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Go字符串比较,终于有人讲清楚了

本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/04/18/inside-go-string-comparison

西娅(Thea)是一个刚刚入门Go语言的妹子程序员,今天她遇到了一个让她“surprise”的问题。下面就是那段让妹子西娅困惑的Go代码:

func main() {
    s1 := "12345"
    s2 := "2"
    fmt.Println(`"12345" > "2":`, s1 > s2) // false

    s3 := "零"
    s4 := "一"
    s5 := "二"

    fmt.Println(`"一" > "零":`, s4 > s3) // false
    fmt.Println(`"二" > "零":`, s5 > s3) // false
    fmt.Println(`"二" > "一":`, s5 > s4) // true
}

在这段关于Go字符串比较的代码中:

  • 为什么表达式”12345″ > “2″的求值结果是false呢?
  • 为什么”一” > “零”和”二” > “零”两个表达式的求值结果都是false呢?
  • 而”二” > “一”的求值结果却又为true呢?

四个结果都让西娅百思不得其解!于是西娅在网络上寻找能为其解惑的Go技术资料。

她网上看到一本名为《Go语言精进之路》的“小黄书”,据说这本书中有有关Go字符串原理与字符串比较的详细讲解。

西娅不经意间瞥见,旁边的同事Tony桌上摆着一本黄色的、厚重的书,这不正是她想看的吗!于是西娅向Tony发出了借书一阅的请求。Tony面对“美女攻势”向来是“每战必败”的,于是西娅顺利地拿到了两卷本的《Go语言精进之路》。借午休时间,西娅花了1.5个小时认真学习了书中有关Go字符串的三个章节:第15节的“了解string实现原理和高效使用”、 第52节的“掌握字符集的原理和字符编码方案间的转换”和第56节的“掌握bytes包和strings包的基本操作”。看完后大呼Wonderful!书中的讲解完全解答了西娅的问题。

此时西娅想起了在《Go语言第一课专栏》的结课语《和你一起迎接Go的黄金十年》中作者关于学习Go语言方法的建议:输出大法!通过输出将学到的知识真正内化为自己的知识,于是西娅将自己对书中内容的理解记录了下来。恰好此时旁边的Tony刚刚从午睡中苏醒过来,西娅决定再为一把人师。Tony就这样被稀里糊涂地拽了过来充当学生:)。

以下是西娅的讲解。


1. Go语言中的字符串类型

字符串类型是现代编程语言中最常使用的数据类型之一。在Go语言的先祖之一C语言当中,字符串类型并没有被显式定义,而是以字符串字面值
常量或以’\0′结尾的字符类型(char)数组来呈现的。

Go语言修复了C语言的这一“缺陷”,原生内置了string类型,统一了对“字符串”的抽象。在Go语言中,无论是字符串常量、字符串变量或是代码中出现的字符串字面量,它们的类型都被统一设置为string

Go的string类型设计充分吸取了C语言字符串设计的经验教训,并结合了其他主流语言在字符串类型设计上的最佳实践,最终为Gopher呈现的string类型具有如下功能特点:

  • string类型的数据是不可变的

即一旦声明了一个string类型的标识符,无论是常量还是变量,该标识符所指代的数据在整个程序的生命周期内便无法被更改。

  • 零值可用

Go string类型支持零值可用的理念。Go字符串无需像C语言中那样考虑结尾’\0′字符,因此其零值为”",长度为0。

  • 获取长度的时间复杂度是O(1)级别

  • 支持各种比较关系操作符:==、!= 、>=、<=、> 和<

鉴于Go string是不可变的,因此如果两个字符串的长度不相同,那么无需比较具体字符串数据,也可以断定两个字符串是不同的;如果长度相
同,则要进一步判断数据指针是否指向同一块底层存储数据。如果相同,则两个字符串是等价的,如果不同,则还需进一步去比对实际的数据内容。至于怎么比较,我接下来会讲。

  • 对非ASCII字符提供原生支持

这一特点就涉及到Go字符串中的字符是什么字符、用什么字符编码的问题了。下面我们就来看看。

2. Go字符串采用的字符集编码

Go语言默认使用Unicode字符集,并采用UTF-8编码方案,Go还提供了rune原生类型来表示Unicode字符。Unicode(万国码/统一码)在1994年发布,它是以收纳人类所有字符为目的的统一字符集。Unicode字符集就是将世界上存在的绝大多数常用字符进行统一排队和编号。比如下面是一个Unicode字符集表的片段:

