Golang切片和数组底层详解

阳光穿透心脏的1/2处 2022-05-28 07:05 213阅读 0赞

切片是 Go 中的一种基本的数据结构，使用这种结构可以用来管理数据集合。切片的设计想法是由动态数组概念而来，为了开发者可以更加方便的使一个数据结构可以自动增加和减少。但是切片本身并不是动态数据或者数组指针。切片常见的操作有 reslice、append、copy。与此同时，切片还具有可索引，可迭代的优秀特性。

## 一. 切片和数组 ##

![700][]

关于切片和数组怎么选择？接下来好好讨论讨论这个问题。

在 Go 中，与 C 数组变量隐式作为指针使用不同，Go 数组是值类型，赋值和函数传参操作都会复制整个数组数据。

func main() {
        arrayA := [2]int{
       100, 200}
        var arrayB [2]int
    
        arrayB = arrayA
    
        fmt.Printf("arrayA : %p , %v\n", &arrayA, arrayA)
        fmt.Printf("arrayB : %p , %v\n", &arrayB, arrayB)
    
        testArray(arrayA)
    }
    
    func testArray(x [2]int) {
        fmt.Printf("func Array : %p , %v\n", &x, x)
    }

打印结果：

arrayA : 0xc4200bebf0 , [100 200]
    arrayB : 0xc4200bec00 , [100 200]
    func Array : 0xc4200bec30 , [100 200]

可以看到，三个内存地址都不同，这也就验证了 Go 中数组赋值和函数传参都是值复制的。那这会导致什么问题呢？

假想每次传参都用数组，那么每次数组都要被复制一遍。如果数组大小有 100万，在64位机器上就需要花费大约 800W 字节，即 8MB 内存。这样会消耗掉大量的内存。于是乎有人想到，函数传参用数组的指针。

func main() {
        arrayA := [2]int{
       100, 200}
        testArrayPoint(&arrayA)   // 1.传数组指针
        arrayB := arrayA[:]
        testArrayPoint(&arrayB)   // 2.传切片
        fmt.Printf("arrayA : %p , %v\n", &arrayA, arrayA)
    }
    
    func testArrayPoint(x *[]int) {
        fmt.Printf("func Array : %p , %v\n", x, *x)
        (*x)[1] += 100
    }

打印结果：

func Array : 0xc4200b0140 , [100 200]
    func Array : 0xc4200b0180 , [100 300]
    arrayA : 0xc4200b0140 , [100 400]

这也就证明了数组指针确实到达了我们想要的效果。现在就算是传入10亿的数组，也只需要再栈上分配一个8个字节的内存给指针就可以了。这样更加高效的利用内存，性能也比之前的好。

不过传指针会有一个弊端，从打印结果可以看到，第一行和第三行指针地址都是同一个，万一原数组的指针指向更改了，那么函数里面的指针指向都会跟着更改。

切片的优势也就表现出来了。用切片传数组参数，既可以达到节约内存的目的，也可以达到合理处理好共享内存的问题。打印结果第二行就是切片，切片的指针和原来数组的指针是不同的。

由此我们可以得出结论：

把第一个大数组传递给函数会消耗很多内存，采用切片的方式传参可以避免上述问题。切片是引用传递，所以它们不需要使用额外的内存并且比使用数组更有效率。

但是，依旧有反例。

package main
    
    import "testing"
    
    func array() [1024]int {
        var x [1024]int
        for i := 0; i < len(x); i++ {
            x[i] = i
        }
        return x
    }
    
    func slice() []int {
        x := make([]int, 1024)
        for i := 0; i < len(x); i++ {
            x[i] = i
        }
        return x
    }
    
    func BenchmarkArray(b *testing.B) {
        for i := 0; i < b.N; i++ {
            array()
        }
    }
    
    func BenchmarkSlice(b *testing.B) {
        for i := 0; i < b.N; i++ {
            slice()
        }
    }

我们做一次性能测试，并且禁用内联和优化，来观察切片的堆上内存分配的情况。

go test -bench . -benchmem -gcflags "-N -l"

输出结果比较“令人意外”：

BenchmarkArray-4          500000              3637 ns/op               0 B/op          0 alloc s/op
    BenchmarkSlice-4          300000              4055 ns/op            8192 B/op          1 alloc s/op

解释一下上述结果，在测试 Array 的时候，用的是4核，循环次数是500000，平均每次执行时间是3637 ns，每次执行堆上分配内存总量是0，分配次数也是0 。

