Golang中[]byte与string转换全解析

曾经终败给现在 2022-11-21 09:58 573阅读 0赞

string类型和\[\]byte类型是我们编程时最常使用到的数据结构。本文将探讨两者之间的转换方式，通过分析它们之间的内在联系来拨开迷雾。

## 两种转换方式 ##

*  #### 标准转换 ####

go中string与\[\]byte的互换，相信每一位gopher都能立刻想到以下的转换方式，我们将之称为标准转换。

// string to []byte
    	s1 := "hello"
    	b := []byte(s1)
    	
    	// []byte to string
    	s2 := string(b)

*  #### 强转换 ####

通过unsafe和reflect包，可以实现另外一种转换方式，我们将之称为强转换（也常常被人称作黑魔法）。

func String2Bytes(s string) []byte { 
    	sh := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
    	bh := reflect.SliceHeader{ 
    		Data: sh.Data,
    		Len:  sh.Len,
    		Cap:  sh.Len,
    	}
    	return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&bh))
    }
    
    func Bytes2String(b []byte) string { 
    	return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
    }

*  #### 性能对比 ####

既然有两种转换方式，那么我们有必要对它们做性能对比。

// 测试强转换功能
    func TestBytes2String(t *testing.T) { 
    	x := []byte("Hello Gopher!")
    	y := Bytes2String(x)
    	z := string(x)
    
    	if y != z { 
    		t.Fail()
    	}
    }
    
    // 测试强转换功能
    func TestString2Bytes(t *testing.T) { 
    	x := "Hello Gopher!"
    	y := String2Bytes(x)
    	z := []byte(x)
    
    	if !bytes.Equal(y, z) { 
    		t.Fail()
    	}
    }
    
    // 测试标准转换string()性能
    func Benchmark_NormalBytes2String(b *testing.B) { 
    	x := []byte("Hello Gopher! Hello Gopher! Hello Gopher!")
    	for i := 0; i < b.N; i++ { 
    		_ = string(x)
    	}
    }
    
    // 测试强转换[]byte到string性能
    func Benchmark_Byte2String(b *testing.B) { 
    	x := []byte("Hello Gopher! Hello Gopher! Hello Gopher!")
    	for i := 0; i < b.N; i++ { 
    		_ = Bytes2String(x)
    	}
    }
    
    // 测试标准转换[]byte性能
    func Benchmark_NormalString2Bytes(b *testing.B) { 
    	x := "Hello Gopher! Hello Gopher! Hello Gopher!"
    	for i := 0; i < b.N; i++ { 
    		_ = []byte(x)
    	}
    }
    
    // 测试强转换string到[]byte性能
    func Benchmark_String2Bytes(b *testing.B) { 
    	x := "Hello Gopher! Hello Gopher! Hello Gopher!"
    	for i := 0; i < b.N; i++ { 
    		_ = String2Bytes(x)
    	}
    }

测试结果如下

$ go test -bench="." -benchmem
    goos: darwin
    goarch: amd64
    pkg: workspace/example/stringBytes
    Benchmark_NormalBytes2String-8          38363413                27.9 ns/op            48 B/op          1 allocs/op
    Benchmark_Byte2String-8                 1000000000               0.265 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
    Benchmark_NormalString2Bytes-8          32577080                34.8 ns/op            48 B/op          1 allocs/op
    Benchmark_String2Bytes-8                1000000000               0.532 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
    PASS
    ok      workspace/example/stringBytes   3.170s

注意，`-benchmem`可以提供每次操作分配内存的次数，以及每次操作分配的字节数。

当x的数据均为"Hello Gopher!"时，测试结果如下

$ go test -bench="." -benchmem
    goos: darwin
    goarch: amd64
    pkg: workspace/example/stringBytes
    Benchmark_NormalBytes2String-8          245907674                4.86 ns/op            0 B/op          0 allocs/op
    Benchmark_Byte2String-8                 1000000000               0.266 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
    Benchmark_NormalString2Bytes-8          202329386                5.92 ns/op            0 B/op          0 allocs/op
    Benchmark_String2Bytes-8                1000000000               0.532 ns/op           0 B/op          0 allocs/op
    PASS
    ok      workspace/example/stringBytes   4.383s

