深入探讨Golang中的String数据结构与特性

String特性

在Golang的标准库文件 src/builtin/builtin.go 中，可以找到对内置类型string的定义和描述:

// string 表示由8位字节组成的集合，通常以UTF-8编码的形式存在，但这不是强制性的。字符串可以为空（长度为0），但不能为空指针(nil)，且字符串值是不可变的。
type string string

这段定义说明了string是由8位字节组成的集合，通常采用UTF-8编码，但并非必须。此外，字符串可以为空（即长度为0），但不能为nil，且字符串对象是不可变的。

在Golang中，字符串可以通过双引号或反引号进行赋值。使用双引号声明的字符串与其他编程语言中的字符串类似，仅适用于单行字符串的初始化，如果字符串中包含换行符或双引号等特殊字符，需要使用\进行转义；而使用反引号声明的字符串则不受单行限制，并且可以在字符串中直接使用特殊字符，这在编写JSON或其他数据格式时非常方便。

实现原理

数据结构

Golang的源码包 src/runtime/string.go 中定义了string的数据结构：

type stringStruct struct {
    str unsafe.Pointer
    len int
}

这个结构体非常简单，包含两个字段：str表示字符串的起始地址，len表示字符串的长度。

创建字符串时，首先会构建一个stringStruct对象，然后将其转换为string类型，具体代码如下：

func gostringnocopy(str *byte) string {
    ss := stringStruct{str: unsafe.Pointer(str), len: findnull(str)}
    s := *(*string)(unsafe.Pointer(&ss))
    return s
}

相关操作

字符串拼接

在runtime包中，通过concatstrings函数实现字符串的拼接。所有待拼接的字符串会被收集到一个切片中，然后传递给此函数。以下是该函数的核心代码：

func concatstrings(buf *tmpBuf, a []string) string {
    // 计算待拼接字符串切片的总长度及非空字符串的数量
    idx := 0
    l := 0
    count := 0
    for i, x := range a {
        n := len(x)
        if n == 0 {
            continue
        }
        if l+n             throw("string concatenation too long")
        }
        l += n
        count++
        idx = i
    }
    if count == 0 {
        return ""
    }

    // 如果非空字符串的数量为1且该字符串不在栈上，则直接返回该字符串
    if count == 1 && (buf != nil || !stringDataOnStack(a[idx])) {
        return a[idx]
    }
    // 分配内存，创建一个字符串和一个切片，两者共享同一块内存
    s, b := rawstringtmp(buf, l)
    // 将待拼接的字符串复制到切片中
    for _, x := range a {
        copy(b, x)
        b = b[len(x):]
    }
    // 返回拼接后的字符串
    return s
}

需要注意的是，正常情况下，运行时会调用copy函数将多个输入字符串复制到目标字符串所在的内存空间。当待拼接的字符串非常大时，这种复制操作可能会带来显著的性能损失。

类型转换

在处理JSON等数据格式时，经常需要在string和[]byte之间进行类型转换。

从字节数组([]byte)到字符串(string)的转换，需要使用slicebytetostring函数，其实现如下：

func slicebytetostring(buf *tmpBuf, ptr *byte, n int) (str string) {
    // 处理字节数组长度为0或1的情况
    if n == 0 {
        return ""
    }
    if n == 1 {
        p := unsafe.Pointer(&staticuint64s[*ptr])
        if sys.BigEndian {
            p = add(p, 7)
        }
        stringStructOf(&str).str = p
        stringStructOf(&str).len = 1
        return
    }

    var p unsafe.Pointer
    // 根据传入的缓冲区大小决定是否需要为新字符串分配内存
    if buf != nil && n <= len(buf) {
        p = unsafe.Pointer(buf)
    } else {
        p = mallocgc(uintptr(n), nil, false)
    }
    stringStructOf(&str).str = p
    stringStructOf(&str).len = n
    // 将原[]byte中的字节全部复制到新的内存空间中
    memmove(p, unsafe.Pointer(ptr), uintptr(n))
    return
}

当需要将字符串转换为字节数组([]byte)时，应使用stringtoslicebyte函数，其实现较为直观：

func stringtoslicebyte(buf *tmpBuf, s string) []byte {
    var b []byte
    // 如果传入了缓冲区且空间足够，则从该缓冲区切出相应长度的切片，否则创建一个新的切片
    if buf != nil && len(s) <= len(buf) {
        *buf = tmpBuf{}
        b = buf[:len(s)]
    } else {
        b = rawbyteslice(len(s))
    }
    // 将字符串复制到切片中
    copy(b, s)
    return b
}

在某些情况下，为了提高性能，从[]byte转换为string时，会直接返回一个string，其中的指针指向原始的[]byte地址，而不进行复制。然而，需要注意的是，类型转换的开销可能比预期的要大，因此在频繁进行类型转换时，应考虑其对程序性能的影响。