GO-slice详解
简介
slice（切片）是go中常见和强大的类型，这篇文章不是slice使用简介，从源码角度来分析slice的实现，slice的一些迷惑的使用方式，同时也讲清楚一些问题。
slice的底层实现是数组，是对数组的抽象
官方有slice相关的博客
- https://go.dev/blog/slices-intro
- https://go.dev/blog/slices
slice分析
数据结构
源码：https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/slice.go#L14
slice结构如下：
type slice struct {
array unsafe.Pointer // 数组指针
len int //切片长度
cap int // 切片容量
}
array：为是底层数组的指针
len：切片中已有元素的个数
cap：底层数组的长度
原理概述：
切片的底层实现是数组，len是切片的个数，cap是底层数组的长度，当往切片中追加元素的时候，len++，如果len>cap，就会触发切片扩容，扩容逻辑是算一个新的cap，并且创建一个新的底层数组，将原来的数据copy过来。并且创建一个新的切片（slice）。
可以从一个切片中创建一个新的切片，底层数组是同用的，修改切片元素的时候会影响到新的切片。
如果所示：
var s = make([]byte,5)对应的逻辑是，创建一个长度和容量为5的数组，如果所示
切片的创建方式
先看切片的创建方式，说这个问题之前，先看看切片的创建方式
声明
var vocabList []uint64
声明了一个[]uint64类型的切片，vocabList为切片的0值，
这得说一下go中nil值
在 Go 中，nil 是指针、接口、映射、切片、通道和函数类型的零值，表示未初始化的值。
具体的可以看：https://go101.org/article/nil.html
回到代码，这表示nil值，它的len和cap都是0，和nil比较结果为true，这里要说，nil值对应的具体的类型是在上下文中编译器推导出来的
package main
func main() {
var vocabList []uint64
println(vocabList == nil)
}
// output:
// true
通过new创建
var vocabList = *new([]uint64)
new是内建函数，用来分配指定类型的内容，返回指向内存地址的指针，并且给此地址分配此类型的0值。
字面量创建
var vocabList = []uint64{1,2,3,4}
make
var vocabList = make([]uint64,10)
make接受三个参数，在创建的时候指定类型，长度，容量，不指定容量，默认和长度一样
代码如下：
func main() {
var vocabList = make([]uint64,10)
fmt.Printf("slice:%v,len:%d,cap:%d",vocabList,len(vocabList),cap(vocabList))
}
// output:
// slice:[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0],len:10,cap:10
从切片或数组截取
var vocabList = resList[3:5]
两个切片公用一个底层数组，但如果新创建的切片扩容了，就不共用了。
问题分析
主要分析几个问题
nil切片和空切片的差异
nil切片是通过 new 和声明方式创建的切片，go会给他们nil值，如下面的代码所示：
var vocabList []int
vocabList == nil //true
空切片是通过make，字面量方式创建的长度为0的切片，
vocabList := make([]int,0)
vocabList == nil // false
vocabList1 = []int{}
vocabList1 == nil //false
具体可以看这篇文章：https://juejin.cn/post/6844903712654098446
我下面的代码和内容来于这篇文章
通过unsafe.Pointer可以将对应地址中的数据转换为任何符合go中类型的变量
可以看到，空切片的是有底层数组的，并且底层数组都一样，其实也可以说空切片执行了一个指定的地址空间，
这个地址空间在源码中有定义，当分配的大小为0的时候会返回这个地址，要说明的是这个地址空间不是固定的，不是写死的一个数，在不同的机器上运行会有不同的值。
源码：https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/malloc.go#L948
两者的差异：
-
嵌套在结构体中不容易发现
package main type Word struct { SenseIds []int } func main() { word := Word{} println(word.SenseIds == nil) //true word1 := Word{ SenseIds: make([]int,0), } println(word1.SenseIds == nil) //false } -
json序列化
package main import "encoding/json" type Word struct { SenseIds []int `json:"sense_ids" ` } func main() { word := Word{} marshal, err := json.Marshal(word) if err != nil { return } println(string(marshal)) //{"sense_ids":null} word1 := Word{ SenseIds: []int{}, } marshal1, err := json.Marshal(word1) if err != nil { return } println(string(marshal1)) //{"sense_ids":[]} }这个问题我
深有体会在做一个需求的时候，看到编辑器报黄色提示，提示我将
var a = []int{}改为var a []int,当然，go官方也是这么建议的。我就改了，然后一个接口就报错了。给我一顿找，发现json返回了null。
除此之外，没有别的区别。
切片共用底层数组
在做截取的时候，会创建一个新的slice，截取语法如下
bSlice := aSlice[start:stop:capacityIndex]
// satrt <= stop <= capacityIndex
//capacityIndex不是必须的，默认=原来切片的cap-startIndex
// 如果指定 新切片的容量为 capacityIndex-start
如图所示：
有了上面的例子，可以看如下代码
package main
import (
"fmt"
)
func main() {
slice := []int{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
s1 := slice[2:5]
fmt.Println("============= 1 ==============")
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",slice,len(slice),cap(slice))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s1,len(s1),cap(s1))
s2 := s1[2:6:7]
fmt.Println("============= 2 ==============")
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",slice,len(slice),cap(slice))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s1,len(s1),cap(s1))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s2,len(s2),cap(s2))
