GO语言中string和[]byte的区别及转换

区别

在我们日常的开发中经常需要处理字符串，而在GO语言中，字符串和[]byte是两种不同的类型。

首先来看string的底层定义(src/runtime/string.go)：

type stringStruct struct {
  str unsafe.Pointer
  len int
}

[]byte的底层定义(src/runtime/slice.go):
```
type slice struct {
  array unsafe.Pointer
  len   int
  cap   int
}
```
二者都包含一个指向底层数组的指针，和底层数组的长度。不同点在于：
string是不可变的，一旦创建就不能修改，因此适合用于只读场景；
[]byte是可变的，可以修改，且包含一个容量信息(cap);

（注：这里就不展开slice的扩容机制了，可以参考网上其他信息）
什么叫string是不可变的呢？举个例子：

s := "hello world"
s[0] = 'H' // 编译错误：cannot assign to s[0]

（注：这里提一嘴go语言中单引号用来表示byte类型，双引号用来表示string类型）
string不可变的含义是不能修改string底层数组的某个元素，但我们可以修改string引用的底层数组：

s := "hello world"
s = "another string"

这时候s的底层数组已经发生了变化，我们创建了一个新的底层数组(another string)并将s的指针指向它。原先的底层数组(hello world)将等待gc回收。

[]byte是可变的，我们可以修改它的元素：

b := []byte{'h', 'e', 'l', 'l', 'o'}
b[0] = 'H'

这时候b的底层数组中第一个元素已经变成了'H'。

转换

在实际使用时，我们可能需要将string与[]byte互相转换，有以下两种常见的方式：

普通转换

string转[]byte：

s := "hello world"
b := []byte(s)

[]byte转string：

b := []byte{'h', 'e', 'l', 'l', 'o'}
s := string(b)

强转换（有风险谨慎使用）

在go版本<1.20中
通过unsafe包和reflect包实现，其主要原理是拿到底层数组的指针，然后转换成[]byte或string。

func String2Bytes(s string) []byte {
    sh := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s))
    bh := reflect.SliceHeader{
        Data: sh.Data,
        Len:  sh.Len,
        Cap:  sh.Len,
    }
    return *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&bh))
}

func Bytes2String(b []byte) string {
    return *(*string)(unsafe.Pointer(&b))
}

注：refelct包中的SliceHeader和StringHeader是切片、string的运行时表现

type StringHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
}

type SliceHeader struct {
    Data uintptr
    Len  int
    Cap  int
}

在go版本>=1.20中由于安全性问题reflect包中的StringHeader和SliceHeader已被标注为deprecated，建议使用unsafe包来实现转换。
// Deprecated: Use unsafe.String or unsafe.StringData instead.
// Deprecated: Use unsafe.Slice or unsafe.SliceData instead.

func String2Bytes(s string) []byte {
  // StringData获取string的底层数组指针，unsafe.Slice通过指针和长度构建切片
  return unsafe.Slice(unsafe.StringData(s), len(s))
}

func Bytes2String(b []byte) string {
  // SliceData获取切片的底层数组指针，unsafe.String通过指针和长度构建string
  return unsafe.String(unsafe.SliceData(b), len(b))
}

注：强转换可能出现重大问题！！！如下：

str := "hello world"
bs := String2Bytes(str)
bs[0] = 'H'
// str作为string不可修改，bs作为[]byte可修改，通过强转换二者指向同一个底层数组
// 修改bs时会出现严重错误，通过 defer + recover 也不能捕获
/*
unexpected fault address 0x1dc1f8
fatal error: fault
[signal 0xc0000005 code=0x1 addr=0x1dc1f8 pc=0x1a567b]
*/

两种转换的性能对比

转换函数：

func String2Bytes(s string) []byte {
  return unsafe.Slice(unsafe.StringData(s), len(s))
}

func Bytes2String(b []byte) string {
  return unsafe.String(unsafe.SliceData(b), len(b))
}

func String2Bytes_basic(s string) []byte {
  return []byte(s)
}

func Bytes2String_basic(b []byte) string {
  return string(b)
}

测试代码：

func BenchmarkS2B(b *testing.B) {
  str := "hello world hello world hello world hello world "
  for i := 0; i < b.N; i++ {
      _ = String2Bytes(str)
  }
}

func BenchmarkB2S(b *testing.B) {
  bs := []byte("hello world hello world hello world hello world ")
  for i := 0; i < b.N; i++ {
      _ = Bytes2String(bs)
  }
}

func BenchmarkS2Bbasic(b *testing.B) {
  str := "hello world hello world hello world hello world "
  for i := 0; i < b.N; i++ {
      _ = String2Bytes_basic(str)
  }
}

func BenchmarkB2Sbasic(b *testing.B) {
  bs := []byte("hello world hello world hello world hello world ")
  for i := 0; i < b.N; i++ {
      _ = Bytes2String_basic(bs)
  }
}

测试结果：

goos: windows
goarch: amd64
pkg: hello/convert
cpu: AMD Ryzen 7 6800H with Radeon Graphics
BenchmarkS2B-16                  1000000000             0.3371 ns/op        0 B/op        0 allocs/op
BenchmarkB2S-16               1000000000             0.5940 ns/op        0 B/op        0 allocs/op
BenchmarkS2Bbasic-16          48838329              24.82 ns/op         48 B/op        1 allocs/op
BenchmarkB2Sbasic-16          50250835              22.35 ns/op         48 B/op        1 allocs/op

显然使用强转换的性能更高，原因在于对于标准转换，无论是从 []byte 转 string 还是 string 转 []byte 都会涉及底层数组的拷贝。而强转换是直接替换指针的指向，从而使得 string 和 []byte 指向同一个底层数组。当数据长度大于 32 个字节时，标准转换需要通过 mallocgc 申请新的内存，之后再进行数据拷贝工作。所以，当转换数据较大时，两者性能差距会愈加明显。

两种转换方式的选择：

在你不确定安全隐患的条件下，尽量采用标准方式进行数据转换。
当程序对运行性能有高要求，同时满足对数据仅仅只有读操作的条件，且存在频繁转换（例如消息转发场景），可以使用强转换。

GO语言中string和[]byte的区别及转换