切片
https://gocn.vip/topics/10271
下面这段程序会输出什么？
package main
import “fmt”
func f(s []string, level int) {
if level > 5 {
return
}
s = append(s, fmt.Sprint(level))
f(s, level+1)
fmt.Println(“level:”, level, “slice:”, s)
}
func main() {
f(nil, 0)
}
其输出为：
level: 5 slice: [0 1 2 3 4 5]
level: 4 slice: [0 1 2 3 4]
level: 3 slice: [0 1 2 3]
level: 2 slice: [0 1 2]
level: 1 slice: [0 1]
level: 0 slice: [0]
如果对输出结果有一些疑惑,你需要了解这篇文章的内容
如果你知道了结果,你仍然需要了解这篇文章的内容,因为本文完整介绍了
切片的典型用法
切片的陷阱
切片的逃逸分析
切片的扩容
切片在编译与运行时的研究
切片基本操作
切片是某种程度上和其他语言 (例如 C 语言) 中的数组在使用中有许多相似之处,但是 go 语言中的切片有许多独特之处
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，但是没有固定长度。
数组和 slice 之间有着紧密的联系。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。一个 slice 在运行时由三个部分构成：指针、长度和容量。 type SliceHeader struct { Data uintptr Len int Cap int }
指针指向第一个 slice 元素对应的底层数组元素的地址
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的长度
切片的声明
//切片的声明1 //nil
var slice1 []int
//切片的声明2
var slice2 []int = make([]int,5)
var slice3 []int = make([]int,5,7)
numbers:= []int{1,2,3,4,5,6,7,8}
切片的截取
numbers:= []int{1,2,3,4,5,6,7,8}
//从下标1一直到下标4，但是不包括下标4
numbers1 :=numbers[1:4]
//从下标0一直到下标3，但是不包括下标3
numbers2 :=numbers[:3]
//从下标3一直到结束
numbers3 :=numbers[3:]
切片的长度与容量
内置的 len 和 cap 函数分别返回 slice 的长度和容量 slice6 := make([]int,0) fmt.Printf(“len=%d,cap=%d,slice=%v\n”,len(slice4),cap(slice4),slice4)
切片与数组的拷贝对比
数组的拷贝是副本拷贝。对于副本的改变不会影响到原来的数组
但是，切片的拷贝很特殊，切片的拷贝只是对于运行时切片结构体的拷贝,切片的副本仍然指向了相同的数组。所以，对于副本的修改会影响到原来的切片。
下面用一个简单的例子来说明
//数组是值类型
a := [4]int{1, 2, 3, 4}
//切片是引用类型
b := []int{100, 200, 300}
c := a
d := b
c[1] = 200
d[0] = 1
//output: c[1 200 3 4] a[1 2 3 4]
fmt.Println(“a=”, a, “c=”, c)
//output: d[1 200 300] b[1 200 300]
fmt.Println(“b=”, b, “d=”, d)
切片追加元素：append
numbers := make([]int, 0, 20)
//append一个元素
numbers = append(numbers, 0)
//append多个元素
numbers = append(numbers, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)
//append添加切片
s1 := []int{100, 200, 300, 400, 500, 600, 700}
numbers = append(numbers, s1…)
//now:[0 1 2 3 4 5 6 7 100 200 300 400 500 600 700]
经典案例: 切片删除
// 删除第一个元素
numbers = numbers[1:]
// 删除最后一个元素
numbers = numbers[:len(numbers)-1]
// 删除中间一个元素
a := int(len(numbers) / 2)
numbers = append(numbers[:a], numbers[a+1:]…)
经典案例：切片反转
// reverse reverses a slice of ints in place.
