淺談Go中的Pointer和記憶體管理

👨‍💻簡介

當我們在宣告變數時，電腦會為該變數在記憶體中分配一個位置，然後將這個變數值儲存在這個位置上，需要讀取或修改這個變數值時，電腦是透過記憶體位置來存取這個值。 今天來簡單介紹一下go的Pointer，他的特性以及常見用法。

什麼是Pointer？

Pointer是一種資料類型，用來儲存變數的記憶體地址。在Go中，我們可以通過使用 * 符號來宣告和操作Pointer。這允許我們直接訪問和修改變數的內容，而不僅僅是讀取或複製它們的值。

Pointer的特性、限制與常見用法

特性

• Pointer的值和地址

每個變數都有一個記憶體地址，我們可以使用Pointer變數來儲存這個地址。讓我們看一個範例：

package main

import "fmt"
func main() {
    x := 42
    var p *int   // 宣告一個整數Pointer
    p = &x       // 將p指向x的地址
    fmt.Println("x =", x)
    fmt.Println("p =", p)
}

在這個例子中，我們創建了一個整數變數 x，並宣告了一個整數Pointer p，然後將 p 設為 x 的地址。現在，p 裡面存放的就是 x 的地址。

• Pointer的初始化

Go中的Pointer可以通過 new 函數來初始化，這將為指定的類型分配記憶體並返回其地址。範例：

package main

import "fmt"
func main() {
    var p *int
    p = new(int) // 初始化一個整數Pointer
    *p = 123     // 將Pointer所指向的記憶體設置為123
    fmt.Println("*p =", *p)
}

可以看到，我們創建了一個整數Pointer p，並使用 new(int) 初始化它，然後將 p 所指向的記憶體設置為 123。

• Pointer的解引用

通過Pointer，我們可以訪問和修改變數的值，這稱為Pointer的解引用。

package main

import "fmt"
func main() {
 x := 42
 p := &x // 將p設為x的地址，使用&
 fmt.Println("x =", x)
 fmt.Println("&x =", &x) 
 fmt.Println("*p =", *p) // 解引用Pointer，獲得x的值，使用*
 *p = 99               // 通過Pointer修改x的值
 fmt.Println("x =", x) // x的值已被修改
 fmt.Println("&x =", &x)
 fmt.Println("*p =", *p) 
}

在這個例子中，我們使用Pointer p 解引用，並修改了變數 x 的值。也可以觀察到修改值並不會改變記憶體位置。

限制

1. 空Pointer風險：未初始化的Pointer可能為nil，試圖解引用nil Pointer會導致運行時錯誤（panic）。
2. 記憶體管理：Go中的垃圾回收器會管理記憶體，但Pointer仍然需要謹慎使用，以避免記憶體錯誤。
3. 競爭條件：多線程環境中，共享的Pointer可能導致競爭條件，需要使用互斥鎖等技術來保護共享資源。

常見用法

• 節省記憶體

當需要處理大型資料結構時，使用Pointer可以節省記憶體，因為它們只儲存變數的地址，而不是整個資料。

package main

import (
 "fmt"
 "unsafe"
)
// 定義一個名為 Person 的結構（struct）
type Person struct {
 Name string // 名稱
 Age  int    // 年齡
}
func main() {
 // 創建一個 Person 變數，名稱為 Alice，年齡為 30 歲
 alice := Person{Name: "Alice", Age: 30}
 // 計算 Person 變數 alice 的大小
 personSize := unsafe.Sizeof(alice)
 // 創建一個指向 Person 變數的Pointer，名稱為 Bob，年齡為 24 歲
 bob := &Person{Name: "Bob", Age: 24}
 // 計算指向 Person 變數 bob 的Pointer的大小
 pointerSize := unsafe.Sizeof(bob)
 fmt.Printf("alice -> Person 變數的大小： %d 個位元組\n", personSize)
 fmt.Printf("bob -> 指向 Person 變數的Pointer的大小： %d 個位元組\n", pointerSize)
 fmt.Println(&alice) // 列印 alice 變數的記憶體位置
 fmt.Println(&bob)   // 列印 bob 變數（Pointer）的記憶體位置
}

在上面的範例中，我們透過兩種方式創建person，但可以觀察到使用Pointer的方式創建，使用的大小較小，達到節省記憶體的作用。

• 改變資料的原始值

想要在函數中修改變數的值，而不只是副本時，Pointer變得非常有用。

package main

import "fmt"
func modifyValue(x *int) {
    *x = 100
}
func main() {
    y := 10
    modifyValue(&y) // 通過Pointer修改y的值
    fmt.Println("y =", y)
}

• 效能優勢

在某些情況下，使用Pointer可以提高性能，因為它們允許直接訪問和修改記憶體，而不需要額外的記憶體複製操作。

package main

import (
 "fmt"
 "time"
)
const N = 1000000 // 陣列大小
// 使用值傳遞的函數，不使用指標
func sumValues(arr [N]int) int {
 sum := 0
 for _, v := range arr {
  sum += v
 }
 return sum
}
// 使用指標傳遞的函數，避免陣列複製
func sumPointers(arr *[N]int) int {
 sum := 0
 for _, v := range arr {
  sum += v
 }
 return sum
}
func main() {
 // 創建一個包含大量資料的整數陣列
 var arr [N]int
 for i := 0; i < N; i++ {
  arr[i] = i
 }
 // 測試不使用指標的情況，複製陣列
 startTime := time.Now()
 result1 := sumValues(arr)
 duration1 := time.Since(startTime)
 // 測試使用指標的情況，避免複製陣列
 startTime = time.Now()
 result2 := sumPointers(&arr)
 duration2 := time.Since(startTime)
 fmt.Printf("不使用指標的結果：%d，執行時間：%v\n", result1, duration1)
 fmt.Printf("使用指標的結果：%d，執行時間：%v\n", result2, duration2)
}

可以看到，我們創建了一個包含大量資料的整數陣列，並寫了兩個函數來計算陣列中所有元素的總和。一個函數 sumValues 使用值傳遞陣列，另一個函數 sumPointers 使用指標傳遞陣列。

在 main 函數中，測試了這兩個函數的效能。結果顯示，使用指標傳遞陣列可以明顯提高效能，因為它少了陣列的複製，節省了大量的時間和記憶體。

小結

Pointer是程式語言中的重要概念，它允許我們直接訪問和修改變數的內容，並在許多情況下提供性能優勢和節省記憶體的機會。但還是要小心使用Pointer，確保程式碼的穩定性和安全性。

📚Reference

• A Tour of Go(pointer)
• [Golang] 指標 Pointers | PJCHENder 未整理筆記
• Go 指针与引用：值传递和址传递-腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)