而切片的结果就“差”一点，同样也是用的是4核，循环次数是300000，平均每次执行时间是4055 ns，但是每次执行一次，堆上分配内存总量是8192，分配次数也是1 。

这样对比看来，并非所有时候都适合用切片代替数组，因为切片底层数组可能会在堆上分配内存，而且小数组在栈上拷贝的消耗也未必比  
make 消耗大。

## 二. 切片的数据结构 ##

切片本身并不是动态数组或者数组指针。它内部实现的数据结构通过指针引用底层数组，设定相关属性将数据读写操作限定在指定的区域内。**切片本身是一个只读对象，其工作机制类似数组指针的一种封装**。

切片（slice）是对数组一个连续片段的引用，所以切片是一个引用类型（因此更类似于 C/C++ 中的数组类型，或者 Python 中的 list 类型）。这个片段可以是整个数组，或者是由起始和终止索引标识的一些项的子集。需要注意的是，终止索引标识的项不包括在切片内。切片提供了一个与指向数组的动态窗口。

给定项的切片索引可能比相关数组的相同元素的索引小。和数组不同的是，切片的长度可以在运行时修改，最小为 0 最大为相关数组的长度：切片是一个长度可变的数组。

Slice 的数据结构定义如下:

type slice struct {
        array unsafe.Pointer
        len   int
        cap   int
    }

![700 1][]切片的结构体由3部分构成，Pointer 是指向一个数组的指针，len 代表当前切片的长度，cap 是当前切片的容量。cap 总是大于等于 len 的。

![700 2][]

如果想从 slice 中得到一块内存地址，可以这样做：

s := make([]byte, 200)
    ptr := unsafe.Pointer(&s[0])

如果反过来呢？从 Go 的内存地址中构造一个 slice。

var ptr unsafe.Pointer
    var s1 = struct {
        addr uintptr
        len int
        cap int
    }{ptr, length, length}
    s := *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s1))

构造一个虚拟的结构体，把 slice 的数据结构拼出来。

当然还有更加直接的方法，在 Go 的反射中就存在一个与之对应的数据结构 SliceHeader，我们可以用它来构造一个 slice

var o []byte
    sliceHeader := (*reflect.SliceHeader)((unsafe.Pointer(&o)))
    sliceHeader.Cap = length
    sliceHeader.Len = length
    sliceHeader.Data = uintptr(ptr)

## 三. 创建切片 ##

make 函数允许在运行期动态指定数组长度，绕开了数组类型必须使用编译期常量的限制。

创建切片有两种形式，make 创建切片，空切片。

### 1. make 和切片字面量 ###

func makeslice(et *_type, len, cap int) slice {
        // 根据切片的数据类型，获取切片的最大容量
        maxElements := maxSliceCap(et.size)
        // 比较切片的长度，长度值域应该在[0,maxElements]之间
        if len < 0 || uintptr(len) > maxElements {
            panic(errorString("makeslice: len out of range"))
        }
        // 比较切片的容量，容量值域应该在[len,maxElements]之间
        if cap < len || uintptr(cap) > maxElements {
            panic(errorString("makeslice: cap out of range"))
        }
        // 根据切片的容量申请内存
        p := mallocgc(et.size*uintptr(cap), et, true)
        // 返回申请好内存的切片的首地址
        return slice{p, len, cap}
    }

还有一个 int64 的版本：

func makeslice64(et *_type, len64, cap64 int64) slice {
        len := int(len64)
        if int64(len) != len64 {
            panic(errorString("makeslice: len out of range"))
        }
    
        cap := int(cap64)
        if int64(cap) != cap64 {
            panic(errorString("makeslice: cap out of range"))
        }
    
        return makeslice(et, len, cap)
    }

实现原理和上面的是一样的，只不过多了把 int64 转换成 int 这一步罢了。

![700 3][]

上图是用 make 函数创建的一个 len = 4， cap = 6 的切片。内存空间申请了6个 int 类型的内存大小。由于 len = 4，所以后面2个暂时访问不到，但是容量还是在的。这时候数组里面每个变量都是0 。

除了 make 函数可以创建切片以外，字面量也可以创建切片。

![700 4][]

这里是用字面量创建的一个 len = 6，cap = 6 的切片，这时候数组里面每个元素的值都初始化完成了。**需要注意的是 \[ \] 里面不要写数组的容量，因为如果写了个数以后就是数组了，而不是切片了。**

![700 5][]

还有一种简单的字面量创建切片的方法。如上图。上图就 Slice A 创建出了一个 len = 3，cap = 3 的切片。从原数组的第二位元素(0是第一位)开始切，一直切到第四位为止(不包括第五位)。同理，Slice B 创建出了一个 len = 2，cap = 4 的切片。

