【转】深度解密Go语言之Slice

【转】深度解密Go语言之Slice

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Go 语言的 slice 很好用,不过也有一些坑。slice 是 Go 语言一个很重要的数据结构。网上已经有很多文章写过了,似乎没必要再写。但是每个人看问题的视角不同,写出来的东西自然也不一样。我这篇会从更底层的汇编语言去解读它。而且在我写这篇文章的过程中,发现绝大部分文章都存在一些问题,文章里会讲到,这里先不展开。

我希望本文可以终结这个话题,下次再有人想和你讨论 slice,直接把这篇文章的链接丢过去就行了。

当我们在说 slice 时,到底在说什么

slice 翻译成中文就是切片,它和数组(array)很类似,可以用下标的方式进行访问,如果越界,就会产生 panic。但是它比数组更灵活,可以自动地进行扩容。
了解 slice 的本质,最简单的方法就是看它的源代码:

// runtime/slice.go
type slice struct {
    array unsafe.Pointer // 元素指针
    len   int // 长度 
    cap   int // 容量
}

看到了吗,slice 共有三个属性:

  • 指针:指向底层数组;
  • 长度:表示切片可用元素的个数,也就是说使用下标对 slice 的元素进行访问时,下标不能超过 slice 的长度;
  • 容量:底层数组的元素个数,容量 >= 长度。在底层数组不进行扩容的情况下,容量也是 slice 可以扩张的最大限度。

注意,底层数组是可以被多个 slice 同时指向的,因此对一个 slice 的元素进行操作是有可能影响到其他 slice 的。

slice 的创建

创建 slice 的方式有以下几种:

序号    方式    代码示例
1    直接声明    var slice []int
2    new    slice := *new([]int)
3    字面量    slice := []int{1,2,3,4,5}
4    make    slice := make([]int, 5, 10)
5    从切片或数组“截取”    slice := array[1:5] 或 slice := sourceSlice[1:5]

直接声明

第一种创建出来的 slice 其实是一个 nil slice。它的长度和容量都为0。和nil比较的结果为true。

这里比较混淆的是empty slice,它的长度和容量也都为0,但是所有的空切片的数据指针都指向同一个地址 0xc42003bda0。空切片和 nil 比较的结果为false。

它们的内部结构如下图:

创建方式    nil切片    空切片
方式一    var s1 []int    var s2 = []int{}
方式二    var s4 = *new([]int)    var s3 = make([]int, 0)
长度    0    0
容量    0    0nil 比较    true    false

nil 切片和空切片很相似,长度和容量都是0,官方建议尽量使用 nil 切片。

关于nil sliceempty slice的探索可以参考公众号“码洞”作者老钱写的一篇文章《深度解析 Go 语言中「切片」的三种特殊状态》,地址附在了参考资料部分。

字面量

比较简单,直接用初始化表达式创建。

package main

import "fmt"

func main() {
    s1 := []int{0, 1, 2, 3, 8: 100}
    fmt.Println(s1, len(s1), cap(s1))
}

运行结果:

[0 1 2 3 0 0 0 0 100] 9 9

唯一值得注意的是上面的代码例子中使用了索引号,直接赋值,这样,其他未注明的元素则默认 0 值。

make

make函数需要传入三个参数:切片类型,长度,容量。当然,容量可以不传,默认和长度相等。

上篇文章《走进Go的底层》中,我们学到了汇编这个工具,这次我们再次请出汇编来更深入地看看slice。如果没看过上篇文章,建议先回去看完,再继续阅读本文效果更佳。

先来一小段玩具代码,使用 make 关键字创建 slice

package main

import "fmt"

func main() {
    slice := make([]int, 5, 10) // 长度为5,容量为10
    slice[2] = 2 // 索引为2的元素赋值为2
    fmt.Println(slice)
}

