反射是如何獲取結(jié)構(gòu)體成員信息的？
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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(wèn)，涉及知識(shí)點(diǎn)是反射和結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局。我們先看一下讀者的問(wèn)題：
我們通過(guò)兩個(gè)問(wèn)題來(lái)解決他的疑惑：
- 結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中是如何存儲(chǔ)的
- 反射獲取結(jié)構(gòu)體成員信息的過(guò)程
結(jié)構(gòu)體是如何存儲(chǔ)的
結(jié)構(gòu)體是占用一塊連續(xù)的內(nèi)存，一個(gè)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(gè)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(yùn)行結(jié)果
- 0xc00000c060
- 0xc00000c060
從運(yùn)行結(jié)果我們可以驗(yàn)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(shí)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(shí)還要考慮到內(nèi)存對(duì)齊。
對(duì)齊的作用和原因：CPU訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，并不是逐個(gè)字節(jié)訪問(wèn)，而是以字長(zhǎng)(word size)單位訪問(wèn)。比如32位的CPU，字長(zhǎng)為4字節(jié)，那么CPU訪問(wèn)內(nèi)存的單位也是4字節(jié)。這樣設(shè)計(jì)可以減少CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)，加大CPU訪問(wèn)內(nèi)存的吞吐量。假設(shè)我們需要讀取8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，一次讀取4個(gè)字節(jié)那么就只需讀取2次就可以。內(nèi)存對(duì)齊對(duì)實(shí)現(xiàn)變量的原子性操作也是有好處的，每次內(nèi)存訪問(wèn)都是原子的，如果變量的大小不超過(guò)字長(zhǎng)，那么內(nèi)存對(duì)齊后，對(duì)該變量的訪問(wèn)就是原子的，這個(gè)特性在并發(fā)場(chǎng)景下至關(guān)重要。
C語(yǔ)言的內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則與Go語(yǔ)言一樣，所以C語(yǔ)言的對(duì)齊規(guī)則對(duì)Go同樣適用：
- 對(duì)于結(jié)構(gòu)的各個(gè)成員，第一個(gè)成員位于偏移為0的位置，結(jié)構(gòu)體第一個(gè)成員的偏移量(offset)為0，以后每個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的 offset 都是該成員大小與有效對(duì)齊值中較小那個(gè)的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在成員之間加上填充字節(jié)。
- 除了結(jié)構(gòu)成員需要對(duì)齊，結(jié)構(gòu)本身也需要對(duì)齊，結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度必須是編譯器默認(rèn)的對(duì)齊長(zhǎng)度和成員中最長(zhǎng)類(lèi)型中最小的數(shù)據(jù)大小的倍數(shù)對(duì)齊。
根據(jù)這個(gè)規(guī)則我們來(lái)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(duì)齊參數(shù)是8，String、uint64、bool的對(duì)齊值分別是8、8、1，根據(jù)第一條規(guī)則分析：
- 第一個(gè)字段類(lèi)型是string，對(duì)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(gè)字段類(lèi)型是uin64，對(duì)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?yàn)榈谝粋€(gè)字段Name占有16位，所以直接從16開(kāi)始不要補(bǔ)位。
- 第三個(gè)字段類(lèi)型是bool，對(duì)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?yàn)閁ser的前兩個(gè)字段已經(jīng)排到了24位，所以下一個(gè)偏移量正好是24。
接下來(lái)我們?cè)诜治龅诙€(gè)規(guī)則：
