深度剖析 Go 的 nil

前几天有小伙伴问我说，golang 里面很多类型使用 nil
来赋值和做条件判断，总是混淆记不住。你可能见过：：

1. 很多文章和书会教你：Go 语言默认定义的类型赋值会被 nil
   ；
2. error
   返回值经常用 return nil
   的写法；
3. 多种类型都可以使用 if
   是否 != nil
   ；

上面的事情在 Go 编程里随处可见，下面思考几个问题，看自己对 nil
这个知识点是否做到了知其所以然 ：

1. nil
   是一个关键字？还是类型？还是变量？
2. 并非所有类型都跟 nil
   有关系，有哪些类型可以使用 != nil
   的语法？
3. 这些不同的类型和 nil
   打交道又有什么异同？
4. 为什么有些复合结构定义了变量还不够，还必须要 make(Type)
   才能使用 ？否则会出 panic
   ；
5. 很多书里讲 slice
   也要 make
   之后才能用，但其实不必要，其实 slice
   只要定义了就能用。但 map
   结构却光定义还不行，一定要 make(Type)
   才能使用？

下面我们就这几个思考题展开，剖析 nil
的秘密。

Go 里面 nil 到底是什么？

我们思考的第一个问题是：nil
是一个关键字？还是类型？还是变量？

答案自然是：变量
。具体是什么样的变量，我们可以点进去 Go 的源码看下：

// nil is a predeclared identifier representing the zero value for a
// pointer, channel, func, interface, map, or slice type.
var nil Type // Type must be a pointer, channel, func, interface, map, or slice type

// Type is here for the purposes of documentation only. It is a stand-in
// for any Go type, but represents the same type for any given function
// invocation.
type Type int


从类型定义得到两个关键点：

1. nil
   本质上是一个 Type
   类型的变量而已；
2. Type
   类型仅仅是基于 int
   定义出来的一个新类型；

从 nil
官方的注释中，我们可以得到一个重要信息：

划重点：nil
适用于 指针，函数，interface
，map
，slice
，channel
这 6 种类型。

相同点：

Go 和 C 的变量定义回归最本质原理：分配变量指定大小的内存，确定一个变量名称。

不同点：

• Go 分配内存是置 0 分配的。置 0 分配的意思是：Go 确保分配出来的内存块里面是全 0 数据；
• C 默认分配的内存则仅仅是分配内存，里面的数据不能做任何假设，里面是未定义的数据，可能是全 0 ，可能是全 1，可能是 0101
  等；

Go 置 0 分配的原理：

• 栈上变量的内存编译阶段由编译器就保证了置 0 分配，这种反汇编看下就知道了；
• 堆上变量的内存由 runtime
  保证，可以仔细观察下 mallocgc
  这个函数参数有一个 needzero
  的参数，用户变量定义触发的入口（比如 newobject
  等等 ）这个参数为 true
  ，而该参数就是显式指定置 0 分配的。

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

思考一个小问题：Go 既然所用的类型定义都是置 0 分配的，那为什么 mallocgc
需要 needzero
这么一个参数来控制呢？

首先，Go 的类型定义一定确保是置 0 分配的，这个是 Go 语言给到 Go 程序员的语义。Go runtime
众多的内部的流程（对 Go 程序员不感知的层面）是没有这个规定的。其次，置 0 分配是有性能代价的，如果在确保语义的情况下，能不做自然是最好的。

划重点：Go 的变量定义由语言层面确保置 0 分配，确保内存块全 0 数据。请记住这个最本质的约定。

怎么理解 nil

通过上面，我们理解了几个东西：

1. Go 的类型定义仅比 C 多做了一件事，把分配的内存块置 0，而已；
2. 能够和 nil 值做判断的，仅仅有 6 个类型。如果你用来其他类型来和 nil 比较，那么在编译期间 typecheck
   会报错检查到会报错；

就笔者理解，nil
这个概念是更高一层的概念，在语言级别，而这个概念是由编译器带给你的。不是所有的类型都可以和 nil
进行比较或者赋值，只有这 6 种类型的变量才能和 nil 值比较，因为这是编译器决定的。

同样的，你不能赋值一个 nil
变量给一个整型，原理也很简单，仅仅是编译器不让，就这么简单。

所以，nil
其实更准确的理解是一个触发条件，编译器看到和 nil
值比较的写法，那么就要确认类型在这 6 种类型以内，如果是赋值 nil
，那么也要确认在这 6 种类型以内，并且对应的结构内存为全 0 数据。

所以，记住这句话，nil
是编译器识别行为的一个触发点而已，看到这个 nil
会触发编译器的一些特殊判断和操作。

和 nil 打交道的 6 大类型

变量定义

创建 slice
的本质上是 2 种:

1. var
   关键字定义；
2. make
   关键字创建；

// 方式一
var slice1 []byte
var slice2 []byte = []byte{0x1, 0x2, 0x3}

// 方式二
var slice3 = make([]byte, 0)
var slice4 = make([]byte, 3)

