Go高级特性 14 | 内存分配:new 和 make 的使用场景

程序的运行都需要内存,比如像变量的创建、函数的调用、数据的计算等。所以在需要内存的时候就要申请内存,进行内存分配。在 C/C++ 这类语言中,内存是由开发者自己管理的,需要主动申请和释放,而在 Go 语言中则是由该语言自己管理的,开发者不用做太多干涉,只需要声明变量,Go 语言就会根据变量的类型自动分配相应的内存。

Go 语言程序所管理的虚拟内存空间会被分为两部分:堆内存和栈内存。栈内存主要由 Go 语言来管理,开发者无法干涉太多,堆内存才是我们开发者发挥能力的舞台,因为程序的数据大部分分配在堆内存上,一个程序的大部分内存占用也是在堆内存上。

小提示:我们常说的 Go 语言的内存垃圾回收是针对堆内存的垃圾回收。

变量的声明、初始化就涉及内存的分配,比如声明变量会用到 var 关键字,如果要对变量初始化,就会用到 = 赋值运算符。除此之外还可以使用内置函数 new 和 make,它们的功能非常相似,但可能还是比较迷惑,所以基于内存分配,进而引出内置函数 new 和 make,讲解他们的不同,以及使用场景。

变量

一个数据类型,在声明初始化后都会赋值给一个变量,变量存储了程序运行所需的数据。

变量的声明

如果要单纯声明一个变量,可以通过 var 关键字,如下所示:

var s string

该示例只是声明了一个变量 s,类型为 string,并没有对它进行初始化,所以它的值为 string 的零值,也就是 “”(空字符串)。现在来声明一个指针类型的变量试试,如下所示:

var sp *string

发现也是可以的,但是它同样没有被初始化,所以它的值是 *string 类型的零值,也就是 nil。

变量的赋值

变量可以通过 = 运算符赋值,也就是修改变量的值。如果在声明一个变量的时候就给这个变量赋值,这种操作就称为变量的初始化。如果要对一个变量初始化,可以有三种办法。

  1. 声明时直接初始化,比如 var s string = “Golang”。
  2. 声明后再进行初始化,比如 s=”Golang”(假设已经声明变量 s)。
  3. 使用 := 简单声明,比如 s:=”Golang”。

小提示:变量的初始化也是一种赋值,只不过它发生在变量声明的时候,时机最靠前。也就是说,当你获得这个变量时,它就已经被赋值了。

现在就对上面示例中的变量 s 进行赋值,示例代码如下:

func main() {
   var s string
   s = "张三"
   fmt.Println(s)
}

运行以上代码,可以正常打印出张三,说明值类型的变量没有初始化时,直接赋值是没有问题的。那么对于指针类型的变量呢?

在下面的示例代码中,声明了一个指针类型的变量 sp,然后把该变量的值修改为“Golang”。

func main() {
   var sp *string
   *sp = "Golang"
   fmt.Println(*sp)
}

运行这些代码,会看到如下错误信息:

panic: runtime error: invalid memory address or nil pointer dereference

这是因为指针类型的变量如果没有分配内存,就默认是零值 nil,它没有指向的内存,所以无法使用,强行使用就会得到以上 nil 指针错误。

而对于值类型来说,即使只声明一个变量,没有对其初始化,该变量也会有分配好的内存。

在下面的示例中,声明了一个变量 s,并没有对其初始化,但是可以通过 &s 获取它的内存地址。这其实是 Go 语言实现的,可以直接使用。

func main() {
   var s string
   fmt.Printf("%p\n",&s)
}

sync.WaitGroup 是一个 struct 结构体,是一个值类型,Go 语言自动分配了内存,所以可以直接使用,不会报 nil 异常。

于是可以得到结论:如果要对一个变量赋值,这个变量必须有对应的分配好的内存,这样才可以对这块内存操作,完成赋值的目的。

小提示:其实不止赋值操作,对于指针变量,如果没有分配内存,取值操作一样会报 nil 异常,因为没有可以操作的内存。

所以一个变量必须要经过声明、内存分配才能赋值,才可以在声明的时候进行初始化。指针类型在声明的时候,Go 语言并没有自动分配内存,所以不能对其进行赋值操作,这和值类型不一样。

小提示:map 和 chan 也一样,因为它们本质上也是指针类型。

new 函数

声明的指针变量默认是没有分配内存的,那么给它分配一块就可以了。于是就需要今天的主角之一 new 函数出场了,对于上面的例子,可以使用 new 函数进行如下改造:

func main() {
   var sp *string
   sp = new(string)//关键点
   *sp = "Golang"
   fmt.Println(*sp)
}

以上代码的关键点在于通过内置的 new 函数生成了一个 *string,并赋值给了变量 sp。现在再运行程序就正常了。

内置函数 new 的作用是什么呢?可以通过它的源代码定义分析,如下所示:

// The new built-in function allocates memory. The first argument is a type,
// not a value, and the value returned is a pointer to a newly
// allocated zero value of that type.
func new(Type) *Type

