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深入理解 Go 语言中的字符串不可变性与底层实现

文章目录

  • 前言
  • 1 字符串类型的数据结构组成
  • 2 为什么要这么设计数据结构?
  • 3 为什么说字符串类型不可修改?
  • 4 如何实现字符串的修改?
  • 5 为什么字符串修改的字面量用单引号?
  • 6 如何判断字符串的修改新建了一个字符串?
  • 7 字符串的修改后新建字符串的场景有哪些?
  • 8 概要总结
  • 9 参考链接

前言

本文深入探讨了 Go 语言中字符串的不可变性及其底层实现
通过学习,我们将会理解为什么字符串设计为不可变的原因,以及如何判断字符串在修改后的底层数据地址是否发生变化,以确定是否创建了新的字符串。


1 字符串类型的数据结构组成

Go 字符串类型的数据结构包括:一个指向底层字节数组的指针和一个字符串长度的整数值
这个字节数组是不可变的,一旦字符串被创建,字符串的内容将无法被修改

在这里插入图片描述


type stringStruct struct {str unsafe.Pointer // 指向底层字节数组的指针len int            // 字符串长度
}

2 为什么要这么设计数据结构?

  1. 保证线程安全:不可变字符串是线程安全的,只允许读操作,在并发场景下无需担心数据竞争问题。
  2. 实现内存共享:相同的字符串只需存储一次,实现多次重复使用,节省内存。
  3. 优化性能:作为哈希表的键时,不需要每次重新计算哈希值,提高性能。

3 为什么说字符串类型不可修改?

字符串底层是只读字节序列,任何对字符串的修改实际上都会创建一个新的字符串,而不会改变原始字符串

# 错误示范:导致编译报错!!
str := "hello"
str = "Hello"//字符串是不可修改的,是不允许直接在原字符串上操作的
fmt.Prtintln(str) 

4 如何实现字符串的修改?

由于字符串是不可修改的,实际的字符串修改操作是创建了一个新的字符串

在这里插入图片描述


常见的做法:先将字符串转换为 []byte 或者 []rune,进行修改操作后,再转换为字符串

// 初始字符串:使用双引号表示字符串 
str := "hello"
fmt.Println("旧字符串:%v",str)// 将字符串转换为[]byte切片
strBytes := []byte(str)
// 修改 []byte 中的一个字符,使用单引号表示字符   
strBytes[0] = 'H'
str = string(strBytes) // 创建了一个新的字符串
fmt.Println("新字符串:%v",str)

5 为什么字符串修改的字面量用单引号?

[!question]+ strBytes[0] = 'H' 使用了单引号,为什么需要使用单引号?

  • 单引号字面量,代表单个字符,常用于[]byte和[]rune中的字符元素修改
  • 双引号和反引号的字面量,代表字符串

6 如何判断字符串的修改新建了一个字符串?

[!warning]+ 判断依据: 字符串修改操作会创建一个新的字符串,并将底层的指针地址指向新字符串。如果要判断 Go 字符串修改是否创建了新字符串,需要判断字符串内容的地址前后是否一致。

我们知道,获取一个变量的地址有两种方式:①使用 unsafe 包 ②使用 fmt.Printf("%p", &s)。这两种方式对于获取字符串变量地址有所差异,第一种方式获取的是底层字节数组的地址,第二种方式获取的是字符串变量本身的地址。以下是代码示例:


// 获取字符串的指针地址  
func getStringPointer(s string) uintptr {  return uintptr(unsafe.Pointer(&s))  
}  func main() {  // 初始字符串  s := "hello"  // 获取初始字符串的指针地址  initialPointer := getStringPointer(s)  // 打印指针地址  fmt.Printf("Initial pointer: %x\n", initialPointer)  // 将字符串转换为 []byte    b := []byte(s)  // 修改 []byte    b[0] = 'H'  // 将 []byte 转回字符串,并给修改字符串s s = string(b)  // 获取新字符串的指针地址  newPointer := getStringPointer(s)  fmt.Printf("New pointer: %x\n", newPointer)  // 判断是否创建了新字符串  if initialPointer != newPointer {  fmt.Println("新字符串已创建")  } else {  fmt.Println("没有创建新字符串")  }  
}

7 字符串的修改后新建字符串的场景有哪些?

每次对字符串的修改操作(字符串拼接、字符串替换、切片操作),都会创建一个新的字符串。


8 概要总结

[!example]+ 概要总结

  • 我们从GO字符串的底层数据结构了解到,字符串是不可修改的,原因是字符串底层是只读的字节序列,若直接在原字符串修改,则编译器将引发错误
  • 想要修改字符串就必须转换为[]byte或者[]rune,修改之后转换为原有字符串类型。
  • []byte或者[]rune的修改的字面量必须使用单引号,双引号是代表的字符串。
  • 通过代码分析可知,字符串修改操作会创建一个新的字符串,并将底层的指针地址指向新字符串。

9 参考链接

  • 图片引用1:Go 数据结构
  • 图片引用2:为什么说Go的字符串类型不能修改

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