go底层系列-slice底层实现

slice

前言

• 又称动态数组，依托数组实现
• 方便的进行扩容、传递等

正因为灵活，如果不了解其内部实现机制，有可能遭遇莫名的异常现象。

热身环节

// 题目一
package main

import "fmt"

func main() {
	var array [10]int
	var slice = array[5:6]
	fmt.Println("length of slice: ", len(slice))
	fmt.Println("capacity of slice: ", cap(slice))
	fmt.Println(&slice[0] == &array[5])
}
// 程序解释：
//		main函数中定义了一个10个长度的整型数组array
//		然后定义了一个切片slice，
//		切取数组的第6个元素，
//		最后打印slice的长度和容量，判断切片的第一个元素和数组的第6个元素地址是否相等。

// 参考答案：
//		slice跟据数组array创建，与数组共享存储空间
//		slice起始位置是array[5]，长度为1，容量为5
//		slice[0]和array[5]地址相同


// 题目二
package main

import "fmt"

func AddElement(slice []int, e int) []int {
	return append(slice, e)
}

func main() {
	var slice []int
	slice = append(slice, 1, 2, 3)
	
	newSlice := AddElement(slice, 4)
	fmt.Println(&slice[0] == &newSlice[0])
}
// 程序解释：
// 		函数AddElement()接受一个切片和一个元素，把元素append进切片中，并返回切片。
//		main()函数中定义一个切片，并向切片中append 3个元素，
//		接着调用AddElement()继续向切片append进第4个元素,
//		同时定义一个新的切片newSlice。
//		最后判断新切片newSlice与旧切片slice是否共用一块存储空间。

// 参考答案：
//		append函数执行时会判断切片容量是否能够存放新增元素，
//		如果不能，则会重新申请存储空间，
//		新存储空间将是原来的2倍或1.25倍（取决于扩展原空间大小）
//		本例中实际执行了两次append操作，第一次空间增长到4，
//		所以第二次append不会再扩容，所以新旧两个切片将共用一块存储空间。程序会输出”true”

// 题目三
package main

import "fmt"

func main() {
	orderLen := 5
	order := make([]uint16, 2 * orderLen)

	pollorder := order[:orderLen:orderLen]
	lockorder := order[orderLen:][:orderLen:orderLen]

	fmt.Println("len(pollorder) = ", len(pollorder))
	fmt.Println("cap(pollorder) = ", cap(pollorder))
	fmt.Println("len(lockorder) = ", len(lockorder))
	fmt.Println("cap(lockorder) = ", cap(lockorder))
}
// 程序解释：
// 		该段程序源自select的实现代码，程序中定义一个长度为10的切片order，
//		pollorder，lockorder分别是对order切片做order[low:high:max]操作生成的切片
//		最后程序分别打印pollorder和lockorder的容量和长度。

// 参考答案：
//		order[low:high:max]操作意思是对order进行切片
//		新切片范围是[low, high),新切片容量是max
//		order长度为2倍的orderLen
//		pollorder切片指的是order的前半部分切片，lockorder指的是order的后半部分切片
//		即原order分成了两段。所以，pollorder和lockerorder的长度和容量都是orderLen，即5

实现原理

数据结构

• array指针指向底层数组
• len表示切片长度
• cap表示底层数组容量

使用make创建Slice

• 使用make来创建Slice时，可以同时指定长度和容量
• 创建时底层会分配一个数组，数组的长度即容量

例如

语句 slice := make([]int, 5, 10) 所创建的Slice，结构如下图所示：

• 该Slice长度为5，即可以使用下标slice[0] ~ slice[4]来操作里面的元素
• capacity为10，表示后续向 slice添加新的元素时可以不必重新分配内存，直接使用预留内存即可

使用数组创建Slice

• 使用数组来创建Slice时，Slice将与原数组共用一部分内存

例如

语句 slice := array[5:7] 所创建的Slice，结构如下图所示：

• 切片从数组array[5]开始，到数组array[7]结束（不含array[7]），即切片长度为2
• 数组后面的内容都作为切 片的预留内存，即capacity为5
• 数组和切片操作可能作用于同一块内存，这也是使用过程中需要注意的地方。

Slice扩容

• 使用append向Slice追加元素时，如果Slice空间不足，将会触发Slice扩容
• 扩容实际上重新一配一块更大的内存
• 将原Slice数据拷贝进新Slice
• 然后返回新Slice
• 扩容后再将数据追加进去

例如

当向一个capacity为5，且length也为5的Slice再次追加1个元素时，就会发生扩容，如下图所示：

• 扩容操作只关心容量
• 会把原Slice数据拷贝到新Slice
• 追加数据由append在扩容结束后完成

扩容容量的选择遵循以下规则：

• 如果原Slice容量小于1024，则新Slice容量将扩大为原来的2倍
• 如果原Slice容量大于等于1024，则新Slice容量将扩大为原来的1.25倍；

使用append()向Slice添加一个元素的实现步骤如下：

• 假如Slice容量够用，则将新元素追加进去，Slice.len++，返回原Slice

• 原Slice容量不够，则将Slice先扩容，扩容后得到新Slice

• 将新元素追加进新Slice，Slice.len++，返回新的Slice。

Slice Copy

使用copy()内置函数拷贝两个切片时:

• 会将源切片的数据逐个拷贝到目的切片指向的数组中
• 拷贝数量取两个切片长度的最小值
• 例如
  • 长度为10的切片拷贝到长度为5的切片时
  • 将会拷贝5个元素
  • 也就是说，copy过程中不会发生扩容。

特殊切片

• 跟据数组或切片生成新的切片一般使用 slice := array[start:end] 方式
  • 这种新生成的切片并没有指定切片的容量，
  • 实际上新切片的容量是从start开始直至array的结束

例如

// 下面两个切片，长度和容量都是一致的，使用共同的内存地址：

sliceA := make([]int, 5, 10)
sliceB := sliceA[0:5]

// 根据数组或切片生成切片还有另一种写法，即切片同时也指定容量
// 即slice[start:end:cap]
// 其中cap即为新切片的容量，当然容量不能超过原切片实际值
// 如下所示：
sliceA := make([]int, 5, 10) 		//length = 5; capacity = 10
sliceB := sliceA[0:5] 				//length = 5; capacity = 10
sliceC := sliceA[0:5:5] 			//length = 5; capacity = 5

// 这切片方法不常见，在Golang源码里能够见到，不过非常利于切片的理解。

编程Tips

• 创建切片时可跟据实际需要预分配容量，尽量避免追加过程中扩容操作，有利于提升性能
• 切片拷贝时需要判断实际拷贝的元素个数
• 谨慎使用多个切片操作同一个数组，以防读写冲突

Slice总结

• 每个切片都指向一个底层数组
• 每个切片都保存了当前切片的长度、底层数组可用容量
• 使用len()计算切片长度时间复杂度为O(1)，不需要遍历切片
• 使用cap()计算切片容量时间复杂度为O(1)，不需要遍历切片
• 通过函数传递切片时，不会拷贝整个切片，因为切片本身只是个结构体而矣
• 使用append()向切片追加元素时有可能触发扩容，扩容后将会生成新的切片