Go 空结构体：零内存的魔力

2023-06-08
广东
本文字数：2371 字
阅读完需：约 8 分钟

作者：陈明勇
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前言

在 Go 语言中，有一种特殊的用法可能让许多人感到困惑，那就是空结构体 struct{}。在本文中，我将对 Go 空结构体进行详解，准备好了吗？准备一杯你最喜欢的饮料或茶，随着本文一探究竟吧。

什么是空结构体

不包含任何字段的结构体，就是空结构体。它有以下两种定义方式：

匿名空结构体

    var e sruct{}

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命名空结构体

    type EmptyStruct struct{}    var e EmptyStruct

复制代码

空结构体的特点

空结构体主要有以下几个特点：

零内存占用
地址相同
无状态

零内存占用

空结构体不占用任何内存空间，这使得空结构体在内存优化方面非常有用，我们来通过例子看看是否真的是零内存占用：

package main
import (   "fmt"   "unsafe")
func main() {   var a int   var b string   var e struct{}   fmt.Println(unsafe.Sizeof(a)) // 4   fmt.Println(unsafe.Sizeof(b)) // 8   fmt.Println(unsafe.Sizeof(e)) // 0}

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通过打印结果对比可知，空结构体内存占用为 0。

地址相同

无论创建多少个空结构体，它们所指向的地址都相同的。

package main
import (   "fmt")
func main() {   var e struct{}   var e2 struct{}   fmt.Printf("%p\n", &e)  // 0x90b418   fmt.Printf("%p\n", &e2) // 0x90b418   fmt.Println(&e == &e2)    // true}

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无状态

由于空结构体不包含任何字段，因此它不能有状态。这使得空结构体在表示无状态的对象或情况时非常有用。

为什么是零内存和地址相同

要理解为什么空结构体在内存上是零大小（零内存）并且多个空结构体的地址是相同的，需要深入研究 Go 的源码。

/go/src/runtime/malloc.go

// base address for all 0-byte allocationsvar zerobase uintptr
func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {    ······
    if size == 0 {       return unsafe.Pointer(&zerobase)    }    ······

复制代码

根据 malloc.go 源码的部分内容，当要分配的对象大小 size 为 0 时，会返回指向 zerobase 的指针。zerobase 是一个用于分配零字节对象的基准地址，它不占用任何实际的内存空间。

空结构体的使用场景

空结构体主要有以下三种使用场景：

实现 Set 集合类型
用于通道信号
作为方法接收器

实现 Set 集合类型

在 Go 语言中，虽然没有内置 Set 集合类型，但是我们可以利用 map 类型来实现一个 Set 集合。由于 map 的 key 具有唯一性，我们可以将元素存储为 key，而 value 没有实际作用，为了节省内存，我们可以使用空结构体作为 value 的值。

package main
import "fmt"
type Set[K comparable] map[K]struct{}
func (s Set[K]) Add(val K) {   s[val] = struct{}{}}func (s Set[K]) Remove(val K) {   delete(s, val)}
func (s Set[K]) Contains(val K) bool {   _, ok := s[val]   return ok}
func main() {   set := Set[string]{}   set.Add("陈明勇")   fmt.Println(set.Contains("陈明勇")) // true   set.Remove("陈明勇")   fmt.Println(set.Contains("陈明勇")) // false}

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用于通道信号

空结构体常用于 Goroutine 之间的信号传递，尤其是不关心通道中传递的具体数据，只需要一个触发信号时。例如，我们可以使用空结构体通道来通知一个 Goroutine 停止工作：

package main    import (     "fmt"     "time"  )    func main() {     quit := make(chan struct{})     go func() {        // 模拟工作        fmt.Println("工作中...")        time.Sleep(3 * time.Second)        // 关闭退出信号        close(quit)   }()       // 阻塞，等待退出信号被关闭     <-quit     fmt.Println("已收到退出信号，退出中...")  }

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在这个例子中，创建了一个通道 quit，并在一个单独的 Goroutine 中模拟执行工作。在完成工作后，关闭了 quit 通道，表示退出信号。主函数在 <-quit 处阻塞，直到收到退出信号，然后打印一条消息并退出程序。

由于通道使用的类型是空结构体，因此不会带来额外的内存开销。

在 Go 标准库中，context 包中的 Context 接口的 Done() 方法返回一个通道信号，用于通知相关操作的完成状态。这个通道信号的返回值就是使用了空结构体。

type Context interface {    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
    Done() <-chan struct{}
    Err() error
    Value(key any) any}

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作为方法接收器

有时候我们需要创建一组方法集的实现（一般来说是实现一个接口），但并不需要在这个实现中存储任何数据，这种情况下，我们可以使用空结构体来实现：

type Person interface {   SayHello()   Sleep()}
type CMY struct{}
func (c CMY) SayHello() {   fmt.Println("你好，我叫陈明勇。")}
func (c CMY) Sleep() {   fmt.Println("陈明勇睡觉中...")}

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这个例子定义了一个接口 Person 和一个结构体 CMY ，并为 CMY 实现了 Person 接口，定义了一组方法（SayHello 和 Sleep）。

由于 CMY 结构体为空结构体，因此不会带来额外的内存开销。

小结

在本文中，首先介绍了 Go 语言 空结构体 的概念和定义方式，它有两种定义方式；

随后对 空结构体 的特点进行介绍，包括其零内存和多个变量地址相同的特性；

接着进一步深入源码，探究了为什么空结构体在 Go 语言中是零内存且多变量地址相同，原因是当要分配的对象大小 size 为 0 时，会返回指向 zerobase 的指针；

最后列举了空结构体的三个使用场景，通过这些代码示例，展示了空结构体在实际应用中的一些常见用途。

你还知道 空结构体 的其他使用场景吗？欢迎评论区留言探讨。

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/87fe1213fcec78d6b4fe4dd95】。文章转载请联系作者。

陈明勇

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一个热爱技术，喜欢专研技术的程序员。 2021-10-20 加入

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Go 空结构体：零内存的魔力

前言

什么是空结构体

空结构体的特点

零内存占用

地址相同

无状态

为什么是零内存和地址相同

空结构体的使用场景

实现 Set 集合类型

用于通道信号

作为方法接收器

小结

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