深度剖析 Go 的 nil

堅持思考,就會很酷

前幾天有小夥伴問我說,golang 裏面很多類型使用 nil 來賦值和做條件判斷,總是混淆記不住。你可能見過::

  1. 很多文章和書會教你:Go 語言默認定義的類型賦值會被 nil;

  2. error 返回值經常用 return nil 的寫法;

  3. 多種類型都可以使用 if 是否 != nil;

上面的事情在 Go 編程裏隨處可見,下面思考幾個問題,看自己對 nil 這個知識點是否做到了知其所以然 :

  1. nil 是一個關鍵字?還是類型?還是變量?

  2. 並非所有類型都跟 nil 有關係,有哪些類型可以使用 != nil 的語法?

  3. 這些不同的類型和 nil 打交道又有什麼異同?

  4. 爲什麼有些複合結構定義了變量還不夠,還必須要 make(Type) 才能使用 ?否則會出 panic;

  5. 很多書裏講 slice 也要 make 之後才能用,但其實不必要,其實 slice 只要定義了就能用。但 map 結構卻光定義還不行,一定要 make(Type) 才能使用?

下面我們就這幾個思考題展開,剖析 nil 的祕密。

Go 裏面 nil 到底是什麼?

我們思考的第一個問題是:nil 是一個關鍵字?還是類型?還是變量?

答案自然是:變量。具體是什麼樣的變量,我們可以點進去 Go 的源碼看下:

一窺 Go 官方定義和解釋


`// nil is a predeclared identifier representing the zero value for a

// pointer, channel, func, interface, map, or slice type.
var nil Type // Type must be a pointer, channel, func, interface, map, or slice type

// Type is here for the purposes of documentation only. It is a stand-in
// for any Go type, but represents the same type for any given function
// invocation.
type Type int
`

從類型定義得到兩個關鍵點:

  1. nil 本質上是一個 Type 類型的變量而已;

  2. Type 類型僅僅是基於 int 定義出來的一個新類型;

從 nil 官方的註釋中,我們可以得到一個重要信息:

劃重點:nil 適用於 指針,函數,interface,map,slice,channel 這 6 種類型。

Go 和 C 的變量定義異同


相同點:

Go 和 C 的變量定義迴歸最本質原理:分配變量指定大小的內存,確定一個變量名稱。

不同點:

Go 置 0 分配的原理:

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
    // ...
}

思考一個小問題:Go 既然所用的類型定義都是置 0 分配的,那爲什麼 mallocgc 需要 needzero 這麼一個參數來控制呢?

首先,Go 的類型定義一定確保是置 0 分配的,這個是 Go 語言給到 Go 程序員的語義。Go runtime 衆多的內部的流程(對 Go 程序員不感知的層面)是沒有這個規定的。其次,置 0 分配是有性能代價的,如果在確保語義的情況下,能不做自然是最好的。

劃重點:Go 的變量定義由語言層面確保置 0 分配,確保內存塊全 0 數據。請記住這個最本質的約定。

怎麼理解 nil

通過上面,我們理解了幾個東西:

  1. Go 的類型定義僅比 C 多做了一件事,把分配的內存塊置 0,而已;

  2. 能夠和 nil 值做判斷的,僅僅有 6 個類型。如果你用來其他類型來和 nil 比較,那麼在編譯期間 typecheck 會報錯檢查到會報錯;

就筆者理解,nil 這個概念是更高一層的概念,在語言級別,而這個概念是由編譯器帶給你的。不是所有的類型都可以和 nil 進行比較或者賦值,只有這 6 種類型的變量才能和 nil 值比較,因爲這是編譯器決定的。

同樣的,你不能賦值一個 nil 變量給一個整型,原理也很簡單,僅僅是編譯器不讓,就這麼簡單。

所以,nil 其實更準確的理解是一個觸發條件,編譯器看到和 nil 值比較的寫法,那麼就要確認類型在這 6 種類型以內,如果是賦值 nil,那麼也要確認在這 6 種類型以內,並且對應的結構內存爲全 0 數據。

所以,記住這句話,****nil 是編譯器識別行爲的一個觸發點而已,看到這個 nil 會觸發編譯器的一些特殊判斷和操作。

和 nil 打交道的 6 大類型

slice 類型


變量定義

創建 slice 的本質上是 2 種:

  1. var 關鍵字定義;

  2. make 關鍵字創建;

// 方式一
var slice1 []byte
var slice2 []byte = []byte{0x1, 0x2, 0x3}

// 方式二
var slice3 = make([]byte, 0)
var slice4 = make([]byte, 3)

首先,slice 變量本身佔多少個字節?

答案是:24 個字節。1 個指針字段,2 個 8 字節的整形字段。

思考:var 和 make 這兩種方式有什麼區別?

變量本身

定義的變量本身分配了多少內存?