func reverse(s []int) {
for i, j := 0, len(s)-1; i < j; i, j = i+1, j-1 {
s[i], s[j] = s[j], s[i]
}
}
切片在编译时的特性
编译时新建一个切片,切片内元素的类型是在编译期间确定的
func NewSlice(elem *Type) *Type {
if t := elem.Cache.slice; t != nil {
if t.Elem() != elem {
Fatalf(“elem mismatch”)
}
return t
}
t := New(TSLICE)
t.Extra = Slice{Elem: elem}
elem.Cache.slice = t
return t } 切片的类型 // Slice contains Type fields specific to slice types. type Slice struct {
Elem *Type // element type }
编译时：字面量初始化
当我们使用字面量 [] int{1, 2, 3} 创建新的切片时，会创建一个 array 数组 ([3]int{1,2,3}) 存储于静态区中。同时会创建一个变量。
核心逻辑位于 slicelit 函数
// go/src/cmd/compile/internal/gc/sinit.go
func slicelit(ctxt initContext, n *Node, var_ *Node, init *Nodes)
其抽象的过程如下:
var vstat [3]int
vstat[0] = 1
vstat[1] = 2
vstat[2] = 3
var vauto *[3]int = new([3]int)
*vauto = vstat
slice := vauto[:]
源码中的注释如下：
// recipe for var = []t{…}
// 1. make a static array
// var vstat […]t
// 2. assign (data statements) the constant part
// vstat = constpart{}
// 3. make an auto pointer to array and allocate heap to it
// var vauto *[…]t = new([…]t)
// 4. copy the static array to the auto array
// *vauto = vstat
// 5. for each dynamic part assign to the array
// vauto[i] = dynamic part
// 6. assign slice of allocated heap to var
// var = vauto[:]
编译时：make 初始化
例如make([]int,3,4)
使用make 关键字,在 typecheck1 类型检查阶段,节点 Node 的 op 操作变为OMAKESLICE,并且左节点存储长度 3, 右节点存储容量 4
func typecheck1(n *Node, top int) (res *Node) {
switch t.Etype {
case TSLICE:
if i >= len(args) {
yyerror(“missing len argument to make(%v)”, t)
n.Type = nil
return n
}
l = args[i]
i++
l = typecheck(l, ctxExpr)
var r *Node
if i < len(args) {
r = args[i]
i++
r = typecheck(r, ctxExpr)
}
if l.Type == nil || (r != nil && r.Type == nil) {
n.Type = nil
return n
}
if !checkmake(t, "len", l) || r != nil && !checkmake(t, "cap", r) {
n.Type = nil
return n
}
n.Left = l
n.Right = r
n.Op = OMAKESLICE 下面来分析一下编译时内存的逃逸问题,如果 make 初始化了一个太大的切片，这个空间会逃逸到堆中,由运行时分配。如果一个空间比较小,会在栈中分配。 此临界值值定义在/usr/local/go/src/cmd/compile/internal/gc，可以被 flag smallframes 更新,默认为 64KB。 所以make([]int64,1023) 与make([]int64,1024)的效果是截然不同的，这是不是压倒骆驼的最后一根稻草？ // maximum size of implicit variables that we will allocate on the stack.
// p := new(T) allocating T on the stack
// p := &T{} allocating T on the stack
// s := make([]T, n) allocating [n]T on the stack
// s := []byte("...") allocating [n]byte on the stack
// Note: the flag smallframes can update this value.
maxImplicitStackVarSize = int64(64 * 1024) 核心逻辑位于go/src/cmd/compile/internal/gc/walk.go，n.Esc代表变量是否逃逸 func walkexpr(n *Node, init *Nodes) *Node{ case OMAKESLICE:
...
if n.Esc == EscNone {
// var arr [r]T
// n = arr[:l]
i := indexconst(r)
if i < 0 {
Fatalf("walkexpr: invalid index %v", r)
}
t = types.NewArray(t.Elem(), i) // [r]T
var_ := temp(t)
a := nod(OAS, var_, nil) // zero temp
a = typecheck(a, ctxStmt)
init.Append(a)
r := nod(OSLICE, var_, nil) // arr[:l]
r.SetSliceBounds(nil, l, nil)
r = conv(r, n.Type) // in case n.Type is named.
