深入了解Golang的指针用法

与C语言一样，Go语言中同样有指针，通过指针，我们可以只传递变量的内存地址，而不是传递整个变量，这在一定程度上可以节省内存的占用，但凡事有利有弊，Go指针在使用也有一些注意点，稍不留神就会踩坑，下面就让我们一起来细嗦下。

1.指针类型的变量

在Golang中，我们可以通过**取地址符号&**得到变量的地址，而这个新的变量就是一个指针类型的变量，指针变量与普通变量的区别在于，它存的是内存地址，而不是实际的值。

图一

如果是普通类型的指针变量（比如 int），是无法直接对其赋值的，必须通过 * 取值符号才行。

func main() {

	num := 1

	numP := &num

	

	//numP = 2 // 报错：(type untyped int) cannot be represented by the type *int

	*numP = 2

}

但结构体却比较特殊，在日常开发中，我们经常看到一个结构体指针的内部变量仍然可以被赋值，比如下面这个例子，这是为什么呢？

type Test struct {

	Num int

}



// 直接赋值和指针赋值

func main() {

	test := Test{Num: 1}

	test.Num = 3

	fmt.Println("v1", test) // 3



	testP := &test

	testP.Num = 4           // 结构体指针可以赋值

	fmt.Println("v2", test) // 4

}

这是因为结构体本身是一个连续的内存，通过 testP.Num ，本质上拿到的是一个普通变量，并不是一个指针变量，所以可以直接赋值。

图二

那slice、map、channel这些又该怎么理解呢？为什么不用取地址符号也能打印它们的地址？比如下面的例子

func main() {

	nums := []int{1, 2, 3}

	fmt.Printf("%p\n", nums)     // 0xc0000160c0

	fmt.Printf("%p\n", &nums[0]) // 0xc0000160c0



	maps := map[string]string{"aa": "bb"}

	fmt.Printf("%p\n", maps) // 0xc000076180



	ch := make(chan int, 0)

	fmt.Printf("%p\n", ch) // 0xc00006c060

}

这是因为，它们本身就是指针类型！只不过Go内部为了书写的方便，并没有要求我们在前面加上 *** 符号**。

在Golang的运行时内部，创建slice的时候其实返回的就是一个指针：

// 源码  runtime/slice.go

// 返回值是：unsafe.Pointer

func makeslice(et *_type, len, cap int) unsafe.Pointer {

	mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(cap))

	if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 || len > cap {

		// NOTE: Produce a 'len out of range' error instead of a

		// 'cap out of range' error when someone does make([]T, bignumber).

		// 'cap out of range' is true too, but since the cap is only being

		// supplied implicitly, saying len is clearer.

		// See golang.org/issue/4085.

		mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(len))

		if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 {

			panicmakeslicelen()

		}

		panicmakeslicecap()

	}



	return mallocgc(mem, et, true)

}

而且返回的指针地址其实就是slice第一个元素的地址（上面的例子也体现了），当然如果slice是一个nil，则返回的是 0x0 的地址。slice在参数传递的时候其实拷贝的指针的地址，底层数据是共用的，所以对其修改也会影响到函数外的slice，在下面也会讲到。

map和slice其实也是类似的，在在Golang的运行时内部，创建map的时候其实返回的就是一个hchan指针：

// 源码  runtime/chan.go

// 返回值是：*hchan

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {

	elem := t.elem



	// compiler checks this but be safe.

	if elem.size >= 1<<16 {

		throw("makechan: invalid channel element type")

	}

	...

	return c

}

最后，为什么 fmt.Printf 函数能够直接打印slice、map的地址，除了上面的原因，还有一个原因是其内部也做了特殊处理：

// 第一层源码

func Printf(format string, a ...interface{}) (n int, err error) {

	return Fprintf(os.Stdout, format, a...)

}



// 第二层源码

func Fprintf(w io.Writer, format string, a ...interface{}) (n int, err error) {

	p := newPrinter()

	p.doPrintf(format, a)  // 核心

	n, err = w.Write(p.buf)

	p.free()

	return

}



// 第三层源码

func (p *pp) doPrintf(format string, a []interface{}) {

	 ...

	default:

			// Fast path for common case of ascii lower case simple verbs

			// without precision or width or argument indices.

			if 'a' <= c && c <= 'z' && argNum < len(a) {

				...

				p.printArg(a[argNum], rune(c))   // 核心是这里

				argNum++

				i++

				continue formatLoop

			}

			// Format is more complex than simple flags and a verb or is malformed.

			break simpleFormat

		}



}



// 第四层源码

func (p *pp) printArg(arg interface{}, verb rune) {

	p.arg = arg

	p.value = reflect.Value{}

  ...

	case 'p':

		p.fmtPointer(reflect.ValueOf(arg), 'p')

		return

	}

	...

}



// 最后了

func (p *pp) fmtPointer(value reflect.Value, verb rune) {

	var u uintptr

	switch value.Kind() {

  // 这里对这些特殊类型直接获取了其地址

	case reflect.Chan, reflect.Func, reflect.Map, reflect.Ptr, reflect.Slice, reflect.UnsafePointer:

		u = value.Pointer()

	default:

		p.badVerb(verb)

		return

	}

  ...

