golang进阶:深入解析Slice
深入理解 Go Slice
是什么
在 Go 中，Slice（切片）是抽象在 Array（数组）之上的特殊类型.为了更好地了解 Slice，第一步需要先对 Array 进行理解.深刻了解 Slice 与 Array 之间的区别后，就能更好的对其底层一番摸索 😄
用法
Array
func main() {
nums := [3]int{}
nums[0] = 1
n := nums[0]
n = 2
fmt.Printf("nums: %v\n", nums)
fmt.Printf("n: %d\n", n)
}
我们可得知在 Go 中，数组类型需要指定长度和元素类型.在上述代码中，可得知 [3]int{} 表示 3 个整数的数组，并进行了初始化.底层数据存储为一段连续的内存空间，通过固定的索引值（下标）进行检索
数组在声明后，其元素的初始值（也就是零值）为 0.并且该变量可以直接使用，不需要特殊操作
同时数组的长度是固定的，它的长度是类型的一部分，因此 [3]int 和 [4]int 在类型上是不同的，不能称为 “一个东西”
输出结果
nums: [1 0 0]
n: 2
Slice
func main() {
nums := [3]int{}
nums[0] = 1
dnums := nums[:]
fmt.Printf("dnums: %v", dnums)
}
Slice 是对 Array 的抽象，类型为 []T.在上述代码中，dnums 变量通过 nums[:] 进行赋值.需要注意的是，Slice 和 Array 不一样，它不需要指定长度.也更加的灵活，能够自动扩容
数据结构
type slice struct {
array unsafe.Pointer
len int
cap int
}
Slice 的底层数据结构共分为三部分，如下：
- array：指向所引用的数组指针（
unsafe.Pointer可以表示任何可寻址的值的指针） - len：长度，当前引用切片的元素个数
- cap：容量，当前引用切片的容量（底层数组的元素总数）
在实际使用中，cap 一定是大于或等于 len 的.否则会导致 panic
示例
为了更好的理解，我们回顾上小节的代码便于演示，如下：
func main() {
nums := [3]int{}
nums[0] = 1
dnums := nums[:]
fmt.Printf("dnums: %v", dnums)
}
在代码中，可观察到 dnums := nums[:]，这段代码确定了 Slice 的 Pointer 指向数组，且 len 和 cap 都为数组的基础属性.与图示表达一致
len、cap 不同
func main() {
nums := [3]int{}
nums[0] = 1
dnums := nums[0:2]
fmt.Printf("dnums: %v, len: %d, cap: %d", dnums, len(dnums), cap(dnums))
}
输出结果
dnums: [1 0], len: 2, cap: 3
显然，在这里指定了 Slice[0:2]，因此 len 为所引用元素的个数，cap 为所引用的数组元素总个数.与期待一致 😄
创建
Slice 的创建有两种方式，如下：
var []T或[]T{}func make（[] T，len，cap）[] T
可以留意 make 函数，我们都知道 Slice 需要指向一个 Array.那 make 是怎么做的呢？
它会在调用 make 的时候，分配一个数组并返回引用该数组的 Slice
func makeslice(et *_type, len, cap int) slice {
maxElements := maxSliceCap(et.size)
if len < 0 || uintptr(len) > maxElements {
panic(errorString("makeslice: len out of range"))
}
if cap < len || uintptr(cap) > maxElements {
panic(errorString("makeslice: cap out of range"))
}
p := mallocgc(et.size*uintptr(cap), et, true)
return slice{p, len, cap}
}
- 根据传入的 Slice 类型，获取其类型能够申请的最大容量大小
- 判断 len 是否合规，检查是否在 0 < x < maxElements 范围内
- 判断 cap 是否合规，检查是否在 len < x < maxElements 范围内
- 申请 Slice 所需的内存空间对象.若为大型对象（大于 32 KB）则直接从堆中分配
- 返回申请成功的 Slice 内存地址和相关属性（默认返回申请到的内存起始地址）
扩容
当使用 Slice 时，若存储的元素不断增长（例如通过 append）.当条件满足扩容的策略时，将会触发自动扩容
那么分别是什么规则呢？让我们一起看看源码是怎么说的 😄
zerobase
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
...
if et.size == 0 {
if cap < old.cap {
panic(errorString("growslice: cap out of range"))
}
return slice{unsafe.Pointer(&zerobase), old.len, cap}
}
...
