Go 中空结构体惯用法，我帮你总结全了！

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2024-09-09

在 Go 语言中，空结构体 `struct{}` 是一个非常特殊的类型，它**不包含任何字段**并且**不占用任何内存空间**。虽然听起来似乎没什么用，但空结构体在 Go 编程中实际上有着广泛的应用。本文将详细探讨空结构体的几种典型用法，并解释为何它们在特定场景下非常有用。

空结构体不占用内存空间

首先我们来验证下空结构体是否占用内存空间：

type Empty struct{}

var s1 struct{}
s2 := Empty{}
s3 := struct{}{}

fmt.Printf("s1 addr: %p, size: %d\n", &s1, unsafe.Sizeof(s1))
fmt.Printf("s2 addr: %p, size: %d\n", &s2, unsafe.Sizeof(s2))
fmt.Printf("s3 addr: %p, size: %d\n", &s3, unsafe.Sizeof(s3))
fmt.Printf("s1 == s2 == s3: %t\n", s1 == s2 && s2 == s3)

NOTE: 为了保持代码逻辑清晰，这里只展示了代码主逻辑。后文中所有示例代码都会如此，完整代码可以在文末给出的示例代码 GitHub 链接中获取。

在 Go 语言中，我们可以使用 unsafe.Sizeof 计算一个对象占用的字节数。

执行以上示例代码，输出结果如下：

$ go run main.go
s1 addr: 0x1044ef4a0, size: 0
s2 addr: 0x1044ef4a0, size: 0
s3 addr: 0x1044ef4a0, size: 0
s1 == s2 == s3: true

根据输出结果可知：

多个空结构体内存地址相同。
空结构体占用字节数为 0，即不占用内存空间。
多个空结构体值相等。

后面两个结论很好理解，第一个结论有点反常识。为什么不同变量实例化的空结构体内存地址会相同？

真的是这样吗？我们可以看下另一个示例：

var (
    a struct{}
    b struct{}
    c struct{}
    d struct{}
)

println("&a:", &a)
println("&b:", &b)
println("&c:", &c)
println("&d:", &d)

println("&a == &b:", &a == &b)
x := &a
y := &b
println("x == y:", x == y)

fmt.Printf("&c(%p) == &d(%p): %t\n", &c, &d, &c == &d)

这段代码中定义了 4 个空结构体，依次打印它们的内存地址，然后又分别对比了 a 与 b 的内存地址和 c 与 d 的内存地址两两是否相等。

执行示例代码，输出结果如下：

$ go run -gcflags='-m -N -l' main.go
# command-line-arguments
./main.go:11:3: moved to heap: c
./main.go:12:3: moved to heap: d
./main.go:23:12: ... argument does not escape
./main.go:23:50: &c == &d escapes to heap
&a: 0x1400010ae84
&b: 0x1400010ae84
&c: 0x104ec74a0
&d: 0x104ec74a0
&a == &b: false
x == y: true
&c(0x104ec74a0) == &d(0x104ec74a0): true

在 Go 语言中使用 go run 命令时，可以通过 -gcflags 选项向 Go 编译器传递多个标志，这些标志会影响编译器的行为。

-m 标志用于启动编译器的内存逃逸分析。
-N 标志用于禁用编译器优化。
-l 标志用于禁用函数内联。

根据输出可以发现，变量 c 和 d 发生了内存逃逸，并且最终二者的内存地址相同，相等比较结果为 true。

而 a 和 b 两个变量的输出结果就比较有意思了，两个变量没有发生内存逃逸，并且二者打印出来的内存地址相同，但内存地址相等比较结果却为 false。

所以，我们可以推翻之前的结论，新结论为：「多个空结构体内存地址可能相同」。

在 Go 官方的语言规范中 Size and alignment guarantees 部分对关于空结构体内存地址进行了说明：

A struct or array type has size zero if it contains no fields (or elements, respectively) that have a size greater than zero. Two distinct zero-size variables may have the same address in memory.

