go1.17 slice扩容机制源码剖析详解
go1.17 slice扩容机制源码剖析详解
扩容问题
按照一般的说法，执行下面的代码，扩容状态是
在容量大于1024之后每次增加原来的四分之一，如下图
func Int64Grow() {
intSlice := make([]int64,0)
lastCap,nowCap := 0,0
fmt.Printf("%10v %10v %10v \n","nowIdx","lastCap","nowCap")
for i := 1 ;i < 3000 ; i++ {
intSlice = append(intSlice,int64(i))
nowCap = cap(intSlice)
if lastCap != nowCap {
fmt.Printf("%10d %10d %10d\n",i,len(intSlice),nowCap)
lastCap = nowCap
}
}
}
但真实的执行效果，却是下面这样的
把切片的类型换成int32,又成了如下结果
上图中在切片容量的大小都是大于1024之后出现了问题，
网上也没有说明白，还是自己看一下源码
slice定义
type slice struct {
array unsafe.Pointer
len int
cap int
}
make 一个 Slice
使用两层嵌套的if进行len和cap的范围检查
检查范围正常后申请一段内存并返回，否则panic
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 MulUintptr(a, b uintptr) (uintptr, bool)的主要作用就是防止溢出
uintptr 类型的返回值，返回ab的乘积
bool 类型的值表示a * b 是否溢出
// MulUintptr returns a * b and whether the multiplication overflowed.
// On supported platforms this is an intrinsic lowered by the compiler.
func MulUintptr(a, b uintptr) (uintptr, bool) {
if a|b < 1<<(4*sys.PtrSize) || a == 0 {
return a * b, false
}
overflow := b > MaxUintptr/a
return a * b, overflow
}
扩容函数
内容都在注释中
// growslice handles slice growth during append.
// It is passed the slice element type, the old slice, and the desired new minimum capacity,
// and it returns a new slice with at least that capacity, with the old data
// copied into it.
// The new slice's length is set to the old slice's length,
// NOT to the new requested capacity.
// This is for codegen convenience. The old slice's length is used immediately
// to calculate where to write new values during an append.
// TODO: When the old backend is gone, reconsider this decision.
// The SSA backend might prefer the new length or to return only ptr/cap and save stack space.
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
// 与切片容量没有绝对联系的代码暂时注释掉，不做讨论
// if raceenabled {
// callerpc := getcallerpc()
// racereadrangepc(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)), callerpc, funcPC(growslice))
// }
// if msanenabled {
// msanread(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)))
// }
if cap < old.cap {
panic(errorString("growslice: cap out of range"))
}
// if et.size == 0 {
// append should not create a slice with nil pointer but non-zero len.
// We assume that append doesn't need to preserve old.array in this case.
// return slice{unsafe.Pointer(&zerobase), old.len, cap}
// }
// 初始化新容量
newcap := old.cap
// 初始化原来的两倍容量
doublecap := newcap + newcap
if cap > doublecap {
// 如果新容量大于 2 倍的旧容量，newcap就是新容量
newcap = cap
} else {
// 如果原来的容量小于1024，则按照两倍进行扩容
if old.cap < 1024 {
newcap = doublecap
} else {
// newcap从旧容量开始循环增加原来的 1/4 , 直到newcap大于等于新申请的容量。
// Check 0 < newcap to detect overflow
// and prevent an infinite loop.
for 0 < newcap && newcap < cap {
newcap += newcap / 4
}
// 这种情况表明 newcap 溢出了，则newcap就是新申请容量。
// Set newcap to the requested cap when
// the newcap calculation overflowed.
if newcap <= 0 {
newcap = cap
}
}
}
// overflow,lenmem,newlenmem 与内存的申请有关，与切片容量没有绝对联系，下面都注释掉，不做讨论
// var overflow bool
var /*lenmem, newlenmem,*/ capmem uintptr
//
// Specialize for common values of et.size.
// For 1 we don't need any division/multiplication.
// For sys.PtrSize, compiler will optimize division/multiplication into a shift by a constant.
