数组和切片有什么异同
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。
数组就是一片连续的内存, slice 实际上是一个结构体,包含三个字段:长度、容量、底层数组。 即动态数组,其长度并不固定,我们可以向切片中追加元素,它会在容量不足时自动扩容。
// runtime/slice.go
type slice struct {
array unsafe.Pointer // 元素指针
len int // 长度
cap int // 容量
}
复制代码
slice 的数据结构如下:
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。
案例
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)
}
复制代码
结果:
[2 3 20]
[4 5 6 7 100 200]
[0 1 2 3 20 5 6 7 100 9]
复制代码
s1
从 slice
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。s2
从 s1
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)
复制代码
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,slice
和 s1
都可以看得到。
再次向 s2
追加元素200:
s2 = append(s2, 100)
复制代码
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
复制代码
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。
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。
拷贝切片
当我们使用 copy(a, b)
的形式对切片进行拷贝时,无论是编译期间拷贝还是运行时拷贝,都会通过 runtime.memmove
将整块内存的内容拷贝到目标的内存区域中。
相比于依次拷贝元素,runtime.memmove
能够提供更好的性能。需要注意的是,整块拷贝内存仍然会占用非常多的资源,在大切片上执行拷贝操作时一定要注意对性能的影响。
切片的容量是怎样增长的
一般都是在向 slice 追加了元素之后,才会引起扩容。追加元素调用的是 append
函数。
先来看看 append
函数的原型:
func append(slice []Type, elems ...Type) []Type
复制代码
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...)
复制代码
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...)
复制代码
所以上面的用法是错的,不能编译通过。 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。 新 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。
上面的规律是错误的
向 slice 追加元素的时候,若容量不够,会调用 growslice 函数:
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)
}
复制代码
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。
【引申1】
package main
import "fmt"
func main() {
s := []int{5}
s = append(s, 7)
s = append(s, 9)
x := append(s, 11)
y := append(s, 12)
fmt.Println(s, x, y)
}
复制代码
代码 | 切片对应状态 |
---|---|
s := []int{5} | s 只有一个元素,[5] |
s = append(s, 7) | s 扩容,容量变为2,[5, 7] |
s = append(s, 9) | s 扩容,容量变为4,[5, 7, 9] 。注意,这时 s 长度是3,只有3个元素 |
x := append(s, 11) | 由于 s 的底层数组仍然有空间,因此并不会扩容。这样,底层数组就变成了 [5, 7, 9, 11] 。注意,此时 s = [5, 7, 9] ,容量为4;x = [5, 7, 9, 11] ,容量为4。这里 s 不变 |
y := append(s, 12) | 这里还是在 s 元素的尾部追加元素,由于 s 的长度为3,容量为4,所以直接在底层数组索引为3的地方填上12。结果:s = [5, 7, 9] ,y = [5, 7, 9, 12] ,x = [5, 7, 9, 12] ,x,y 的长度均为4,容量也均为4 |
所以最后程序的执行结果是:
[5 7 9] [5 7 9 12] [5 7 9 12]
复制代码
这里要注意的是,append函数执行完后,返回的是一个全新的 slice,并且对传入的 slice 并不影响。
【引申2】
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))
}
复制代码
运行结果是:
len=5, cap=6
复制代码
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
复制代码
这是错误的!我们来仔细看看,为什么会这样,再次搬出代码:
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) * sys.PtrSize)
newcap = int(capmem / sys.PtrSize)
}
复制代码
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 5,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:
func roundupsize(size uintptr) uintptr {
if size < _MaxSmallSize {
if size <= smallSizeMax-8 {
return uintptr(class_to_size[size_to_class8[divRoundUp(size, smallSizeDiv)]])
} else {
return uintptr(class_to_size[size_to_class128[divRoundUp(size-smallSizeMax, largeSizeDiv)]])
}
}
if size+_PageSize < size {
return size
}
return alignUp(size, _PageSize)
}
const _MaxSmallSize = 32768
const smallSizeMax = 1024
const smallSizeDiv = 8
复制代码
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]]
复制代码
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}
复制代码
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
复制代码
【引申3】
向一个nil的slice添加元素会发生什么?为什么?
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。