}
当 Slice size 为 0 时，若将要扩容的容量比原本的容量小，则抛出异常（也就是不支持缩容操作）.否则，将重新生成一个新的 Slice 返回，其 Pointer 指向一个 0 byte 地址（不会保留老的 Array 指向）
扩容 - 计算策略
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
...
newcap := old.cap
doublecap := newcap + newcap
if cap > doublecap {
newcap = cap
} else {
if old.len < 1024 {
newcap = doublecap
} else {
for 0 < newcap && newcap < cap {
newcap += newcap / 4
}
...
}
}
...
}
- 若 Slice cap 大于 doublecap，则扩容后容量大小为 新 Slice 的容量（超了基准值，我就只给你需要的容量大小）
- 若 Slice len 小于 1024 个，在扩容时，增长因子为 1（也就是 3 个变 6 个）
- 若 Slice len 大于 1024 个，在扩容时，增长因子为 0.25（原本容量的四分之一）
注：也就是小于 1024 个时，增长 2 倍.大于 1024 个时，增长 1.25 倍
扩容 - 内存策略
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
...
var overflow bool
var lenmem, newlenmem, capmem uintptr
const ptrSize = unsafe.Sizeof((*byte)(nil))
switch et.size {
case 1:
lenmem = uintptr(old.len)
newlenmem = uintptr(cap)
capmem = roundupsize(uintptr(newcap))
overflow = uintptr(newcap) > _MaxMem
newcap = int(capmem)
...
}
if cap < old.cap || overflow || capmem > _MaxMem {
panic(errorString("growslice: cap out of range"))
}
var p unsafe.Pointer
if et.kind&kindNoPointers != 0 {
p = mallocgc(capmem, nil, false)
memmove(p, old.array, lenmem)
memclrNoHeapPointers(add(p, newlenmem), capmem-newlenmem)
} else {
p = mallocgc(capmem, et, true)
if !writeBarrier.enabled {
memmove(p, old.array, lenmem)
} else {
for i := uintptr(0); i < lenmem; i += et.size {
typedmemmove(et, add(p, i), add(old.array, i))
}
}
}
...
}
1、获取老 Slice 长度和计算假定扩容后的新 Slice 元素长度、容量大小以及指针地址（用于后续操作内存的一系列操作）
2、确定新 Slice 容量大于老 Sice，并且新容量内存小于指定的最大内存、没有溢出.否则抛出异常
3、若元素类型为 kindNoPointers，也就是非指针类型.则在老 Slice 后继续扩容
- 第一步：根据先前计算的
capmem，在老 Slice cap 后继续申请内存空间，其后用于扩容 - 第二步：将 old.array 上的 n 个 bytes（根据 lenmem）拷贝到新的内存空间上
- 第三步：新内存空间（p）加上新 Slice cap 的容量地址.最终得到完整的新 Slice cap 内存地址
add(p, newlenmem)（ptr） - 第四步：从 ptr 开始重新初始化 n 个 bytes（capmem-newlenmem）
注：那么问题来了，为什么要重新初始化这块内存呢？这是因为 ptr 是未初始化的内存（例如：可重用的内存，一般用于新的内存分配），其可能包含 “垃圾”.因此在这里应当进行 “清理”.便于后面实际使用（扩容）
4、不满足 3 的情况下，重新申请并初始化一块内存给新 Slice 用于存储 Array
5、检测当前是否正在执行 Write Barrier（写屏障）.若正在启用 Write Barrier，则通过 memmove 采取拷贝的方式将 lenmem 个字节从 old.array 拷贝到 ptr.否则使用 typedmemmove 的方式，利用指针循环拷贝.以此达到更高的效率
注：一般会在 GC 标记阶段启用 Write Barrier，并且 Write Barrier 只针对指针启用.那么在第 5 点中，你就不难理解为什么会有两种截然不同的处理方式了
小结
这里需要注意的是，扩容时的内存管理的选择项，如下：
- 翻新扩展：当前元素为
kindNoPointers，将在老 Slice cap 的地址后继续申请空间用于扩容 - 举家搬迁：重新申请一块内存地址，整体迁移并扩容
两个小 “陷阱”
一、同根
func main() {
nums := [3]int{}
nums[0] = 1
fmt.Printf("nums: %v , len: %d, cap: %d\n", nums, len(nums), cap(nums))
dnums := nums[0:2]
dnums[0] = 5
fmt.Printf("nums: %v ,len: %d, cap: %d\n", nums, len(nums), cap(nums))
fmt.Printf("dnums: %v, len: %d, cap: %d\n", dnums, len(dnums), cap(dnums))
}
输出结果：
nums: [1 0 0] , len: 3, cap: 3
nums: [5 0 0] ,len: 3, cap: 3
dnums: [5 0], len: 2, cap: 3
在未扩容前，Slice array 指向所引用的 Array.因此在 Slice 上的变更.会直接修改到原始 Array 上（两者所引用的是同一个）
二、时过境迁
随着 Slice 不断 append，内在的元素越来越多，终于触发了扩容.如下代码：
func main() {
nums := [3]int{}
nums[0] = 1
fmt.Printf("nums: %v , len: %d, cap: %d\n", nums, len(nums), cap(nums))
dnums := nums[0:2]
dnums = append(dnums, []int{2, 3}...)