序号 字符
U+0000 … …
… … … …
U+0031 1
U+0032 2
… … … …
U+4E2D
… … … …
U+4EBA
… … … …
U+56FD
… … … …
U+10FFFF … …

我们看到每个Unicode字符(比如表格里的”1″、”中”等)都有自己的唯一序号,这个序号就叫做字符的码点(code point),Go中的rune类型可用于表示码点。

好了,问题来了!Unicode字符集表格有了,Go是如何在内存中存储这些字符的呢?目前业界有多种存储方案,比如:UTF-32(即4个字节表示每个Unicode字符码点)、UTF-16(使用2个字节或4个字节表示每个Unicode字符码点)以及UTF-8。

UTF-8使用变长度字节对Unicode字符(的码点)进行编码。编码采用的字节数量与Unicode字符在码点表中的序号有关:表示序号(码点)小的字符使用的字节数量就少,表示序号(码点)大的字符使用的字节数量就多

UTF-8编码使用的字节数量从1个到4个不等。前128个与ASCII字符重合的码点(U+0000~U+007F)使用1个字节表示;带变音符号的拉丁文、希腊文、西里尔字母、阿拉伯文等使用2个字节来表示;而东亚文字(包括汉字)使用3个字节表示;其他极少使用的语言的字符则使用4个字节表示。

这样的编码方案是兼容ASCII字符内存表示的,这意味着采用UTF-8方案在内存中表示Unicode字符时,已有的ASCII字符可以被直接当成Unicode字符进行存储和传输,无需做任何改变。相对于UTF-16和UTF-32方案,UTF-8方案的空间利用率也是最高的。并且,utf8解码和编码时,也无需考虑字节序问题。

于是,Go语言使用了Utf8编码方案在内存中存储Unicode字符。

以字符“中”为例,它的码点(序号)为U+4E2D,它在Utf8编码则为“0xE4 0xB8 0xAD”,即在内存中Go实际用三个字节来表示“中”这个Unicode字符。

3. Go字符串比较

上面铺垫了这么些内容,就是为了为字符串比较开道。关于Go字符串比较,Go语言规范中只说了一句话:String values are comparable and ordered, lexically byte-wise。什么意思呢?这句话表达了三个意思:

  • 定性:字符串可比较
  • 定量:字符串是有序的
  • 方法:逐字节

下面我对开篇的例子做逐一说明,首先看下面代码:

s1 := "12345"
s2 := "2"
fmt.Println(`"12345" > "2":`, s1 > s2)

s1和s2两个字符串中的字符都是ASCII字符范畴的,每个字符在内存中的编码都是一个字节。按照Go string比较的原理,我们对s1和s2进行逐字节比较。首先比较s1的第一个字符”1″和s2的第一个字符”2″。字符”2″在内存中的字节为0×32,而字符”1″在内存中的字节为0×31,显然0×32大于0×31,到这里已经比出大小了,程序不会继续对后续的字符进行比对了。这也是为什么s1 > s2这个表达式为false的原因。

如果s2 = “12346″呢?那么按照Go string比较的原理,程序在比较s1和s2的前4个字符时都相等,于是只能由第5个字符来判定两个字符串的大小了,s2的第五个字符”6″显然大于s1的第五个字符”5″,于是当s2=”12346″时,s2是大于s1的。

我们再看看含有汉字的字符串的例子:

s3 := "零"
s4 := "一"
s5 := "二"

fmt.Println(`"一" > "零":`, s4 > s3) // false
fmt.Println(`"二" > "零":`, s5 > s3) // false
fmt.Println(`"二" > "一":`, s5 > s4) // true

为了方便后续说明,我们先把”零”、”一”和”二”这三个汉字的Utf8编码计算出来:

  • “零”的UTF8编码为:0xE9 0x9B 0xB6
  • “一”的UTF8编码为:0xE4 0xB8 0×80
  • “二”的UTF8编码为:0xE4 0xBA 0x8C