执行如下命令,得到 Go 汇编代码:

go tool compile -S main.go
0x0000 00000 (main.go:5)TEXT    "".main(SB), $96-0
0x0000 00000 (main.go:5)MOVQ    (TLS), CX
0x0009 00009 (main.go:5)CMPQ    SP, 16(CX)
0x000d 00013 (main.go:5)JLS     228
0x0013 00019 (main.go:5)SUBQ    $96, SP
0x0017 00023 (main.go:5)MOVQ    BP, 88(SP)
0x001c 00028 (main.go:5)LEAQ    88(SP), BP
0x0021 00033 (main.go:5)FUNCDATA    $0, gclocals·69c1753bd5f81501d95132d08af04464(SB)
0x0021 00033 (main.go:5)FUNCDATA    $1, gclocals·57cc5e9a024203768cbab1c731570886(SB)
0x0021 00033 (main.go:5)LEAQ    type.int(SB), AX
0x0028 00040 (main.go:6)MOVQ    AX, (SP)
0x002c 00044 (main.go:6)MOVQ    $5, 8(SP)
0x0035 00053 (main.go:6)MOVQ    $10, 16(SP)
0x003e 00062 (main.go:6)PCDATA  $0, $0
0x003e 00062 (main.go:6)CALL    runtime.makeslice(SB)
0x0043 00067 (main.go:6)MOVQ    24(SP), AX
0x0048 00072 (main.go:6)MOVQ    32(SP), CX
0x004d 00077 (main.go:6)MOVQ    40(SP), DX
0x0052 00082 (main.go:7)CMPQ    CX, $2
0x0056 00086 (main.go:7)JLS     221
0x005c 00092 (main.go:7)MOVQ    $2, 16(AX)
0x0064 00100 (main.go:8)MOVQ    AX, ""..autotmp_2+64(SP)
0x0069 00105 (main.go:8)MOVQ    CX, ""..autotmp_2+72(SP)
0x006e 00110 (main.go:8)MOVQ    DX, ""..autotmp_2+80(SP)
0x0073 00115 (main.go:8)MOVQ    $0, ""..autotmp_1+48(SP)
0x007c 00124 (main.go:8)MOVQ    $0, ""..autotmp_1+56(SP)
0x0085 00133 (main.go:8)LEAQ    type.[]int(SB), AX
0x008c 00140 (main.go:8)MOVQ    AX, (SP)
0x0090 00144 (main.go:8)LEAQ    ""..autotmp_2+64(SP), AX
0x0095 00149 (main.go:8)MOVQ    AX, 8(SP)
0x009a 00154 (main.go:8)PCDATA  $0, $1
0x009a 00154 (main.go:8)CALL    runtime.convT2Eslice(SB)
0x009f 00159 (main.go:8)MOVQ    16(SP), AX
0x00a4 00164 (main.go:8)MOVQ    24(SP), CX
0x00a9 00169 (main.go:8)MOVQ    AX, ""..autotmp_1+48(SP)
0x00ae 00174 (main.go:8)MOVQ    CX, ""..autotmp_1+56(SP)
0x00b3 00179 (main.go:8)LEAQ    ""..autotmp_1+48(SP), AX
0x00b8 00184 (main.go:8)MOVQ    AX, (SP)
0x00bc 00188 (main.go:8)MOVQ    $1, 8(SP)
0x00c5 00197 (main.go:8)MOVQ    $1, 16(SP)
0x00ce 00206 (main.go:8)PCDATA  $0, $1
0x00ce 00206 (main.go:8)CALL    fmt.Println(SB)
0x00d3 00211 (main.go:9)MOVQ    88(SP), BP
0x00d8 00216 (main.go:9)ADDQ    $96, SP
0x00dc 00220 (main.go:9)RET
0x00dd 00221 (main.go:7)PCDATA  $0, $0
0x00dd 00221 (main.go:7)CALL    runtime.panicindex(SB)
0x00e2 00226 (main.go:7)UNDEF
0x00e4 00228 (main.go:7)NOP
0x00e4 00228 (main.go:5)PCDATA  $0, $-1
0x00e4 00228 (main.go:5)CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
0x00e9 00233 (main.go:5)JMP     0