r = typecheck(r, ctxExpr)
r = walkexpr(r, init)
n = r
} else {
if t.Elem().NotInHeap() {
yyerror("%v is go:notinheap; heap allocation disallowed", t.Elem())
}
len, cap := l, r
fnname := "makeslice64"
argtype := types.Types[TINT64]
m := nod(OSLICEHEADER, nil, nil)
m.Type = t
fn := syslook(fnname)
m.Left = mkcall1(fn, types.Types[TUNSAFEPTR], init, typename(t.Elem()), conv(len, argtype), conv(cap, argtype))
m.Left.SetNonNil(true)
m.List.Set2(conv(len, types.Types[TINT]), conv(cap, types.Types[TINT]))
m = typecheck(m, ctxExpr)
m = walkexpr(m, init)
n = m
}
对上面代码具体分析，如果没有逃逸，分配在栈中。
抽象为：
arr := [r]T
ss := arr[:l]
如果发生了逃逸，运行时调用 makeslice64 或 makeslice 分配在堆中,当切片的长度和容量小于 int 类型的最大值，会调用 makeslice,反之调用 makeslice64 创建切片。
makeslice64 最终也是调用了 makeslice,比较简单，最后调用 mallocgc 申请的内存大小为类型大小 * 容量cap
// go/src/runtime/slice.go
func makeslice(et *_type, len, cap int) unsafe.Pointer {
mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(cap))
if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 || len > cap {
// NOTE: Produce a ‘len out of range’ error instead of a
// ‘cap out of range’ error when someone does make([]T, bignumber).
// ‘cap out of range’ is true too, but since the cap is only being
// supplied implicitly, saying len is clearer.
// See golang.org/issue/4085.
mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(len))
if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 {
panicmakeslicelen()
}
panicmakeslicecap()
}
return mallocgc(mem, et, true) }
func makeslice64(et *_type, len64, cap64 int64) unsafe.Pointer {
len := int(len64)
if int64(len) != len64 {
panicmakeslicelen()
}
cap := int(cap64)
if int64(cap) != cap64 {
panicmakeslicecap()
}
return makeslice(et, len, cap) }
切片的扩容
Go 中切片 append 表示添加元素,但不是使用了 append 就需要扩容,如下代码不需要扩容
a:= make([]int,3,4)
append(a,1)
当 Go 中切片 append 当容量超过了现有容量,才需要进行扩容,例如：
a:= make([]int,3,3)
append(a,1)
核心逻辑位于go/src/runtime/slice.go growslice函数
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
newcap := old.cap
doublecap := newcap + newcap
if cap > doublecap {
newcap = cap
} else {
if old.len < 1024 {
newcap = doublecap
} else {
for 0 < newcap && newcap < cap {
newcap += newcap / 4
}
if newcap <= 0 {
newcap = cap
}
}
}
... } 上面的代码显示了扩容的核心逻辑,Go 中切片扩容的策略是这样的：
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）
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) 的两倍，即（newcap=doublecap）
否则判断，如果旧切片长度大于等于 1024，则最终容量（newcap）从旧容量（old.cap）开始循环增加原来的 1/4，即（newcap=old.cap,for {newcap += newcap/4}）直到最终容量（newcap）大于等于新申请的容量 (cap)，即（newcap >= cap）
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）
接着根据切片类型的大小,确定不同的内存分配大小。其主要是用作内存的对齐。因此，申请的内存可能会大于实际的et.size * newcap
switch {
case et.size == 1:
lenmem = uintptr(old.len)
newlenmem = uintptr(cap)
capmem = roundupsize(uintptr(newcap))
overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc
newcap = int(capmem)
case et.size == sys.PtrSize:
lenmem = uintptr(old.len) * sys.PtrSize
newlenmem = uintptr(cap) * sys.PtrSize
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * sys.PtrSize)
overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc/sys.PtrSize
newcap = int(capmem / sys.PtrSize)
case isPowerOfTwo(et.size):
var shift uintptr
if sys.PtrSize == 8 {
// Mask shift for better code generation.
shift = uintptr(sys.Ctz64(uint64(et.size))) & 63
} else {
shift = uintptr(sys.Ctz32(uint32(et.size))) & 31
}
lenmem = uintptr(old.len) « shift
newlenmem = uintptr(cap) « shift
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) « shift)
overflow = uintptr(newcap) > (maxAlloc » shift)
newcap = int(capmem » shift)
default:
lenmem = uintptr(old.len) * et.size
newlenmem = uintptr(cap) * et.size
capmem, overflow = math.MulUintptr(et.size, uintptr(newcap))
capmem = roundupsize(capmem)
newcap = int(capmem / et.size)
}
最后核心是申请内存。要注意的是，新的切片不一定意味着新的地址。
根据切片类型et.ptrdata是否为指针,需要执行不同的逻辑。
if et.ptrdata == 0 {
p = mallocgc(capmem, nil, false)
// The append() that calls growslice is going to overwrite from old.len to cap (which will be the new length).
