深入探究 Go 结构

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在 Go 中，“struct” 是一种用于定义和封装数据的聚合类型。它允许组合不同类型的字段。结构体可以看作是与其他语言中的类类似的自定义数据类型，但它们不支持继承。方法是与特定类型（通常是结构体）关联的函数，可以使用该类型的实例进行调用。

定义和初始化结构

定义结构体

结构体使用 `type` 和 `struct` 关键字定义。以下是简单结构体定义的示例：

type User struct {
  Username    string
  Email       string
  SignInCount int
  IsActive    bool
}

初始化结构体

结构体可以用多种方式初始化。

使用字段名称初始化

user1 := User{
  Username:    "alice",
  Email:       "alice@example.com",
  SignInCount: 1,
  IsActive:    true,
}

使用默认值初始化

如果未指定某些字段，则它们将被初始化为相应类型的零值。

user2 := User{
  Username: "bob",
}

在这个例子中，`Email` 将被初始化为空字符串 (`""`)，`SignInCount` 将被初始化为 `0`，`IsActive` 将被初始化为 `false`。

使用指针初始化

结构体也可以使用指针来初始化。

user3 := &User{
  Username: "charlie",
  Email:    "charlie@example.com",
}

结构体的方法和行为

在 Go 中，结构体不仅用于存储数据，还可以为其定义方法。这使得结构体能够封装与其数据相关的行为。下面详细解释结构体方法和行为。

定义结构体的方法

方法使用接收器来定义，接收器是方法的第一个参数，指定方法所属的类型。接收器可以是值接收器，也可以是指针接收器。

值接收者

值接收者在调用方法时创建结构的副本，因此对字段的修改不会影响原始结构。

type User struct {
  Username string
  Email    string
}

func (u User) PrintInfo() {
  fmt.Printf("Username: %s, Email: %s\n", u.Username, u.Email)
}

指针接收器

指针接收器允许方法直接修改原始结构字段。

func (u *User) UpdateEmail(newEmail string) {
  u.Email = newEmail
}

方法集

在Go中，结构体的所有方法组成了结构体的方法集。值接收者的方法集包括所有以值接收者为接收者的方法；指针接收者的方法集包括所有同时以指针和值接收者为接收者的方法。

接口和结构方法

结构体方法通常与接口一起使用以实现多态性。定义接口时，可以指定结构体必须实现的方法。

type UserInfo interface {
  PrintInfo()
}

// User implements the UserInfo interface
func (u User) PrintInfo() {
  fmt.Printf("Username: %s, Email: %s\n", u.Username, u.Email)
}

func ShowInfo(ui UserInfo) {
  ui.PrintInfo()
}

结构中的内存对齐

在 Go 中，结构体的内存对齐是为了提高访问效率而设计的。不同的数据类型有特定的对齐要求，编译器可能会在结构体字段之间插入填充字节来满足这些要求。

什么是内存对齐？

内存对齐是指内存中的数据必须位于某些值的倍数的地址上。数据类型的大小决定了其对齐要求。例如，`int32` 需要对齐到 4 个字节，而 `int64` 需要对齐到 8 个字节。

为什么需要内存对齐？

高效的内存访问对于 CPU 性能至关重要。如果变量未正确对齐，CPU 可能需要多次内存访问才能读取或写入数据，从而导致性能下降。通过对齐数据，编译器可确保高效的内存访问。

结构内存对齐规则

字段对齐：每个字段的地址必须符合其类型的对齐要求。编译器可能会在字段之间插入填充字节以确保正确对齐。

结构对齐：结构的大小必须是其字段中最大对齐要求的倍数。

例子：

package main

import (
  "fmt"
  "unsafe"
)

type Example struct {
  a int8   // 1 byte
  b int32  // 4 bytes
  c int8   // 1 byte
}

func main() {
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(Example{}))
}

输出：`12`

**分析**：

a为int8，占用1个字节，对齐到1。

b 是 int32，需要对齐到 4 个字节。编译器在 a 和 b 之间插入 3 个填充字节，以使 b 的地址对齐到 4。

c 是 int8，需要 1 个字节，但结构体的总大小必须是 4 的倍数（最大对齐要求）。编译器在末尾添加了 3 个填充字节。

优化内存对齐

您可以重新排列结构字段以最小化填充并减少内存使用。

type Optimized struct {
  b int32  // 4 bytes
  a int8   // 1 byte
  c int8   // 1 byte
}

