Golang

單元：指標與記憶體管理

主題：指標（pointers）的基本概念

簡介

在 Go 語言中，指標是連結變數與實際記憶體位置的橋樑。雖然 Go 內建了自動垃圾回收（GC），但了解指標的運作方式仍是寫出高效、可讀程式碼的關鍵。指標讓我們能：

避免不必要的資料拷貝，提升效能。
共享同一塊記憶體，讓多個函式或 goroutine 能同時觀察或修改資料。
實作資料結構（如鏈結串列、樹）時，必須依賴指標才能正確連接節點。

本篇文章將從概念說明、實作範例、常見陷阱到實務應用，完整呈現指標在 Go 中的使用方式，適合 初學者 了解基礎，也能為 中級開發者 打下更穩固的記憶體管理觀念。

核心概念

1. 什麼是指標

指標是一個變數，裡面存放的是另一個變數的記憶體位址（address）。在 Go 中，指標型別以 *T 表示，代表「指向 T 型別的指標」。

var a int = 10        // a 是一個 int 變數，值為 10
var p *int = &a       // p 是 *int，指向 a 的位址

& 取得變數的位址（取址運算子）。
* 用於宣告指標型別或解引用（取得指標指向的值）。

注意：Go 不允許指標算術（pointer arithmetic），這是為了避免記憶體安全問題。

2. 取得指標與解引用

以下範例展示如何取得指標、修改指標指向的值，以及解引用的差別。

package main

import "fmt"

func main() {
    x := 5               // 普通變數
    px := &x             // 取得 x 的位址，px 的型別是 *int

    fmt.Println("x 的值 :", x)          // 5
    fmt.Println("px 的位址 :", px)       // 0x...（實際位址）
    fmt.Println("*px 的值 :", *px)       // 5，解引用取得 x 的值

    *px = 20            // 直接修改指標指向的記憶體內容
    fmt.Println("修改後的 x :", x)      // 20
}

重點：透過 *px = 20，我們改變了 x 本身的值，而不需要把 x 作為參數傳回函式。

3. nil 指標

未被初始化的指標預設為 nil，表示它不指向任何有效的記憶體位置。使用 nil 指標前必須先檢查，否則會產生 runtime panic。

var p *int          // p 為 nil
if p == nil {
    fmt.Println("p 為 nil，不能直接解引用")
}

// 正確的做法：先分配記憶體
p = new(int)        // 等同於 p = &int{}
*p = 7
fmt.Println(*p)    // 7

new(T) 會在堆上分配一塊零值（zero value）的記憶體，並回傳指向它的 *T。

4. 指標與結構體

結構體常與指標一起使用，因為傳值會把整個結構體複製一遍，對於大型結構體會浪費記憶體與 CPU 時間。

type Person struct {
    Name string
    Age  int
}

// 傳值（會複製整個 Person）
func UpdateByValue(p Person) {
    p.Age = 30
}

// 傳指標（只改變原始資料）
func UpdateByPointer(p *Person) {
    p.Age = 30
}

func main() {
    alice := Person{Name: "Alice", Age: 25}
    UpdateByValue(alice)
    fmt.Println(alice.Age) // 仍然是 25

    UpdateByPointer(&alice)
    fmt.Println(alice.Age) // 變成 30
}

建議：除非結構體非常小（如只包含幾個基本型別），否則一律使用指標傳遞。

5. 指標與陣列 / slice

陣列：陣列本身是值類型，傳遞時會複製整個陣列。若想避免複製，可傳遞陣列的指標 *[N]T。
slice：slice 本身已經是一個 描述子（指向底層陣列的指標、長度、容量），傳遞 slice 時不會複製底層資料，只會複製描述子。因此大多數情況下不需要額外的指標。

func modifyArray(a *[3]int) {
    a[0] = 100
}

func modifySlice(s []int) {
    s[0] = 100
}

func main() {
    arr := [3]int{1, 2, 3}
    modifyArray(&arr)
    fmt.Println(arr) // [100 2 3]

    slc := []int{1, 2, 3}
    modifySlice(slc)
    fmt.Println(slc) // [100 2 3]
}

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	改善方式
指標指向已釋放的物件	雖然 Go 有 GC，但若持有指向局部變數的指標，可能導致意外的記憶體保留（memory leak）	使用 `new`、`make` 或返回指標時確保變數的生命週期足夠長
nil 指標解引用	直接 `*p` 會觸發 panic	在使用前 `if p == nil { … }`
不必要的指標	小型結構體或基本型別直接傳值更簡潔	只在需要共享或避免大量拷貝時才使用指標
指標與介面混用	介面值本身是兩個指標（type、data），再包一層指標會增加複雜度	盡量使用介面本身，不必額外加 `*interface{}`
指標算術	Go 不支援，嘗試會編譯錯誤	改用 `slice`、`append`、`copy` 等安全操作

最佳實踐

盡量使用 make 為 slice、map、channel 分配記憶體，避免手動 new 後再轉型。
函式接受指標時，文件要說明它會修改呼叫者的資料，提升可讀性。
使用 defer 搭配 recover 處理可能的 nil 解引用 panic，避免程式崩潰。
在結構體內部使用指標時，考慮零值（zero value）是否足以代表「未設定」，若是，直接使用值類型即可。

實際應用場景

資料庫模型的 CRUD

func UpdateUser(u *User) error {
    // 直接修改傳入的 User 結構體
    u.UpdatedAt = time.Now()
    return db.Save(u).Error
}

透過指標，資料庫層可以直接寫回修改後的欄位，而不必再回傳整個結構體。

共享配置（Config）
應用程式啟動時載入一次配置，之後各模組都持有同一個指標，變更時即時生效。
實作鏈結串列、樹等資料結構
每個節點都需要指向下一個節點的指標，若使用值類型會導致遞迴拷貝，效能極差。
高頻率的函式呼叫
在大量計算的迴圈裡傳遞大型結構體的指標，可減少 GC 壓力與記憶體搬移。

總結

指標是 Go 中連結變數與記憶體位址的關鍵，能夠避免不必要的拷貝、共享資料、實作複雜結構。
取得指標使用 &，解引用使用 *；未初始化的指標為 nil，使用前必須檢查。
在 結構體、陣列、slice 等情境下，依需求選擇是否使用指標：結構體多使用指標、slice 已內建指向底層陣列的描述子。
常見陷阱包括 nil 解引用、過度使用指標、指標指向已失效的物件，遵守最佳實踐能讓程式更安全、可維護。
在 資料庫操作、全域設定、資料結構實作 等實務場景中，指標是不可或缺的工具。

掌握了指標的基本概念與正確使用方式，你就能在 Go 專案中寫出更高效、更可靠的程式碼。祝你在 Golang 的指標與記憶體管理之路上，越走越順！