它的作用就是根据传入的类型申请一块内存,然后返回指向这块内存的指针,指针指向的数据就是该类型的零值。

比如传入的类型是 string,那么返回的就是 string 指针,这个 string 指针指向的数据就是空字符串,如下所示:

sp1 = new(string)
fmt.Println(*sp1)//打印空字符串,也就是string的零值。

通过 new 函数分配内存并返回指向该内存的指针后,就可以通过该指针对这块内存进行赋值、取值等操作。

变量初始化

当声明了一些类型的变量时,这些变量的零值并不能满足要求,这时就需要在变量声明的同时进行赋值(修改变量的值),这个过程称为变量的初始化。

下面的示例就是 string 类型的变量初始化,因为它的零值(空字符串)不能满足需要,所以需要在声明的时候就初始化为“Golang”。

var s string = "Golang"
s1:="Golang"

不止基础类型可以通过以上这种字面量的方式进行初始化,复合类型也可以,比如示例中的 person 结构体,如下所示:

type person struct {
   name string
   age int
}
func main() {
   //字面量初始化
   p:=person{name: "张三",age: 18}
}

该示例代码就是在声明这个 p 变量的时候,把它的 name 初始化为张三,age 初始化为 18。

指针变量初始化

new 函数可以申请内存并返回一个指向该内存的指针,但是这块内存中数据的值默认是该类型的零值,在一些情况下并不满足业务需求。比如我想得到一个 *person 类型的指针,并且它的 name 是Golang、age 是 20,但是 new 函数只有一个类型参数,并没有初始化值的参数,此时该怎么办呢?
要达到这个目的,可以自定义一个函数,对指针变量进行初始化,如下所示:

func NewPerson() *person{
   p:=new(person)
   p.name = "Golang"
   p.age = 20
   return p
}

这个代码示例中的 NewPerson 函数就是工厂函数,除了使用 new 函数创建一个 person 指针外,还对它进行了赋值,也就是初始化。这样 NewPerson 函数的使用者就会得到一个 name 为Golang、age 为 20 的 *person 类型的指针,通过 NewPerson 函数做一层包装,把内存分配(new 函数)和初始化(赋值)都完成了。

下面的代码就是使用 NewPerson 函数的示例,它通过打印 *pp 指向的数据值,来验证 name 是否是Golang,age 是否是 20。

pp:=NewPerson()
fmt.Println("name为",pp.name,",age为",pp.age)

为了让自定义的工厂函数 NewPerson 更加通用,让它可以接受 name 和 age 参数,如下所示:

pp:=NewPerson("Golang",20)
func NewPerson(name string,age int) *person{
   p:=new(person)
   p.name = name
   p.age = age
   return p
}

这些代码的效果和刚刚的示例一样,但是 NewPerson 函数更通用,因为你可以传递不同的参数,构建出不同的 *person 变量。

make 函数

铺垫了这么多,终于到第二个主角 make 函数了。在使用 make 函数创建 map 的时候,其实调用的是 makemap 函数,如下所示:

// makemap implements Go map creation for make(map[k]v, hint).
func makemap(t *maptype, hint int, h *hmap) *hmap{
  //省略无关代码
}

makemap 函数返回的是 *hmap 类型,而 hmap 是一个结构体,它的定义如下面的代码所示:

// A header for a Go map.
type hmap struct {
   // Note: the format of the hmap is also encoded in cmd/compile/internal/gc/reflect.go.
   // Make sure this stays in sync with the compiler's definition.
   count     int // # live cells == size of map.  Must be first (used by len() builtin)
   flags     uint8
   B         uint8  // log_2 of # of buckets (can hold up to loadFactor * 2^B items)
   noverflow uint16 // approximate number of overflow buckets; see incrnoverflow for details
   hash0     uint32 // hash seed
   buckets    unsafe.Pointer // array of 2^B Buckets. may be nil if count==0.
   oldbuckets unsafe.Pointer // previous bucket array of half the size, non-nil only when growing
   nevacuate  uintptr        // progress counter for evacuation (buckets less than this have been evacuated)
   extra *mapextra // optional fields
}

可以看到,平时使用的 map 关键字其实非常复杂,它包含 map 的大小 count、存储桶 buckets 等。要想使用这样的 hmap,不是简单地通过 new 函数返回一个 *hmap 就可以,还需要对其进行初始化,这就是 make 函数要做的事情,如下所示:

m:=make(map[string]int,10)

是不是发现 make 函数和自定义的 NewPerson 函数很像?其实 make 函数就是 map 类型的工厂函数,它可以根据传递它的 K-V 键值对类型,创建不同类型的 map,同时可以初始化 map 的大小。

小提示:make 函数不只是 map 类型的工厂函数,还是 chan、slice 的工厂函数。它同时可以用于 slice、chan 和 map 这三种类型的初始化。

总结

通过这节课的讲解,相信已经理解了函数 new 和 make 的区别,现在再来总结一下。

new 函数只用于分配内存,并且把内存清零,也就是返回一个指向对应类型零值的指针。new 函数一般用于需要显式地返回指针的情况,不是太常用。

make 函数只用于 slice、chan 和 map 这三种内置类型的创建和初始化,因为这三种类型的结构比较复杂,比如 slice 要提前初始化好内部元素的类型,slice 的长度和容量等,这样才可以更好地使用它们。

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