【golang】Go中的切片slice和操作笔记，垃圾回收机制，重组 reslice ，复制和追加，内存结构

切片

1. 切片是对数组中一个连续片段的引用，该数组我们称之为相关数组，通常是匿名

2. 切片是一个引用类型

3. 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。切片提供了一个相关数组的动态窗口

4. 切片是可索引的

5. 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。

6. 切片提供了计算容量的函数 cap() 可以测量切片最长可以达到多少：它等于切片的长度 + 数组除切片之外的长度。如果 s 是一个切片，cap(s) 就是从 s[0] 到数组末尾的数组长度。切片的长度永远不会超过它的容量，所以对于切片 s 来说该不等式永远成立：

7. $$0<=len(s)<=cap(s)$$

8. 多个切片如果表示同一个数组的片段，它们可以共享数据；因此一个切片和相关数组的其他切片是共享存储的，相反，不同的数组总是代表不同的存储。数组实际上是切片的构建块。

9. 优点 因为切片是引用，所以它们不需要使用额外的内存并且比使用数组更有效率，所以在 Go 代码中切片比数组更常用。

声明切片的格式是：

var identifier []type //不需要说明长度

一个切片在未初始化之前默认为 nil，长度为 0。

切片的初始化格式是：

var slice1 []type = arr1[start:end]

这表示 slice1 是由数组 arr1 从 start 索引到 end-1 索引之间的元素构成的子集（切分数组，start:end 被称为切片表达式）。所以 slice1[0] 就等于 arr1[start]。这可以在 arr1 被填充前就定义好。

如果某个人写：

var slice1 []type = arr1[:]

那么 slice1 就等于完整的 arr1 数组（所以这种表示方式是 arr1[0:len(arr1)] 的一种缩写）。另外一种表述方式是：

slice1 = &arr1

arr1[2:] 和 arr1[2:len(arr1)] 相同，都包含了数组从第三个到最后的所有元素。

arr1[:3] 和 arr1[0:3] 相同，包含了从第一个到第三个元素（不包括第四个）。

如果你想去掉 slice1 的最后一个元素，只要 ：

slice1 = slice1[:len(slice1)-1]

一个由数字 1、2、3 组成的切片可以这么生成

s := [3]int{1,2,3}[:]

（注：应先用 s := [3]int{1, 2, 3} 生成数组, 再使用 s[:] 转成切片）甚至更简单的 s := []int{1,2,3}。

s2 := s[:] 是用切片组成的切片，拥有相同的元素，但是仍然指向相同的相关数组。

一个切片 s 可以这样扩展到它的大小上限：s = s[:cap(s)]，如果再扩大的话就会导致运行时错误
w

对于每一个切片（包括 string），以下状态总是成立的：

s == s[:i] + s[i:] // i是一个整数且: 0 <= i <= len(s)
len(s) <= cap(s)

切片也可以用类似数组的方式初始化：var x = []int{2, 3, 5, 7, 11}。这样就创建了一个长度为 5 的数组并且创建了一个相关切片。

切片在内存中的组织方式实际上是一个有 3 个域的结构体：指向相关数组的指针，切片长度以及切片容量。下图给出了一个长度为 2，容量为 4 的切片 y。

• y[0] = 3 且 y[1] = 5。
• 切片 y[0:4] 由 元素 3，5，7 和 11 组成。

如果 s2 是一个切片，你可以将 s2 向后移动一位 s2 = s2[1:]，但是末尾没有移动。切片只能向后移动，s2 = s2[-1:] 会导致编译错误。切片不能被重新分片以获取数组的前一个元素。

注意 绝对不要用指针指向切片。切片本身已经是一个引用类型，所以它本身就是一个指针！！

将切片传递给函数

如果你有一个函数需要对数组做操作，你可能总是需要把参数声明为切片。当你调用该函数时，把数组分片，创建为一个切片引用并传递给该函数。这里有一个计算数组元素和的方法:

func sum(a []int) int {
	s := 0
	for i := 0; i < len(a); i++ {
		s += a[i]
	}
	return s
}

func main() {
	var arr = [5]int{0, 1, 2, 3, 4}
	sum(arr[:])
}

make() 创建一个切片

当使用make函数创建切片时，Go会分配虚拟内存，而不会立即分配物理内存。这是一种延迟分配的策略；这种方式可以节省物理内存，因为程序不会立即占用大量内存，而是根据实际需要逐渐分配。