// 到这里是正确的切片操作，slice，s1，s2通用底层数组
s2 = append(s2, 100) //s2追加100，此时s2中len=cap，还没有触发扩容操作
fmt.Println("============= 3 ==============")
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",slice,len(slice),cap(slice))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s1,len(s1),cap(s1))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s2,len(s2),cap(s2))
s2 = append(s2, 200)// 200加不进去了，触发扩容操作，此时s2的底层数组和s1，slice不一样了
fmt.Println("============= 3 ==============")
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",slice,len(slice),cap(slice))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s1,len(s1),cap(s1))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s2,len(s2),cap(s2))
s1[2] = 20 // s1和slice底层数组还是一样的
fmt.Println("============= 3 ==============")
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",slice,len(slice),cap(slice))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s1,len(s1),cap(s1))
fmt.Printf("%v len:%d cap:%d \n",s2,len(s2),cap(s2))
}
输出如下：
============= 1 ==============
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9] len:10 cap:10
[2 3 4] len:3 cap:8
============= 2 ==============
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9] len:10 cap:10
[2 3 4] len:3 cap:8
[4 5 6 7] len:4 cap:5
============= 3 ==============
[0 1 2 3 4 5 6 7 100 9] len:10 cap:10
[2 3 4] len:3 cap:8
[4 5 6 7 100] len:5 cap:5
============= 3 ==============
[0 1 2 3 4 5 6 7 100 9] len:10 cap:10
[2 3 4] len:3 cap:8
[4 5 6 7 100 200] len:6 cap:10
============= 3 ==============
[0 1 2 3 20 5 6 7 100 9] len:10 cap:10
[2 3 20] len:3 cap:8
[4 5 6 7 100 200] len:6 cap:10
源码分析
make创建切片
使用dlv或者go提供的汇编工具可以看到 make调用了什么函数
源码：https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/slice.go#LL88C18-L88C18
切片的扩容规则
版本不同，扩容规则可能不一样，例子中go版本为：
代码如下：
package main
import (
"fmt"
"unsafe"
)
func main() {
ints := make([]int, 0) // 创建了一个长度为0的切片
i := *(*[3]int)(unsafe.Pointer(&ints)) // 利用Pointer将slice转换为长度为3的int数组，此操作可以查看slice结构体中各个字段的数值
fmt.Printf("slice1:%v \n",i)
fmt.Printf("slice:%v \n",ints)
var ints1 = append(ints, 1) // 追加一个元素
i2 := *(*[3]int)(unsafe.Pointer(&ints1))
fmt.Printf("slice2 %v \n",i2) // slice对应的底层数组发生了扩容操作，底层数组已经变了
fmt.Printf("slice2:%v \n",ints)
}
用dlv 查看它的汇编代码，看扩容操作调用了那些函数
源码链接：https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/slice.go#LL157C10-L157C10
// 函数入参说明如下
//1. et 类型
//2. old 老切片
//3. cap 需要分配的指定容量，为了方便期间，调用这个函数的时候cap传递的都是老的slice的cap
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
if raceenabled { // 是否启动竞争检测
callerpc := getcallerpc()
racereadrangepc(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)), callerpc, abi.FuncPCABIInternal(growslice))
}
if msanenabled { //内存检查，确保没有未初始化的内存被使用
msanread(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)))
}
if asanenabled { // 检查内存访问是否越界
asanread(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)))
}
if cap < old.cap {
panic(errorString("growslice: cap out of range"))
}
if et.size == 0 {
// 正常是不会这样的，但为了安全还是处理了0的情况
return slice{unsafe.Pointer(&zerobase), old.len, cap}
}
// 开始计算新的cap
newcap := old.cap
doublecap := newcap + newcap // 2倍
if cap > doublecap { // 新的cap要是老的2倍
newcap = cap
} else {
const threshold = 256
if old.cap < threshold { // cap小于256，newCap为oldCap的两倍
newcap = doublecap
} else {
for 0 < newcap && newcap < cap {
// Transition from growing 2x for small slices
// to growing 1.25x for large slices. This formula
// gives a smooth-ish transition between the two.