先说明一下,Go 语言汇编 FUNCDATA 和 PCDATA 是编译器产生的,用于保存一些和垃圾收集相关的信息,我们先不用 care。

以上汇编代码行数比较多,没关系,因为命令都比较简单,而且我们的 Go 源码也足够简单,没有理由看不明白。

我们先从上到下扫一眼,看到几个关键函数:

CALL    runtime.makeslice(SB)
CALL    runtime.convT2Eslice(SB)
CALL    fmt.Println(SB)
CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)

序号    功能
1    创建slice
2    类型转换
3    打印函数
4    栈空间扩容

1是创建 slice 相关的;
2是类型转换;调用 fmt.Println需要将 slice 作一个转换;
3是打印语句;
4是栈空间扩容函数,在函数开始处,会检查当前栈空间是否足够,不够的话需要调用它来进行扩容。暂时可以忽略。

调用了函数就会涉及到参数传递,Go 的参数传递都是通过 栈空间完成的。接下来,我们详细分析这整个过程。

行数    作用
1    main函数定义,栈帧大小为 96B
2-4    判断栈是否需要进行扩容,如果需要则跳到 228,这里会调用 runtime.morestack_noctxt(SB) 进行栈扩容操作。具体细节后续还会有文章来讲
5-9    将 caller BP 压栈,具体细节后面会讲到
10-15    调用 runtime.makeslice(SB) 函数及准备工作。*_type表示的是 int,也就是 slice 元素的类型。这里对应的源码是第6行,也就是调用 make 创建 slice 的那一行。510 分别代表长度和容量,函数参数会在栈顶准备好,之后执行函数调用命令 CALL,进入到被调用函数的栈帧,就会按顺序从 caller 的栈顶取函数参数
16-18    接收 makeslice的返回值,通过 move 移动到寄存器中
19-21    给数组索引值为 2 的元素赋上值 2,因为是 int 型的 slice,元素大小为8字节,所以 MOVQ $2, 16(AX) 此命令就是将 2 搬到索引为 2 的位置。这里还会对索引值的大小进行检查,如果越界,则会跳转到 221,执行 panic 函数
22-26    分别通过寄存器 AX,CX,DX 将 makeslice 的返回值 move 到内存的其他位置,也称为局部变量,这样就构造出了 slice

左边是栈上的数据,右边是堆上的数据。array 指向 slice 的底层数据,被分配到堆上了。注意,栈上的地址是从高向低增长;堆则从低向高增长。栈左边的数字表示对应的汇编代码的行数,栈右边箭头则表示栈地址。(48)SP、(56)SP 表示的内容接着往下看。

注意,在图中,栈地址是从下往上增长,所以 SP 表示的是图中 *_type 所在的位置,其它的依此类推。

行数    作用
27-32    准备调用 runtime.convT2Eslice(SB)的函数参数
33-36    接收返回值,通过AX,CX寄存器 move 到(48)SP、(56)SP

convT2Eslice 的函数声明如下:

func convT2Eslice(t *_type, elem unsafe.Pointer) (e eface) 

第一个参数是指针 *_type_type是一个表示类型的结构体,这里传入的就是 slice的类型 []int;第二个参数则是元素的指针,这里传入的就是 slice 底层数组的首地址。

返回值 eface 的结构体定义如下:

type eface struct {
    _type *_type
    data  unsafe.Pointer
}

由于我们会调用 fmt.Println(slice),看下函数原型:

func Println(a ...interface{}) (n int, err error)

Println 接收 interface 类型,因此我们需要将 slice 转换成 interface 类型。由于 slice 没有方法,是个空 interface。因此会调用 convT2Eslice 完成这一转换过程。`

convT2Eslice 函数返回的是类型指针和数据地址。源码就不贴了,大体流程是:调用 mallocgc 分配一块内存,把数据 copy进到新的内存,然后返回这块内存的地址,*_type 则直接返回传入的参数。