当相关数组还没有定义时，我们可以使用 make() 函数来创建一个切片，同时创建好相关数组：

var slice1 []type = make([]type, len)

也可以简写为：

slice1 := make([]type, len) //这里的len是数组的长度也是slice的初始长度

如果你想创建一个 slice1，它不占用整个数组，而只是占用len 长度，那么只要：

slice1 := make([]type, len, cap)

切片的长度为 len，并且具有与容量 cap 相同的底层数组的大小。这意味着 slice1 会占用以 len 为个数个元素，但在需要时可以增长到 cap，这是Go切片的一个特性。这对于在不需要整个数组的情况下，有效地管理内存和数据非常有用

所以下面两种方法可以生成相同的切片:

make([]int, 50, 100)
new([100]int)[0:50]

下图描述了使用 make() 方法生成的切片的内存结构：

new() 和 make()的区别

都在堆上分配内存，但是它们的行为不同，适用于不同的类型。

• new(T) 为每个新的类型 T 分配一片内存，初始化为 0 并且返回类型为 *T 的内存地址：这种方法 返回一个指向类型为 T，值为 0 的地址的指针，它适用于值类型如数组和结构体体或用户定义的类型；它相当于 &T{}。
• make(T) 用于分配内存并初始化数据结构的内部字段，返回的是数据结构本身，它只适用于 3 种内建的引用类型：切片、map 和 channel。

换言之，new() 函数分配内存，make() 函数初始化；下图给出了区别：

如何理解 new、make、slice、map、channel 的关系*

1.slice、map 以及 channel 都是 golang 内建的一种引用类型，三者在内存中存在多个组成部分，
需要对内存组成部分初始化后才能使用，而 make 就是对三者进行初始化的一种操作方式

2. new 获取的是存储指定变量内存地址的一个变量，对于变量内部结构并不会执行相应的初始化操作，
所以 slice、map、channel 需要 make 进行初始化并获取对应的内存地址，而非 new 简单的获取内存地址

多维切片

和数组一样，切片通常也是一维的，但是也可以由一维组合成高维。通过分片的分片（或者切片的数组），长度可以任意动态变化，所以 Go 语言的多维切片可以任意切分。而且，内层的切片必须单独分配（通过 make() 函数）。

package main

import "fmt"

func main() {
	s := make([]string, 3)
	s[0] = "a"
	s[1] = "b"
	s[2] = "c"
	fmt.Println("get:", s[2])
	fmt.Println("len:", len(s))

	s = append(s, "d")
	s = append(s, "e", "f")
	fmt.Println(s)

	c := make([]string, len(s))
	copy(c, s)
	fmt.Println(c)

	fmt.Println(s[2:5])
	fmt.Println(s[:5])
	fmt.Println(s[2:])

	good := []string{"g", "o", "o", "d"}
	fmt.Println(good)
}

输出

bytes包

类型 []byte 的切片十分常见，Go 语言有一个 bytes 包专门用来提供这种类型的操作方法。

1. 动态缓冲区： bytes.Buffer 是一个动态缓冲区，它可以自动调整其大小以容纳不断增长的数据。这使它非常适合在运行时动态构建和拼接二进制数据，而不必担心缓冲区溢出。
2. 高效的字符串拼接： bytes.Buffer 可以用于高效地拼接字符串，而不必反复分配和释放内存。这对于构建大型字符串或将文本逐行追加到缓冲区非常有用。
3. 读写接口： bytes.Buffer 实现了 io.Reader 和 io.Writer 接口，因此它可以与标准的 I/O 操作和函数一起使用。您可以使用它来从缓冲区读取数据或将数据写入缓冲区，而无需关心底层的内存管理。
4. 字节操作： bytes.Buffer 主要用于操作字节数据，而不是文本。它提供了一系列方法来操作和读取二进制数据，包括读取、写入、截取、查找等操作。

而且它还包含一个十分有用的类型 Buffer:

import "bytes"

type Buffer struct {
	...
}

这是一个长度可变的 bytes 的 buffer，提供 Read() 和 Write() 方法，因为读写长度未知的 bytes 最好使用 buffer。

Buffer 可以这样定义：

var buffer bytes.Buffer

或者使用 new() 获得一个指针：

var r *bytes.Buffer = new(bytes.Buffer)