// 这个公式可以当超过256之后i，可以实现1.25到2倍的平滑过渡
newcap += (newcap + 3*threshold) / 4 // 这个公式化简一下 newCap = oldCap*1.25 + 192（3/4*256）
}
// Set newcap to the requested cap when
// the newcap calculation overflowed.
if newcap <= 0 { // 防止溢出
newcap = cap
}
}
}
// 下面的逻辑是对上面计算出来的newCap来做对齐操作，上面的计算不是真正的结果，下面还需要做内存对齐操作。
var overflow bool
var lenmem, newlenmem, capmem uintptr
switch {
case et.size == 1:
lenmem = uintptr(old.len)
newlenmem = uintptr(cap)
capmem = roundupsize(uintptr(newcap))
overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc
newcap = int(capmem)
case et.size == goarch.PtrSize:
lenmem = uintptr(old.len) * goarch.PtrSize
newlenmem = uintptr(cap) * goarch.PtrSize
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * goarch.PtrSize)
overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc/goarch.PtrSize
newcap = int(capmem / goarch.PtrSize)
case isPowerOfTwo(et.size):
var shift uintptr
if goarch.PtrSize == 8 {
// Mask shift for better code generation.
shift = uintptr(sys.Ctz64(uint64(et.size))) & 63
} else {
shift = uintptr(sys.Ctz32(uint32(et.size))) & 31
}
lenmem = uintptr(old.len) << shift
newlenmem = uintptr(cap) << shift
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) << shift)
overflow = uintptr(newcap) > (maxAlloc >> shift)
newcap = int(capmem >> shift)
default:
lenmem = uintptr(old.len) * et.size
newlenmem = uintptr(cap) * et.size
capmem, overflow = math.MulUintptr(et.size, uintptr(newcap))
capmem = roundupsize(capmem)
newcap = int(capmem / et.size)
}
// The check of overflow in addition to capmem > maxAlloc is needed
// to prevent an overflow which can be used to trigger a segfault
// on 32bit architectures with this example program:
//
// type T [1<<27 + 1]int64
//
// var d T
// var s []T
//
// func main() {
// s = append(s, d, d, d, d)
// print(len(s), "\n")
// }
if overflow || capmem > maxAlloc {
panic(errorString("growslice: cap out of range"))
}
var p unsafe.Pointer
// 下面是分配新的数组
if et.ptrdata == 0 { // 原slice底层数组为0，也就是nil切片，
p = mallocgc(capmem, nil, false)
// The append() that calls growslice is going to overwrite from old.len to cap (which will be the new length).
// Only clear the part that will not be overwritten.
memclrNoHeapPointers(add(p, newlenmem), capmem-newlenmem) // 然后使用memclrNoHeapPointers函数来清除新分配的内存
} else {
// Note: can't use rawmem (which avoids zeroing of memory), because then GC can scan uninitialized memory.
p = mallocgc(capmem, et, true) // 分配新的底层数组
if lenmem > 0 && writeBarrier.enabled { // 之前有数据，并且写屏障已经开启
// Only shade the pointers in old.array since we know the destination slice p
// only contains nil pointers because it has been cleared during alloc.
