淺談golang slice 切片原理

slice介紹

數(shù)組的長度在定義之后無法再次修改；數(shù)組是值類型，每次傳遞都將產(chǎn)生一份副本。顯然這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無法完全滿足開發(fā)者的真實需求。在初始定義數(shù)組時，我們并不知道需要多大的數(shù)組，因此我們就需要“動態(tài)數(shù)組”。在Go里面這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫slice，slice并不是真正意義上的動態(tài)數(shù)組，而是一個引用類型。slice總是指向一個底層array，slice的聲明也可以像array一樣，只是不需要長度，它是可變長的，可以隨時往slice里面加數(shù)據(jù)。

初看起來，數(shù)組切片就像一個指向數(shù)組的指針，實際上它擁有自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不僅僅是個指針。數(shù)組切片的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以抽象為以下3個變量：

1．一個指向原生數(shù)組的指針（point）：指向數(shù)組中slice指定的開始位置；
2．數(shù)組切片中的元素個數(shù)（len）：即slice的長度；
3．數(shù)組切片已分配的存儲空間（cap）：也就是slice開始位置到數(shù)組的最后位置的長度。

從底層實現(xiàn)的角度來看，數(shù)組切片實際上仍然使用數(shù)組來管理元素，基于數(shù)組，數(shù)組切片添加了一系列管理功能，可以隨時動態(tài)擴充存放空間，并且可以被隨意傳遞而不會導(dǎo)致所管理的元素被重復(fù)復(fù)制。

slice聲明

聲明slice時方括號[]內(nèi)沒有任何數(shù)據(jù)
聲明一個元素類型為int的slice
var mySlice []int    聲明兩個元素類型為byte的slice   

golang 中的 slice 非常強大，讓數(shù)組操作非常方便高效。在開發(fā)中不定長度表示的數(shù)組全部都是 slice 。但是很多同學(xué)對 slice 的模糊認識，造成認為golang中的數(shù)組是引用類型，結(jié)果就是在實際開發(fā)中碰到很多坑，以至于出現(xiàn)一些莫名奇妙的問題，數(shù)組中的數(shù)據(jù)丟失了。

下面我們就開始詳細理解下 slice ，理解后會對開發(fā)出高效的程序非常有幫助。

這個是 slice 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它很簡單，一個指向真實 array 地址的指針 ptr ，slice 的長度 len 和容量 cap 。

其中 len 和 cap 就是我們在調(diào)用 len(slice) 和 cap(slice) 返回的值。

我們來按照 slice 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義來解析出 ptr, len, cap

// 按照上圖定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
type Slice struct {
  ptr  unsafe.Pointer    // Array pointer
  len  int        // slice length
  cap   int        // slice capacity
}

下面寫一個完整的程序，嘗試把golang中slice的內(nèi)存區(qū)域轉(zhuǎn)換成我們定義的 Slice 進行解析

package main

import (
  "fmt"
  "unsafe"
)

// 按照上圖定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
type Slice struct {
  ptr unsafe.Pointer // Array pointer
  len int      // slice length
  cap int      // slice capacity
}

// 因為需要指針計算，所以需要獲取int的長度
// 32位 int length = 4
// 64位 int length = 8
var intLen = int(unsafe.Sizeof(int(0)))

func main() {
  s := make([]int, 10, 20)

  // 利用指針讀取 slice memory 的數(shù)據(jù)
  if intLen == 4 { // 32位
    m := *(*[4 + 4*2]byte)(unsafe.Pointer(s))
    fmt.Println("slice memory:", m)
  } else { // 64 位
    m := *(*[8 + 8*2]byte)(unsafe.Pointer(s))
    fmt.Println("slice memory:", m)
  }

  // 把slice轉(zhuǎn)換成自定義的 Slice struct
  slice := (*Slice)(unsafe.Pointer(s))
  fmt.Println("slice struct:", slice)
  fmt.Printf("ptr:%v len:%v cap:%v \n", slice.ptr, slice.len, slice.cap)
  fmt.Printf("golang slice len:%v cap:%v \n", len(s), cap(s))

  s[0] = 0
  s[1] = 1
  s[2] = 2

  // 轉(zhuǎn)成數(shù)組輸出
  arr := *(*[3]int)(unsafe.Pointer(slice.ptr))
  fmt.Println("array values:", arr)