或者通过函数：

func NewBuffer(buf []byte) *Buffer

创建一个 Buffer 对象并且用 buf 初始化好；NewBuffer 最好用在从 buf 读取的时候使用。

通过 buffer 串联字符串

类似于 Java 的 StringBuilder 类。

在下面的代码段中，我们创建一个 buffer，通过 buffer.WriteString(s) 方法将字符串 s 追加到后面，最后再通过 buffer.String() 方法转换为 string：

var buffer bytes.Buffer
for {
	if s, ok := getNextString(); ok { //method getNextString() not shown here
		buffer.WriteString(s)
	} else {
		break
	}
}
fmt.Print(buffer.String(), "\n")

这种实现方式比使用 += 要更节省内存和 CPU，尤其是要串联的字符串数目特别多的时候。

for-range

这种构建方法可以应用于数组和切片:

for ix, value := range slice1 {
	...
}

第一个返回值 ix 是数组或者切片的索引，第二个是在该索引位置的值；他们都是仅在 for 循环内部可见的局部变量。value 只是 slice1 某个索引位置的值的一个拷贝，不能用来修改 slice1 该索引位置的值。

多维切片下的 for-range：

通过计算行数和矩阵值可以很方便的写出：

for row := range screen {
	for column := range screen[row] {
		screen[row][column] = 1
	}
}

切片重组 reslice

切片创建的时候通常比相关数组长度小，这么做的好处是切片在达到容量上限之后可以进行扩容，改变切片长度的过程称之为切片重组，用法：

slice1 = slice1[0 : end]

切片可以反复拓展至占据整个相关数组

切片的复制和追加

如果想增加切片的容量，我们必须创建一个新的更大的切片并把原分片的内容都拷贝过来。下面的代码描述了从拷贝切片的 copy 函数和向切片追加新元素的 append() 函数：

func copy(dst, src []T) int 方法将类型为 T 的切片从源地址 src 拷贝到目标地址 dst，覆盖 dst 的相关元素，并且返回拷贝的元素个数。源地址和目标地址可能会有重叠。拷贝个数是 src 和 dst 的长度最小值。如果 src 是字符串那么元素类型就是 byte。如果你还想继续使用 src，在拷贝结束后执行 src = dst：

slFrom := []int{1, 2, 3}
slTo := make([]int, 10)
n := copy(slTo, slFrom)

func append(s[]T, x ...T) []T 其中 append() 方法将 0 个或多个具有相同类型 s 的元素追加到切片后面并且返回新的切片；追加的元素必须和原切片的元素是同类型。

如果 s 的容量不足以存储新增元素，append() 会分配新的切片来保证已有切片元素和新增元素的存储。因此，返回的切片可能已经指向一个不同的相关数组了。append() 方法总是返回成功，除非系统内存耗尽了。

sl3 := []int{1, 2, 3}
sl3 = append(sl3, 4, 5, 6)

如果你想将切片 y 追加到切片 x 后面，只要将第二个参数扩展成一个列表即可：x = append(x, y...)。

注意： append() 在大多数情况下很好用，但是如果你想完全掌控整个追加过程，你可以实现一个这样的 AppendByte() 方法：

func AppendByte(slice []byte, data ...byte) []byte {
	m := len(slice)
	n := m + len(data)
	if n > cap(slice) { // if necessary, reallocate
		// allocate double what's needed, for future growth.
		newSlice := make([]byte, (n+1)*2)
		copy(newSlice, slice)
		slice = newSlice
	}
	slice = slice[0:n]
	copy(slice[m:n], data)
	return slice
}

字符串、数组和切片的应用

假设 s 是一个字符串（本质上是一个字节数组），那么就可以直接通过 c := []byte(s) 来获取一个字节的切片 c 。另外，您还可以通过 copy() 函数来达到相同的目的：copy(dst []byte, src string)：

func main() {
	s := "\u00ff\u754c"
	for i, c := range s {
		fmt.Printf("\n%d: %c", i, c)
	}
}

输出：

我们知道，Unicode 字符会占用 2 个字节，有些甚至需要 3 个或者 4 个字节来进行表示。如果发现错误的 UTF8 字符，则该字符会被设置为 U+FFFD （�）来代替它。这是一个特殊字符，表示无效的Unicode字符；并且索引向前移动一个字节。