bulkBarrierPreWriteSrcOnly(uintptr(p), uintptr(old.array), lenmem-et.size+et.ptrdata)
}
}
// copy元素
memmove(p, old.array, lenmem)
// 创建新的切片返回
return slice{p, old.len, newcap}
}
总结如下：
- 确定新容量，cap小于256，直接2倍，大于256，新容量=老容量*1.25 * 3/4 * 256
- 用新容量来做内存对齐操作
- 分配新数组
- copy数组
- 创建切片返回
还有一点：
append的操作汇编并没有调用函数，在汇编层面就做了，直接往底层数组添加元素，只有数组已经满的情况下才会触发扩容操作
内存对齐相关东西之后在说
我们来一个例子来验证一下上面的代码逻辑：
package main
import "fmt"
func main() {
var s = []int{}
oldCap := cap(s)
for i := 0; i < 2048; i++ {
s = append(s, i)
newCap := cap(s)
if newCap != oldCap {
// 追加元素，当容量发生变化的时候，打印，扩容之前的元素，cap，导致扩容的元素，和扩容之后的cap
fmt.Printf("[%d -> %4d] cap = %-4d after append %-4d cap = %-4d\n", 0, i-1, oldCap, i, newCap)
oldCap = newCap
}
}
}
// outPut
[0 -> -1] cap = 0 | after append 0 cap = 1
[0 -> 0] cap = 1 | after append 1 cap = 2
[0 -> 1] cap = 2 | after append 2 cap = 4
[0 -> 3] cap = 4 | after append 4 cap = 8
[0 -> 7] cap = 8 | after append 8 cap = 16
[0 -> 15] cap = 16 | after append 16 cap = 32
[0 -> 31] cap = 32 | after append 32 cap = 64
[0 -> 63] cap = 64 | after append 64 cap = 128
[0 -> 127] cap = 128 | after append 128 cap = 256 // 256之前都是2倍
[0 -> 255] cap = 256 | after append 256 cap = 512 // 1.25 * 256 + 192 = 512
[0 -> 511] cap = 512 | after append 512 cap = 848 // 1.25 * 512 + 192 = 832
[0 -> 847] cap = 848 | after append 848 cap = 1280
[0 -> 1279] cap = 1280 | after append 1280 cap = 1792
[0 -> 1791] cap = 1792 | after append 1792 cap = 2560
copy函数的使用
copy函数底层调用的是
底层数组共用，那copy函数就可以完成一下几种操作
-
移动slice中的元素
func main() { var vocabs = []int{1,2,3,4,5,6,7,8,9} // 现在将5去除掉，将5之后的移动到前面 copy(vocabs[4:],vocabs[5:]) fmt.Printf("%v",vocabs) } //outPut [1 2 3 4 6 7 8 9 9] -
slice合并
func main() { ints := make([]int, 10) i1 := make([]int,0, 5) for i := 0; i < 5; i++ { i1 = append(i1, i) } i2 := make([]int,0, 5) for i := 5; i < 10; i++ { i2 = append(i2, i) } copy(ints,i1) // 从i1全部复制到ints中 copy(ints[len(i1):],i2) // 将i2复制到ints的len（i1）位置开始一直到结束的数组中 fmt.Printf("%v\n",i1) fmt.Printf("%v\n",i2) fmt.Printf("%v\n",ints) } // output [0 1 2 3 4] [5 6 7 8 9] [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9] -
长度不够的copy，依dist为准
package main import "fmt" func main() { ints := make([]int, 3) i1 := make([]int,0, 10) for i := 0; i < 10; i++ { i1 = append(i1, i) } copy(ints,i1) fmt.Printf("%v",ints) } //outPut: [0 1 2]
问题解答
-
nil 切片可以添加元素吗？
可以
nil切片就是切片声明，追加的时候切片长度为0，会引发扩容操作，扩容的时候会给分配一个新的数组。
-
nil切片和空切片有区别吗？
nil切片有两种方式
- 声明
- new创建
空切片有两种：
- 字面量创建但没有任何的元素
- make创建长度指定为0
使用方式除了下面两点没有别的区别：
- 嵌套结构体，不显性创建为nil
- json序列化会为null
-
slice扩容规则
说到前面：它在确定cap之后有内存对齐操作
- 小于256，是原cap的2倍
- 大于256，是原来的1.25倍+3/4*256
到这里就结束了。
