【Go语言踩坑系列（二）】字符串

声明

本系列文章并不会停留在Go语言的语法层面，更关注语言特性、学习和使用中出现的问题以及引起的一些思考。

要点

本文关注Go语言字符串相关的语言特性、以及相关的[]byte、[]rune数据类型。

从字符编码说起

ASCII

计算机是为人类服务的，我们自然有表示我们人类所有语言与符号的需求。由于计算机底层实现全部为二进制，为了用计算机表示并存储人类文明所有的符号，我们需要构造一个“符号” => “唯一编码”的映射表，且这个编码能够用二进制来表示。这样就实现了用计算机来表示人类的文字与符号。最早的映射表叫做ASCII码表，如：a => 97。这个相信大家都很熟悉了，它是由美国人发明的，自然首先需要满足容纳所有英文字符的需求，所以并没有考虑其他国家的语言与符号要如何用计算机来表示。
但是随着计算机的发展，其他国家也陆续有了使用计算机的需求。由于ASCII码只用1个字节存储，所以最多只能表示256种符号，无法表示其他国家的文字（如中文等）。为了解决ASCII表示范围有限的问题，以容纳其他国家的文字与符号，Unicode出现了。

Unicode

Unicode究竟有多强大？我们举一个例子来直观的感受一下：中文的“世”字，若用Unicode映射规则来表示，为“U+4E16”。U+代表Unicode，我们先不用管。“4E16”就是“世”字在所有人类的字符集中的唯一编码了，可以把这个编码看成数据库中的id，唯一确定“世”这个符号。Unicode能够存储目前世界上所有的文字与符号。
我始终在强调"映射规则"。ASCII、Unicode只是定义了一个“符号” => “唯一编码”的映射规则而已，并不关心具体计算机底层是如何用二进制存储的。

Unicode的存储实现

我们先自己实现一个

接下来我们关注究竟如何用二进制，来表示并存储“世”字这个Unicode编码“4E16”：先抛开业界已有的方案，我们先自己设计一个。按照惯性思维，我们可以直接想到，直接在底层将“4E16"转为二进制进行存储：即01001110 00010110，共2个字节。我们可以看到，这里Unicode规则和计算机二进制编码一一对应，不加任何优化与修改，这就是最早的UTF-16编码方案。
但是UTF-16编码存在一定的问题：无论是ASCII中定义的英文字符，还是复杂的中文字符，它都采用2个字节来存储。如果严格按照2个字节存储，编码号比较小的（如英文字母）的许多高位都为0（如字母t：00000000 01110100）。
这样一来，由于很多英文编码的高位都是0，但仍需要固定的2个字节来存储，所以UTF-16编码就造成了大量的空间浪费。我们怎么优化呢？我们想到，没有必要所有符号都统一都用2个字节来表示。编码号较小的，如英文字符，仅用1个字节表示就可以了；而编码号较大的中文字符，则用3个字节来表示。这种规则就是我们所熟知的UTF-8编码方式。Unicode的实现方式称为Unicode转换格式（Unicode Transformation Format，简称为UTF）

UTF-8

UTF-8编码方式如下：

1. 单字节的字符，字节的第一位设为0，对于英文，UTF-8码只占用一个字节，和ASCII码完全相同；
2. n个字节的字符(n>1)，第一个字节的前n位设为1，第n+1位设为0，后面字节的前两位都设为10，这n个字节的其余空位填充该字符unicode码，高位用0补足。

对于我们之前的例子，“世”需要用3个字节来存储，在UTF-8中以“E4B896”来存储。而对于英文字符“t”则以“74”来存储。所以，我们可以看到，虽然中文所需的存储空间比UTF-16多了1个字节，但是英文字符却减少了一个字节。综合考虑，由于我们使用英文字符的频率远远高于中文字符，所以这种改动是利大于弊的。相较前文的UTF-16编码方式，UTF-8的灵活度更大，也更节省存储空间。

编程范式

综上，UTF-16、UTF-8、还有其他五花八门的编码存储方式，都是Unicode的底层存储实现。用编程范式的语言来描述：Unicode是接口，定义了有哪些映射规则；而UTF-8、UTF-16则是Unicode这个接口的实现，它们在计算机底层实现了这些映射规则。

Go语言的字符串

字符串的长度是什么

为什么我们上文要讲编码呢？请看下面一个例子：

func main() {
    s := "hello世界"
    fmt.Println(len(s)) // 11
}

这里的结果并不符合我们预期的结果8。Go语言中的字符串实现，基于UTF-8编码。按照前文的描述，“世界”的编码共需要6个字节，加上hello，共需要11个字节，这样就能够解释len(s)的返回值了。
所以，从这里我们也能够回答标题中的问题，字符串的长度究竟代表什么？“长度”并没有一个标准的定义。通过这个例子来看，求字符串的长度函数len()的返回值，是这个字符串所占用的字节数，并不是字符的总个数。我们暂且把长度定义为字符串的字节数。

为什么需要byte和rune

我们知道，Go语言中有两种特殊的别名类型，是byte和rune，分别代表uint8和int32类型，即1个字节和4个字节。我们在开发中，常常会用到string类型和[]byte、[]rune类型的转换。它可能长下面这个样子：

func main() {
    s := "hello 世界"
    runeSlice := []rune(s) // len = 8 
    byteSlice := []byte(s) // len = 12
    // 打印每个rune切片元素
    for i:= 0; i < len(runeSlice); i++ {
        fmt.Println(runeSlice[i])
        // 输出104 101 108 108 111 32 19990 30028
    }
    fmt.Println()
    // 打印每个byte切片元素
    for i:= 0; i < len(byteSlice); i++ {
        fmt.Println(byteSlice[i])
        // 输出104 101 108 108 111 32 228 184 150 231 149 140
    }
}

