[]byte和string怎么互转性能好?标准库都在劝你这么用了

经常和网络协议打交道势必会经常用到[]byte和string类型的互相转换,那么这个小小优化可能对你性能的提升非常大。

案例

我们看下面这段代码:

 // 长字符
 const lcap = 1024 * 1024 //1M
 var lstr string
 var lbs []byte// 短字符
 const scap = 1 //1B
 var sstr string
 var sbs = []byte(sstr)const char = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789!@#$%^&*()_+=-"func init() {
     //生成长string及长byte数组
     lstr = generateIntStringWithCap1(lcap)
     lbs = []byte(lstr)
     fmt.Println("long: ", len(lstr))
     
     //生成短string及短byte数组
     sstr = generateIntStringWithCap1(scap)
     sbs = []byte(sstr)
     fmt.Println("short: ", len(sstr))
 }func generateIntStringWithCap1(n int) string {
     rand.Seed(time.Now().UnixNano())
 ​
     result := make([]byte, n)for i := 0; i < n; i++ {
         result[i] = char[rand.Intn(len(char))]
     }
     return string(result)
 }//优化版
 func BenchmarkLongBytesToString(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         _ = BytesToString(lbs)
     }
 }
 func BenchmarkLongStringToBytes(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         _ = StringToBytes(lstr)
     }
 }//简单版
 func BenchmarkLongBytesToStringSimple(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         _ = BytesToStringSimple(lbs)
     }
 }func BenchmarkLongStringToBytesSimple(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         _ = StringToBytesSimple(lstr)
     }
 }
 ​
 ​
 //优化版
 func BenchmarkShortBytesToString(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         _ = BytesToString(sbs)
     }
 }func BenchmarkShortStringToBytes(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         _ = StringToBytes(sstr)
     }
 }//简单版
 func BenchmarkShortBytesToStringSimple(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         _ = BytesToStringSimple(sbs)
     }
 }func BenchmarkShortStringToBytesSimple(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         _ = StringToBytesSimple(sstr)
     }
 }

可以看到非常明显的性能差异,1B的字符串优化版比简单版快了10倍左右,1M的字符串,优化版比简单版快了近10万倍。
[]byte和string怎么互转性能好?标准库都在劝你这么用了_第1张图片

现在我们揭露优化版和简单版的转化分别是怎么实现的

 //优化版
 func StringToBytes(s string) []byte {
     return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(
         &struct {
             string
             Cap int
         }{s, len(s)},
     ))
 }func BytesToString(b []byte) string {
     return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
 }
 ​
 ​
 //简单版
 func StringToBytesSimple(s string) []byte {
     return []byte(s)
 }func BytesToStringSimple(b []byte) string {
     return string(b)
 }

可以看到简单版可能是我们现在代码中用的最多的转化方式。对于优化版,为什么这么快,官方的解释是
[]byte和string怎么互转性能好?标准库都在劝你这么用了_第2张图片
//(1)将T1转换为指向T2的指针。
//假设T2不大于T1,并且两者共享相同的内存布局,这种转换允许将一种类型的数据重新解释为另一种类型的数据。

而[]byte(本质是Slice)和String的底层结构是这样的
[]byte和string怎么互转性能好?标准库都在劝你这么用了_第3张图片

可以看到,Slice比String就多了个Cap,因此在包含了string后再构造一个cap就可以和[]byte底层数据大小相等了,满足条件可以直接用指针做转化。

优化后的转换方式:

1.避免了数据拷贝:通过 unsafe 包的方式,直接将 string 类型的指针转换成了 []byte 类型的指针,避免了在转换过程中的数据拷贝操作。

2.直接操作底层数据:直接进行内存地址的转换,绕过了 Go 语言中一些安全检查和内存复制的开销,不再是传统意义上的转换,而是直接将该地址中数据的类型进行了重新解释

如果看过前面谈的字符串拼接的相关性能,细心可能个会发现bytes.Buffer转为字符串时,官方提了这么一句话
[]byte和string怎么互转性能好?标准库都在劝你这么用了_第4张图片

跳到strings.Builder会看到,它就是这么转换的
[]byte和string怎么互转性能好?标准库都在劝你这么用了_第5张图片
这也是之前测字符串拼接时,为什么bytes.Buffer总是比strings.Builder allocs次数多1,分配内存更多的原因,很多的第三方库也有类似用法。

总结

利用Slice与String底层数据结构相似特点,可以使用unsafe包避免数据拷贝,直接操作底层数据,直接对数据类型进行重新解释,从而减少了开销,大幅提高转换性能

关于unsafe包还有很多其他用法可以自行探索,但也需要注意unsafe,包如其名它并不是安全的,使用时需要使用者清楚自己在做什么。

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