go中string与[]byte的高效转换(unsafe包)

我们知道在go的设计确保了一些安全的属性来限制很多种可能出现错误的情况，因为go是一个强类型的静态类型语言。所以会在编译器对阻止一些不正确的类型转换。

在string和byte[]这两个类型中允许byte[]向string的直接转换，但是不允许byte[]向string的直接转换，写成代码大概是这样：

// yte[]直接转换为string，反过来就不可以了
var str = []byte("hello world")
var data = string(a)

当然我们也可以把string和byte[]用作另一种类型的初始化，这样可以做到两个类型的通用转换：

// string转bytes
var str string = "hello world"
var data []byte = []byte(str)

var data [10]byte
data[0] = 'H'
data[1] = 'W'
var str string = string(data[:])

以上的转换方法可行，但效率欠佳，因为每次的转换其实都伴随着所有数据的拷贝。

我们先来看看两种类型的底层数据结构的实现：

// string 的底层数组结构如下
struct string {
    unit8 *str
    int len
}

// 而 []byte 的底层结构如下
struct uint8 {
    unit8 *array
    int len
    int cap
}

我们可以看到其实内部差别并不大，只是slice中多了一个容量而已，这也很好理解，毕竟是动态扩展的。

所以我们可以使用unsafe包执行高效的转换。但是注意unsafe包中的内容无法保证和go的未来版本兼容，所以还是需要谨慎使用，我们来看看实现，这也是我们的最终可应用在代码中的版本：

// string转ytes
func Str2sbyte(s string) (b []byte) {
    *(*string)(unsafe.Pointer(&b)) = s  // 把s的地址付给b
    *(*int)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&b)) + 2*unsafe.Sizeof(&b))) = len(s) // 修改容量为长度
    return
}

// []byte转string
func Sbyte2str(b []byte) string {
    return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}

我们来简单说一说其中的运行原理：

1. unsafe.Pointer可以获取参数中值的地址。
2. unsafe.Pointer可以转换为uintptr类型，后者保存着指针指向地址的数值，值得一提的是，uintptr的大小并不明确，但是可存放完整指针。
3. 对于Str2sbyte的第二条语句，也就是修改容量这里，我们使用加上2*unsafe.Sizeof(&b)来使得指针的偏移指向cap，因为前两个值的大小其实和一个指针的大小是一样的。

有一点值得思考，就是我们是否需要把uintptr类型的值当做一个临时变量，也就是类似于这样的写法：

func Str2sbyte(s string) (b []byte) {
    *(*string)(unsafe.Pointer(&b)) = s  
    temp := uintptr(unsafe.Pointer(&b))
    *(*int)(unsafe.Pointer(temp + 2*unsafe.Sizeof(&b))) = len(s)
    return
}

答案是不可以。

原因是temp中实际存储的是指针的地址值，而在go中一个变量的地址随时可能发生改变，因为go中原生支持协程，也就是goroutine，而在一个程序中goroutine的数量成千上万也并不奇怪，这也就意味着goroutine的栈不能是一个固定大小，否则对于并发的限制就太大了，所以goroutine的栈是可增长的，所以其初始值并不大，一般是2KB，所以在运行过程中经常可能出现栈的改变，这意味着所有值的地址都会发生改变。回到上面修改后的Str2sbyte函数，如果在第二句和第三句之间出现栈切换，那么我们记录的uintptr就无效了，其指向了一个未知的地址，这可能导致一些及其隐晦的错误。还有一些GC算法也可能导致此类问题，比如移动的垃圾回收器，但是所幸当前go并没有使用此类垃圾回收器。