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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「Golang夢工廠」，作者AsongGo。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系Golang夢工廠公眾號。

前言

哈嘍，大家好，我是asong，今天這篇文章的目的主要是解答一位讀者的疑問，涉及知識點是反射和結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局。我們先看一下讀者的問題：

我們通過兩個問題來解決他的疑惑：

1. 結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中是如何存儲的
2. 反射獲取結(jié)構(gòu)體成員信息的過程

結(jié)構(gòu)體是如何存儲的

結(jié)構(gòu)體是占用一塊連續(xù)的內(nèi)存，一個結(jié)構(gòu)體變量的大小是由結(jié)構(gòu)體中的字段決定的，結(jié)構(gòu)體變量的地址等于結(jié)構(gòu)體第一個字段的首地址。示例：

type User struct { 
 Name string 
 Age uint64 
 Gender bool // true：男 false: 女 
} 
 
func main(){ 
 u := User{ 
   Name: "asong", 
   Age: 18, 
   Gender: false, 
  } 
 fmt.Printf("%p\n",&u) 
 fmt.Printf("%p\n",&u.Name) 
} 
// 運行結(jié)果 
0xc00000c060 
0xc00000c060 

從運行結(jié)果我們可以驗證了結(jié)構(gòu)體變量u的存放地址就是字段Name的首地址。

結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局其實就是分配一段連續(xù)的內(nèi)存，具體是在棧上分配還是堆上分配取決于編譯器的逃逸分析，結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存分配時還要考慮到內(nèi)存對齊。

對齊的作用和原因：CPU訪問內(nèi)存時，并不是逐個字節(jié)訪問，而是以字長(word size)單位訪問。比如32位的CPU，字長為4字節(jié)，那么CPU訪問內(nèi)存的單位也是4字節(jié)。這樣設(shè)計可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，加大CPU訪問內(nèi)存的吞吐量。假設(shè)我們需要讀取8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，一次讀取4個字節(jié)那么就只需讀取2次就可以。內(nèi)存對齊對實現(xiàn)變量的原子性操作也是有好處的，每次內(nèi)存訪問都是原子的，如果變量的大小不超過字長，那么內(nèi)存對齊后，對該變量的訪問就是原子的，這個特性在并發(fā)場景下至關(guān)重要。

C語言的內(nèi)存對齊規(guī)則與Go語言一樣，所以C語言的對齊規(guī)則對Go同樣適用：

• 對于結(jié)構(gòu)的各個成員，第一個成員位于偏移為0的位置，結(jié)構(gòu)體第一個成員的偏移量(offset)為0，以后每個成員相對于結(jié)構(gòu)體首地址的 offset 都是該成員大小與有效對齊值中較小那個的整數(shù)倍，如有需要編譯器會在成員之間加上填充字節(jié)。
• 除了結(jié)構(gòu)成員需要對齊，結(jié)構(gòu)本身也需要對齊，結(jié)構(gòu)的長度必須是編譯器默認(rèn)的對齊長度和成員中最長類型中最小的數(shù)據(jù)大小的倍數(shù)對齊。

根據(jù)這個規(guī)則我們來分析一下上面示例的結(jié)構(gòu)體User，這里我使用的mac，所以是64位CPU，編譯器默認(rèn)對齊參數(shù)是8，String、uint64、bool的對齊值分別是8、8、1，根據(jù)第一條規(guī)則分析：

• 第一個字段類型是string，對齊值是8，大小為16，所以放在內(nèi)存布局中的第一位。
• 第二個字段類型是uin64，對齊值是8，大小為8，所以他的內(nèi)存偏移值必須是8的倍數(shù)，因為第一個字段Name占有16位，所以直接從16開始不要補位。
• 第三個字段類型是bool，對齊值是1，大小為1，所以他的內(nèi)存偏移值必須是1的倍數(shù)，因為User的前兩個字段已經(jīng)排到了24位，所以下一個偏移量正好是24。

接下來我們在分析第二個規(guī)則：

• 根據(jù)第一條內(nèi)存對齊規(guī)則分析后，內(nèi)存長度已經(jīng)為25字節(jié)了，我們開始使用第2條規(guī)則進行對齊，默認(rèn)對齊值是8，字段中最大類型的長度是16，所以可以得出該結(jié)構(gòu)體的對齊值是8，我們目前的內(nèi)存長度是25，不是8的倍數(shù)，所以需要補全，所以最終的結(jié)果是32，補了7位，由編譯器進行填充，一般為0值，也稱之為空洞。

注意：這里對內(nèi)存對齊沒有說的很細(xì)，想要更深了解內(nèi)存對齊可以看我之前的一篇文章：Go看源碼必會知識之unsafe包

Go語言反射獲取結(jié)構(gòu)體成員信息

Go語言提供了一種機制在運行時更新和檢查變量的值、調(diào)用變量的方法和變量的內(nèi)在操作，但是在編譯時并不知道這些變量的具體類型，這種機制被稱為反射。Go語言提供了 reflect 包來訪問程序的反射信息。