// Only clear the part that will not be overwritten.
memclrNoHeapPointers(add(p, newlenmem), capmem-newlenmem)
} else {
// Note: can’t use rawmem (which avoids zeroing of memory), because then GC can scan uninitialized memory.
p = mallocgc(capmem, et, true)
if lenmem > 0 && writeBarrier.enabled {
// Only shade the pointers in old.array since we know the destination slice p
// only contains nil pointers because it has been cleared during alloc.
bulkBarrierPreWriteSrcOnly(uintptr(p), uintptr(old.array), lenmem)
}
}
memmove(p, old.array, lenmem)
return slice{p, old.len, newcap}
当切片类型不是指针,分配内存后只需要将内存的后面的值清空,memmove(p, old.array, lenmem) 函数用于将 old 切片的值赋值给新的切片
整个过程的抽象抽象表示如下
old = make([]int,3,3)
new = append(old,1) => new = malloc(newcap * sizeof(int)) a[4] = 0
new[1] = old[1]
new[2] = old[2]
new[3] = old[3]
当切片类型为指针,指针需要写入当前协程缓冲区中,这个地方涉及到 GC 回收机制中的写屏障,后面介绍。
切片的截取
对于数组下标的截取,如下所示，可以从多个维度证明,切片的截取生成了一个新的切片,但是底层数据源却是使用的同一个。
old := make([]int64,3,3)
new := old[1:3]
fmt.Printf(“%p %p”,arr,slice)
输出为:
0xc000018140 0xc000018148
二者的地址正好相差了 8 个字节，这不是偶然的,而是因为二者指向了相同的数据源，刚好相差 int64 的大小。 另外我们也可以从生成的汇编的过程查看到到一些端倪
GOSSAFUNC=main GOOS=linux GOARCH=amd64 go tool compile main.go
对应的是SliceMake <[]int> v10 v15 v15, SliceMake 操作需要传递数组的指针、长度、容量。 而 new := old[1:3] 对应SliceMake <[]int> v34 v28 v29。传递的指针 v34 正好的原始的 Ptr + 8 个字节后的位置
下面列出一张图比较形象的表示切片引用相同数据源的图：
切片的复制
由于切片的复制不会改变指向的底层数据源。但是我们有些时候希望建一个新的数组，连底层数据源也是全新的。这个时候可以使用copy函数
切片进行值拷贝：copy
// 创建目标切片
numbers1 := make([]int, len(numbers), cap(numbers)*2)
// 将numbers的元素拷贝到numbers1中
count := copy(numbers1, numbers)
切片转数组
slice := []byte(“abcdefgh”)
var arr [4]byte
copy(arr[:], slice[:4])
//或者直接如下,这涉及到一个特性,即只会拷贝min(len(arr),len(slice)
copy(arr[:], slice)
copy 函数在编译时会决定使用哪一种方式，普通的方式会直接调用memmove
func copyany(n *Node, init *Nodes, runtimecall bool) *Node {
…
if runtimecall {
if n.Right.Type.IsString() {
fn := syslook(“slicestringcopy”)
fn = substArgTypes(fn, n.Left.Type, n.Right.Type)
return mkcall1(fn, n.Type, init, n.Left, n.Right)
}
fn := syslook("slicecopy")
fn = substArgTypes(fn, n.Left.Type, n.Right.Type)
return mkcall1(fn, n.Type, init, n.Left, n.Right, nodintconst(n.Left.Type.Elem().Width))
}
...