32(SP)40(SP) 其实是 makeslice 函数的返回值,这里可以忽略。

还剩 fmt.Println(slice) 最后一个函数调用了,我们继续。

行数    作用
37-40    准备 Println 函数参数。共3个参数,第一个是类型地址,还有两个 1,这块暂时还不知道为什么要传,有了解的同学可以在文章后面留言

所以调用 fmt.Println(slice) 时,实际是传入了一个 slice类型的eface地址。这样,Println就可以访问类型中的数据,最终给“打印”出来。

最后,我们看下 main 函数栈帧的开始和收尾部分。

0x0013 00019 (main.go:5)SUBQ    $96, SP
0x0017 00023 (main.go:5)MOVQ    BP, 88(SP)
0x001c 00028 (main.go:5)LEAQ    88(SP), BP
…………………………
0x00d3 00211 (main.go:9)MOVQ    88(SP), BP
0x00d8 00216 (main.go:9)ADDQ    $96, SP
RET

BP可以理解为保存了当前函数栈帧栈底的地址,SP则保存栈顶的地址。

初始,BPSP 分别有一个初始状态。

main 函数执行的时候,先根据 main 函数栈帧大小确定 SP 的新指向,使得 main 函数栈帧大小达到 96B。之后把老的 BP 保存到 main 函数栈帧的底部,并使 BP 寄存器重新指向新的栈底,也就是 main 函数栈帧的栈底。

最后,当 main 函数执行完毕,把它栈底的 BP 给回弹回到 BP 寄存器,恢复调用前的初始状态。一切都像是没有发生一样,完美的现场。

这部分,又详细地分析了一遍函数调用的过程。一方面,让大家复习一下上一篇文章讲的内容;另一方面,向大家展示如何找到 Go 中的一个函数背后真实调用了哪些函数。像例子中,我们就看到了 make 函数背后,实际上是调用了 makeslice 函数;还有一点,让大家对汇编不那么“惧怕”,可以轻松地分析一些东西。

截取

截取也是比较常见的一种创建 slice 的方法,可以从数组或者 slice 直接截取,当然需要指定起止索引位置。

基于已有 slice 创建新 slice 对象,被称为 reslice。新 slice 和老 slice 共用底层数组,新老 slice 对底层数组的更改都会影响到彼此。基于数组创建的新 slice 对象也是同样的效果:对数组或 slice 元素作的更改都会影响到彼此。

值得注意的是,新老 slice 或者新 slice 老数组互相影响的前提是两者共用底层数组,如果因为执行 append 操作使得新 slice 底层数组扩容,移动到了新的位置,两者就不会相互影响了。所以,问题的关键在于两者是否会共用底层数组

截取操作采用如下方式:

 data := [...]int{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
 slice := data[2:4:6] // data[low, high, max]

data 使用3个索引值,截取出新的 slice。这里 data 可以是数组或者 slicelow 是最低索引值,这里是闭区间,也就是说第一个元素是 data 位于 low 索引处的元素;而 highmax 则是开区间,表示最后一个元素只能是索引 high-1 处的元素,而最大容量则只能是索引 max-1 处的元素。

max >= high >= low

high == low时,新 slice 为空。

还有一点,highmax 必须在老数组或者老 slice 的容量(cap)范围内。

来看一个例子,来自雨痕大佬《Go学习笔记》第四版,P43页,参考资料里有开源书籍地址。这里我会进行扩展,并会作详细说明:

package main

import "fmt"

func main() {
    slice := []int{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
    s1 := slice[2:5]
    s2 := s1[2:6:7]

    s2 = append(s2, 100)
    s2 = append(s2, 200)

    s1[2] = 20

    fmt.Println(s1)
    fmt.Println(s2)
    fmt.Println(slice)
}

先看下代码运行的结果:

[2 3 20]
[4 5 6 7 100 200]
[0 1 2 3 20 5 6 7 100 9]

我们来走一遍代码,初始状态如下:

slice := []int{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
s1 := slice[2:5]
s2 := s1[2:6:7]

s1slice 索引2(闭区间)到索引5(开区间,元素真正取到索引4),长度为3,容量默认到数组结尾,为8。
s2s1 的索引2(闭区间)到索引6(开区间,元素真正取到索引5),容量到索引7(开区间,真正到索引6),为5。

