Unendliche Anwendungen von Go's Leerer Struktur

Vorwort

In der Go-Programmiersprache gibt es eine spezielle Verwendung, die viele Leute verwirren kann – die leere Struktur struct{}. In diesem Artikel werde ich eine detaillierte Erklärung von Go's leerer Struktur geben. Bereit? Holen Sie sich Ihr Lieblingsgetränk oder Ihren Tee, und los geht's.

Was ist eine leere Struktur

Eine Struktur, die keine Felder enthält, wird als leere Struktur bezeichnet. Sie kann auf folgende zwei Arten definiert werden:

Anonyme leere Struktur

var e struct{}

Benannte leere Struktur

type EmptyStruct struct{}
var e EmptyStruct

Eigenschaften von leeren Strukturen

Leere Strukturen haben die folgenden Haupteigenschaften:

Keine Speicherzuweisung
Gleiche Adresse
Zustandslose

Keine Speicherzuweisung

Leere Strukturen belegen keinen Speicherplatz. Dies macht sie sehr nützlich für die Speicheroptimierung. Betrachten wir ein Beispiel, um zu überprüfen, ob sie wirklich keinen Speicher belegen:

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
}

Wie die Ausgabe zeigt, beträgt die Speichergröße einer leeren Struktur 0.

Gleiche Adresse

Egal wie viele leere Strukturen Sie erstellen, sie alle zeigen auf dieselbe Adresse.

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
}

Zustandslose

Da eine leere Struktur keine Felder enthält, kann sie keinen Zustand enthalten. Dies macht sie sehr nützlich für die Darstellung zustandsloser Objekte oder Bedingungen.

Warum kein Speicher und gleiche Adresse?

Um zu verstehen, warum leere Strukturen keine Größe haben und dieselbe Adresse teilen, müssen wir uns mit dem Go-Quellcode befassen.

/go/src/runtime/malloc.go

// base address for all 0-byte allocations
var zerobase uintptr

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
	// ...

	if size == 0 {
		return unsafe.Pointer(&zerobase)
	}
	// ...

Laut diesem Auszug aus malloc.go gibt die Funktion, wenn die Größe des zuzuweisenden Objekts 0 ist, einen Zeiger auf zerobase zurück. zerobase ist eine Basisadresse, die für die Zuweisung von Null-Byte-Objekten verwendet wird und keinen tatsächlichen Speicherplatz belegt.

Anwendungsszenarien von leeren Strukturen

Leere Strukturen werden hauptsächlich in den folgenden drei Szenarien verwendet:

Implementierung einer Set-Datenstruktur
Verwendung als Signale in Kanälen
Verwendung als Methodenempfänger

Implementierung einer Set-Datenstruktur

Obwohl Go keinen eingebauten Set-Typ hat, können wir einen mit dem Map-Typ implementieren. Da Map-Schlüssel eindeutig sind, können wir Elemente als Schlüssel speichern, und da die Werte nicht wichtig sind, verwenden wir leere Strukturen als Werte, um Speicher zu sparen.

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("Leapcell")
	fmt.Println(set.Contains("Leapcell")) // true
	set.Remove("Leapcell")
	fmt.Println(set.Contains("Leapcell")) // false
}

Verwendung als Kanalsignale

Leere Strukturen werden oft für die Signalisierung zwischen Goroutinen verwendet, insbesondere wenn wir uns nicht um die tatsächlichen Daten kümmern, die im Kanal übertragen werden, sondern nur um das Signal. Zum Beispiel können wir einen leeren Strukturkanal verwenden, um eine Goroutine zu benachrichtigen, die Arbeit einzustellen:

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	quit := make(chan struct{})
	go func() {
		// Simulate work
		fmt.Println("Working...")
		time.Sleep(3 * time.Second)
		// Send quit signal
		close(quit)
	}()

	// Block and wait for quit signal to close
	<-quit
	fmt.Println("Quit signal received, exiting...")
}

In diesem Beispiel wird ein quit-Kanal erstellt, und eine separate Goroutine simuliert etwas Arbeit. Nach Abschluss der Arbeit schließt sie den quit-Kanal, um den Ausgang zu signalisieren. Die Hauptfunktion blockiert bei <-quit, bis sie das Signal empfängt, druckt dann eine Meldung und beendet sich.

Da der Kanal den leeren Strukturtyp verwendet, verursacht er keinen zusätzlichen Speicheraufwand.

In der Go-Standardbibliothek hat die Context-Schnittstelle des context-Pakets eine Done()-Methode, die einen Kanal zurückgibt, der verwendet wird, um den Abschlussstatus von Operationen zu signalisieren. Dieser zurückgegebene Kanal verwendet eine leere Struktur als seinen Typ.

type Context interface {
	Deadline() (deadline time.Time, ok bool)

	Done() <-chan struct{}

	Err() error

	Value(key any) any
}

Verwendung als Methodenempfänger

Manchmal müssen wir eine Gruppe von Methoden definieren (normalerweise um eine Schnittstelle zu implementieren), müssen aber keine Daten in der Implementierung speichern. In solchen Fällen können wir eine leere Struktur verwenden:

type Person interface {
	SayHello()
	Sleep()
}

type LPC struct{}

func (c LPC) SayHello() {
	fmt.Println("[Leapcell] Hello")
}

func (c LPC) Sleep() {
	fmt.Println("[Leapcell] Sleeping...")
}

Dieses Beispiel definiert eine Schnittstelle Person und eine Struktur LPC und implementiert die Schnittstelle Person mit den Methoden SayHello und Sleep.

Da LPC eine leere Struktur ist, verursacht sie keinen zusätzlichen Speicheraufwand.

Zusammenfassung

In diesem Artikel haben wir zunächst das Konzept und die Definitionen von leeren Strukturen in der Go-Sprache vorgestellt, die auf zwei Arten definiert werden können.

Dann haben wir die Eigenschaften leerer Strukturen untersucht, einschließlich ihrer null Speicherbelegung und der Tatsache, dass mehrere Variablen dieses Typs dieselbe Adresse teilen.

Als Nächstes sind wir tiefer in den Quellcode eingetaucht und haben untersucht, warum leere Strukturen in Go keinen Speicher und dieselbe Adresse haben. Der Grund dafür ist, dass Go einen Zeiger auf zerobase zurückgibt, wenn die Größe des zuzuweisenden Objekts (size) 0 ist.

Schließlich haben wir drei Anwendungsfälle für leere Strukturen aufgelistet und einige gängige reale Szenarien mit Codebeispielen demonstriert, darunter:

Implementieren eines Sets mit einem map[K]struct{}
Verwenden leerer Strukturen für die Signalisierung in Kanälen
Verwenden leerer Strukturen als Empfänger, wenn keine Datenspeicherung erforderlich ist

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