// For powers of 2, use a variable shift.
switch {
// 类型的大小是1个字节
case et.size == 1:
// lenmem = uintptr(old.len)
// newlenmem = uintptr(cap)
// 将新容量向上取整
capmem = roundupsize(uintptr(newcap))
// 如果 newcap 大于maxAlloc则表明溢出
// overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc
// 获取计算后的新容量
newcap = int(capmem)
// 类型的大小是8个字节
case et.size == sys.PtrSize:
// 关于sys.PtrSize，粘贴一小段源码，以下三行来自：{GOROOT}\src\runtime\internal\sys\arch.go
// // PtrSize is the size of a pointer in bytes - unsafe.Sizeof(uintptr(0)) but as an ideal constant.
// // It is also the size of the machine's native word size (that is, 4 on 32-bit systems, 8 on 64-bit).
// const PtrSize = 4 << (^uintptr(0) >> 63)
// 综上所述，sys.PtrSize应该代表了指针类型，
// 因为指针类型是8个字节，也是2的幂，所以要先判断是不是指针类型或是不是和指针类型的大小一样
// lenmem = uintptr(old.len) * sys.PtrSize
// newlenmem = uintptr(cap) * sys.PtrSize
// 将新容量乘以指针的大小并向上取整
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * sys.PtrSize)
// 判断是否溢出，同上
// overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc/sys.PtrSize
newcap = int(capmem / sys.PtrSize)
case isPowerOfTwo(et.size):
// 不是指针类型但类型大小还是2的倍数
var shift uintptr
// 如果指针的大小是8则表明是64位系统否则是32位
if sys.PtrSize == 8 {
// 计算这个表示类型的大小的数字的末尾有多少个0
// 例如：现在类型是int32 ,4个字节，64位的系统，将会执行下面这个函数
// 因为4->000000100,所以末尾有2个0，shift也就是2
// 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)
}
// 下面这一段注释，主要是除了capmem > maxAlloc之外，还需要检查溢出 ，防止可能被用来触发段错误
// The check of overflow in addition to capmem > maxAlloc is needed
// to prevent an overflow which can be used to trigger a segfault
// on 32bit architectures with this example program:
//
// type T [1<<27 + 1]int64
//
// var d T
// var s []T
//
// func main() {
// s = append(s, d, d, d, d)
// print(len(s), "\n")
// }
// if overflow || capmem > maxAlloc {
// panic(errorString("growslice: cap out of range"))
// }
// 与编译器和GC有关、与申请内存时切片所使用的内存长度有关、与切片容量无关，暂不做讨论，自行翻译
// var p unsafe.Pointer
// 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-et.size+et.ptrdata)
// }
// }
// memmove(p, old.array, lenmem)
//
// return slice{p, old.len, newcap}
}
- 内存对齐函数
func roundupsize(size uintptr) uintptr - 把给定的大小扩大到更合适的大小且是8的倍数，下面就简称向上取整
- 它的作用不只是内存对齐，
// Returns size of the memory block that mallocgc will allocate if you ask for the size.
func roundupsize(size uintptr) uintptr {
if size < _MaxSmallSize {
if size <= smallSizeMax-8 {
return uintptr(class_to_size[size_to_class8[divRoundUp(size, smallSizeDiv)]])
} else {
return uintptr(class_to_size[size_to_class128[divRoundUp(size-smallSizeMax, largeSizeDiv)]])
}
}
if size+_PageSize < size {
return size
}
return alignUp(size, _PageSize)
}
使用到了两个数组 class_to_size·数组和size_to_class128所在的文件({GOROOT}\src\runtime\sizeclasses.go)下,是一个很长的数组
const (
_MaxSmallSize = 32768
smallSizeDiv = 8
smallSizeMax = 1024
largeSizeDiv = 128
_NumSizeClasses = 68
_PageShift = 13
)
var class_to_size = [_NumSizeClasses]uint16{0, 8, 16, 24, 32, 48, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160, 176, 192, 208, 224, 240, 256, 288, 320, 352, 384, 416, 448, 480, 512, 576, 640, 704, 768, 896, 1024, 1152, 1280, 1408, 1536, 1792, 2048, 2304, 2688, 3072, 3200, 3456, 4096, 4864, 5376, 6144, 6528, 6784, 6912, 8192, 9472, 9728, 10240, 10880, 12288, 13568, 14336, 16384, 18432, 19072, 20480, 21760, 24576, 27264, 28672, 32768}