接着,向 s2 尾部追加一个元素 100

s2 = append(s2, 100)

s2 容量刚好够,直接追加。不过,这会修改原始数组对应位置的元素。这一改动,数组和 s1 都可以看得到。

再次向 s2 追加元素200:

s2 = append(s2, 100)    

这时,s2 的容量不够用,该扩容了。于是,s2 另起炉灶,将原来的元素复制新的位置,扩大自己的容量。并且为了应对未来可能的 append 带来的再一次扩容,s2 会在此次扩容的时候多留一些 buffer,将新的容量将扩大为原始容量的2倍,也就是10了。

最后,修改 s1 索引为2位置的元素:

s1[2] = 20

这次只会影响原始数组相应位置的元素。它影响不到 s2 了,人家已经远走高飞了。

再提一点,打印 s1 的时候,只会打印出 s1 长度以内的元素。所以,只会打印出3个元素,虽然它的底层数组不止3个元素。
至于,我们想在汇编层面看看到底它们是如何共享底层数组的,限于篇幅,这里不再展开。感兴趣的同学可以在公众号后台回复:切片截取。
我会给你详细分析函数调用关系,对共享底层数组的行为也会一目了然。二维码见文章底部。

slice 和数组的区别在哪

slice 的底层数据是数组,slice 是对数组的封装,它描述一个数组的片段。两者都可以通过下标来访问单个元素。

数组是定长的,长度定义好之后,不能再更改。在 Go 中,数组是不常见的,因为其长度是类型的一部分,限制了它的表达能力,比如 [3]int 和 [4]int 就是不同的类型。

而切片则非常灵活,它可以动态地扩容。切片的类型和长度无关。

append 到底做了什么

先来看看 append 函数的原型:

func append(slice []Type, elems ...Type) []Type

append 函数的参数长度可变,因此可以追加多个值到 slice 中,还可以用 ... 传入 slice,直接追加一个切片。

slice = append(slice, elem1, elem2)
slice = append(slice, anotherSlice...)

append函数返回值是一个新的slice,Go编译器不允许调用了 append 函数后不使用返回值。

append(slice, elem1, elem2)
append(slice, anotherSlice...)

所以上面的用法是错的,不能编译通过。

使用 append 可以向 slice 追加元素,实际上是往底层数组添加元素。但是底层数组的长度是固定的,如果索引 len-1 所指向的元素已经是底层数组的最后一个元素,就没法再添加了。

这时,slice 会迁移到新的内存位置,新底层数组的长度也会增加,这样就可以放置新增的元素。同时,为了应对未来可能再次发生的 append 操作,新的底层数组的长度,也就是新 slice 的容量是留了一定的 buffer 的。否则,每次添加元素的时候,都会发生迁移,成本太高。

slice 预留的 buffer 大小是有一定规律的。网上大多数的文章都是这样描述的:

当原 slice 容量小于 1024的时候,新 slice 容量变成原来的 2 倍;原 slice 容量超过 1024,新 slice 容量变成原来的1.25倍。

我在这里先说结论:以上描述是错误的。
为了说明上面的规律是错误的,我写了一小段玩具代码:

package main

import "fmt"

func main() {
    s := make([]int, 0)

    oldCap := cap(s)

    for i := 0; i < 2048; i++ {
        s = append(s, i)

        newCap := cap(s)

        if newCap != oldCap {
            fmt.Printf("[%d -> %4d] cap = %-4d  |  after append %-4d  cap = %-4d\n", 0, i-1, oldCap, i, newCap)
            oldCap = newCap
        }
    }
}

我先创建了一个空的 slice,然后,在一个循环里不断往里面 append 新的元素。然后记录容量的变化,并且每当容量发生变化的时候,记录下老的容量,以及添加完元素之后的容量,同时记下此时 slice 里的元素。这样,我就可以观察,新老 slice 的容量变化情况,从而找出规律。