上面已經說過了,無論多大的 slice ,變量本身佔用 24 字節。這 24 個字節其實是動態數組的管理結構,如下:

type slice struct {
   array unsafe.Pointer         // 管理的內存塊首地址
   len   int                    // 動態數組實際使用大小
   cap   int                    // 動態數組內存大小
}

該結構體定義在 src/runtime/slice.go 裏。

劃重點:我們看到無論是 var 聲明定義的 slice 變量,還是 make(xxx,num) 創建的 slice 變量,slice 管理結構是已經分配出來了的(也就是 struct slice 結構 )。

所以, 對於 slice 來說,其實並不需要 make 創建的才能使用,直接用 var 定義出來的 slice 也能直接使用。如下:

// 定義一個 slice
var slice1 []byte
// 使用這個 slice
slice1 = append(slice1, 0x1)

定義的時候,slice 結構本身就已經置 0 分配了,這個 24 字節的 slice 結構就是管理動態數組的核心。有這個在 append 函數就能正常處理 slice 變量。

思考:append 又是怎麼處理的呢?

本質是調用 runtime.growslice 函數來處理。

nil 賦值

如果把一個已經存在的 slice 結構賦值 nil ,會發生什麼事情?

var slice2 []byte = []byte{0x1, 0x2, 0x3}

// slice 賦值 nil
slice2 = nil

發生什麼事?

事情在編譯期間就確定了,就是把 slice2 變量本身內存塊置 0 ,也就是說 slice2 本身的 24 字節的內存塊被置 0。

nil 值判斷

編譯器認爲 slice 做可以做 nil 判斷,那麼什麼樣的 slice 認爲是 nil 的?

指針值爲 0 的,也就是說這個動態數組沒有實際數據的時候。

思考:僅判斷指針?對 len 和 cap 兩個字段不做判斷嗎?

只對首字段 array 做非 0 判斷,len,cap 字段不做判斷。

如下:

var a []byte = []byte{0x1, 0x2, 0x3}
if a != nil {
}

對應的部分彙編代碼如下:

// 賦值 array 的值
0x00000000004587cd <+93>: mov    %rax,0x20(%rsp)
// 賦值 len 的值
0x00000000004587d2 <+98>: movq   $0x3,0x28(%rsp)
// 賦值 cap 的值
0x00000000004587db <+107>: movq   $0x3,0x30(%rsp)
// 判斷 slice 是否是 nil
=> 0x00000000004587e4 <+116>: test   %rax,%rax

不信 Go 只判斷首字段?爲了驗證,自己思考下一下的程序的輸出:

package main

import (
   "unsafe"
)

type sliceType struct {
   pdata unsafe.Pointer
   len   int
   cap   int
}

func main() {
   var a []byte

   ((*sliceType)(unsafe.Pointer(&a))).len = 0x3
   ((*sliceType)(unsafe.Pointer(&a))).cap = 0x4

   if a != nil {
      println("not nil")
   } else {
      println("nil")
   }
}

答案是:輸出 nil。

map 類型


變量定義

// 變量定義
var m1 map[string]int
// 定義 & 初始化
var m2 = make(map[string]int)

和 slice 類似,上面也是兩種差別的方式:

變量本身

map 的變量本身究竟是什麼?比如上面的 m1,m2 ?

m1, m2 變量本身是一個指針,內存佔用 8 字節。這個指針指向的結構才大有來頭,指向一個 struct hmap 結構。

type hmap struct {
   count     int // # live cells == size of map.  Must be first (used by len() builtin)
   flags     uint8
   B         uint8  // log_2 of # of buckets (can hold up to loadFactor * 2^B items)
   noverflow uint16 // approximate number of overflow buckets; see incrnoverflow for details
   hash0     uint32 // hash seed

   buckets    unsafe.Pointer // array of 2^B Buckets. may be nil if count==0.
   oldbuckets unsafe.Pointer // previous bucket array of half the size, non-nil only when growing
   nevacuate  uintptr        // progress counter for evacuation (buckets less than this have been evacuated)

   extra *mapextra // optional fields
}

所以,回到思考問題:爲什麼 map 結構卻光定義還不行,一定要 make(XXMap) 才能使用?

因爲,map 結構的核心在於 struct hmap 結構體,這個結構體是很大的一個結構體。map 的操作核心都是基於這個結構體之上的。而 var 定義一個 map 結構的時候,只是分配了一個 8 字節的指針,只有調用 make 的時候,才觸發調用 makemap ,在這個函數里面分配出一個龐大的 struct hmap 結構體。

nil 賦值

如果把一個 map 變量賦值 nil 那就很容易理解了,僅僅是把這個變量本身置 0 而已,也就是這個指針變量置 0 ,hmap 結構體本身是不會動的。

當然考慮垃圾回收的話,如果這個 m1 是唯一的指向這個 hmap 結構,那麼 m1 賦值 nil 之後,那麼這個 hmap 結構體之後就可能被回收。

nil 值判斷

搞懂了變量本身和管理結構的區別就很簡單了,這裏的 nil 值判斷也僅僅是針對變量本身的判斷,只要是非 0 指針,那麼就是非 nil 。也就是說 m1 只要是一個非 0 的指針,就不會是非nil 的。

package main

func main() {
   var m1 map[string]int
   var m2 = make(map[string]int)
   if m1 != nil {
      println("m1 not nil")
   } else {
      println("m1 nil")
   }
   if m2 != nil {
      println("m2 not nil")
   } else {
      println("m2 nil")
   }
}