输出：`8`

在这个优化版本中，`b` 被放在第一位，将其对齐到 4 个字节。`a` 和 `c` 被连续放置，使得总大小为 8 个字节，这比未优化的版本更紧凑。

概括

Go 中的结构字段根据其对齐要求分配内存，并带有潜在的填充字节。

调整字段的顺序可以最小化填充并优化内存使用。

使用 unsafe.Sizeof 来确定结构的实际内存大小。

嵌套结构和组合

在 Go 中，嵌套结构和组合是代码重用和组织复杂数据的强大工具。嵌套结构允许一个结构包含另一个结构作为字段，从而可以创建复杂的数据模型。另一方面，组合通过包含其他结构来创建新的结构，从而促进代码重用。

嵌套结构

嵌套结构允许一个结构包含另一个结构作为字段。这使得数据结构更加灵活和有条理。以下是嵌套结构的示例：

package main

import "fmt"

// Define the Address struct
type Address struct {
  City    string
  Country string
}

// Define the User struct, which includes the Address struct
type User struct {
  Username string
  Email    string
  Address  Address // Nested struct
}

func main() {
  // Initialize the nested struct
  user := User{
    Username: "alice",
    Email:    "alice@example.com",
    Address: Address{
      City:    "New York",
      Country: "USA",
    },
  }

  // Access fields of the nested struct
  fmt.Printf("User: %s, Email: %s, City: %s, Country: %s\n", user.Username, user.Email, user.Address.City, user.Address.Country)
}

结构组合

组合允许将多个结构组合成一个新结构，从而实现代码重用。在组合中，一个结构可以包含多个其他结构作为字段。这有助于构建更复杂的模型并共享通用字段或方法。以下是结构组合的示例：

package main

import "fmt"

// Define the Address struct
type Address struct {
  City    string
  Country string
}

// Define the Profile struct
type Profile struct {
  Age int
  Bio string
}

// Define the User struct, which composes Address and Profile
type User struct {
  Username string
  Email    string
  Address  Address // Composes the Address struct
  Profile  Profile // Composes the Profile struct
}

func main() {
  // Initialize the composed struct
  user := User{
    Username: "bob",
    Email:    "bob@example.com",
    Address: Address{
      City:    "New York",
      Country: "USA",
    },
    Profile: Profile{
      Age: 25,
      Bio: "A software developer.",
    },
  }

  // Access fields of the composed struct
  fmt.Printf("User: %s, Email: %s, City: %s, Age: %d, Bio: %s\n", user.Username, user.Email, user.Address.City, user.Profile.Age, user.Profile.Bio)
}

嵌套结构和组合之间的差异

嵌套结构体：用于将结构体组合在一起，其中一个结构体中的字段类型是另一个结构体。这种方法通常用于描述具有层次关系的数据模型。

组合：允许一个结构体包含来自多个其他结构的字段。此方法用于实现代码重用，使结构体具有更复杂的行为和属性。

概括

嵌套结构体和组合是 Go 中非常强大的功能，可以帮助组织和管理复杂的数据结构。在设计数据模型时，适当使用嵌套结构体和组合可以使您的代码更清晰、更易于维护。

空结构

Go 中的空结构体是没有字段的结构体。

大小和内存地址

空结构占用零字节内存。但是，在不同情况下，其内存地址可能相等，也可能不相等。当发生内存逃逸时，地址相等，指向“runtime.zerobase”。

// empty_struct.go
type Empty struct{}

//go:linkname zerobase runtime.zerobase
var zerobase uintptr // Using the go:linkname directive to link zerobase to runtime.zerobase

func main() {
  a := Empty{}
  b := struct{}{}

  fmt.Println(unsafe.Sizeof(a) == 0) // true
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(b) == 0) // true
  fmt.Printf("%p\n", &a)             // 0x590d00
  fmt.Printf("%p\n", &b)             // 0x590d00
  fmt.Printf("%p\n", &zerobase)      // 0x590d00

  c := new(Empty)
  d := new(Empty) // Forces c and d to escape
  fmt.Sprint(c, d)
  println(c)   // 0x590d00
  println(d)   // 0x590d00
  fmt.Println(c == d) // true

  e := new(Empty)
  f := new(Empty)
  println(e)   // 0xc00008ef47
  println(f)   // 0xc00008ef47
  fmt.Println(e == f) // false
}

