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 GC,也就是当前是否启用 Write Barrier(写屏障),若启用则通过 typedmemmove
方法,利用指针运算循环拷贝。否则通过 memmove
方法采取整体拷贝的方式将 lenmem 个字节从 old.array 拷贝到 ptr,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?
有疑问加站长微信联系(非本文作者)