}

2.Go只有值传递，没有引用传递

值传递和引用传递相信大家都比较了解，在函数的调用过程中，如果是值传递，则在传递过程中，其实就是将参数的值复制一份传递到函数中，如果在函数内对其修改，并不会影响函数外面的参数值，而引用传递则相反。

type User struct {

	Name string

	Age  int

}



// 引用传递

func setNameV1(user *User) {

	user.Name = "test_v1"

}



// 值传递

func setNameV2(user User) {

	user.Name = "test_v2"

}



func main() {

	u := User{Name: "init"}

	fmt.Println("init", u)  // init {init 0}



	up := &u

	setNameV1(up)

	fmt.Println("v1", u) // v1 {test_v1 0}



	setNameV2(u)

	fmt.Println("v2", u) // v2 {test_v1 0}

}

但在Golang中，这所谓的“引用传递”其实本质上是值传递，因为这时候也发生了拷贝，只不过这时拷贝的是指针，而不是变量的值，所以**“Golang的引用传递其实是引用的拷贝”。**

图三

可以通过以下代码验证：

type User struct {

	Name string

	Age  int

}



// 注意这里有个误区，我一开始看 user（v1）打印后的地址和一开始（init）是一致的，从而以为这是引用传递

// 其实这里的user应该看做一个指针变量，我们需要对比的是它的地址，所以还要再取一次地址

func setNameV1(user *User) {

	fmt.Printf("v1: %p\n", user)  // 0xc0000a4018  与 init的地址一致

	fmt.Printf("v1_p: %p\n", &user) // 0xc0000ac020

	user.Name = "test_v1"

}



// 值传递

func setNameV2(user User) {

	fmt.Printf("v2_p: %p\n", &user) //0xc0000a4030

	user.Name = "test_v2"

}



func main() {

	u := User{Name: "init"}



	up := &u

	fmt.Printf("init: %p \n", up) //0xc0000a4018

	setNameV1(up)

	setNameV2(u)

}

注：slice、map等本质也是如此。

3.for range与指针

for range是在Golang中用于遍历元素，当它与指针结合时，稍不留神就会踩坑，这里有一段经典代码：

type User struct {

	Name string

	Age  int

}



func main() {

	userList := []User {

		User{Name: "aa", Age: 1},

		User{Name: "bb", Age: 1},

	}



	var newUser []*User

	for _, u := range userList {

		newUser = append(newUser, &u)

	}



	// 第一次：bb

	// 第二次：bb

	for _, nu := range newUser {

		fmt.Printf("%+v", nu.Name)

	}

}

按照正常的理解，应该第一次输出aa，第二次输出bb，但实际上两次都输出了bb，这是因为 for range 的时候，变量u实际上只初始化了一次（每次遍历的时候u都会被重新赋值，但是地址不变），导致每次append的时候，添加的都是同一个内存地址，所以最终指向的都是最后一个值bb。

我们可以通过打印指针地址来验证：

func main() {

	userList := []User {

		User{Name: "aa", Age: 1},

		User{Name: "bb", Age: 1},

	}



	var newUser []*User

	for _, u := range userList {

		fmt.Printf("point: %p\n", &u)

		fmt.Printf("val: %s\n", u.Name)

		newUser = append(newUser, &u)

	}

}



// 最终输出结果如下：

point: 0xc00000c030

val: aa

point: 0xc00000c030

val: bb

类似的错误在Goroutine也经常发生：

// 这里要注意下，理论上这里都应该输出10的，但有可能出现执行到7或者其他值的时候就输出了，所以实际上这里不完全都输出10

func main() {

	for i := 0; i < 10; i++ {

		go func(idx *int) {

			fmt.Println("go: ", *idx)

		}(&i)

	}

	time.Sleep(5 * time.Second)

}

4.闭包与指针

什么是闭包，一个函数和对其周围状态（lexical environment，词法环境）的引用捆绑在一起（或者说函数被引用包围），这样的组合就是闭包（closure）。也就是说，闭包让你可以在一个内层函数中访问到其外层函数的作用域。

当闭包与指针进行结合时，如果闭包里面是一个指针变量，则外部变量的改变，也会影响到该闭包，起到意想不到的效果，让我们继续在举几个例子进行说明：

func incr1(x *int) func() {

	return func() {

		*x = *x + 1   // 这里是一个指针

		fmt.Printf("incr point x = %d\n", *x)

	}

}

func incr2(x int) func() {

	return func() {

		x = x + 1

		fmt.Printf("incr normal x = %d\n", x)

	}

}



func main() {

	x := 1

	i1 := incr1(&x)

	i2 := incr2(x)

	i1() // point x = 2

	i2() // normal x = 2

	i1() // point x = 3

	i2() // normal x = 3



	x = 100

	i1() // point x = 101  // 闭包1的指针变量受外部影响，被重置为100，并继续递增

	i2() // normal x = 4

	i1() // point x = 102

	i2() // normal x = 5

}

5.指针与内存逃逸

内存逃逸的场景有很多，这里只讨论由指针引发的内存逃逸。理想情况下，肯定是尽量减少内存逃逸，因为这意味着GC（垃圾回收）的压力会减小，程序也会运行得更快。不过，使用指针又能减少内存的占用，所以这本质是内存和GC的权衡，需要合理使用。

下面是指针引发的内存逃逸的三种场景（欢迎大家补充~）

第一种场景：函数返回局部变量的指针

type Escape struct {

	Num1  int

	Str1  *string

	Slice []int

}



// 返回局部变量的指针

func NewEscape() *Escape {

	return &Escape{}   // &Escape{} escapes to heap

}



func main() {

	e := &Escape{Num1: 0}

}

第二种场景：被已经逃逸的变量引用的指针

func main() {

	e := NewEscape()

	e.SetNum1(10)



	name := "aa"

	// e.Str1 中，e是已经逃逸的变量， &name是被引用的指针

	e.Str1 = &name  // moved to heap: name

}

第三种场景：被指针类型的slice、map和chan引用的指针

func main() {

	e := NewEscape()

	e.SetNum1(10)



	name := "aa"

	e.Str1 = &name



	// 指针类型的slice

	arr := make([]*int, 2) 

	n := 10  // moved to heap: n

	arr[0] = &n // 被引用的指针

}