Go 语言机制之栈与指针

『就要学习 Go 语言』系列 -- 第 34 篇分享好文

原文地址：https://www.ardanlabs.com/blog/2017/05/language-mechanics-on-stacks-and-pointers.html
原文作者：William Kennedy

四哥水平有限，如有翻译或理解错误，烦请帮忙指出，感谢！

原文如下：

序言

这个系列包含四篇文章，主要讲解 Go 言语指针、栈、堆、逃逸分析和值/指针语义背后的机制和设计理念。这是系列第一篇文章，主要讲解栈和指针。

介绍

我并不打算为指针说好话，它确实很难理解。如果使用不当，会导致惹人厌的 bug，甚至是性能问题。在编写并发或多线程软件时尤其如此。这也难怪很多编程语言都试图为程序员规避使用指针。然而，如果使用 Go 语言编程程序，指针是无法避免的。只有深入理解指针，你才能够写出干净、简洁且有效率的代码。

帧边界

帧边界为每个函数提供了单独的内存空间，函数就在帧边界范围内执行。帧边界允许函数在自己的上下文中运行，还提供流程控制。函数可以通过帧指针直接访问帧内的内存，而访问帧外内存只能通过间接的方式。对于每个函数来说，若想能够访问到帧外的内存，这块内存必须与函数共享。要想知道共享实现的，我们需要先学习和理解帧边界建立的机制和限制条件。

当一个函数被调用时，两个帧边界之间会发生上下文切换。从调用函数到被调用函数，如果函数调用时需要传递参数，这些参数也必须传递要被调函数的帧边界之内。Go 语言里面，两个帧之间的数据传递是按值传递的。

按值传递数据的优点是可读性好。在函数调用时，你看到的值就是在函数调用者和被调用者之间被复制和接收的值。这就是为什么我把“按值传递”与所见即所得联系在一起，因为你看到的就是你得到的。

让我们来看一段按值传递整型数据的代码：

清单1

package main

func main() {

   // Declare variable of type int with a value of 10.
   count := 10

   // Display the "value of" and "address of" count.
   println("count:\tValue Of[", count, "]\tAddr Of[", &count, "]")

   // Pass the "value of" the count.
   increment(count)

   println("count:\tValue Of[", count, "]\tAddr Of[", &count, "]")
}

//go:noinline
func increment(inc int) {

   // Increment the "value of" inc.
   inc++
   println("inc:\tValue Of[", inc, "]\tAddr Of[", &inc, "]")
}

当你启动 Go 程序时，运行时将会创建主协程去执行所有的初始化代码包括 main() 函数里面的代码。goroutine 是一个放置在操作系统线程上面的执行路径，最终在某一个内核上执行。从 Go 1.8 版本中，每一个 goroutine 将会分配 2048 字节的连续内存块作为它的栈空间。几年以来，初始栈空间的大小一直在变化，以后还可能再次改变。

栈非常重要，因为它为每个单独函数的帧边界提供了物理内存空间。按照清单 1 ，当主协程执行 main() 函数的时候，栈空间的分布如下图这样：

图 1

你可以看到图一，主函数的栈的一部分已经被框出来了。这部分称为“栈帧”，这个帧表示主函数在栈上的边界。帧是被调用函数执行的时候建立的，你还可以看到，变量 count 被放置在 main() 函数帧里面、内存地址为 0x10429fa4 位置。

图一还说明了另外一个有趣的点，活动帧以下的所有栈内存是不可用的，只有活动帧及其以上的栈内存是可用的。可用栈空间和不可用栈空间之间的边界需要明确下。

地址

变量的目的就是给特定的内存地址分配一个名称，使代码的可读性更强并且帮助你分析正在处理的数据。如果你有一个变量就能得到它保存在内存的值，内存地址中肯定有一个地址保存这个值。第 9 行代码，main() 函数调用内置函数 println() 显示变量 count 的值和地址。

清单2

println("count:\tValue Of[", count, "]\tAddr Of[", &count, "]")

使用 & 运算符获取变量所在内存位置的地址并不奇怪，其他语言也使用这个运算符。如果你的代码运行在 32 位电脑上，例如：go playground，那么输出会类似于下面这样：

清单3

count:  Value Of[ 10 ]  Addr Of[ 0x10429fa4 ]

函数调用

接下来的第 12 行代码，main() 函数调用 increment() 函数。

清单4

increment(count)