fn := syslook("memmove")
fn = substArgTypes(fn, nl.Type.Elem(), nl.Type.Elem())
nwid := temp(types.Types[TUINTPTR])
setwid := nod(OAS, nwid, conv(nlen, types.Types[TUINTPTR]))
ne.Nbody.Append(setwid)
nwid = nod(OMUL, nwid, nodintconst(nl.Type.Elem().Width))
call := mkcall1(fn, nil, init, nto, nfrm, nwid) }
抽象表示为：
init {
n := len(a)
if n > len(b) { n = len(b) }
if a.ptr != b.ptr { memmove(a.ptr, b.ptr, n*sizeof(elem(a))) }
}
除非是协程调用的方式go copy(numbers1, numbers) 或者（加入了 race 等检测 && 不是在编译 go 运行时代码） 会转而调用运行时 slicestringcopy 或 slicecopy .
case OCOPY:
n = copyany(n, init, instrumenting && !compiling_runtime)
case OGO:
switch n.Left.Op {
case OCOPY:
n.Left = copyany(n.Left, &n.Ninit, true)
slicestringcopy 或 slicecopy 本质上仍然是调用了memmove只是进行了额外的 race 冲突等判断。
func slicecopy(to, fm slice, width uintptr) int {
…
if raceenabled {
callerpc := getcallerpc()
pc := funcPC(slicecopy)
racewriterangepc(to.array, uintptr(nint(width)), callerpc, pc)
racereadrangepc(fm.array, uintptr(nint(width)), callerpc, pc)
}
if msanenabled {
msanwrite(to.array, uintptr(nint(width)))
msanread(fm.array, uintptr(nint(width)))
}
size := uintptr(n) * width
if size == 1 { // common case worth about 2x to do here
// TODO: is this still worth it with new memmove impl?
*(*byte)(to.array) = *(*byte)(fm.array) // known to be a byte pointer
} else {
memmove(to.array, fm.array, size)
}
return n }
总结
切片是 go 语言中重要的数据结果,其和其他语言不同的是，其维护了底层的内存，以及长度和容量
切片与数组的赋值拷贝有明显区别,切片在赋值拷贝与下标截断时引用了相同的底层数据
如果要完全复制切片,使用copy函数。其逻辑是新建一个新的内存,并拷贝过去。在极端情况需要考虑其对性能的影响
切片字面量的初始化，数组存储于静态区。 切片make的初始化方式时,如果 make 初始化了一个大于 64KB 的切片，这个空间会逃逸到堆中,在运行时调用makeslice创建。小于 64KB 的切片在栈中初始化
Go 中切片 append 当容量超过了现有容量,需要进行扩容,其策略是：
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）
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) 的两倍，即（newcap=doublecap）
否则判断，如果旧切片长度大于等于 1024，则最终容量（newcap）从旧容量（old.cap）开始循环增加原来的 1/4，即（newcap=old.cap,for {newcap += newcap/4}）直到最终容量（newcap）大于等于新申请的容量 (cap)，即（newcap >= cap）
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）
Go 中切片 append 后返回的切片地址并不一定是原来的、也不一定是新的内存地址,因此必须小心其可能遇到的陷阱。一般会使用a = append(a,T)的方式保证安全。
前文
golang 快速入门 [1]-go 语言导论
golang 快速入门 [2.1]-go 语言开发环境配置-windows
golang 快速入门 [2.2]-go 语言开发环境配置-macOS
golang 快速入门 [2.3]-go 语言开发环境配置-linux
golang 快速入门 [3]-go 语言 helloworld
golang 快速入门 [4]-go 语言如何编译为机器码
golang 快速入门 [5.1]-go 语言是如何运行的-链接器
golang 快速入门 [5.2]-go 语言是如何运行的-内存概述
golang 快速入门 [5.3]-go 语言是如何运行的-内存分配
golang 快速入门 [6.1]-集成开发环境-goland 详解
golang 快速入门 [6.2]-集成开发环境-emacs 详解
golang 快速入门 [7.1]-项目与依赖管理-gopath
golang 快速入门 [7.2]-北冥神功—go module 绝技
golang 快速入门 [8.1]-变量类型、声明赋值、作用域声明周期与变量内存分配
golang 快速入门 [8.2]-自动类型推断的秘密
golang 快速入门 [8.3]-深入理解浮点数
golang 快速入门 [8.4]-常量与隐式类型转换
golang 快速入门 [9.1]-深入字符串的存储、编译与运行
golang 快速入门 [9.2]-深入数组用法、陷阱与编译时