首先，slice 变量本身占多少个字节？

答案是：24 个字节。1 个指针字段，2 个 8 字节的整形字段。

思考：var
和 make
这两种方式有什么区别？

• 第一种 var
  的方式定义变量纯粹真的是变量定义，如果逃逸分析之后，确认可以分配在栈上，那就在栈上分配这 24 个字节，如果逃逸到堆上去，那么调用 newobject
  函数进行类型分配。
• 第二种 make
  方式则略有不同，如果逃逸分析之后，确认分配在栈上，那么也是直接在栈上分配 24 字节，如果逃逸到堆上则会导致调用 makeslice
  函数来分配变量。

变量本身

定义的变量本身分配了多少内存？

上面已经说过了，无论多大的 slice ，变量本身占用 24 字节。这 24 个字节其实是动态数组的管理结构，如下：

type slice struct {
   array unsafe.Pointer         // 管理的内存块首地址
   len   int                    // 动态数组实际使用大小
   cap   int                    // 动态数组内存大小
}

该结构体定义在 src/runtime/slice.go
里。

划重点：我们看到无论是 var
声明定义的 slice
变量，还是 make(xxx，num)
创建的 slice
变量，slice
管理结构是已经分配出来了的（也就是 struct slice
结构 ）。

所以， 对于 slice
来说，其实并不需要 make
创建的才能使用，直接用 var
定义出来的 slice
也能直接使用。如下：

// 定义一个 slice
var slice1 []byte
// 使用这个 slice
slice1 = append(slice1, 0x1)

定义的时候，slice
结构本身就已经置 0 分配了，这个 24 字节的 slice
结构就是管理动态数组的核心。有这个在 append
函数就能正常处理 slice
变量。

思考：append
又是怎么处理的呢？

本质是调用 runtime.growslice
函数来处理。

nil
赋值

如果把一个已经存在的 slice
结构赋值 nil
，会发生什么事情？

var slice2 []byte = []byte{0x1, 0x2, 0x3}

// slice 赋值 nil
slice2 = nil

发生什么事？

事情在编译期间就确定了，就是把 slice2 变量本身内存块置 0 ，也就是说 slice2 本身的 24 字节的内存块被置 0。

nil
值判断

编译器认为 slice
做可以做 nil
判断，那么什么样的 slice
认为是 nil
的？

指针值为 0 的，也就是说这个动态数组没有实际数据的时候。

思考：仅判断指针？对 len 和 cap 两个字段不做判断吗？

只对首字段 array
做非 0 判断，len，cap 字段不做判断。

如下：

var a []byte = []byte{0x1, 0x2, 0x3}
if a != nil {
}

对应的部分汇编代码如下：

// 赋值 array 的值
0x00000000004587cd <+93>: mov    %rax,0x20(%rsp)
// 赋值 len 的值
0x00000000004587d2 <+98>: movq   $0x3,0x28(%rsp)
// 赋值 cap 的值
0x00000000004587db <+107>: movq   $0x3,0x30(%rsp)
// 判断 slice 是否是 nil
=> 0x00000000004587e4 <+116>: test   %rax,%rax

不信 Go 只判断首字段？为了验证，自己思考下一下的程序的输出：

package main

import (
   "unsafe"
)

type sliceType struct {
   pdata unsafe.Pointer
   len   int
   cap   int
}

func main() {
   var a []byte

   ((*sliceType)(unsafe.Pointer(&a))).len = 0x3
   ((*sliceType)(unsafe.Pointer(&a))).cap = 0x4

   if a != nil {
      println("not nil")
   } else {
      println("nil")
   }
}

答案是：输出 nil
。

变量定义

// 变量定义
var m1 map[string]int
// 定义 & 初始化
var m2 = make(map[string]int)

和 slice 类似，上面也是两种差别的方式：

• 第一种方式仅仅定义了 m1 变量本身；
• 第二种方式则是分配 m2 的内存，还会调用 makehmap
  函数（不一定是这个函数，要看逃逸分析的结果，如果是可以栈上分配的，会有一些优化）来创建某个结构，并且把这个函数的返回值赋给 m2；

变量本身

map
的变量本身究竟是什么？比如上面的 m1
，m2
?

m1, m2 变量本身是一个指针，内存占用 8 字节。这个指针指向的结构才大有来头，指向一个 struct hmap
结构。

type hmap struct {
   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
}

所以，回到思考问题：为什么 map
结构却光定义还不行，一定要 make(XXMap)
才能使用？

因为，map
结构的核心在于 struct hmap
结构体，这个结构体是很大的一个结构体。map
的操作核心都是基于这个结构体之上的。而 var
定义一个 map
结构的时候，只是分配了一个 8 字节的指针，只有调用 make
的时候，才触发调用 makemap
，在这个函数里面分配出一个庞大的 struct hmap
结构体。

nil
赋值

如果把一个 map
变量赋值 nil
那就很容易理解了，仅仅是把这个变量本身置 0 而已，也就是这个指针变量置 0 ，hmap
结构体本身是不会动的。

当然考虑垃圾回收的话，如果这个 m1
是唯一的指向这个 hmap
结构，那么 m1
赋值 nil
之后，那么这个 hmap
结构体之后就可能被回收。

nil
值判断

搞懂了变量本身和管理结构的区别就很简单了，这里的 nil
值判断也仅仅是针对变量本身的判断，只要是非 0 指针，那么就是非 nil
。也就是说 m1
只要是一个非 0 的指针，就不会是非nil
的。

package main

func main() {
   var m1 map[string]int
   var m2 = make(map[string]int)
   if m1 != nil {
      println("m1 not nil")
   } else {
      println("m1 nil")
   }
   if m2 != nil {
      println("m2 not nil")
   } else {
      println("m2 nil")
   }
}