我们可以看到，因为Go中的字符串采用UTF-8编码，且由于rune类型是4个字节，所以切片[]rune中，一个rune切片中的单个元素（4个字节），就能够完整的容纳一个UTF-8编码的中文字符（3个字节）；而在[]byte中，由于每个byte切片元素只有1个字节，所以需要3个byte切片元素来表示一个中文字符。这样，用[]byte表示的字符串就要比[]rune表示的字符串，切片长度多4（6 - 2），打印结果符合预期。
所以，我个人认为设计rune类型的目的，就是为了更方便的表示类似中文的非英文字符，处理起来更加方便；而byte类型则对英文字符的处理更加友好。这里总结一下：

1. 一个值在从string类型向[]byte类型转换时代表着以 UTF-8 编码的字符串，会被拆分成零散、独立的字节。可能一个完整的字符（如中文），会由多个byte切片中的元素组成。
2. 一个值在从string类型向[]rune类型转换时代表着以 UTF-8 编码字符串，会被拆分成一个个完整的字符。

字符串的底层实现

那么，既然[]byte和[]rune都能够表示一个字符串，那么Go语言底层是如何存储字符串的呢？

// string is the set of all strings of 8-bit bytes, conventionally but not
// necessarily representing UTF-8-encoded text. A string may be empty, but
// not nil. Values of string type are immutable.
type string string

我们看英文注释，关键在于：string是一个8bit字节的集合，且是不可变的。所以，Go语言字符串的底层实现为[]byte：

type stringStruct struct {
    str unsafe.Pointer // 指针，指向底层存储数据的[]byte
    len int            // 长度
}

我们看到，Go语言底层并没有像C语言一样，类似直接定义一个char[]来表示字符串，直接定义一个[]byte切片，而是采用了一个指针，这个指针相当于C语言的void *，可以指向任何地方，这给Go语言的字符串操作带来了极大的灵活性；而第二个字段则是字符串的长度，也很好理解。讲完了Go的字符串结构，那么我们用一张图，总结一下字符串、[]byte、[]rune三种类型之间的转换过程：

个人认为，使用[]rune来做string的底层存储结构理论上来说也是可以的。但是由于rune为4个字节，只对中文比较友好；对于英文字符来说，灵活度较差。而我们使用英文字符的频率更高，所以Go就选择了[]byte切片类型作为底层存储类型。

字符串的不可变性

Go语言的字符串是不可变的。那么怎么理解这个不可变性呢？答案是Go语言官方禁止str[0] = 'a'，这种直接对字符串中的字符做修改操作。那么，为什么要这样做呢？
我们知道，字符串底层是用一个[]byte存储的。个人理解，如果不同字符串所要表示的字面量相同，不同字符串就可以复用这个字面量的底层存储空间。那么，如何最大化的复用呢？就源于这个字符串“不可变性”的约定。
在计算机领域，有一个很经典的存储空间复用机制COW(copy on write)。举一个简单的例子：假设某两个字符串均为：“hello世界”，当我们仅仅对字符串进行只读操作：比如赋值、读取数据，是不会重新分配内存的；而对字符串进行连接等写操作，由于写操作之后两个字符串并不再相同，实在没办法再复用下去了，我们就会为连接后的新字符串分配新的存储空间，并用字符串结构体中的指针str字段，指向这块新的存储空间，这样才能正确表示并存储两个不同的字符串。Go语言字符串的不可变性最大化的成全了COW机制，同时也能够体现出在底层stringStruct结构设计，指针所带来的的灵活性，我们感受一下：

package main

import (
    "fmt"
    "unsafe"
)

type stringStruct struct {
    str unsafe.Pointer
    len int
}

func main() {
    a := "hello世界"
    b := a
    pa := (*stringStruct)(unsafe.Pointer(&a))
    pb := (*stringStruct)(unsafe.Pointer(&b))
    // 0x10cd9cd 0x10cd9cd
    fmt.Println(pa.str, pb.str)
    b = a[:5]
    pa = (*stringStruct)(unsafe.Pointer(&a))
    pb = (*stringStruct)(unsafe.Pointer(&b))
    // 0x10cd9cd 0x10cd9cd
    fmt.Println(pa.str, pb.str)
    b += "baiyan"
    pa = (*stringStruct)(unsafe.Pointer(&a))
    pb = (*stringStruct)(unsafe.Pointer(&b))
    // 0x10cd9cd 0xc000016060
    fmt.Println(pa.str, pb.str)
}

这里unsafe.Pointer相当于C语言中的void *，可以将某个指针转换为任一指定类型。这里我们指定一个stringStruct，也就是Go字符串的底层存储结构。
我们重点关注以下几行代码：

 b := a        // 只读，复用
 b = a[:5]     // 只读，复用
 b += "baiyan" // 写，无法继续复用

通过我们最终打印stringStruct中的str字段的地址，我们发现前两个只读操作打印的地址均相同，说明变量a和b会复用同一个底层[]byte；而进行字符串连接操作之后，b变量最终还是与a变量分离，进行内存拷贝，使用两个独立的[]byte：

除此之外，COW机制也体现了一个“懒”的思想，把分配内存空间这种耗时操作推迟到最晚（也就是修改后必须分离）的时候才完成，减少了内存分配的次数、最大化复用同一个底层数组的时间。
我们再回顾之前字符串的不可变性，它给多个字符串、共享相同的底层数据结构带来了最大程度的优化。同时也保证了在Go的多协程状态下，操作字符串的安全性。

下期预告

【Go语言踩坑系列（三）】数组与切片

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