大概意思是说：如果一个结构体或数组类型不包含任何占用内存大小大于零的字段（或元素），那么它的大小为零。两个不同的零大小变量可能在内存中具有相同的地址。

注意⚠️，这里说的是可能：may have the same。所以前文所述「多个空结构体内存地址相同」的结论并不准确。

NOTE: 本文示例执行结果基于 Go 1.22.0 版本，对于多个空结构体内存地址打印结果既存在相同情况，也存在不同情况，这跟 Go 编译器实现有关，后续实现可能会有变化。

另外，对于嵌套的空结构体，其表现结果与普通空结构体相同：

type Empty struct{}

type MultiEmpty struct {
    A Empty
    B struct{}
}

s1 := Empty{}
s2 := MultiEmpty{}
fmt.Printf("s1 addr: %p, size: %d\n", &s1, unsafe.Sizeof(s1))
fmt.Printf("s2 addr: %p, size: %d\n", &s2, unsafe.Sizeof(s2))

执行示例代码，输出结果如下：

$ go run main.go
s1 addr: 0x1044ef4a0, size: 0
s2 addr: 0x1044ef4a0, size: 0

空结构体影响内存对齐

空结构体也并不是什么时候都不会占用内存空间，比如空结构体作为另一个结构体字段时，根据位置不同，可能因内存对齐原因，导致外层结构体大小不一样：

type A struct {
    x int
    y string
    z struct{}
}

type B struct {
    x int
    z struct{}
    y string
}

type C struct {
    z struct{}
    x int
    y string
}

a := A{}
b := B{}
c := C{}
fmt.Printf("struct a size: %d\n", unsafe.Sizeof(a))
fmt.Printf("struct b size: %d\n", unsafe.Sizeof(b))
fmt.Printf("struct c size: %d\n", unsafe.Sizeof(c))

以上示例中，定义了三个结构体 A、B、C，并且都定义了三个字段，类型分别是 int、string、struct{}，空结构体字段分别放在最后、中间、最前面不同的位置。

执行示例代码，输出结果如下：

$ go run main.go
struct a size: 32
struct b size: 24
struct c size: 24

可以发现，当空结构体放在另一个结构体最后一个字段时，会触发内存对齐。

此时外层结构体会占用更多的内存空间，所以如果你的程序对内存要求比较严格，则在使用空结构体作为字段时需要考虑这一点。

NOTE: 这里先挖个坑，我会再写一篇 Go 中结构体内存对齐的文章，分析下为什么 struct{} 放在结构体字段最后会出现内存对齐现象，敬请期待。防止迷路，可以关注下我的公众号：Go编程世界。

空结构体用法

根据前文的讲解，我们对 Go 中空结构体的特性和一些使用时注意事项已经有所了解，是时候探索空结构体的用处了。

实现 Set

首先，空结构体最常用的地方，就是用来实现 set(集合) 类型了。

我们知道 Go 语言在语法层面没有提供 set 类型。不过我们可以很方便的使用 map + struct{} 来实现 set 类型，代码如下：

// Set 基于空结构体实现 set
type Set map[string]struct{}

// Add 添加元素到 set
func (s Set) Add(element string) {
    s[element] = struct{}{}
}

// Remove 从 set 中移除元素
func (s Set) Remove(element string) {
    delete(s, element)
}

// Contains 检查 set 中是否包含指定元素
func (s Set) Contains(element string) bool {
    _, exists := s[element]
    return exists
}

// Size 返回 set 大小
func (s Set) Size() int {
    return len(s)
}

// String implements fmt.Stringer
func (s Set) String() string {
    format := "("
    for element := range s {
        format += element + " "
    }
    format = strings.TrimRight(format, " ") + ")"
    return format
}

s := make(Set)

s.Add("one")
s.Add("two")
s.Add("three")

fmt.Printf("set: %s\n", s)
fmt.Printf("set size: %d\n", s.Size())
fmt.Printf("set contains 'one': %t\n", s.Contains("one"))
fmt.Printf("set contains 'onex': %t\n", s.Contains("onex"))

s.Remove("one")

fmt.Printf("set: %s\n", s)
fmt.Printf("set size: %d\n", s.Size())

执行示例代码，输出结果如下：

$ go run main.go
set: (one two three)
set size: 3
set contains 'one': true
set contains 'onex': false
set: (three two)
set size: 2

使用 map 和空结构体非常容易实现 set 类型。map 的 key 实际上与 set 不重复的特性刚好一致，一个不需要关心 value 的 map 即为 set。

也正因为如此，空结构体类型最适合作为这个不需要关心的 value 的 map 了，因为它不占空间，没有语义。

也许有人会认为使用 any 作为 map 的 value 也可以实现 set。但其实 any 是会占用空间的。

示例如下：

s := make(map[string]any)
s["t1"] = nil
s["t2"] = struct{}{}
fmt.Printf("set t1 value: %v, size: %d\n", s["t1"], unsafe.Sizeof(s["t1"]))
fmt.Printf("set t2 value: %v, size: %d\n", s["t2"], unsafe.Sizeof(s["t2"]))