和字符串转换一样，同样可以使用 c := []int32(s) 语法，这样切片中的每个 int 都会包含对应的 Unicode 代码，因为字符串中的每次字符都会对应一个整数

也可以将字符串转换为元素类型为 rune 的切片：r := []rune(s)，其中每个rune表示字符串中的一个Unicode字符。这可以通过将字符串转换为[]rune来实现。

可以通过代码 len([]int32(s)) 来获得字符串中字符的数量，但使用 utf8.RuneCountInString(s) 效率会更高一点

获取字符串的某一部分

使用

substr := str[start:end]

可以从字符串 str 获取到从索引 start 开始到 end-1 位置的子字符串。同样的：

str[start:]

则表示获取从 start 开始到 len(str)-1 位置的子字符串。而 str[:end] 表示获取从 0 开始到 end-1 的子字符串。

字符串和切片的内存结构

在内存中，一个字符串实际上是一个双字结构，即一个指向实际数据的指针和记录字符串长度的整数。因为指针对用户来说是完全不可见，因此我们可以依旧把字符串看做是一个值类型，也就是一个字符数组。

字符串的底层内存是只读的，因此多个字符串可以共享相同的字节数组，这有助于节省内存。

字符串 string s = "hello" 和子字符串 t = s[2:3] 在内存中的结构可以用下图表示：

切片是可变的数据类型，在内存中包含一个指向底层数据的指针、长度和容量

切片的内容是底层数组的一部分，可以通过索引来读取或修改切片的元素。

切片支持动态调整长度和容量，通过 append() 函数可以增加切片的长度，但可能会分配新的底层数组。

总结：

切片和字符串在内存结构上的主要区别在于，切片是一个引用类型，它引用底层的数组，而字符串是一个值类型，它是一个不可变的字节数组。这使得切片更适合用于处理动态数据集合，而字符串更适合用于不可变文本。理解这些区别对于有效地使用这两种数据类型非常重要

修改字符串中的某个字符

Go 语言中的字符串是不可变的，也就是说 str[index] 这样的表达式是不可以被放在等号左侧的。如果尝试运行 str[i] = 'D' 会得到错误：cannot assign to str[i]。

因此，您必须先将字符串转换成字节数组，然后再通过修改数组中的元素值来达到修改字符串的目的，最后将字节数组转换回字符串格式。

例如，将字符串 "hello" 转换为 "cello"：

s := "hello"
c := []byte(s)
c[0] = 'c'
s2 := string(c) // s2 == "cello"

注意：在需要频繁修改字符串的情况下，会有一些性能开销。如果只需要构建新的字符串，可以使用 + 运算符或 strings.Join() 等方法来构建新字符串而不修改原始字符串。

字节数组对比函数

下面的 Compare() 函数会返回两个字节数组字典顺序的整数对比结果，即 0 if a == b, -1 if a < b, 1 if a > b。

func Compare(a, b[]byte) int {
    for i:=0; i < len(a) && i < len(b); i++ {
        switch {
        case a[i] > b[i]:
            return 1
        case a[i] < b[i]:
            return -1
        }
    }
    // 数组的长度可能不同
    switch {
    case len(a) < len(b):
        return -1
    case len(a) > len(b):
        return 1
    }
    return 0 // 数组相等
}

搜索及排序切片和数组

标准库提供了 sort 包来实现常见的搜索和排序操作。您可以使用 sort 包中的函数 func Ints(a []int) 来实现对 int 类型的切片排序。例如 sort.Ints(arri)，其中变量 arri 就是需要被升序排序的数组或切片。为了检查某个数组是否已经被排序，可以通过函数 IntsAreSorted(a []int) bool 来检查，如果返回 true 则表示已经被排序。

类似的，可以使用函数 func Float64s(a []float64) 来排序 float64 的元素，或使用函数 func Strings(a []string) 排序字符串元素。

想要在数组或切片中搜索一个元素，该数组或切片必须先被排序（因为标准库的搜索算法使用的是二分法）。然后，您就可以使用函数 func SearchInts(a []int, n int) int 进行搜索，并返回对应结果的索引值。

当然，还可以搜索 float64 和字符串：

func SearchFloat64s(a []float64, x float64) int
func SearchStrings(a []string, x string) int

您可以通过查看 官方文档 来获取更详细的信息。

这就是如何使用 sort 包的方法，我们会在第 11.7 节 对它的细节进行深入，并实现一个属于我们自己的版本。

append() 函数常见操作

我们在第 7.5 节提到的 append() 非常有用，它能够用于各种方面的操作：

1. 将切片 b 的元素追加到切片 a 之后：a = append(a, b...)

