Golang 中的 slice 详解_golang slice

一、数组和切片（slice）的区别

1、go 中的数组

  数组是存放在连续内存空间上的相同类型数据的集合。查询简单，增加和删除困难。

  数组可以通过下标快速访问数组元素。但是因为数组在内存空间的地址是连续的，所以我们在删除或者增添元素的时候，就难免要移动其他元素的地址。数组的元素是不能删的，只能覆盖。

  举一个字符数组的例子，如图所示：

需要两点注意的是：

• 数组下标都是从0开始的。
• 数组内存空间的地址是连续的。

  例如删除下标为3的元素，需要对下标为3的元素后面的所有元素做移动操作，如图所示：

func main() {
	// 数组的地址可以通过数组名来获取
	// 数组的第一个元素的地址就是数组的地址
	// 数组的各个元素的间隔是依据数组的类型决定的，比如int64间隔8个，int32间隔4个
	// 输出的地址是16进制
	intArr := [3]int{1, 2, 3}
	fmt.Printf("intArr的地址=%p\n", &intArr)
	fmt.Printf("intArr[0]地址=%p\n", &intArr[0])
	fmt.Printf("intArr[1]地址=%p\n", &intArr[1])
	fmt.Printf("intArr[2]地址=%p\n", &intArr[2])
}
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二维数组

那么二维数组在内存的空间地址是连续的么？

func twoArray() {
	intArr := [2][3]int{{1, 2, 3}, {4, 5, 6}}
	fmt.Printf("intArr的地址=%p\n", &intArr)
	fmt.Printf("intArr[0]地址=%p\n", &intArr[0])
	fmt.Printf("intArr[0][0]地址=%p\n", &intArr[0][0])
	fmt.Printf("intArr[0][1]地址=%p\n", &intArr[0][1])
	fmt.Printf("intArr[0][2]地址=%p\n", &intArr[0][2])
	fmt.Printf("intArr[1]地址=%p\n", &intArr[1])
	fmt.Printf("intArr[1][0]地址=%p\n", &intArr[1][0])
	fmt.Printf("intArr[1][1]地址=%p\n", &intArr[1][1])
	fmt.Printf("intArr[1][2]地址=%p\n", &intArr[1][2])
}
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  注意地址为16进制，可以看出二维数组在内存的空间地址是连续的。

  简单介绍一下内存地址， 0xc0000c8030 与 0xc0000c8038 相差 8，就是 8 个字节，因为这是一个 int 型的数组（64位系统默认是 int64），所以两个相邻数组元素地址差 8 个字节。0xc0000c8038 与 0xc0000c8040 也是差了 8 个字节，在16进制里 8 + 8 = 0 ，0 就是16。

2、go 中的切片（slice）

  Go语言中，数组在传递的时候，传递的是原数组的拷贝，对大数组来说，内存代价会非常大，影响性能。

  传递数组指针可以解决这个问题，但是数组指针也有一个弊端：原数组的指针指向改变了，那函数里面的指针指向也会跟着改变，某些情况下，可能会产生意想不到的bug。slice的出现，便是为了解决这个问题。

  上图中，ptr 是指向底层数组的指针，len 是指slice 的长度，cap 是指 slice 的容量。

  slice 是对数组的封装，是对数组中一个连续片段的引用，是一个引用类型。slice 本身并不是动态数组或者数组指针，它的内部实现是通过指针引用底层数组，设置相关的属性，将数据的读写操作限定在指定的区域内，修改的是底层数组，而不是slice本身。

3、数组和切片的区别

• 相同点：

（1）都是只能存储一组相同类型的数据结构；
（2）下标都是从0开始的，可以通过下标来访问单个元素；
（3）有容量、长度，长度通过 len 获取，容量通过 cap 获取。

• 不同点：

（1）数组是定长的，长度定义好之后，不能再更改，长度是类型的一部分，访问和复制不能超过数组定义的长度，否则就会下标越界。切片长度和容量可以自动扩容，切片的类型和长度无关。

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。

（2）数组是值类型，切片是引用类型，每个切片都引用了一个底层数组，切片本身不能存储任何数据，都是底层数组存储数据，修改切片的时候修改的是底层数组中的数据，切片一旦扩容，会指向一个新的底层数组，内存地址也就随之改变。

二、切片（slice）的底层实现

   源码位于 src\runtime\slice.go 中。
  golang 中 slice 实际上是一个结构体，包含三个字段：长度、容量、底层数组。

type slice struct {
	array unsafe.Pointer // 指向底层数组的指针
	len   int // 长度 
	cap   int // 容量
}
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  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。