从输出来看，变量“a”、“b”和“zerobase”共享相同的地址，都指向全局变量“runtime.zerobase”（“runtime/malloc.go”）。

关于逃生场景：

变量 c 和 d 逃逸到堆中。它们的地址为 0x590d00，并且比较结果相等（真）。

变量 e 和 f 具有不同的地址（0xc00008ef47）并且比较不相等（false）。

这种行为是 Go 有意为之的。当空结构体变量没有逃逸时，它们的指针是不相等的。逃逸之后，指针就变得相等了。

嵌入空结构时的空间计算

空结构本身不占用空间，但当嵌入到另一个结构中时，它可能会占用空间，具体取决于其位置：

当它是结构体中唯一的字段时，该结构体不占用空间。

当它是第一个或中间字段时，它不占用空间。

当它是最后一个字段时，它占用与前一个字段相等的空间。

type s1 struct {
  a struct{}
}

type s2 struct {
  _ struct{}
}

type s3 struct {
  a struct{}
  b byte
}

type s4 struct {
  a struct{}
  b int64
}

type s5 struct {
  a byte
  b struct{}
  c int64
}

type s6 struct {
  a byte
  b struct{}
}

type s7 struct {
  a int64
  b struct{}
}

type s8 struct {
  a struct{}
  b struct{}
}

func main() {
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(s1{})) // 0
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(s2{})) // 0
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(s3{})) // 1
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(s4{})) // 8
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(s5{})) // 16
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(s6{})) // 2
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(s7{})) // 16
  fmt.Println(unsafe.Sizeof(s8{})) // 0
}

当空结构体是数组或切片的元素时：

var a [10]int
fmt.Println(unsafe.Sizeof(a)) // 80

var b [10]struct{}
fmt.Println(unsafe.Sizeof(b)) // 0

var c = make([]struct{}, 10)
fmt.Println(unsafe.Sizeof(c)) // 24, the size of the slice header

应用

空结构的零大小属性允许它们用于各种目的而无需额外的内存开销。

防止无键结构初始化

type MustKeyedStruct struct {
  Name string
  Age  int
  _    struct{}
}

func main() {
  person := MustKeyedStruct{Name: "hello", Age: 10}
  fmt.Println(person)

  person2 := MustKeyedStruct{"hello", 10} // Compilation error: too few values in MustKeyedStruct{...}
  fmt.Println(person2)
}

实现集合数据结构

package main

import (
  "fmt"
)

type Set struct {
  items map[interface{}]emptyItem
}

type emptyItem struct{}

var itemExists = emptyItem{}

func NewSet() *Set {
  return &Set{items: make(map[interface{}]emptyItem)}
}

func (set *Set) Add(item interface{}) {
  set.items[item] = itemExists
}

func (set *Set) Remove(item interface{}) {
  delete(set.items, item)
}

func (set *Set) Contains(item interface{}) bool {
  _, contains := set.items[item]
  return contains
}

func (set *Set) Size() int {
  return len(set.items)
}

func main() {
  set := NewSet()
  set.Add("hello")
  set.Add("world")
  fmt.Println(set.Contains("hello"))
  fmt.Println(set.Contains("Hello"))
  fmt.Println(set.Size())
}

通过通道传输信号

有时，通过通道传输的数据内容无关紧要，仅用作信号。例如，可以在信号量实现中使用空结构：

var empty = struct{}{}

type Semaphore chan struct{}

func (s Semaphore) P(n int) {
  for i := 0; i < n; i++ {
    s <- empty
  }
}

func (s Semaphore) V(n int) {
  for i := 0; i < n; i++ {
    <-s
  }
}

func (s Semaphore) Lock() {
  s.P(1)
}

func (s Semaphore) Unlock() {
  s.V(1)
}

func NewSemaphore(N int) Semaphore {
  return make(Semaphore, N)
}

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