执行示例代码，输出结果如下：

$ go run main.go
set t1 value: <nil>, size: 16
set t2 value: {}, size: 16

可以发现，any 类型的 value 是有大小的，所以并不合适。

日常开发中，我们还会用到一种 set 的惯用法：

s := map[string]struct{}{
    "one":   {},
    "two":   {},
    "three": {},
}
for element := range s {
    fmt.Println(element)
}

这种用法也比较常见，无需声明一个 set 类型，直接通过字面量定义一个 value 为空结构体的 map，非常方便。

申请超大容量 Array

基于空结构体不占内存空间的特性，我们可以考虑创建一个容量为 100 万的 array：

var a [1000000]string
var b [1000000]struct{}

fmt.Printf("array a size: %d\n", unsafe.Sizeof(a))
fmt.Printf("array b size: %d\n", unsafe.Sizeof(b))

执行示例代码，输出结果如下：

$ go run main.go
array a size: 16000000
array b size: 0

使用空结构体创建的 array 其大小依然为 0。

申请超大容量 Slice

我们还以考虑创建一个容量为 100 万的 slice：

var a = make([]string, 1000000)
var b = make([]struct{}, 1000000)
fmt.Printf("slice a size: %d\n", unsafe.Sizeof(a))
fmt.Printf("slice b size: %d\n", unsafe.Sizeof(b))

执行示例代码，输出结果如下：

$ go run main.go
slice a size: 24
slice b size: 24

当然，可以发现，其实不管是否使用空结构体，slice 只占用 header 的空间。

信号通知

空结构体另一个我经常使用的方法是与 channel 结合当作信号来使用，示例如下：

done := make(chan struct{})

go func() {
    time.Sleep(1 * time.Second) // 执行一些操作...
    fmt.Printf("goroutine done\n")
    done <- struct{}{} // 发送完成信号
}()

fmt.Printf("waiting...\n")
<-done // 等待完成
fmt.Printf("main exit\n")

这段代码中声明了一个长度为 0 的 channel，其类型为 chan struct{}。

然后启动一个 goroutine 执行业务逻辑，主协程等待信号退出，二者使用 channel 进行通信。

执行示例代码，输出结果如下：

$ go run main.go
waiting...
goroutine done
main exit

主协程先输出 waiting...，然后等待 1s，goroutine 输出 goroutine done，接着主协程收到退出信号，输出 main exit 程序执行完成。

由于 struct{} 并不占用内存，所以实际上 channel 内部只需要将计数器加一即可，不涉及数据传输，故没有额外内存开销。

这段代码还有另一种实现：

done := make(chan struct{})

go func() {
    time.Sleep(1 * time.Second) // 执行一些操作...
    fmt.Printf("goroutine done\n")
    close(done) // 不需要发送 struct{}{}，直接 close，发送完成信号
}()

fmt.Printf("waiting...\n")
<-done // 等待完成
fmt.Printf("main exit\n")

这里 goroutine 中都不需要发送空结构体，直接对 channel 进行 close 就行了，struct{} 在这里起到的作用更像是一个「占位符」的作用。

在 Go 语言 context 源码中也使用了 struct{} 作为完成信号：

type Context interface {
    Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
    // See https://blog.golang.org/pipelines for more examples of how to use
    // a Done channel for cancellation.
    Done() <-chan struct{}
    Err() error
    Value(key any) any
}

context.Context 的 Done 方法返回值即为 chan struct{}。

无操作的方法接收器

有时候，我们需要“组合”一些方法，并且这些方法内部并不会用到方法接收器，这时就可以使用 struct{} 作为方法接收器。

type NoOp struct{}

func (n NoOp) Perform() {
    fmt.Println("Performing no operation.")
}

方法中代码并没有引用 n，如果换成其他类型则会占用内存空间。

在实际开发过程中，有时候代码写到一半，为了编译通过，我们也会写出这种代码，先写出代码整体框架，再实现内部细节。

作为接口实现

用 struct{} 作为方法接收器，还有另一个用途，就是作为接口的实现。常用于忽略不需要的输出，和单元测试。啥意思呢？往下看。

我们知道 Go 中有个 io.Writer 接口：

type Writer interface {
    Write(p []byte) (n int, err error)
}

我们还知道，Go 的 io 包中有个 io.Discard 变量，它的主要作用是提供一个“黑洞”设备，任何写入到 io.Discard 的数据都会被消耗掉而不会有任何效果（这类似于 Unix 中的 /dev/null 设备）。

io.Discard 定义如下：

// Discard is a [Writer] on which all Write calls succeed
// without doing anything.
var Discard Writer = discard{}

type discard struct{}

func (discard) Write(p []byte) (int, error) {
    return len(p), nil
}

io.Discard 代码定义极其简单，它实现了 io.Writer 接口，并且这个 Writer 方法的实现也极其简单，什么都没做直接返回。

根据注释也能发现，Writer 方法的目的就是啥都不做，所有调用都会成功，所以可以类比为 Unix 系统中的 /dev/null。

io.Discard 可以用于忽略日志：

// 设置日志输出为 `io.Discard`，忽略所有日志
log.SetOutput(io.Discard)
// 这条日志不会在任何地方显示
log.Println("This log will not be shown anywhere")

