[Golang]Go切片Silce底层实现和扩容策略(旧版）
原创[Golang]Go切片Silce底层实现和扩容策略(旧版）
原创
前言
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
}
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。
二 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。
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。
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 。
nil 和空切片
nil 切片和空切片也是常用的。
var slice []int
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{ }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。
三 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。
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
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。
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
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