使用 golang 的 unsafe 操作结构体私有属性

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这是一个创建于 1317 天前的主题，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

开篇之前，咱们先考虑一个问题，golang 中如何访问其他包的一个公有结构的私有属性，如下：

user 包

package user

type Info struct {
	name string
	age int
}

func NewUser(name string, age int) Info {
	return Info{
		name: name,
		age:  age,
	}
}

main 包

package main

import (
	"grpcTest/grpcCodeRead/littlecases/unsafe/user" #  倒入 user 包
)

func main() {
	u := user.NewUser("wei.wei", 18)

	u.name = "wweeii"
	u.age = 18
}

如上，我们在 main 包中调用了 user 包的公有函数 NewUser，创建了对象 u，想在 main 中通过 u.name = "wweeii" 和 u.age = 18 来修改对象 u 的 name 和 age 属性，是做不到了，运行 go run main.go 编译是会报错的 :

# command-line-arguments
./main.go:10:3: u.name undefined (cannot refer to unexported field or method name)
./main.go:11:3: u.age undefined (cannot refer to unexported field or method age)

我们能想到的一个可行的方法如下： user package

package user

type Info struct {
	name string
	age int
}

func NewUser(name string, age int) Info {
	return Info{
		name: name,
		age:  age,
	}
}

func (i *Info) NameSetter(name string) {
	i.name = name
}

func (i *Info) NameGetter()string {
	return i.name
}

func (i *Info) AgeSetter(age int) {
	i.age = age
}

func (i *Info) AgeGetter() int {
	return i.age
}

main package

package main

import (
	"fmt"
	"grpcTest/grpcCodeRead/littlecases/unsafe/user"
)

func main() {
	u := user.NewUser("wei.wei", 18)

	//u.name = "wweeii"
	//u.age = 18
	u.NameSetter("wweeii")
	u.AgeSetter(20)

	fmt.Println(u)
}

在 user 包中添加公有的 getter 和 setter 方法，来访问私有的属性。

但是如果 user 包没有提供访问私有变量的方法呢？我们怎么才能读取到对象 u 的 name 和 age 属性，这里就可以用到 golang 中提供的 unsafe 包。

如下：user 包不变:

package user

type Info struct {
	name string
	age int
}

func NewUser(name string, age int) Info {
	return Info{
		name: name,
		age:  age,
	}
}

main 包改成:

package main

import (
	"fmt"
	"grpcTest/grpcCodeRead/littlecases/unsafe/user"
	"unsafe"
)

func main() {
	u := user.NewUser("wei.wei", 18)

	pName := (*string)(unsafe.Pointer(&u))
	fmt.Println(*pName)

	pAge := (*int)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&u)) + unsafe.Sizeof(string(""))))
	fmt.Println(*pAge)
}

测试运行 go run main.go 就可以访问对象 u 的私有属性 name 和 age 了。

当然看到这里，大家估计还是一头雾水，没关系，不用明白上面代码是怎么做到的，那是因为咱们还不知道 unsafe 是什么，更不知道上面用到的 unsafe.Pointer 、unsafe.Sizeof 、uintptr 是什么，先往后看，等了解了 unsafe 后再来看这段代码，咱们就能明白了。

unsafe

官方文档： https://golang.org/pkg/unsafe

unsafe 是 golang 提供的一个包，通过这个包可以实现不同类型指针之间的转化，可以实现对指针的计算，来访问变量的属性。

unsafe 包是一种不安全的包，它能绕过编译器检查，直接快速的访问和修改一些变量，从它的命名也能看出设计者是希望谨慎使用它的，至少这个包名导致咱们在使用它的时候，会让人产生不舒服的感觉。

unsafe 提供了两个类型和三个函数：

type ArbitraryType int

type Pointer *ArbitraryType

func Sizeof(x ArbitraryType) uintptr

func Offsetof(x ArbitraryType) uintptr

func Alignof(x ArbitraryType) uintptr

ArbitraryType 是一个 int 类型的重定义，从字面看是任意类型，golang 中任意类型都可以赋值给 ArbitraryType，Sizeof 、Offsetof 、Alignof 三个方法的形参是 (x ArbitraryType)，也就是这三个函数可以接受任意的一个类型，并返回一个 uintptr 类型的值。

