

func rawstring(size int) (s string, b []byte) { // 生成一个新的string,返回的string和切片共享相同的空间
	p := mallocgc(uintptr(size), nil, false)

	stringStructOf(&s).str = p
	stringStructOf(&s).len = size

	*(*slice)(unsafe.Pointer(&b)) = slice{p, size, size}

	return
}

为什么字符串不允许修改?

像C++语言中的string,其本身拥有内存空间,修改string是支持的。但Go的实现中,string不包含内存空间,只有一个内存的指针,这样做的好处是string变得非常轻量,可以很方便的进行传递而不用担心内存拷贝。

因为string通常指向字符串字面量,而字符串字面量存储位置是只读段,而不是堆或栈上,所以才有了string不可修改的约定。

[]byte转换成string一定会拷贝内存吗?

byte切片转换成string的场景很多,为了性能上的考虑,有时候只是临时需要字符串的场景下,byte切片转换成string时并不会拷贝内存,而是直接返回一个string,这个string的指针(string.str)指向切片的内存。

比如,编译器会识别如下临时场景:

因为是临时把byte切片转换成string,也就避免了因byte切片同容改成而导致string引用失败的情况,所以此时可以不必拷贝内存新建一个string。

string和[]byte如何取舍

string和[]byte都可以表示字符串,但因数据结构不同,其衍生出来的方法也不同,要跟据实际应用场景来选择。

string 擅长的场景:

[]byte擅长的场景:

虽然看起来string适用的场景不如[]byte多,但因为string直观,在实际应用中还是大量存在,在偏底层的实现中[]byte使用更多。

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