此外，我曾写过一篇文章《在 Go 语言单元测试中如何解决 MySQL 存储依赖问题》。里面有这样一段示例代码：

type UserStore interface {
    Create(user *User) error
    Get(id int) (*User, error)
}

...

type fakeUserStore struct{}

func (f *fakeUserStore) Create(user *store.User) error {
    return nil
}

func (f *fakeUserStore) Get(id int) (*store.User, error) {
    return &store.User{ID: id, Name: "test"}, nil
}

这就是空结构体作为接口实现的另一种用途，编写测试用 fake object 时非常有用。

即我们定义一个 struct{} 类型 fakeUserStore，然后实现 UserStore 接口，这样在单元测试代码中，就可以用 fakeUserStore 来替换真实的 UserStore 实例对象，以此来解决对象间的依赖问题。

标识符

最后，我们再来介绍一种空结构体比较好玩的用法。

相信很多同学都直接或间接的使用过 Go 中的 sync.Pool，其定义如下：

type Pool struct {
    noCopy noCopy

    local     unsafe.Pointer
    localSize uintptr

    victim     unsafe.Pointer
    victimSize uintptr

    New func() any
}

其中有一个 noCopy 属性，其定义如下：

type noCopy struct{}

func (*noCopy) Lock()   {}
func (*noCopy) Unlock() {}

noCopy 即为一个空结构体，其实现也非常简单，仅定义了两个空方法。

而这个 noCopy 属性看似没什么用，实际上却有着大作用。这个字段的主要作用是阻止 sync.Pool 被意外复制。它是一种通过编译器静态分析来防止结构体被不当复制的技巧，以确保正确的使用和内存安全性。

可以通过 go vet 命令检测出 sync.Pool 是否被意外复制。

在这里，noCopy 属性对当前结构体本身没有作用，但可以将其作为一个是否允许复制的标识符，有了这个标记，就代表结构体不能被复制，go vet 命令就可以检查出来。

我们自定义的 struct 也可以通过嵌入 noCopy 属性来实现禁止复制：

package main

type noCopy struct{}

func (*noCopy) Lock()   {}
func (*noCopy) Unlock() {}

func main() {
    type A struct {
        noCopy noCopy
        a      string
    }

    type B struct {
        b string
    }

    a := A{a: "a"}
    b := B{b: "b"}

    _ = a
    _ = b
}

使用 go vet 命令检查是否存在意外的结构体复制：

$ go vet main.go

# command-line-arguments
# [command-line-arguments]
./main.go:21:6: assignment copies lock value to _: command-line-arguments.A contains command-line-arguments.noCopy

可以发现，go vet 已经检测出我们通过 _ = a 复制了 noCopy 结构体 A。

总结

空结构体 struct{} 在 Go 中虽小却有着巧妙的用途。

从节省内存的角度看，它是表示空概念的理想选择。从语义上考虑，使用 struct{} 语义更明确，就是不关注值。

由于内存对齐的影响，空结构体字段顺序可能影响外层结构体的大小，建议将空结构体放在外层结构体的第一个字段。

无论是作使用空结构体实现集合、信号通知、方法载体还是占位符等，struct{} 都显示了其独特的价值。

你还知道空结构体还有哪些用途，可以分享出来大家一起交流学习。

本文示例源码我都放在了 GitHub 中，欢迎点击查看。

希望此文能对你有所启发。

延伸阅读

The empty struct: dave.cheney.net/2014/03/25/…
The Ingenious World of Empty Structs in Go: Zeroing in on Zero Memory: medium.com/@cosmicray0…
What is the use of empty struct in GoLang: www.pixelstech.net/article/167…
Using empty structs as context keys: gist.github.com/SammyOina/6…
Size and alignment guarantees: go.dev/ref/spec#Si…
What uses a type with empty struct has in Go?: stackoverflow.com/questions/4…
runtime/malloc.go: github.com/golang/go/b…
在 Go 语言单元测试中如何解决 MySQL 存储依赖问题: jianghushinian.cn/2023/07/16/…
本文 GitHub 示例代码：github.com/jianghushin…

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