### 2. nil 和空切片 ###

nil 切片和空切片也是常用的。

var slice []int

![700 6][]nil 切片被用在很多标准库和内置函数中，描述一个不存在的切片的时候，就需要用到 nil 切片。比如函数在发生异常的时候，返回的切片就是 nil 切片。nil 切片的指针指向 nil。

空切片一般会用来表示一个空的集合。比如数据库查询，一条结果也没有查到，那么就可以返回一个空切片。

silce := make( []int , 0 )
    slice := []int{ }

![700 7][]空切片和 nil 切片的区别在于，空切片指向的地址不是nil，指向的是一个内存地址，但是它没有分配任何内存空间，即底层元素包含0个元素。

最后需要说明的一点是。不管是使用 nil 切片还是空切片，对其调用内置函数 append，len 和 cap 的效果都是一样的。

## 四. 切片扩容 ##

当一个切片的容量满了，就需要扩容了。怎么扩，策略是什么？

func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
        if raceenabled {
            callerpc := getcallerpc(unsafe.Pointer(&et))
            racereadrangepc(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)), callerpc, funcPC(growslice))
        }
        if msanenabled {
            msanread(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)))
        }
    
        if et.size == 0 {
            // 如果新要扩容的容量比原来的容量还要小，这代表要缩容了，那么可以直接报panic了。
            if cap < old.cap {
                panic(errorString("growslice: cap out of range"))
            }
    
            // 如果当前切片的大小为0，还调用了扩容方法，那么就新生成一个新的容量的切片返回。
            return slice{unsafe.Pointer(&zerobase), old.len, cap}
        }
    
      // 这里就是扩容的策略
        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
                }
            }
        }
    
        // 计算新的切片的容量，长度。
        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))
            newcap = int(capmem)
        case ptrSize:
            lenmem = uintptr(old.len) * ptrSize
            newlenmem = uintptr(cap) * ptrSize
            capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
            newcap = int(capmem / ptrSize)
        default:
            lenmem = uintptr(old.len) * et.size
            newlenmem = uintptr(cap) * et.size
            capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * et.size)
            newcap = int(capmem / et.size)
        }
    
        // 判断非法的值，保证容量是在增加，并且容量不超过最大容量
        if cap < old.cap || uintptr(newcap) > maxSliceCap(et.size) {
            panic(errorString("growslice: cap out of range"))
        }
    
        var p unsafe.Pointer
        if et.kind&kindNoPointers != 0 {
            // 在老的切片后面继续扩充容量
            p = mallocgc(capmem, nil, false)
            // 将 lenmem 这个多个 bytes 从 old.array地址 拷贝到 p 的地址处
            memmove(p, old.array, lenmem)
            // 先将 P 地址加上新的容量得到新切片容量的地址，然后将新切片容量地址后面的 capmem-newlenmem 个 bytes 这块内存初始化。为之后继续 append() 操作腾出空间。
            memclrNoHeapPointers(add(p, newlenmem), capmem-newlenmem)
        } else {
            // 重新申请新的数组给新切片
            // 重新申请 capmen 这个大的内存地址，并且初始化为0值
            p = mallocgc(capmem, et, true)
            if !writeBarrier.enabled {
                // 如果还不能打开写锁，那么只能把 lenmem 大小的 bytes 字节从 old.array 拷贝到 p 的地址处
                memmove(p, old.array, lenmem)
            } else {
                // 循环拷贝老的切片的值
                for i := uintptr(0); i < lenmem; i += et.size {
                    typedmemmove(et, add(p, i), add(old.array, i))
                }
            }
        }
        // 返回最终新切片，容量更新为最新扩容之后的容量
        return slice{p, old.len, newcap}
    }

上述就是扩容的实现。主要需要关注的有两点，一个是扩容时候的策略，还有一个就是扩容是生成全新的内存地址还是在原来的地址后追加。

1. 扩容策略

先看看扩容策略。

func main() {
        slice := []int{
       10, 20, 30, 40}
        newSlice := append(slice, 50)
        fmt.Printf("Before slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", slice, &slice, len(slice), cap(slice))
        fmt.Printf("Before newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice))
        newSlice[1] += 10
        fmt.Printf("After slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", slice, &slice, len(slice), cap(slice))
        fmt.Printf("After newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice))
    }