运行结果:

[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 
[0 ->  255] cap = 256   |  after append 256   cap = 512 
[0 ->  511] cap = 512   |  after append 512   cap = 1024
[0 -> 1023] cap = 1024  |  after append 1024  cap = 1280
[0 -> 1279] cap = 1280  |  after append 1280  cap = 1696
[0 -> 1695] cap = 1696  |  after append 1696  cap = 2304

在老 slice 容量小于1024的时候,新 slice 的容量的确是老 slice 的2倍。目前还算正确。

但是,当老 slice 容量大于等于 1024 的时候,情况就有变化了。当向 slice 中添加元素 1280 的时候,老 slice 的容量为 1280,之后变成了 1696,两者并不是 1.25 倍的关系(1696/1280=1.325)。添加完 1696 后,新的容量 2304 当然也不是 1696 的 1.25 倍。

可见,现在网上各种文章中的扩容策略并不正确。我们直接搬出源码:源码面前,了无秘密。

从前面汇编代码我们也看到了,向 slice 追加元素的时候,若容量不够,会调用 growslice 函数,所以我们直接看它的代码。

// go 1.9.5 src/runtime/slice.go:82
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 newcap < cap {
                newcap += newcap / 4
            }
        }
    }
    // ……

    capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
    newcap = int(capmem / ptrSize)
}

看到了吗?如果只看前半部分,现在网上各种文章里说的 newcap 的规律是对的。现实是,后半部分还对 newcap 作了一个内存对齐,这个和内存分配策略相关。进行内存对齐之后,新 slice 的容量是要 大于等于 老 slice 容量的 2倍或者1.25倍。

之后,向 Go 内存管理器申请内存,将老 slice 中的数据复制过去,并且将 append 的元素添加到新的底层数组中。

最后,向 growslice 函数调用者返回一个新的 slice,这个 slice 的长度并没有变化,而容量却增大了。

关于 append,我们最后来看一个例子,来源于参考资料部分的【Golang Slice的扩容规则】。

package main

import "fmt"

func main() {
    s := []int{1,2}
    s = append(s,4,5,6)
    fmt.Printf("len=%d, cap=%d",len(s),cap(s))
}

运行结果是:

len=5, cap=6

如果按网上各种文章中总结的那样:小于原 slice 长度小于 1024 的时候,容量每次增加 1 倍。添加元素 4 的时候,容量变为4;添加元素 5 的时候不变;添加元素 6 的时候容量增加 1 倍,变成 8。

那上面代码的运行结果就是:

len=5, cap=8

这是错误的!我们来仔细看看,为什么会这样,再次搬出代码:

// go 1.9.5 src/runtime/slice.go:82
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
    // ……
    newcap := old.cap
    doublecap := newcap + newcap
    if cap > doublecap {
        newcap = cap
    } else {
        // ……
    }
    // ……

    capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
    newcap = int(capmem / ptrSize)
}

这个函数的参数依次是 元素的类型,老的 slice,新 slice 最小求的容量。

例子中 s 原来只有 2 个元素,len 和 cap 都为 2,append 了三个元素后,长度变为 3,容量最小要变成 5,即调用 growslice 函数时,传入的第三个参数应该为 5。即 cap=5。而一方面,doublecap 是原 slice容量的 2 倍,等于 4。满足第一个 if 条件,所以 newcap 变成了 5。

接着调用了 roundupsize 函数,传入 40。(代码中ptrSize是指一个指针的大小,在64位机上是8)

我们再看内存对齐,搬出 roundupsize 函数的代码:

// src/runtime/msize.go:13
func roundupsize(size uintptr) uintptr {
    if size < _MaxSmallSize {
        if size <= smallSizeMax-8 {
            return uintptr(class_to_size[size_to_class8[(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv]])
        } else {
            //……
        }
    }
    //……
}

const _MaxSmallSize = 32768
const smallSizeMax = 1024
const smallSizeDiv = 8

很明显,我们最终将返回这个式子的结果:

class_to_size[size_to_class8[(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv]]

