浅谈golang slice 切片原理

slice介绍

数组的长度在定义之后无法再次修改；数组是值类型，每次传递都将产生一份副本。显然这种数据结构无法完全满足开发者的真实需求。在初始定义数组时，我们并不知道需要多大的数组，因此我们就需要“动态数组”。在Go里面这种数据结构叫slice，slice并不是真正意义上的动态数组，而是一个引用类型。slice总是指向一个底层array，slice的声明也可以像array一样，只是不需要长度，它是可变长的，可以随时往slice里面加数据。

初看起来，数组切片就像一个指向数组的指针，实际上它拥有自己的数据结构，而不仅仅是个指针。数组切片的数据结构可以抽象为以下3个变量：

1．一个指向原生数组的指针（point）：指向数组中slice指定的开始位置；
2．数组切片中的元素个数（len）：即slice的长度；
3．数组切片已分配的存储空间（cap）：也就是slice开始位置到数组的最后位置的长度。

从底层实现的角度来看，数组切片实际上仍然使用数组来管理元素，基于数组，数组切片添加了一系列管理功能，可以随时动态扩充存放空间，并且可以被随意传递而不会导致所管理的元素被重复复制。

slice声明

声明slice时方括号[]内没有任何数据
声明一个元素类型为int的slice
var mySlice []int    声明两个元素类型为byte的slice   

golang 中的 slice 非常强大，让数组操作非常方便高效。在开发中不定长度表示的数组全部都是 slice 。但是很多同学对 slice 的模糊认识，造成认为golang中的数组是引用类型，结果就是在实际开发中碰到很多坑，以至于出现一些莫名奇妙的问题，数组中的数据丢失了。

下面我们就开始详细理解下 slice ，理解后会对开发出高效的程序非常有帮助。

这个是 slice 的数据结构，它很简单，一个指向真实 array 地址的指针 ptr ，slice 的长度 len 和容量 cap 。

其中 len 和 cap 就是我们在调用 len(slice) 和 cap(slice) 返回的值。

我们来按照 slice 的数据结构定义来解析出 ptr, len, cap

// 按照上图定义的数据结构
type Slice struct {
  ptr  unsafe.Pointer    // Array pointer
  len  int        // slice length
  cap   int        // slice capacity
}

下面写一个完整的程序，尝试把golang中slice的内存区域转换成我们定义的 Slice 进行解析

package main

import (
  "fmt"
  "unsafe"
)

// 按照上图定义的数据结构
type Slice struct {
  ptr unsafe.Pointer // Array pointer
  len int      // slice length
  cap int      // slice capacity
}

// 因为需要指针计算，所以需要获取int的长度
// 32位 int length = 4
// 64位 int length = 8
var intLen = int(unsafe.Sizeof(int(0)))

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

  // 利用指针读取 slice memory 的数据
  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转换成自定义的 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

  // 转成数组输出
  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))
}

运行一下查看结果

$ 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内容，和自定义的 Slice 的值，还有按照 slice 中的指针指向的内存，就是实际 Array 数据。当修改了 slice 中的len， len(s) 也变了。

接下来结合几个例子，了解下slice一些用法

声明一个Array通常使用 make ，可以传入2个参数，也可传入3个参数，第一个是数据类型，第二个是 len ，第三个是 cap 。如果不穿入第三个参数，则 cap=len ，append 可以用来向数组末尾追加数据。

这是一个 append 的测试

// 每次cap改变，指向array的ptr就会变化一次
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)

运行结果

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]

看出来了吧，每次cap改变的时候指向array内存的指针都在变化。当在使用 append 的时候，如果 cap==len 了这个时候就会新开辟一块更大内存，然后把之前的数据复制过去。

实际go在append的时候放大cap是有规律的。在 cap 小于1024的情况下是每次扩大到 2 * cap ，当大于1024之后就每次扩大到 1.25 * cap 。所以上面的测试中cap变化是 1, 2, 4, 8

在实际使用中，我们最好事先预期好一个cap，这样在使用append的时候可以避免反复重新分配内存复制之前的数据，减少不必要的性能消耗。

创建切片

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)

运行结果

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

在一个切片基础上创建新的切片 s1 ，新切片的 ptr 指向的就是 s1[0] 数据的内存地址。可以看到指针地址 0xc820012210 与 0xc820012218 相差 8byte 正好是一个int类型长度，cap也相应的变为4

就写到这里了，总结一下，切片的结构是指向数据的指针，长度和容量。复制切片，或者在切片上创建新切片，切片中的指针都指向相同的数据内存区域。

知道了切片原理就可以在开发中避免出现错误了，希望这篇博客可以给大家带来帮助。也希望大家多多支持小牛知识库。