如上示例程序,m1 是一個 0 指針,m2 被賦值了的。

interface 類型


變量定義

// 定義一個接口
type Reader interface {
   Read(p []byte) (n int, err error)
}

// 定義一個接口變量
var reader Reader
// 或者一個空接口
var empty interface{}

變量本身

interface 稍微有點特殊,有兩種對應的結構體,如下:

type iface struct {
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}

type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

其中,iface 就是通常定義的 interface 類型,eface 則是通常人們常說的空接口 對應的數據結構。

不管內部怎麼樣,這兩個結構體佔用內存是一樣的,都是一個正常的指針類型和一個無類型的指針類型( Pointer ),總共佔用 16 個字節。

也就是說,如果你聲明定義一個 interface 類型,無論是空接口,還是具體的接口類型,都只是分配了一個 16 字節的內存塊給你,注意是置 0 分配哦。

nil 賦值

和上面類似,如果對一個 interface 變量賦值 nil 的話,發生的事情也僅僅是把變量本身這 16 個字節的內存塊置 0 而已。

nil 值判斷

判斷 interface 是否是 nil ?這個跟 slice 類似,也僅僅是判斷首字段(指針類型)是否爲 0 即可。因爲如果是初始化過的,首字段一定是非 0 的。

channel 類型


變量定義

// 變量本身定義
var c1 chan struct{}
// 變量定義和初始化
var c2 = make(chan struct{})

區別:

變量本身

定義的 channel 變量本身是什麼一個表現?

答案是:一個 8 字節的指針而已,意圖指向一個 channel 管理結構,也就是 struct hchan 的指針。

程序員定義的 channel 變量本身內存僅僅是一個指針,channel  所有的邏輯都在 hchan 這個管理結構體上,所以,channel  也是必須 make(chan Xtype) 之後才能使用,就是這個道理。

nil 賦值

賦值 nil 之後,僅僅是把這 8 字節的指針置 0 。

nil 值判斷

簡單,僅僅是判斷這 channel 指針是否非 0 而已。

指針 類型


指針和函數類型比較好理解,因爲之前的 4 種類型 slice,map,channel,interface 是複合結構。

指針本身來說也只是一個 8 字節的整型,函數變量類型則本身就是個指針。

變量定義

var ptr *int

變量本身

變量本身就是一個 8 字節的內存塊,這個沒啥好講的,因爲指針都不是複合類型。

nil 賦值

ptr = nil

這 8 字節的指針置 0。

nil 值判斷

判斷這 8 字節的指針是否爲 0 。

函數 類型


變量定義

var f func(int) error

變量本身

變量本身是一個 8 字節的指針。

nil 賦值

本身就是指針,只不過指向的是函數而已。所以賦值也僅僅是這 8 字節置 0 。

nil 值判斷

判斷這 8 字節是否爲 0 。

總結

下面總結一些上述分享:

  1. 請撇開死記硬背的語法和玄學,變量僅僅是綁定到一個指定內存塊的名字;

  2. Go 從語言層面對程序員做了承諾,變量定義分配的內存一定是置 0 分配的;

  3. 並不是所有的類型能夠賦值 nil,並且和 nil 進行對比判斷。只有 slice、map、channel、interface、指針、函數 這 6 種類型;

  4. 不要把 nil 理解成一個特殊的值,而要理解成一個觸發條件,編譯器識別到代碼裏有 nil 之後,會對應做出處理和判斷;

  5. channel,map 類型的變量必須要 make 才能使用的原因(否則會出現空指針的 panic )在於 var 定義的變量僅僅是分配了一個指向 hchan 和 hmap 的指針變量而已,並且還是置 0 分配的。真正的管理結構只有 make 調用才能分配出來,對應的函數分別是 makechan 和 makemap 等;

  6. slice 變量爲什麼 var 就能用是因爲 struct slice 核心結構是定義的時候就分配出來了;

  7. 以上 6 種變量賦值 nil 的行爲都是把變量本身置 0 ,僅此而已。slice 的 24 字節管理結構,map 的  8 字節指針,channel 的 8 字節指針,interface 的 16 字節,8 字節指針和函數指針也是如此;

  8. 以上 6 種類型和 nil 進行比較判斷本質上都是和變量本身做判斷,slice 是判斷管理結構的第一個指針字段,map,channel 本身就是指針,interface 也是判斷管理結構的第一個指針字段,指針和函數變量本身就是指針;

後記

推薦使用 gdb 進行對上面的 demo 程序進行調試,加深自己理解。重點關注內存分配和內部代碼的生成(反彙編),比如類似 makechan 這樣的函數,如果你不調試,你根本不會知道竟然還有這個,我明明沒有寫過這函數呀?這個是編譯器幫你生成的。

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