这是 Go 源码中有关内存分配的两个 slice。class_to_size通过 spanClass获取 span划分的 object大小。而 size_to_class8 表示通过 size 获取它的 spanClass。

var size_to_class8 = [smallSizeMax/smallSizeDiv + 1]uint8{0, 1, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 5, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 12, 12, 13, 13, 14, 14, 15, 15, 16, 16, 17, 17, 18, 18, 18, 18, 19, 19, 19, 19, 20, 20, 20, 20, 21, 21, 21, 21, 22, 22, 22, 22, 23, 23, 23, 23, 24, 24, 24, 24, 25, 25, 25, 25, 26, 26, 26, 26, 26, 26, 26, 26, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31}

var class_to_size = [_NumSizeClasses]uint16{0, 8, 16, 32, 48, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160, 176, 192, 208, 224, 240, 256, 288, 320, 352, 384, 416, 448, 480, 512, 576, 640, 704, 768, 896, 1024, 1152, 1280, 1408, 1536, 1792, 2048, 2304, 2688, 3072, 3200, 3456, 4096, 4864, 5376, 6144, 6528, 6784, 6912, 8192, 9472, 9728, 10240, 10880, 12288, 13568, 14336, 16384, 18432, 19072, 20480, 21760, 24576, 27264, 28672, 32768}

我们传进去的 size 等于 40。所以 (size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv = 5;获取 size_to_class8 数组中索引为 5 的元素为 4;获取 class_to_size 中索引为 4 的元素为 48。

最终,新的 slice 的容量为 6:

newcap = int(capmem / ptrSize) // 6

至于,上面的两个魔法数组的由来,暂时就不展开了。

为什么 nil slice 可以直接 append

其实 nil slice 或者 empty slice 都是可以通过调用 append 函数来获得底层数组的扩容。最终都是调用 mallocgc 来向 Go 的内存管理器申请到一块内存,然后再赋给原来的nil slice 或 empty slice,然后摇身一变,成为“真正”的 slice 了。

传 slice 和 slice 指针有什么区别

前面我们说到,slice 其实是一个结构体,包含了三个成员:len, cap, array。分别表示切片长度,容量,底层数据的地址。

当 slice 作为函数参数时,就是一个普通的结构体。其实很好理解:若直接传 slice,在调用者看来,实参 slice 并不会被函数中的操作改变;若传的是 slice 的指针,在调用者看来,是会被改变原 slice 的。

值的注意的是,不管传的是 slice 还是 slice 指针,如果改变了 slice 底层数组的数据,会反应到实参 slice 的底层数据。为什么能改变底层数组的数据?很好理解:底层数据在 slice 结构体里是一个指针,仅管 slice 结构体自身不会被改变,也就是说底层数据地址不会被改变。 但是通过指向底层数据的指针,可以改变切片的底层数据,没有问题。

通过 slice 的 array 字段就可以拿到数组的地址。在代码里,是直接通过类似 s[i]=10 这种操作改变 slice 底层数组元素值。

另外,啰嗦一句,Go 语言的函数参数传递,只有值传递,没有引用传递。后面会再写一篇相关的文章,敬请期待。

再来看一个年幼无知的代码片段:

package main

func main() {
    s := []int{1, 1, 1}
    f(s)
    fmt.Println(s)
}

func f(s []int) {
    // i只是一个副本,不能改变s中元素的值
    /*for _, i := range s {
        i++
    }
    */

    for i := range s {
        s[i] += 1
    }
}

运行一下,程序输出:

[2 2 2]

果真改变了原始 slice 的底层数据。这里传递的是一个 slice 的副本,在 f 函数中,s 只是 main 函数中 s 的一个拷贝。在f 函数内部,对 s 的作用并不会改变外层 main 函数的 s。

