Go切片Silce底层实现和扩容策略

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本文已参与「新人创作礼」活动,一起开启掘金创作之路。

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
}
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在这里插入图片描述 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。 在这里插入图片描述

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}
}
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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)
}
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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。 在这里插入图片描述

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
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在这里插入图片描述 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{ }
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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}
}
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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))
}
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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
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在这里插入图片描述 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。

参考转自:www.jianshu.com/p/030aba2bf…

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