输出结果：

Before slice = [10 20 30 40], Pointer = 0xc4200b0140, len = 4, cap = 4
    Before newSlice = [10 20 30 40 50], Pointer = 0xc4200b0180, len = 5, cap = 8
    After slice = [10 20 30 40], Pointer = 0xc4200b0140, len = 4, cap = 4
    After newSlice = [10 30 30 40 50], Pointer = 0xc4200b0180, len = 5, cap = 8

用图表示出上述过程。

![700 8][]

从图上我们可以很容易的看出，新的切片和之前的切片已经不同了，因为新的切片更改了一个值，并没有影响到原来的数组，新切片指向的数组是一个全新的数组。并且 cap 容量也发生了变化。这之间究竟发生了什么呢？

Go 中切片扩容的策略是这样的：

如果切片的容量小于 1024 个元素，于是扩容的时候就翻倍增加容量。上面那个例子也验证了这一情况，总容量从原来的4个翻倍到现在的8个。

一旦元素个数超过 1024 个元素，那么增长因子就变成 1.25 ，即每次增加原来容量的四分之一。

**注意：扩容扩大的容量都是针对原来的容量而言的，而不是针对原来数组的长度而言的。**

2. 新数组 or 老数组 ？

再谈谈扩容之后的数组一定是新的么？这个不一定，分两种情况。

情况一：

func main() {
        array := [4]int{
       10, 20, 30, 40}
        slice := array[0:2]
        newSlice := append(slice, 50)
        fmt.Printf("Before slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", slice, &slice, len(slice), cap(slice))
        fmt.Printf("Before newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice))
        newSlice[1] += 10
        fmt.Printf("After slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", slice, &slice, len(slice), cap(slice))
        fmt.Printf("After newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice))
        fmt.Printf("After array = %v\n", array)
    }

打印输出：

Before slice = [10 20], Pointer = 0xc4200c0040, len = 2, cap = 4
    Before newSlice = [10 20 50], Pointer = 0xc4200c0060, len = 3, cap = 4
    After slice = [10 30], Pointer = 0xc4200c0040, len = 2, cap = 4
    After newSlice = [10 30 50], Pointer = 0xc4200c0060, len = 3, cap = 4
    After array = [10 30 50 40]

把上述过程用图表示出来，如下图。

![700 9][]

通过打印的结果，我们可以看到，在这种情况下，扩容以后并没有新建一个新的数组，扩容前后的数组都是同一个，这也就导致了新的切片修改了一个值，也影响到了老的切片了。并且 append() 操作也改变了原来数组里面的值。一个 append() 操作影响了这么多地方，如果原数组上有多个切片，那么这些切片都会被影响！无意间就产生了莫名的 bug！

这种情况，由于原数组还有容量可以扩容，所以执行 append() 操作以后，会在原数组上直接操作，所以这种情况下，扩容以后的数组还是指向原来的数组。

这种情况也极容易出现在字面量创建切片时候，第三个参数 cap 传值的时候，如果用字面量创建切片，cap 并不等于指向数组的总容量，那么这种情况就会发生。

slice := array[1:2:3]

**上面这种情况非常危险，极度容易产生 bug 。**

建议用字面量创建切片的时候，cap 的值一定要保持清醒，避免共享原数组导致的 bug。

情况二：

情况二其实就是在扩容策略里面举的例子，在那个例子中之所以生成了新的切片，是因为原来数组的容量已经达到了最大值，再想扩容， Go 默认会先开一片内存区域，把原来的值拷贝过来，然后再执行 append() 操作。这种情况丝毫不影响原数组。

所以建议尽量避免情况一，尽量使用情况二，避免 bug 产生。

## 五. 切片拷贝 ##

Slice 中拷贝方法有2个。

func slicecopy(to, fm slice, width uintptr) int {
        // 如果源切片或者目标切片有一个长度为0，那么就不需要拷贝，直接 return 
        if fm.len == 0 || to.len == 0 {
            return 0
        }
        // n 记录下源切片或者目标切片较短的那一个的长度
        n := fm.len
        if to.len < n {
            n = to.len
        }
        // 如果入参 width = 0，也不需要拷贝了，返回较短的切片的长度
        if width == 0 {
            return n
        }
        // 如果开启了竞争检测
        if raceenabled {
            callerpc := getcallerpc(unsafe.Pointer(&to))
            pc := funcPC(slicecopy)
            racewriterangepc(to.array, uintptr(n*int(width)), callerpc, pc)
            racereadrangepc(fm.array, uintptr(n*int(width)), callerpc, pc)
        }
        // 如果开启了 The memory sanitizer (msan)
        if msanenabled {
            msanwrite(to.array, uintptr(n*int(width)))
            msanread(fm.array, uintptr(n*int(width)))
        }
    
        size := uintptr(n) * width
        if size == 1 { 
            // TODO: is this still worth it with new memmove impl?
            // 如果只有一个元素，那么指针直接转换即可
            *(*byte)(to.array) = *(*byte)(fm.array) // known to be a byte pointer
        } else {
            // 如果不止一个元素，那么就把 size 个 bytes 从 fm.array 地址开始，拷贝到 to.array 地址之后
            memmove(to.array, fm.array, size)
        }
        return n
    }