要想真的改变外层 slice,只有将返回的新的 slice 赋值到原始 slice,或者向函数传递一个指向 slice 的指针。我们再来看一个例子:

package main

import "fmt"

func myAppend(s []int) []int {
    // 这里 s 虽然改变了,但并不会影响外层函数的 s
    s = append(s, 100)
    return s
}

func myAppendPtr(s *[]int) {
    // 会改变外层 s 本身
    *s = append(*s, 100)
    return
}

func main() {
    s := []int{1, 1, 1}
    newS := myAppend(s)

    fmt.Println(s)
    fmt.Println(newS)

    s = newS

    myAppendPtr(&s)
    fmt.Println(s)
}

运行结果:

[1 1 1]
[1 1 1 100]
[1 1 1 100 100]

myAppend 函数里,虽然改变了 s,但它只是一个值传递,并不会影响外层的 s,因此第一行打印出来的结果仍然是 [1 1 1]。

而 newS 是一个新的 slice,它是基于 s 得到的。因此它打印的是追加了一个 100 之后的结果: [1 1 1 100]。

最后,将 newS 赋值给了 s,s 这时才真正变成了一个新的slice。之后,再给 myAppendPtr 函数传入一个 s 指针,这回它真的被改变了:[1 1 1 100 100]。

总结

到此,关于 slice 的部分就讲完了,不知大家有没有看过瘾。我们最后来总结一下:

  • 切片是对底层数组的一个抽象,描述了它的一个片段。
  • 切片实际上是一个结构体,它有三个字段:长度,容量,底层数据的地址。
  • 多个切片可能共享同一个底层数组,这种情况下,对其中一个切片或者底层数组的更改,会影响到其他切片。
  • append 函数会在切片容量不够的情况下,调用 growslice 函数获取所需要的内存,这称为扩容,扩容会改变元素原来的位置。
  • 扩容策略并不是简单的扩为原切片容量的 2 倍或 1.25 倍,还有内存对齐的操作。扩容后的容量 >= 原容量的 2 倍或 1.25 倍。
  • 当直接用切片作为函数参数时,可以改变切片的元素,不能改变切片本身;想要改变切片本身,可以将改变后的切片返回,函数调用者接收改变后的切片或者将切片指针作为函数参数。

参考资料

【码洞《深度解析 Go 语言中「切片」的三种特殊状态》】https://juejin.im/post/5bea58df6fb9a049f153bca8
【老钱 数组】https://juejin.im/post/5be53bc251882516c15af2e0
【老钱 切片】https://juejin.im/post/5be8e0b1f265da614d08b45a
【golang interface源码】https://i6448038.github.io/2018/10/01/Golang-interface/
【golang interface源码】http://legendtkl.com/2017/07/01/golang-interface-implement/
【interface】https://www.jishuwen.com/d/2C9z#tuit
【雨痕开源Go学习笔记】https://github.com/qyuhen/book
【slice 图很漂亮】https://halfrost.com/go_slice/
【Golang Slice的扩容规则】https://jodezer.github.io/2017/05/golangSlice%E7%9A%84%E6%89%A9%E5%AE%B9%E8%A7%84%E5%88%99
【slice作为参数】https://www.cnblogs.com/fwdqxl/p/9317769.html
【源码】https://ictar.xyz/2018/10/25/%E6%B7%B1%E5%85%A5%E6%B5%85%E5%87%BA-go-slice/
【append机制 译文】https://brantou.github.io/2017/05/24/go-array-slice-string/
【slice 汇编】http://xargin.com/go-slice/
【slice tricks】https://colobu.com/2017/03/22/Slice-Tricks/
【有图】https://i6448038.github.io/2018/08/11/array-and-slice-principle/
【slice的本质】https://www.flysnow.org/2018/12/21/golang-sliceheader.html
【slice使用技巧】https://blog.thinkeridea.com/201901/go/slice_de_yi_xie_shi_yong_ji_qiao.html
【slice/array、内存增长】https://blog.thinkeridea.com/201901/go/shen_ru_pou_xi_slice_he_array.html


  Reprint please specify: KYLE LIU 【转】深度解密Go语言之Slice

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