如上示例程序，m1 是一个 0 指针，m2 被赋值了的。

变量定义

// 定义一个接口
type Reader interface {
   Read(p []byte) (n int, err error)
}

// 定义一个接口变量
var reader Reader
// 或者一个空接口
var empty interface{}

变量本身

interface 稍微有点特殊，有两种对应的结构体，如下：

type iface struct {
    tab  *itab
    data unsafe.Pointer
}

type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

其中，iface
就是通常定义的 interface 类型，eface
则是通常人们常说的空接口
对应的数据结构。

不管内部怎么样，这两个结构体占用内存是一样的，都是一个正常的指针类型和一个无类型的指针类型（ Pointer
），总共占用 16 个字节。

也就是说，如果你声明定义一个 interface
类型，无论是空接口，还是具体的接口类型，都只是分配了一个 16 字节的内存块给你，注意是置 0 分配哦。

nil
赋值

和上面类似，如果对一个 interface
变量赋值 nil
的话，发生的事情也仅仅是把变量本身这 16 个字节的内存块置 0 而已。

nil
值判断

判断 interface
是否是 nil
？这个跟 slice
类似，也仅仅是判断首字段（指针类型）是否为 0 即可。因为如果是初始化过的，首字段一定是非 0 的。

变量定义

// 变量本身定义
var c1 chan struct{}
// 变量定义和初始化
var c2 = make(chan struct{})

区别：

• 第一种方式仅仅定义了 c1 变量本身；
• 第二种方式则是分配 c2 的内存，还会调用 makechan
  函数来创建某个结构，并且把这个函数的返回值赋给 c2；

变量本身

定义的 channel
变量本身是什么一个表现？

答案是：一个 8 字节的指针而已，意图指向一个 channel
管理结构，也就是 struct hchan
的指针。

程序员定义的 channel
变量本身内存仅仅是一个指针，channel
 所有的逻辑都在 hchan
这个管理结构体上，所以，channel
 也是必须 make(chan Xtype)
之后才能使用，就是这个道理。

nil
赋值

赋值 nil 之后，仅仅是把这 8 字节的指针置 0 。

nil
值判断

简单，仅仅是判断这 channel 指针是否非 0 而已。

指针和函数类型比较好理解，因为之前的 4 种类型 slice
，map
，channel
，interface
是复合结构。

指针本身来说也只是一个 8 字节的整型，函数变量类型则本身就是个指针。

变量定义

var ptr *int

变量本身

变量本身就是一个 8 字节的内存块，这个没啥好讲的，因为指针都不是复合类型。

nil
赋值

ptr = nil

这 8 字节的指针置 0。

nil
值判断

判断这 8 字节的指针是否为 0 。

变量定义

var f func(int) error

变量本身

变量本身是一个 8 字节的指针。

nil
赋值

本身就是指针，只不过指向的是函数而已。所以赋值也仅仅是这 8 字节置 0 。

nil
值判断

判断这 8 字节是否为 0 。

总结

下面总结一些上述分享：

1. 请撇开死记硬背的语法和玄学，变量仅仅是绑定到一个指定内存块的名字；
2. Go 从语言层面对程序员做了承诺，变量定义分配的内存一定是置 0 分配的；
3. 并不是所有的类型能够赋值 nil
   ，并且和 nil
   进行对比判断。只有 slice
   、map
   、channel
   、interface
   、指针、函数 这 6 种类型；
4. 不要把 nil
   理解成一个特殊的值，而要理解成一个触发条件，编译器识别到代码里有 nil
   之后，会对应做出处理和判断；
5. channel
   ，map
   类型的变量必须要 make
   才能使用的原因（否则会出现空指针的 panic ）在于 var 定义的变量仅仅是分配了一个指向 hchan
   和 hmap
   的指针变量而已，并且还是置 0 分配的。真正的管理结构只有 make 调用才能分配出来，对应的函数分别是 makechan
   和 makemap
   等；
6. slice
   变量为什么 var
   就能用是因为 struct slice
   核心结构是定义的时候就分配出来了；
7. 以上 6 种变量赋值 nil
   的行为都是把变量本身置 0 ，仅此而已。slice
   的 24 字节管理结构，map
   的  8 字节指针，channel
   的 8 字节指针，interface
   的 16 字节，8 字节指针和函数指针也是如此；
8. 以上 6 种类型和 nil
   进行比较判断本质上都是和变量本身做判断，slice
   是判断管理结构的第一个指针字段，map
   ，channel
   本身就是指针，interface
   也是判断管理结构的第一个指针字段，指针和函数变量本身就是指针；

后记

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