调用函数意味着协程需要在栈上构建出一块新的栈帧。但是，事情有点复杂。要想成功地调用函数，在发生上下文切换时，数据需要跨越帧边界传递到新的帧范围内。具体一点来说，函数调用的时候，整型值会被复制和传递。通过第 18 行代码、increment() 函数的声明，你就可以知道。

清单5

func increment(inc int) {

如果你回过头来再次看第 12 行代码函数 increment() 的调用，你会发现 count 变量是传值的。这个值会被拷贝、传递，最后存储在 increment() 函数的栈中。记住，increment() 函数只能在自己的栈内读写内存，因此，它需要 inc 变量来接收、存储和访问传递的 count 变量的副本。

就在 increment() 函数内部代码开始执行之前，协程的栈（站在一个非常高的角度）应该是像下图这样的：

图 2 

你可以看到栈上现在有两个帧，一个属于 main() 函数，另一个属于 increment() 函数。在 increment() 函数的帧里面，你可以看到 inc 变量，它的值 10，是函数调用时拷贝、传递进来的。变量 inc 的地址是 0x10429f98，因为栈帧是从上至下使用栈空间的，所以它的内存地址较小，这只是具体的实现细节，并没任何意义。重要的是，协程从 main() 的栈帧里获取变量 count 的值，并使用 inc 变量将该值的副本放置在 increment() 函数的栈帧里。

increment() 函数的剩余代码显示 inc 变量的值和地址。

清单6

inc++
println("inc:\tValue Of[", inc, "]\tAddr Of[", &inc, "]")

第 22 行代码输出类似下面这样：

清单7

inc:    Value Of[ 11 ]  Addr Of[ 0x10429f98 ]

执行这些代码之后，栈就会像下面这样：

图 3

第 21、22 行代码执行之后，increment() 函数返回并且 CPU 控制权交还给 main() 函数。第 14 行代码，main() 函数会再次显示 count 变量的值和地址。

清单8

println("count:\tValue Of[",count, "]\tAddr Of[", &count, "]")

上面例子完整的输出会像下面这样：

count:  Value Of[ 10 ]  Addr Of[ 0x10429fa4 ]
inc:    Value Of[ 11 ]  Addr Of[ 0x10429f98 ]
count:  Value Of[ 10 ]  Addr Of[ 0x10429fa4 ]

main() 函数栈帧里，变量 count 的值在调用 increment() 函数前后是相同的。

函数返回

当函数返回并且控制权交还给调用函数时，栈上的内存实际上会发生什么？回答是：不会发生任何事情。当 increment() 函数返回时，栈上的空间看起来像下面这样：

图 4

除了为 increment() 函数创建的栈帧变得不可用之外，栈的分布与图 3 基本是一样的。这是因为 main() 函数的帧变成了活动帧。对 increment() 函数的栈帧不做任何处理。

函数返回时，清理函数的帧会浪费时间，因为你不知道还会不会再次使用这块内存。所以这块内存就不会做任何处理。每次函数调用的时候，当需要帧的时候，栈上开辟的帧会被清理。这是通过存储在该帧里的变量初始化时完成的。因为所有的值会初始化成对应的零值，每次函数调用时，栈都会正确地完成自我清理工作。

共享值

如果 increment() 函数直接操作存储在 main() 函数帧里面的 count 变量非常重要，那该怎么办？这就要用到指针！指针的目的就是实现在函数间共享值，即使这个值不在自己函数的帧里面，函数也能够对它进行读写。

如果脑海里没有共享的概念，你可能不会使用指针。学习指针时，重要的是使用清晰的词汇，而不是单纯地记住操作符或者语法。因此，请记住，指针是用于共享的并且在阅读代码时，提到“共享”时，就应该想到 & 操作符。

指针类型

不管是你自定义的或者是 Go 语言自带的，对于每一种已声明的类型，都可以基于这些类型获得对应的指针类型用于共享。例如内置类型 int，对应的指针类型是 *int。如果你自己声明了类型 User，对应的指针类型就是 *User。

所有的指针类型有相同的特点。首先，它们以 * 符号开头；其次，占用相同的内存空间并且都表示一个地址，使用 4 个或 8 个字节长度表示一个地址。在 32 位机器上（例如 playground ），指针需要 4 个字节的内存空间；在 64 位机器上（例如你的电脑），需要 8 个字节的内存空间。

规范里有说明，指针类型可以看成是类型字面量，这意味着它们是有现有类型组成的未命名类型。

间接访问内存

让我们来看一段代码，这段代码展示了函数调用时按值传递地址。main() 和 increment() 函数的栈帧会共享 count 变量：

清单10

package main

func main() {

   // Declare variable of type int with a value of 10.
   count := 10

   // Display the "value of" and "address of" count.
   println("count:\tValue Of[", count, "]\t\tAddr Of[", &count, "]")