var class_to_allocnpages = [_NumSizeClasses]uint8{0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 3, 2, 3, 1, 3, 2, 3, 4, 5, 6, 1, 7, 6, 5, 4, 3, 5, 7, 2, 9, 7, 5, 8, 3, 10, 7, 4}
var class_to_divmagic = [_NumSizeClasses]uint32{0, ^uint32(0)/8 + 1, ^uint32(0)/16 + 1, ^uint32(0)/24 + 1, ^uint32(0)/32 + 1, ^uint32(0)/48 + 1, ^uint32(0)/64 + 1, ^uint32(0)/80 + 1, ^uint32(0)/96 + 1, ^uint32(0)/112 + 1, ^uint32(0)/128 + 1, ^uint32(0)/144 + 1, ^uint32(0)/160 + 1, ^uint32(0)/176 + 1, ^uint32(0)/192 + 1, ^uint32(0)/208 + 1, ^uint32(0)/224 + 1, ^uint32(0)/240 + 1, ^uint32(0)/256 + 1, ^uint32(0)/288 + 1, ^uint32(0)/320 + 1, ^uint32(0)/352 + 1, ^uint32(0)/384 + 1, ^uint32(0)/416 + 1, ^uint32(0)/448 + 1, ^uint32(0)/480 + 1, ^uint32(0)/512 + 1, ^uint32(0)/576 + 1, ^uint32(0)/640 + 1, ^uint32(0)/704 + 1, ^uint32(0)/768 + 1, ^uint32(0)/896 + 1, ^uint32(0)/1024 + 1, ^uint32(0)/1152 + 1, ^uint32(0)/1280 + 1, ^uint32(0)/1408 + 1, ^uint32(0)/1536 + 1, ^uint32(0)/1792 + 1, ^uint32(0)/2048 + 1, ^uint32(0)/2304 + 1, ^uint32(0)/2688 + 1, ^uint32(0)/3072 + 1, ^uint32(0)/3200 + 1, ^uint32(0)/3456 + 1, ^uint32(0)/4096 + 1, ^uint32(0)/4864 + 1, ^uint32(0)/5376 + 1, ^uint32(0)/6144 + 1, ^uint32(0)/6528 + 1, ^uint32(0)/6784 + 1, ^uint32(0)/6912 + 1, ^uint32(0)/8192 + 1, ^uint32(0)/9472 + 1, ^uint32(0)/9728 + 1, ^uint32(0)/10240 + 1, ^uint32(0)/10880 + 1, ^uint32(0)/12288 + 1, ^uint32(0)/13568 + 1, ^uint32(0)/14336 + 1, ^uint32(0)/16384 + 1, ^uint32(0)/18432 + 1, ^uint32(0)/19072 + 1, ^uint32(0)/20480 + 1, ^uint32(0)/21760 + 1, ^uint32(0)/24576 + 1, ^uint32(0)/27264 + 1, ^uint32(0)/28672 + 1, ^uint32(0)/32768 + 1}
var size_to_class8 = [smallSizeMax/smallSizeDiv + 1]uint8{0, 1, 2, 3, 4, 5, 5, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 12, 12, 13, 13, 14, 14, 15, 15, 16, 16, 17, 17, 18, 18, 19, 19, 19, 19, 20, 20, 20, 20, 21, 21, 21, 21, 22, 22, 22, 22, 23, 23, 23, 23, 24, 24, 24, 24, 25, 25, 25, 25, 26, 26, 26, 26, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32}
var size_to_class128 = [(_MaxSmallSize-smallSizeMax)/largeSizeDiv + 1]uint8{32, 33, 34, 35, 36, 37, 37, 38, 38, 39, 39, 40, 40, 40, 41, 41, 41, 42, 43, 43, 44, 44, 44, 44, 44, 45, 45, 45, 45, 45, 45, 46, 46, 46, 46, 47, 47, 47, 47, 47, 47, 48, 48, 48, 49, 49, 50, 51, 51, 51, 51, 51, 51, 51, 51, 51, 51, 52, 52, 52, 52, 52, 52, 52, 52, 52, 52, 53, 53, 54, 54, 54, 54, 55, 55, 55, 55, 55, 56, 56, 56, 56, 56, 56, 56, 56, 56, 56, 56, 57, 57, 57, 57, 57, 57, 57, 57, 57, 57, 58, 58, 58, 58, 58, 58, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 59, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 60, 61, 61, 61, 61, 61, 62, 62, 62, 62, 62, 62, 62, 62, 62, 62, 62, 63, 63, 63, 63, 63, 63, 63, 63, 63, 63, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 64, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 65, 66, 66, 66, 66, 66, 66, 66, 66, 66, 66, 66, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67, 67}
divRoundUp(n, a uintptr) uintptr函数在({GOROOT}\src\runtime\subs.go)中
// divRoundUp returns ceil(n / a).