  // 修改 slice 的 len
  slice.len = 15
  fmt.Println("Slice len: ", slice.len)
  fmt.Println("golang slice len: ", len(s))
}

運行一下查看結(jié)果

$ go run slice.go

slice memory: [0 64 6 32 200 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0]
slice struct: {0xc820064000 10 20}
ptr:0xc820064000 len:10 cap:20
golang slice len:10 cap:20
array values: [0 1 2]
Slice len: 15
golang slice len: 15

看到了，golang slice 的memory內(nèi)容，和自定義的 Slice 的值，還有按照 slice 中的指針指向的內(nèi)存，就是實際 Array 數(shù)據(jù)。當修改了 slice 中的len， len(s) 也變了。

接下來結(jié)合幾個例子，了解下slice一些用法

聲明一個Array通常使用 make ，可以傳入2個參數(shù)，也可傳入3個參數(shù)，第一個是數(shù)據(jù)類型，第二個是 len ，第三個是 cap 。如果不穿入第三個參數(shù)，則 cap=len ，append 可以用來向數(shù)組末尾追加數(shù)據(jù)。

這是一個 append 的測試

// 每次cap改變，指向array的ptr就會變化一次
s := make([]int, 1)

fmt.Printf("len:%d cap: %d array ptr: %v \n", len(s), cap(s), *(*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(s)))

for i := 0; i  5; i++ {
  s = append(s, i)
  fmt.Printf("len:%d cap: %d array ptr: %v \n", len(s), cap(s), *(*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(s)))
}

fmt.Println("Array:", s)

運行結(jié)果

len:1 cap: 1 array ptr: 0xc8200640f0
len:2 cap: 2 array ptr: 0xc820064110
len:3 cap: 4 array ptr: 0xc8200680c0
len:4 cap: 4 array ptr: 0xc8200680c0
len:5 cap: 8 array ptr: 0xc82006c080
len:6 cap: 8 array ptr: 0xc82006c080
Array: [0 0 1 2 3 4]

看出來了吧，每次cap改變的時候指向array內(nèi)存的指針都在變化。當在使用 append 的時候，如果 cap==len 了這個時候就會新開辟一塊更大內(nèi)存，然后把之前的數(shù)據(jù)復(fù)制過去。

實際go在append的時候放大cap是有規(guī)律的。在 cap 小于1024的情況下是每次擴大到 2 * cap ，當大于1024之后就每次擴大到 1.25 * cap 。所以上面的測試中cap變化是 1, 2, 4, 8

在實際使用中，我們最好事先預(yù)期好一個cap，這樣在使用append的時候可以避免反復(fù)重新分配內(nèi)存復(fù)制之前的數(shù)據(jù)，減少不必要的性能消耗。

創(chuàng)建切片

s := []int{1, 2, 3, 4, 5}
fmt.Printf("len:%d cap: %d array ptr: %v \n", len(s), cap(s), *(*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(s)))
fmt.Println("Array:", s)

s1 := s[1:3]
fmt.Printf("len:%d cap: %d array ptr: %v \n", len(s1), cap(s1), *(*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(s1)))
fmt.Println("Array", s1)

運行結(jié)果

len:5 cap: 5 array ptr: 0xc820012210
Array: [1 2 3 4 5]
len:2 cap: 4 array ptr: 0xc820012218
Array [2 3]

在一個切片基礎(chǔ)上創(chuàng)建新的切片 s1 ，新切片的 ptr 指向的就是 s1[0] 數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址?？梢钥吹街羔樀刂?0xc820012210 與 0xc820012218 相差 8byte 正好是一個int類型長度，cap也相應(yīng)的變?yōu)?

就寫到這里了，總結(jié)一下，切片的結(jié)構(gòu)是指向數(shù)據(jù)的指針，長度和容量。復(fù)制切片，或者在切片上創(chuàng)建新切片，切片中的指針都指向相同的數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)域。

知道了切片原理就可以在開發(fā)中避免出現(xiàn)錯誤了，希望這篇博客可以給大家?guī)韼椭?。也希望大家多多支持腳本之家。