   // Pass the "address of" count.
   increment(&count)

   println("count:\tValue Of[", count, "]\t\tAddr Of[", &count, "]")
}

//go:noinline
func increment(inc *int) {

   // Increment the "value of" count that the "pointer points to". (dereferencing)
   *inc++
   println("inc:\tValue Of[", inc, "]\tAddr Of[", &inc, "]\tValue Points To[", *inc, "]")
}

基于原来的代码有三处改动的地方，第 12 行是第一处改动：

清单11

increment(&count)

现在，第 12 行代码拷贝、传递的并非 count 变量的值，而是变量的地址。可以认为，main() 函数与 increment() 函数是共享 count 变量的。这是 & 操作符起的作用。

重点理解，现在依旧是传值，唯一不同的是现在传递的是地址而不是一个整型数据。地址也是一个值，是函数调用时会跨帧边界发生拷贝和传递的内容。

因为地址会发生拷贝和传递，在 increment() 函数里面需要一个变量接收和存储该地址值。所以在第 18 行声明了整型的指针变量。

清单12

func increment(inc *int) {

如果你传递的是 User 类型值的地址，变量就应该声明成 *User。尽管指针变量存储的是地址，也不能传递任何类型的地址，只能传递与指针类型相一致的地址。关键在于，共享值的原因是因为接收函数能够对值进行读写操作。只有知道值的类型信息才能够进行读写操作。编译器会保证只有与指针类型相一致的值才能够实现函数间共享。

调用 increment() 函数时候，栈空间就像下面这样：

图 5

当一个地址作为值执行按值传递之后，你可以从图 5 看出栈是如何分布的。现在，increment() 函数帧空间里面的指针变量指向 count 变量，该变量在 main() 函数的帧空间里。

通过使用指针变量，increment() 函数可以间接对 count 变量执行读写操作。

清单 13

*inc++

这一次，字符 * 充当操作符，与指针变量搭配使用。使用 * 操作符是“获取指针指向的值”的意思。指针变量允许在帧外对函数帧内的内存进行间接访问。有时候，间接的读写操作也称为解引用。increment() 函数必须有指针变量，才能够对其他函数帧空间执行间接访问。

执行第 21 行代码之后，栈空间分布如图 6 所示。

图 6 

程序最后输出：

清单 14

count:  Value Of[ 10 ]              Addr Of[ 0x10429fa4 ]
inc:    Value Of[ 0x10429fa4 ]      Addr Of[ 0x10429f98 ]   Value Points To[ 11 ]
count:  Value Of[ 11 ]              Addr Of[ 0x10429fa4 ]

你可以看到，指针变量 inc 的值和 count 变量的地址是相同的。这将建立起共享关系，允许在帧外执行内存的间接访问。在 increment() 函数里，一旦通过指针执行了写操作，改变也会体现在 main() 函数里。

指针变量并不特别

指针变量并不特别，它们和其他变量一样也是变量，有内存地址和值。正巧的是，无论指针变量指向的值的类型如何，所有的指针变量都有同样的大小和表现形式。唯一困惑的是使用 * 字符充当操作符，用来声明指针类型。如果你能分清指针类型声明和指针操作，你就没有那么困惑了。

总结

这篇文章描述了设计指针背后的目的和 Go 语言中栈和指针的工作机制。这是理解 Go 语言机制、设计哲学的第一步，也对编写一致性且可读性的代码提供一些指导作用。

总结一下，通过这篇文章你能学习到的知识：

1.帧边界为每个函数提供了单独的内存空间，函数就在帧范围内执行；2.当函数调用时，上下文环境会在两个帧之间发生切换；3.按值传递的优点是可读性好；4.栈很重要，因为它为每个函数的帧边界提供了可访问的物理内存空间；5.活动帧以下的所有栈内存是不可用的，只有活动帧及其上方的栈内存是有用的；6.调用函数意味着协程会在栈内存上开辟一块新的栈帧；7.每次函数调用的时候，当使用到帧时，相应的栈内存会被初始化；8.设计指针的目的是实现函数间值共享，即使该值不在函数自己栈帧里，也能对其进行读写操作；9.对于每一种类型，不管是自己定义的还是 Go 语言内置的，都有相应的指针类型；10.通过使用指针变量，允许在函数帧外进行间接内存访问；11.与其他变量相比，指针变量并没有特别之处，因为它们也是变量，有内存地址和值。

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