**强转换方式的性能会明显优于标准转换。**

读者可以思考以下问题

1.为啥强转换性能会比标准转换好？

2.为啥在上述测试中，当x的数据较大时，标准转换方式会有一次分配内存的操作，从而导致其性能更差，而强转换方式却不受影响？

3.既然强转换方式性能这么好，为啥go语言提供给我们使用的是标准转换方式？

## 原理分析 ##

要回答以上三个问题，首先要明白是string和\[\]byte在go中到底是什么。

*  #### \[\]byte ####

在go中，byte是uint8的别名，在go标准库builtin中有如下说明：

// byte is an alias for uint8 and is equivalent to uint8 in all ways. It is
    // used, by convention, to distinguish byte values from 8-bit unsigned
    // integer values.
    type byte = uint8

在go的源码中`src/runtime/slice.go`，slice的定义如下：

type slice struct { 
    	array unsafe.Pointer
    	len   int
    	cap   int
    }

array是底层数组的指针，len表示长度，cap表示容量。对于\[\]byte来说，array指向的就是byte数组。

![在这里插入图片描述][20201031173727515.png_pic_center]

*  #### string ####

关于string类型，在go标准库builtin中有如下说明：

// 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

翻译过来就是：string是8位字节的集合，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。**string的值是不能改变的。**

在go的源码中`src/runtime/string.go`，string的定义如下：

type stringStruct struct { 
    	str unsafe.Pointer
    	len int
    }

stringStruct代表的就是一个string对象，str指针指向的是某个数组的首地址，len代表的数组长度。那么这个数组是什么呢？我们可以在实例化stringStruct对象时找到答案。

//go:nosplit
    func gostringnocopy(str *byte) string { 
    	ss := stringStruct{ str: unsafe.Pointer(str), len: findnull(str)}
    	s := *(*string)(unsafe.Pointer(&ss))
    	return s
    }

可以看到，入参str指针就是指向byte的指针，那么我们可以确定string的底层数据结构就是byte数组。

![在这里插入图片描述][20201031173741935.png_pic_center]

综上，string与\[\]byte在底层结构上是非常的相近（后者的底层表达仅多了一个cap属性，因此它们在内存布局上是可对齐的），这也就是为何builtin中内置函数copy会有一种特殊情况`copy(dst []byte, src string) int`的原因了。

// The copy built-in function copies elements from a source slice into a
    // destination slice. (As a special case, it also will copy bytes from a
    // string to a slice of bytes.) The source and destination may overlap. Copy
    // returns the number of elements copied, which will be the minimum of
    // len(src) and len(dst).
    func copy(dst, src []Type) int

*  #### 区别 ####

对于\[\]byte与string而言，两者之间最大的区别就是string的值不能改变。这该如何理解呢？下面通过两个例子来说明。

对于\[\]byte来说，以下操作是可行的：

b := []byte("Hello Gopher!")
    	b [1] = 'T'

string，修改操作是被禁止的：

s := "Hello Gopher!"
    	s[1] = 'T'

而string能支持这样的操作：

s := "Hello Gopher!"
    	s = "Tello Gopher!"

字符串的值不能被更改，但可以被替换。 string在底层都是结构体`stringStruct{str: str_point, len: str_len}`，string结构体的str指针指向的是一个字符常量的地址， 这个地址里面的内容是不可以被改变的，因为它是只读的，但是这个指针可以指向不同的地址。

那么，以下操作的含义是不同的：

s := "S1" // 分配存储"S1"的内存空间，s结构体里的str指针指向这块内存
    s = "S2"  // 分配存储"S2"的内存空间，s结构体里的str指针转为指向这块内存
    
    b := []byte{ 1} // 分配存储'1'数组的内存空间，b结构体的array指针指向这个数组。
    b = []byte{ 2}  // 将array的内容改为'2'

