聊聊Go语言中的数组与切片

1. 数组

数组是一个由固定长度的特定类型元素组成的序列，一个数组可以由零个或多个元素组成。因为数组的长度是固定的，因此在 Go 语言中很少直接使用数组。和数组对应的类型是 Slice（切片），它是可以增长和收缩的动态序列，slice 功能也更灵活。

数组的每个元素可以通过索引下标来访问，索引下标的范围是从 0 开始到数组长度减 1 的位置。内置的 len 函数将返回数组中元素的个数。

var a [3]int             // array of 3 integers
fmt.Println(a[0])        // print the first element
fmt.Println(a[len(a)-1]) // print the last element, a[2]


默认情况下，数组的每个元素都被初始化为元素类型对应的零值，对于数字类型来说就是 0。

var q [3]int = [3]int{1, 2, 3}
var r [3]int = [3]int{1, 2}
fmt.Println(r[2]) // "0"

如果在数组的长度位置出现的是“...”省略号，则表示数组的长度是根据初始化值的个数来计算。因此，上面 q 数组的定义可以简化为：

q := [...]int{1, 2, 3}
fmt.Printf("%T\n", q) // "[3]int"

数组的长度是数组类型的一个组成部分，因此[3]int 和[4]int 是两种不同的数组类型。

数组的长度必须是常量表达式，因为数组的长度需要在编译阶段确定。

q := [3]int{1, 2, 3}
q = [4]int{1, 2, 3, 4} // compile error: cannot assign [4]int to [3]int

如果一个数组的元素类型是可以相互比较的，那么数组类型也是可以相互比较的，这时候我们可以直接通过==比较运算符来比较两个数组，只有当两个数组的所有元素都是相等的时候数组才是相等的。不相等比较运算符!=遵循同样的规则。

a := [2]int{1, 2}
b := [...]int{1, 2}
c := [2]int{1, 3}
fmt.Println(a == b, a == c, b == c) // "true false false"
d := [3]int{1, 2}
fmt.Println(a == d) // compile error: cannot compare [2]int == [3]int


2. 切片（Slice）

Slice（切片）代表变长的序列，序列中每个元素都有相同的类型。一个 slice 类型一般写作[]T，其中 T 代表 slice 中元素的类型；slice 的语法和数组很像，只是没有固定长度而已。

一个 slice 是一个轻量级的数据结构，提供了访问数组子序列（或者全部）元素的功能，而且 slice 的底层确实引用一个数组对象。

一个 slice 由三个部分构成：指针、长度和容量。

• 指针指向第一个 slice 元素对应的底层数组元素的地址，要注意的是 slice 的第一个元素并不一定就是数组的第一个元素。
• 长度对应 slice 中元素的数目；
• 长度不能超过容量，容量一般是从 slice 的开始位置到底层数据的结尾位置。内置的 len 和 cap 函数分别返回 slice 的长度和容量。

表示一年中每个月份名字的字符串数组，还有重叠引用了该数组的两个 slice。数组这样定义：

months := [...]string{1: "January", /* ... */, 12: "December"}

因此一月份是 months[1]，十二月份是 months[12]。

通常，数组的第一个元素从索引 0 开始，但是月份一般是从 1 开始的，因此我们声明数组时直接跳过第 0 个元素，第 0 个元素会被自动初始化为空字符串。

slice 的切片操作 s[i:j]，其中 0 ≤ i≤ j≤ cap(s)，用于创建一个新的 slice，引用 s 的从第 i 个元素开始到第 j-1 个元素的子序列。新的 slice 将只有 j-i 个元素。如果 i 位置的索引被省略的话将使用 0 代替，如果 j 位置的索引被省略的话将使用 len(s)代替。因此，months[1:13]切片操作将引用全部有效的月份，和 months[1:]操作等价；months[:]切片操作则是引用整个数组。让我们分别定义表示第二季度和北方夏天月份的 slice，它们有重叠部分：

Q2 := months[4:7]
summer := months[6:9]
fmt.Println(Q2)     // ["April" "May" "June"]
fmt.Println(summer) // ["June" "July" "August"]
两个 slice 都包含了六月份。

append 函数

append 函数用于向 slice 追加元素：

var runes []rune
for _, r := range "Hello, 世界" {
    runes = append(runes, r)
}
fmt.Printf("%q\n", runes) // "['H' 'e' 'l' 'l' 'o' ',' ' ' '世' '界']"

为了提高内存使用效率，新分配的数组一般略大于保存 x 和 y 所需要的最低大小。通过在每次扩展数组时直接将长度翻倍从而避免了多次内存分配，也确保了添加单个元素操作的平均时间是一个常数时间。这个程序演示了效果：

func main() {
    var x, y []int
    for i := 0; i < 10; i++ {
        y = appendInt(x, i)
        fmt.Printf("%d cap=%d\t%v\n", i, cap(y), y)
        x = y
    }
}

//每一次容量的变化都会导致重新分配内存和copy操作：
0  cap=1    [0]
1  cap=2    [0 1]
2  cap=4    [0 1 2]
3  cap=4    [0 1 2 3]
4  cap=8    [0 1 2 3 4]
5  cap=8    [0 1 2 3 4 5]
6  cap=8    [0 1 2 3 4 5 6]
7  cap=8    [0 1 2 3 4 5 6 7]
8  cap=16   [0 1 2 3 4 5 6 7 8]
9  cap=16   [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]

让我们仔细查看 i=3 次的迭代。当时 x 包含了[0 1 2]三个元素，但是容量是 4，因此可以简单将新的元素添加到末尾，不需要新的内存分配。然后新的 y 的长度和容量都是 4，并且和 x 引用着相同的底层数组，如图 4.2 所示。

在下一次迭代时 i=4，现在没有新的空余的空间了，因此 appendInt 函数分配一个容量为 8 的底层数组，将 x 的 4 个元素[0 1 2 3]复制到新空间的开头，然后添加新的元素 i，新元素的值是 4。新的 y 的长度是 5，容量是 8；后面有 3 个空闲的位置，三次迭代都不需要分配新的空间。当前迭代中，y 和 x 是对应不同底层数组的 view。这次操作如图 4.3 所示。

内置的 append 函数可能使用比 appendInt 更复杂的内存扩展策略。

因此，通常我们并不知道 append 调用是否导致了内存的重新分配，因此我们也不能确认新的 slice 和原始的 slice 是否引用的是相同的底层数组空间。

同样，我们不能确认在原先的 slice 上的操作是否会影响到新的 slice。