2. 复制切片 a 的元素到新的切片 b 上：

   b = make([]T, len(a))
   copy(b, a)
   

3. 删除位于索引 i 的元素：a = append(a[:i], a[i+1:]...)

4. 切除切片 a 中从索引 i 至 j 位置的元素：a = append(a[:i], a[j:]...)

5. 为切片 a 扩展 j 个元素长度：a = append(a, make([]T, j)...)

6. 在索引 i 的位置插入元素 x：a = append(a[:i], append([]T{x}, a[i:]...)...)

7. 在索引 i 的位置插入长度为 j 的新切片：a = append(a[:i], append(make([]T, j), a[i:]...)...)

8. 在索引 i 的位置插入切片 b 的所有元素：a = append(a[:i], append(b, a[i:]...)...)

9. 取出位于切片 a 最末尾的元素 x：x, a = a[len(a)-1], a[:len(a)-1]

10. 将元素 x 追加到切片 a：a = append(a, x)

因此，您可以使用切片和 append() 操作来表示任意可变长度的序列。

从数学的角度来看，切片相当于向量，如果需要的话可以定义一个向量作为切片的别名来进行操作。

如果您需要更加完整的方案，可以学习一下 Eleanor McHugh 编写的几个包：slices、chain 和 lists。

切片和垃圾回收

切片的底层指向一个数组，该数组的实际容量可能要大于切片所定义的容量。只有在没有任何切片指向的时候，底层的数组内存才会被释放，这种特性有时会导致程序占用多余的内存。

函数 FindDigits() 将一个文件加载到内存，然后搜索其中所有的数字并返回一个切片：

var digitRegexp = regexp.MustCompile("[0-9]+")

func FindDigits(filename string) []byte {
    b, _ := ioutil.ReadFile(filename)
    return digitRegexp.Find(b)
}

这段代码可以顺利运行，但返回的 []byte 指向的底层是整个文件的数据。只要该返回的切片不被释放，垃圾回收器就不能释放整个文件所占用的内存。换句话说，一点点有用的数据却占用了整个文件的内存。

想要避免这个问题，可以通过拷贝我们需要的部分到一个新的切片中：

func FindDigits(filename string) []byte {
   b, _ := ioutil.ReadFile(filename)
   b = digitRegexp.Find(b)
   c := make([]byte, len(b))
   copy(c, b)
   return c
}

事实上，上面这段代码只能找到第一个匹配正则表达式的数字串。要想找到所有的数字，可以尝试下面这段代码：

func FindFileDigits(filename string) []byte {
   fileBytes, _ := ioutil.ReadFile(filename)
   b := digitRegexp.FindAll(fileBytes, len(fileBytes))
   c := make([]byte, 0)
   for _, bytes := range b {
      c = append(c, bytes...)
   }
   return c
}

是的，底层的数组内存在没有任何切片指向时才会被释放。在 Go 中，切片是对底层数组的引用，它们包括一个指向数组的指针、长度和容量。底层数组的内存只有在没有任何切片引用时才会被回收。

这是因为 Go 的垃圾回收机制（Garbage Collection）负责管理内存，它会跟踪对象（包括切片和底层数组），并在这些对象不再被引用时将它们标记为垃圾，最终释放它们占用的内存。

当没有任何切片指向底层数组时，底层数组就变成不可达的对象，即没有引用指向它。在下一次垃圾回收周期时，底层数组的内存将被释放，以便重用或返回给操作系统。这有助于Go应用程序有效地管理内存。

这也意味着在某些情况下，即使你不再使用切片，底层数组的内存也可能不会立即被释放，因为垃圾回收的时机是由Go运行时系统控制的。如果需要确保内存立即被释放，可以使用 runtime.GC() 强制进行垃圾回收，但这在一般情况下是不推荐的，因为Go的垃圾回收机制通常会在合适的时机进行内存回收。