我們可以通過調(diào)用reflect.TypeOf()獲得反射對象信息，如果他的類型是結(jié)構(gòu)體，接著可以通過反射值對象reflect.Type的NumField和Field方法獲取結(jié)構(gòu)體成員的詳細(xì)信息，先看一個例子：

type User struct { 
 Name string 
 Age uint64 
 Gender bool // true：男 false: 女 
} 
 
 
func main()  { 
 u := User{ 
  Name: "asong", 
  Age: 18, 
  Gender: false, 
 } 
 getType := reflect.TypeOf(u) 
 for i:=0; i < getType.NumField(); i++{ 
  fieldType := getType.Field(i) 
  // 輸出成員名 
  fmt.Printf("name: %v \n", fieldType.Name) 
 } 
} 
// 運行結(jié)果 
name: Name  
name: Age  
name: Gender  

接下來我們就一起來看一看Go語言是如何通過反射來獲取結(jié)構(gòu)體成員信息的。

首先我們來看一看reflect.TypeOf()方法是如何獲取到類型的：

func TypeOf(i interface{}) Type { 
 eface := *(*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i)) 
 return toType(eface.typ) 
} 

我們知道在Go語言中任何類型都可以轉(zhuǎn)成interface{}類型，當(dāng)向接口變量賦于一個實體類型的時候，接口會存儲實體的類型信息，反射就是通過接口的類型信息實現(xiàn)的。

一個空接口結(jié)構(gòu)如下：

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

_type 字段，表示空接口所承載的具體的實體類型。data 描述了具體的值，Go 語言里所有的類型都 實現(xiàn)了 空接口。

所以在TypeOf方法中，我們就是通過讀取_type字段獲取到類型。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道他是怎么獲取到具體的類型了，接下來我們就來看一看NumField()方法是怎么獲取到字段的。

func (t *rtype) Kind() Kind { return Kind(t.kind & kindMask) } 
func (t *rtype) NumField() int { 
 if t.Kind() != Struct { 
  panic("reflect: NumField of non-struct type " + t.String()) 
 } 
 tt := (*structType)(unsafe.Pointer(t)) 
 return len(tt.fields) 
} 

因為只有struct類型才可以調(diào)用，所以在NumFiled()方法中做了類型檢查，如果不是struct類型則直接發(fā)生panic，然后會rtype類型強制轉(zhuǎn)換成structType，最后返回結(jié)構(gòu)體成員字段的數(shù)量。

// structType represents a struct type. 
type structType struct { 
 rtype 
 pkgPath name 
 fields  []structField // sorted by offset 
} 
// Struct field 
type structField struct { 
 name        name    // name is always non-empty 
 typ         *rtype  // type of field 
 offsetEmbed uintptr // byte offset of field<<1 | isEmbedded 
} 

調(diào)用Field()方法會根據(jù)索引返回對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體字段的信息，當(dāng)值不是結(jié)構(gòu)體或索引超界時發(fā)生panic。

func (t *rtype) Field(i int) StructField { 
  // 類型檢查 
 if t.Kind() != Struct { 
  panic("reflect: Field of non-struct type " + t.String()) 
 } 
  // 強制轉(zhuǎn)換成structType 類型 
 tt := (*structType)(unsafe.Pointer(t)) 
 return tt.Field(i) 
} 
// Field returns the i'th struct field. 
func (t *structType) Field(i int) (f StructField) { 
  // 溢出檢查 
 if i < 0 || i >= len(t.fields) { 
  panic("reflect: Field index out of bounds") 
 } 
 // 獲取之前structType中fields字段的值 
 p := &t.fields[i] 
  // 轉(zhuǎn)換成StructFiled結(jié)構(gòu)體 
 f.Type = toType(p.typ) 
 f.Name = p.name.name() 
  // 判斷是否是匿名結(jié)構(gòu)體 
 f.Anonymous = p.embedded() 
 if !p.name.isExported() { 
  f.PkgPath = t.pkgPath.name() 
 } 
 if tag := p.name.tag(); tag != "" { 
  f.Tag = StructTag(tag) 
 } 
  // 獲取字段的偏移量 
 f.Offset = p.offset() 
  // 獲取索引值 
 f.Index = []int{i} 
 return 
} 

返回StructField結(jié)構(gòu)如下：

// A StructField describes a single field in a struct. 
type StructField struct { 
   Name string // 字段名 
   PkgPath string // 字段路徑 
   Type      Type      // 字段反射類型對象 
   Tag       StructTag // 字段的結(jié)構(gòu)體標(biāo)簽 
   Offset    uintptr   // 字段在結(jié)構(gòu)體中的相對偏移 
   Index     []int     // Type.FieldByIndex中的返回的索引值 
   Anonymous bool      // 是否為匿名字段 
} 

到這里整個反射獲取結(jié)構(gòu)體成員信息的過程應(yīng)該很明朗了吧～。

**小結(jié)：**因為Go 語言里所有的類型都 實現(xiàn)了 空接口，所以可以根據(jù)這個特性獲取到數(shù)據(jù)類型以及存放數(shù)據(jù)的地址，對于結(jié)構(gòu)體類型，將其轉(zhuǎn)換為structType類型，最后轉(zhuǎn)換成StructField結(jié)構(gòu)獲取所有結(jié)構(gòu)體信息。

總結(jié)

本文沒想詳細(xì)展開講解Go語言反射的原理和過程，只是簡單介紹了一下反射獲取到結(jié)構(gòu)體成員信息的過程，更多關(guān)于反射知識的講解會在后面持續(xù)更新，敬請期待～。