- 根據(jù)第一條內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則分析后，內(nèi)存長(zhǎng)度已經(jīng)為25字節(jié)了，我們開(kāi)始使用第2條規(guī)則進(jìn)行對(duì)齊，默認(rèn)對(duì)齊值是8，字段中最大類(lèi)型的長(zhǎng)度是16，所以可以得出該結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊值是8，我們目前的內(nèi)存長(zhǎng)度是25，不是8的倍數(shù)，所以需要補(bǔ)全，所以最終的結(jié)果是32，補(bǔ)了7位，由編譯器進(jìn)行填充，一般為0值，也稱(chēng)之為空洞。
注意：這里對(duì)內(nèi)存對(duì)齊沒(méi)有說(shuō)的很細(xì)，想要更深了解內(nèi)存對(duì)齊可以看我之前的一篇文章：Go看源碼必會(huì)知識(shí)之unsafe包
Go語(yǔ)言反射獲取結(jié)構(gòu)體成員信息
Go語(yǔ)言提供了一種機(jī)制在運(yùn)行時(shí)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(shí)并不知道這些變量的具體類(lèi)型，這種機(jī)制被稱(chēng)為反射。Go語(yǔ)言提供了 reflect 包來(lái)訪問(wèn)程序的反射信息。
我們可以通過(guò)調(diào)用reflect.TypeOf()獲得反射對(duì)象信息，如果他的類(lèi)型是結(jié)構(gòu)體，接著可以通過(guò)反射值對(duì)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(gè)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(yùn)行結(jié)果
- name: Name
- name: Age
- name: Gender
接下來(lái)我們就一起來(lái)看一看Go語(yǔ)言是如何通過(guò)反射來(lái)獲取結(jié)構(gòu)體成員信息的。
首先我們來(lái)看一看reflect.TypeOf()方法是如何獲取到類(lèi)型的：
- func TypeOf(i interface{}) Type {
- eface := *(*emptyInterface)(unsafe.Pointer(&i))
- return toType(eface.typ)
- }
我們知道在Go語(yǔ)言中任何類(lèi)型都可以轉(zhuǎn)成interface{}類(lèi)型，當(dāng)向接口變量賦于一個(gè)實(shí)體類(lèi)型的時(shí)候，接口會(huì)存儲(chǔ)實(shí)體的類(lèi)型信息，反射就是通過(guò)接口的類(lèi)型信息實(shí)現(xiàn)的。
一個(gè)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(shí)體類(lèi)型。data 描述了具體的值，Go 語(yǔ)言里所有的類(lèi)型都 實(shí)現(xiàn)了 空接口。
所以在TypeOf方法中，我們就是通過(guò)讀取_type字段獲取到類(lèi)型。
現(xiàn)在我們已經(jīng)知道他是怎么獲取到具體的類(lèi)型了，接下來(lái)我們就來(lái)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?yàn)橹挥衧truct類(lèi)型才可以調(diào)用，所以在NumFiled()方法中做了類(lèi)型檢查，如果不是struct類(lèi)型則直接發(fā)生panic，然后會(huì)rtype類(lèi)型強(qiáng)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(huì)根據(jù)索引返回對(duì)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(shí)發(fā)生panic。
- func (t *rtype) Field(i int) StructField {
- // 類(lèi)型檢查
- if t.Kind() != Struct {
- panic("reflect: Field of non-struct type " + t.String())
- }
- // 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成structType 類(lèi)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(lèi)型對(duì)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(duì)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(gè)反射獲取結(jié)構(gòu)體成員信息的過(guò)程應(yīng)該很明朗了吧～。
**小結(jié)：**因?yàn)镚o 語(yǔ)言里所有的類(lèi)型都 實(shí)現(xiàn)了 空接口，所以可以根據(jù)這個(gè)特性獲取到數(shù)據(jù)類(lèi)型以及存放數(shù)據(jù)的地址，對(duì)于結(jié)構(gòu)體類(lèi)型，將其轉(zhuǎn)換為structType類(lèi)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(méi)想詳細(xì)展開(kāi)講解Go語(yǔ)言反射的原理和過(guò)程，只是簡(jiǎn)單介紹了一下反射獲取到結(jié)構(gòu)體成員信息的過(guò)程，更多關(guān)于反射知識(shí)的講解會(huì)在后面持續(xù)更新，敬請(qǐng)期待～。