看个经典的例子：

package main
import "fmt"
func main() {
	slice := []int{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
	s1 := slice[2:5]
	fmt.Println(s1) // [2 3 4]
	s2 := s1[2:6:7] // 长度 2:6，容量 2:7
	fmt.Println(s2) // [4 5 6 7]
	s2 = append(s2, 100)
	s2 = append(s2, 200)
	s1[2] = 20
	fmt.Println(s1)    // [2 3 20]
	fmt.Println(s2)    // [4 5 6 7 100 200]
	fmt.Println(slice) // [0 1 2 3 20 5 6 7 100 9]
}
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  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 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，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。这一改动，不会影响数组和 s1 。

  最后，修改 s1 索引为2位置的元素，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。

  当 slice 作为函数参数时，是值传递，函数内部对 slice 的作用并不会改变外层的 slice ，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。slice 结构体自身不会被改变，指针指向的底层数组的地址也不会被改变，改变的是数组中的数据。

package main
func main() {
    s := []int{1, 1, 1}
    f(s)
    fmt.Println(s) // [2 2 2]
}
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
    }
}
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三、切片（slice）的扩容

  slice可以理解为动态数组，既然是动态数组，那必然需要进行扩容。

1、触发扩容的时机

  向 slice 追加元素，如果底层数组的容量不够（即便底层数组并未填满），就会触发扩容。追加元素调用的是 append 函数。

2、扩容规则

Go <= 1.17

  1、首先判断，如果新申请容量（cap）大于2倍的旧容量（old.cap），最终容量（newcap）就是新申请的容量（cap）。

  2、否则判断，如果旧切片的长度小于1024，则最终容量（newcap）就是旧容量（old.cap）的 2 倍。

  3、否则判断，如果旧切片长度大于等于1024，则最终容量（newcap）就是旧容量（old.cap）按照 1.25 倍循环递增，也就是每次加上 cap / 4。

  4、如果最终容量（cap）计算值溢出，则最终容量（cap）就是新申请容量（cap）。

Go1.18之后

  引入了新的扩容规则，首先 1024 的边界不复存在，取而代之的常量是 256 。超出256的情况，也不是直接扩容25%，而是设计了一个平滑过渡的计算方法，随着容量增大，扩容比例逐渐从100%平滑降低到25%，从 2 倍平滑过渡到 1.25 倍。

为什么要这样设计？

  避免追加过程中频繁扩容，减少内存分配和数据复制开销，有助于性能提升。

3、内存对齐

  计算出了新容量之后，还没有完，出于内存的高效利用考虑，还要进行内存对齐。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。

4、完整过程

  向 slice 追加元素的时候，若容量不够，会触发扩容，会调用 growslice() 函数。首先，根据扩容规则，计算出新的容量，然后进行内存对齐，之后，向 Go 内存管理器申请内存，将老 slice 中的数据整个复制过去，并且将追加的元素添加到新的底层数组中。

四、切片（slice）的拷贝

1、浅拷贝

  浅拷贝，拷贝的是地址，浅拷贝只复制了指向底层数据结构的指针，而不是复制整个底层数据结构，修改修改新对象的值会影响原对象值。对于引用类型，如切片和字典等都是浅拷贝。

slice2 := slice1

arr := []int{1, 2, 3}
copyArr := arr // 浅拷贝
copyArr[0] = 100 // 修改变量
fmt.Println(arr) // [100 2 3]，原始变量的值也随之改变
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  slice1和slice2指向的都是同一个底层数组，任何一个数组元素被改变，都可能会影响两个slice。在slice触发扩容操作前，slice1和slice2指向的都是相同数组，但在触发扩容操作后，二者指向的就不一定是相同的底层数组了。

在Go中，切片和字典类型默认都是以引用方式传递，所以默认情况下进行的是浅拷贝，如果需要进行深拷贝，则需要自己实现。对于值类型（如基本数据类型和结构体），都是以值拷贝的方式进行的，即进行深拷贝。

2、深拷贝

  深拷贝，拷贝的是数据本身，完全复制了底层数据结构，而不是复制指向底层数据结构的指针，会创建一个新对象，新对象和原对象不共享内存，它们是完全独立的，修改新对象的值不会影响原对象值，内存地址不同，释放内存地址时，可以分别释放。

copy(slice2, slice1)  

src := []int{1, 2, 3, 4, 5}
dst := make([]int, len(src), cap(src))
copy(dst, src) // 深拷贝
dst[0] = 100 // 修改变量
fmt.Println(src) // [1 2 3 4 5]
fmt.Println(dst) // [100 2 3 4 5]

short := make([]int, 3, 3)
copy(short, src)   // 深拷贝
fmt.Println(short) // [1 2 3]

long := make([]int, 10, 10)
copy(long, src)   // 深拷贝
fmt.Println(long) // [1 2 3 4 5 0 0 0 0 0]
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  把 slice1 的数据复制到 slice2 中，修改 slice2 的数据，不会影响到 slice1 。如果 slice2 的长度和容量小于 slice1 的，那么只会复制 slice2 长度的数据。