dnums[1] = 1
fmt.Printf("nums: %v ,len: %d, cap: %d\n", nums, len(nums), cap(nums))
fmt.Printf("dnums: %v, len: %d, cap: %d\n", dnums, len(dnums), cap(dnums))
}
输出结果：
nums: [1 0 0] , len: 3, cap: 3
nums: [1 0 0] ,len: 3, cap: 3
dnums: [1 1 2 3], len: 4, cap: 6
往 Slice append 元素时，若满足扩容策略，也就是假设插入后，原本数组的容量就超过最大值了
这时候内部就会重新申请一块内存空间，将原本的元素拷贝一份到新的内存空间上.此时其与原本的数组就没有任何关联关系了，再进行修改值也不会变动到原始数组.这是需要注意的
复制
原型
func copy（dst，src [] T）int
copy 函数将数据从源 Slice复制到目标 Slice.它返回复制的元素数.
示例
func main() {
dst := []int{1, 2, 3}
src := []int{4, 5, 6, 7, 8}
n := copy(dst, src)
fmt.Printf("dst: %v, n: %d", dst, n)
}
copy 函数支持在不同长度的 Slice 之间进行复制，若出现长度不一致，在复制时会按照最少的 Slice 元素个数进行复制
那么在源码中是如何完成复制这一个行为的呢？我们来一起看看源码的实现，如下：
func slicecopy(to, fm slice, width uintptr) int {
if fm.len == 0 || to.len == 0 {
return 0
}
n := fm.len
if to.len < n {
n = to.len
}
if width == 0 {
return n
}
...
size := uintptr(n) * width
if size == 1 {
*(*byte)(to.array) = *(*byte)(fm.array) // known to be a byte pointer
} else {
memmove(to.array, fm.array, size)
}
return n
}
- 若源 Slice 或目标 Slice 存在长度为 0 的情况，则直接返回 0（因为压根不需要执行复制行为）
- 通过对比两个 Slice，获取最小的 Slice 长度.便于后续操作
- 若 Slice 只有一个元素，则直接利用指针的特性进行转换
- 若 Slice 大于一个元素，则从
fm.array复制size个字节到to.array的地址处（会覆盖原有的值）
“奇特”的初始化
在 Slice 中流传着两个传说，分别是 Empty 和 Nil Slice，接下来让我们看看它们的小区别 🤓
Empty
func main() {
nums := []int{}
renums := make([]int, 0)
fmt.Printf("nums: %v, len: %d, cap: %d\n", nums, len(nums), cap(nums))
fmt.Printf("renums: %v, len: %d, cap: %d\n", renums, len(renums), cap(renums))
}
输出结果：
nums: [], len: 0, cap: 0
renums: [], len: 0, cap: 0
Nil
func main() {
var nums []int
}
输出结果：
nums: [], len: 0, cap: 0
想一想
乍一看，Empty Slice 和 Nil Slice 好像一模一样？不管是 len，还是 cap 都为 0.好像没区别？我们再看看如下代码：
func main() {
var nums []int
renums := make([]int, 0)
if nums == nil {
fmt.Println("nums is nil.")
}
if renums == nil {
fmt.Println("renums is nil.")
}
}
你觉得输出结果是什么呢？你可能已经想到了，最终的输出结果：
nums is nil.
为什么
Empty
Nil
从图示中可以看出来，两者有本质上的区别.其底层数组的指向指针是不一样的，Nil Slice 指向的是 nil，Empty Slice 指向的是实际存在的空数组地址
你可以认为，Nil Slice 代指不存在的 Slice，Empty Slice 代指空集合.两者所代表的意义是完全不同的
总结
通过本文，可得知 Go Slice 相当灵活.不需要你手动扩容，也不需要你关注加多少减多少.对 Array 是动态引用，是 Go 类型的一个极大的补充，也因此在应用中使用的更多、更便捷
虽然有个别要注意的 “坑”，但其实是合理的.你觉得呢？😄