图解如下

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

因为string的指针指向的内容是不可以更改的，所以每更改一次字符串，就得重新分配一次内存，之前分配的空间还需要gc回收，这是导致string相较于\[\]byte操作低效的根本原因。

*  #### 标准转换的实现细节 ####

\[\]byte(string)的实现（源码在`src/runtime/string.go`中）

// The constant is known to the compiler.
    // There is no fundamental theory behind this number.
    const tmpStringBufSize = 32
    
    type tmpBuf [tmpStringBufSize]byte
    
    func stringtoslicebyte(buf *tmpBuf, s string) []byte { 
    	var b []byte
    	if buf != nil && len(s) <= len(buf) { 
    		*buf = tmpBuf{ }
    		b = buf[:len(s)]
    	} else { 
    		b = rawbyteslice(len(s))
    	}
    	copy(b, s)
    	return b
    }
    
    // rawbyteslice allocates a new byte slice. The byte slice is not zeroed.
    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
    }

这里有两种情况：s的长度是否大于32。当大于32时，go需要调用mallocgc分配一块新的内存（大小由s决定），这也就回答了上文中的问题2：当x的数据较大时，标准转换方式会有一次分配内存的操作。

最后通过copy函数实现string到\[\]byte的拷贝，具体实现在`src/runtime/slice.go`中的`slicestringcopy`方法。

func slicestringcopy(to []byte, fm string) int { 
    	if len(fm) == 0 || len(to) == 0 { 
    		return 0
    	}
    
      // copy的长度取决与string和[]byte的长度最小值
    	n := len(fm)
    	if len(to) < n { 
    		n = len(to)
    	}
    
      // 如果开启了竞态检测 -race
    	if raceenabled { 
    		callerpc := getcallerpc()
    		pc := funcPC(slicestringcopy)
    		racewriterangepc(unsafe.Pointer(&to[0]), uintptr(n), callerpc, pc)
    	}
      // 如果开启了memory sanitizer -msan
    	if msanenabled { 
    		msanwrite(unsafe.Pointer(&to[0]), uintptr(n))
    	}
    
      // 该方法将string的底层数组从头部复制n个到[]byte对应的底层数组中去（这里就是copy实现的核心方法，在汇编层面实现 源文件为memmove_*.s）
    	memmove(unsafe.Pointer(&to[0]), stringStructOf(&fm).str, uintptr(n))
    	return n
    }

copy实现过程图解如下

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

string(\[\]byte)的实现（源码也在`src/runtime/string.go`中）

// Buf is a fixed-size buffer for the result,
    // it is not nil if the result does not escape.
    func slicebytetostring(buf *tmpBuf, b []byte) (str string) { 
    	l := len(b)
    	if l == 0 { 
    		// Turns out to be a relatively common case.
    		// Consider that you want to parse out data between parens in "foo()bar",
    		// you find the indices and convert the subslice to string.
    		return ""
    	}
      // 如果开启了竞态检测 -race
    	if raceenabled { 
    		racereadrangepc(unsafe.Pointer(&b[0]),
    			uintptr(l),
    			getcallerpc(),
    			funcPC(slicebytetostring))
    	}
      // 如果开启了memory sanitizer -msan
    	if msanenabled { 
    		msanread(unsafe.Pointer(&b[0]), uintptr(l))
    	}
    	if l == 1 { 
    		stringStructOf(&str).str = unsafe.Pointer(&staticbytes[b[0]])
    		stringStructOf(&str).len = 1
    		return
    	}
    
    	var p unsafe.Pointer
    	if buf != nil && len(b) <= len(buf) { 
    		p = unsafe.Pointer(buf)
    	} else { 
    		p = mallocgc(uintptr(len(b)), nil, false)
    	}
    	stringStructOf(&str).str = p
    	stringStructOf(&str).len = len(b)
      // 拷贝字节数组至字符串
    	memmove(p, (*(*slice)(unsafe.Pointer(&b))).array, uintptr(len(b)))
    	return
    }
    