Pointer 是一个 *ArbitraryType 的重定义，unsafe.Pointer(*x) 可以将 *x 指针转为 unsafe.Pointer 类型。

uintptr 是内置的类型，可以理解为可以参与计算的指针地址。

unsafe.Sizeof Sizeof 可以接受任意类型，返回该类型在当前操作系统上占用的字节数，这个函数的返回值和系统是相关的，比如一个 int 型在 32 位操作系统上返回 4，在 64 位操作系统上返回 8，在我的 64 位电脑上返回如下：

 fmt.Println(unsafe.Sizeof(string("")))  // 返回：16
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(int(0)))    // 返回：8
 fmt.Println(unsafe.Sizeof(user.Info{})) // 返回 24

看完上面的例子大家想想 unsafe.Sizeof(string("Hi")) 返回值是多少？没错这里返回的是 16，因为 string 这种类型在 64 位操作系统上站 16 个字节，和参数中是几个字符没有关系。

unsafe.Alignof 和 unsafe.Offsetof

看如下例子：

package main

import (
"fmt"
"unsafe"
)

type XTest struct {
a bool
b int16
c []int
}

func main() {
x := XTest{}
fmt.Println(unsafe.Alignof(x.a))
fmt.Println(unsafe.Alignof(x.b))
fmt.Println(unsafe.Alignof(x.c))

fmt.Println("--")

fmt.Println(unsafe.Offsetof(x.a))
fmt.Println(unsafe.Offsetof(x.b))
fmt.Println(unsafe.Offsetof(x.c))
}

执行 go run main.go 后输入如下:

unsafe.Alignof 返回的是类型的对齐方式，unsafe.Offsetof 返回的是属性相对于结构体开头的偏移量。

看了上面的简介，相信大家一定还是思绪万千，甚至还有些小小的思维混乱，这里我们总结下 Pointer 和 uintptr 的使用，相信掌握了如下的规律，稍加琢磨就能知道掌握 unsafe 包怎么使用：

任何的指针类型 T 都可以转为一个 Pointer 类型，转化的方式是 unsafe.Pointer(T)
任何一个 Pointer 类型都可以转为 uintptr 类型
任何一个 uintptr 类型都可以转为一个 Pointer 类型，Pointer 类型可以转为指针类型 T
uintptr 可以参与计算，Pointer 类型不能参与计算

看完上面的 4 个点，大家使用 unsafe 进行指针计算，脑子里一定有了如下的计算路线:

指针 T -> unsafe.Pointer -> uintptr -> 做加减计算 -> unsafe.Pointer -> T

有 C 语言基础的同学一定有通过指针来遍历数组的经历，这里的 uintptr 就是可以看作是一个和 c 中指针相同的东西，是可以计算的指针，现在我们再解释下上面的代码：

u := user.NewUser("wei.wei", 18)
pName := (*string)(unsafe.Pointer(&u))
fmt.Println(*pName)

pAge := (*int)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&u)) + unsafe.Sizeof(string(""))))
fmt.Println(*pAge)

这里的 (*string)(unsafe.Pointer(&u)) 应该是可以理解的，就是拿到了指向对象 u 地址头部的一个指针，这个指针指向的正好是第一个 string 类型的变量，所以 *pName 就是 "wei.wei"。

pAge := (*int)(unsafe.Pointer(uintptr(unsafe.Pointer(&u)) + unsafe.Sizeof(string("")))) 这一句中 unsafe.Pointer(&u) 指向的对象 u 的头部，u 的第一元素是 string 类型，第二个元素是一个 int 类型，在 u 的指针头部，加一个 string 类型的 unsafe.Sizeof，也就是加上代码中的 unsafe.Sizeof(string("")) 就正好是一个指向到第二个元素 age 的头部的指针，因为 unsafe.Pointer(&u) 返回的是一个不可计算的类型，所以使用 uintptr 先转为一个可计算的 uintptr 类型，而 unsafe.Sizeof(string("")) 返回的是一个可以计算的 uintptr 类型，这两者相加就得到了指向 age 元素的指针 pAge 所以 *pAge 就是 18