在这个方法中，slicecopy 方法会把源切片值(即 fm Slice )中的元素复制到目标切片(即 to Slice )中，并返回被复制的元素个数，copy 的两个类型必须一致。slicecopy 方法最终的复制结果取决于较短的那个切片，当较短的切片复制完成，整个复制过程就全部完成了。

![700 10][]

举个例子，比如：

func main() {
        array := []int{
       10, 20, 30, 40}
        slice := make([]int, 6)
        n := copy(slice, array)
        fmt.Println(n,slice)
    }

还有一个拷贝的方法，这个方法原理和 slicecopy 方法类似，不在赘述了，注释写在代码里面了。

func slicestringcopy(to []byte, fm string) int {
        // 如果源切片或者目标切片有一个长度为0，那么就不需要拷贝，直接 return 
        if len(fm) == 0 || len(to) == 0 {
            return 0
        }
        // n 记录下源切片或者目标切片较短的那一个的长度
        n := len(fm)
        if len(to) < n {
            n = len(to)
        }
        // 如果开启了竞争检测
        if raceenabled {
            callerpc := getcallerpc(unsafe.Pointer(&to))
            pc := funcPC(slicestringcopy)
            racewriterangepc(unsafe.Pointer(&to[0]), uintptr(n), callerpc, pc)
        }
        // 如果开启了 The memory sanitizer (msan)
        if msanenabled {
            msanwrite(unsafe.Pointer(&to[0]), uintptr(n))
        }
        // 拷贝字符串至字节数组
        memmove(unsafe.Pointer(&to[0]), stringStructOf(&fm).str, uintptr(n))
        return n
    }

再举个例子，比如：

func main() {
        slice := make([]byte, 3)
        n := copy(slice, "abcdef")
        fmt.Println(n,slice)
    }

输出：

3 [97,98,99]

说到拷贝，切片中有一个需要注意的问题。

func main() {
        slice := []int{
       10, 20, 30, 40}
        for index, value := range slice {
            fmt.Printf("value = %d , value-addr = %x , slice-addr = %x\n", value, &value, &slice[index])
        }
    }

输出：

value = 10 , value-addr = c4200aedf8 , slice-addr = c4200b0320
    value = 20 , value-addr = c4200aedf8 , slice-addr = c4200b0328
    value = 30 , value-addr = c4200aedf8 , slice-addr = c4200b0330
    value = 40 , value-addr = c4200aedf8 , slice-addr = c4200b0338

从上面结果我们可以看到，如果用 range 的方式去遍历一个切片，拿到的 Value 其实是切片里面的值拷贝。所以每次打印 Value 的地址都不变。

![700 11][]

由于 Value 是值拷贝的，并非引用传递，所以直接改 Value 是达不到更改原切片值的目的的，需要通过 `&slice[index]` 获取真实的地址。

原文地址：https://www.jianshu.com/p/030aba2bff41

[700]: /images/20220528/499060463d174917a903e5be13b6f179.png
[700 1]: /images/20220528/f9d465628cab4361b633f26ff7602151.png
[700 2]: /images/20220528/950d3b82e34a4a1baeb22e9329e03e12.png
[700 3]: /images/20220528/f72f28d9fdde4d2c81f03dc0df49790d.png
[700 4]: /images/20220528/de995143db034885bed21228148b70fe.png
[700 5]: /images/20220528/0963586ceb874520afa11b1f2236d869.png
[700 6]: /images/20220528/08f69f00392949559cc036e4104dbfa5.png
[700 7]: /images/20220528/6ccba36f8a6642a6bb03c14ee21333ae.png
[700 8]: /images/20220528/a0d157f4d23441148e08c9eae6f7a7d6.png
[700 9]: /images/20220528/1623ec492855495a866a680069ce5e2a.png
[700 10]: /images/20220528/904e8ed78c714a73a10a0e37bf7485ee.png
[700 11]: /images/20220528/12036eb729e84d0abb00df2f4ab66e91.png