我们看到,三个汉字的Utf8编码都是三个字节。

好了接下来,我们先比较s4(“一”)和s3(“零”)。根据Go字符串比较原理,程序对s3和s4做逐字节比较,”零”这个字符的第一个字节为0xE9,而”一”这个字符的第一个字节为0xE4,我们知道0xE9 > 0xE4,于是比较停止,判定:s3 > s4。

同理,s3 > s5。

在比较s4(“一”)和s5(“二”)时,由于它们的第一个字节都是0xE4,于是第二个字节决定了它们的大小,0xBA > 0xB8,所以s5 > s4。

4. Go strings包中的Compare函数

Go标准库在strings包中提供了Compare函数用于对两个字符串做大小比较。但按照Go团队的comment,这个函数存在的意义更多是是为了与bytes包尽量保持API的一致,其自身也是使用原生排序比较操作符实现的:

// $GOROOT/src/strings/compare.go
func Compare(a, b string) int {
    if a == b {
        return 0
    }
    if a < b {
        return -1
    }
    return +1
}

实际应用中,我们很少使用strings.Compare更多的是直接使用排序比较操作符对字符串类型变量进行比较,这样更直观,性能大多数场景也会更高,毕竟少一次函数调用。


“好了以上就是我要讲给你听的,听懂了么”。西娅兴高采烈地对此时已经处于清醒状态的Tony说。

“讲的真好。比我书里讲的还透彻”。Tony一边鼓掌一边微笑着说。“程序员妹子西娅Thea终于把Go字符串比较讲清楚了”。

西娅惊讶!“你的什么书”?

Tony指了指办公桌上的小黄书说:“这书就是我写的啊^_^”。

西娅脸上现出一丝红晕… …。


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Gopher部落:2022年要做的事儿

本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/03/06/the-2022-plan-of-gopher-tribe

2021年末,我对Gopher部落知识星球的这一年进行了简单的复盘。2022年初,我陆续收到知识星球官方的一些排名数据:

这些数据让我对2022年星球的运营更加有信心了!那么,2022年Gopher部落知识星球会有哪些变化呢?在本文中,我就来说一说这方面内容。

星球定位

这里再明确一下Gopher部落这个知识星球的定位:专注于Go语言的高质量付费知识社群。主要特点与活动包括:

  • 及时(news):定期分享Go语言生态相关最新信息;
  • 聚合(thread):使用类似twitter thread的形式将针对某一topic的碎片化的想法、理论、实践关联聚合在一起,供大家参考与互动;
  • 原创(article):定期分享个人原创的高质量技术文章并就这些内容与星友互动;
  • 解惑(answer):第一时间回答星友疑问;
  • 练习(practice):定期通过作业的方式与星友就某一或某些知识点做互动。

2022年的Gopher部落运营将进一步聚焦上面的主要活动。当然,除了以上主要活动之外,偶尔也会穿插一些我对其他非Go新技术的捕获与理解。

另外,从保证社群运营质量的角度考虑,Gopher部落的承载力是有限的,我的初步考虑是300人为最佳,500人已是极限,所以后续星球运营也将围绕这个承载目标进行。

调查结果

最初运营这个Gopher部落真是摸着石头过河,经过一年多的摸索,找到了一些感觉。为了增加星友在社群中的互动,我年前在社群中发起了一个小调查,这里也借此机会将主要调查结果分享给大家:


2022年究竟要做点啥呢?

结合上面的定位、调查结果以及个人从事的行业与技术领域,我用一张思维导图大致勾勒出2022年Gopher部落的主要内容与活动:

小结

如今我个人供职于算是风口的智能网联汽车行业,带团队做先行产品的研发,每天面对大量要解决的问题,感觉每天都有很多要和大家分享的东西,所以说,2022年,Gopher部落值得大家期待!不过迫于时间与精力,输出需要时间一点点的整理。

最后,星球在2022年可能会调整价格,不是为了赚钱,而是要cover住我的时间成本(手动允悲),运营这个星球只是为了给自己保留一块与星友沟通的自留地!但这里承诺:无论价格上涨多少,老星友的续费金额将始终保持与现在不变,即大约132元/year

预告:2022年5月1日开始,Gopher部落将涨价至288元/year


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