func divRoundUp(n, a uintptr) uintptr {
// a is generally a power of two. This will get inlined and
// the compiler will optimize the division.
return (n + a - 1) / a
}
对扩容函数分析后的总结
以上代码总结一下：
在switch语句之前：
首先判断，如果newcap大于 2 倍的旧容量，接下来就使用newcap。
否则判断，如果旧切片的长度小于 1024，则newcap就是旧容量的两倍。
否则判断，如果旧切片长度大于等于 1024，则newcap从旧容量开始循环增加原来的 1/4 , 直到newcap大于等于新申请的容量。
如果newcap计算值溢出，接下来就使用newcap。
switch中：
-
一个类型大小，如果是1，
- 那么它最终的容量是经过
func roundupsize(size uintptr) uintptr函数向上取整
- 那么它最终的容量是经过
-
如果一个类型大小是8：
- 它的最终容量就是在switch之前的计算所得到的容量大小乘以8，得到所需内存长度，
- 再将内存长度
roundupsize(size uintptr)向上取整之后的值除以8（相当于将容量向上取整之后再还原）
-
一个非零字节大小类型、它的字节长度既不是1、又不是8（机器的指针类型），而且是二的倍数：
- 计算该类型所占字节大小的二进制尾部0的个数(记作shift)
- 再将switch之前的已经计算好的新容量，向左位移shift位，并向上对8取整,（以获得新容量所需要内存的字节长度）
- 最终的切片容量大小是：得新容量所需要内存的字节长度 右移 shift位的值
-
如果以上都不符合：
- 它的最终容量就是在switch之前的计算所得到的容量大小乘以它的类型大小，得到所需内存长度，并其大小判断是否溢出
- 在向上取整后除以它的类型大小
猜测：switch语句块的作用可能是根据不同的类型大小计算合适的内存大小，再转换成实际的容量
为什么要这样做，这样会不会造成内存浪费？
我们可以想一想，go的开发者们肯定也会想到这些，所以，我们还是去源码中找找答案
在func roundupsize(size uintptr) uintptr函数中，使用到了两个数组 class_to_size·数组和size_to_class128
我们跳转到其所在的文件，所在的文件({GOROOT}\src\runtime\sizeclasses.go)下，
有这两个数组以及其他别的地方用到的数组的声明信息，还有go官方
文件头部的注释有一个各种类型大小与内存的关系的表,这个表很长，如下图(只截取一部分)
可以初步得到结论，现在这种情况是go开发人员经过分析后得出的。
但是文件的第一行有这样一行注释：
// Code generated by mksizeclasses.go; DO NOT EDIT.
这说明了我们需要找到mksizeclasses.go中去看看
在mksizeclasses.go中映入眼帘的注释给了我们答案
有道翻译：
为小的malloc大小的类生成表。
看到malloc。 概述。
选择size类是为了舍入分配
请求到下一个大小的类最多浪费12.5% (1.125x)。
每个size类都有自己分配的页数
当需要size类的新对象时，将其切碎。
这个页数是被选择的，这样就可以分割
进入给定大小的对象的页面最多浪费12.5% (1.125x)
的内存。 这里的边界没有必要是
同上。
这两种浪费源成倍增加，这是最坏的情况
对于上述的限制将是一些拨款
大小可能有26.6% (1.266x)的开销。
在实践中，只有一种浪费对一个
给定大小(大小< 512主要是在汇总中浪费，
大小> 512浪费主要在页面切割)。
对于非常小的尺寸，对齐约束强制
开销更高。
- ok，问题解决