    // 实例stringStruct对象
    func stringStructOf(sp *string) *stringStruct { 
    	return (*stringStruct)(unsafe.Pointer(sp))
    }

可见，当数组长度超过32时，同样需要调用mallocgc分配一块新内存。最后通过memmove完成拷贝。

*  #### 强转换的实现细节 ####

1.  万能的unsafe.Pointer指针

在go中，任何类型的指针\*T都可以转换为unsafe.Pointer类型的指针，它可以存储任何变量的地址。同时，unsafe.Pointer类型的指针也可以转换回普通指针，而且可以不必和之前的类型\*T相同。另外，unsafe.Pointer类型还可以转换为uintptr类型，该类型保存了指针所指向地址的数值，从而可以使我们对地址进行数值计算。以上就是强转换方式的实现依据。

而string和slice在reflect包中，对应的结构体是reflect.StringHeader和reflect.SliceHeader，它们是string和slice的运行时表达。

type StringHeader struct { 
    	Data uintptr
    	Len  int
    }
    
    type SliceHeader struct { 
    	Data uintptr
    	Len  int
    	Cap  int
    }

1.  内存布局

从string和slice的运行时表达可以看出，除了SilceHeader多了一个int类型的Cap字段，Date和Len字段是一致的。所以，它们的内存布局是可对齐的，这说明我们就可以直接通过unsafe.Pointer进行转换。

\[\]byte转string图解

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

string转\[\]byte图解

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

*  #### Q&A ####

Q1. 为啥强转换性能会比标准转换好？

对于标准转换，无论是从\[\]byte转string还是string转\[\]byte都会涉及底层数组的拷贝。而强转换是直接替换指针的指向，从而使得string和\[\]byte指向同一个底层数组。这样，当然后者的性能会更好。

Q2. 为啥在上述测试中，当x的数据较大时，标准转换方式会有一次分配内存的操作，从而导致其性能更差，而强转换方式却不受影响？

标准转换时，当数据长度大于32个字节时，需要通过mallocgc申请新的内存，之后再进行数据拷贝工作。而强转换只是更改指针指向。所以，当转换数据较大时，两者性能差距会愈加明显。

Q3. 既然强转换方式性能这么好，为啥go语言提供给我们使用的是标准转换方式？

首先，我们需要知道Go是一门类型安全的语言，而安全的代价就是性能的妥协。但是，性能的对比是相对的，这点性能的妥协对于现在的机器而言微乎其微。另外强转换的方式，会给我们的程序带来极大的安全隐患。

如下示例

a := "hello"
    b := String2Bytes(a)
    b[0] = 'H'

a是string类型，前面我们讲到它的值是不可修改的。通过强转换将a的底层数组赋给b，而b是一个\[\]byte类型，它的值是可以修改的，所以这时对底层数组的值进行修改，将会造成严重的错误（通过defer+recover也不能捕获）。

unexpected fault address 0x10b6139
    fatal error: fault
    [signal SIGBUS: bus error code=0x2 addr=0x10b6139 pc=0x1088f2c]

Q4. 为啥string要设计为不可修改的？

我认为有必要思考一下该问题。string不可修改，意味它是只读属性，这样的好处就是：在并发场景下，我们可以在不加锁的控制下，多次使用同一字符串，在保证高效共享的情况下而不用担心安全问题。

*  #### 取舍场景 ####

1.  在你不确定安全隐患的条件下，尽量采用标准方式进行数据转换。
2.  当程序对运行性能有高要求，同时满足对数据仅仅只有读操作的条件，且存在频繁转换（例如消息转发场景），可以使用强转换。

[20201031173727515.png_pic_center]: /images/20221120/5f2b1a0b7f5046ef84dbc822ec18a147.png
[20201031173741935.png_pic_center]: /images/20221120/1e6a616635cf4b779ef38c141c28f9de.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201031173756620.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201031173810274.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201031173825404.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201031173835731.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NscGhhaGFoYQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center