Golang笔记——切片与数组

大家好，这里是Good Note，关注 公主号：Goodnote，专栏文章私信限时Free。本文详细介绍Golang的切片与数组，包括他们的联系，区别，底层实现和使用注意事项等。

数组与切片的异同

相同之处

• 集合类型：数组和切片均属于集合类类型，其值均可用于存储某一种类型的元素。
• 内存布局：在内存中，数组和切片的元素存储是连续分配的。
• 访问方式：两者都可以通过下标来访问单个元素。

区别

• 数组：

  • 数组的长度是固定的，必须在声明时指定，且之后无法改变。
  • 数组的长度是其类型的一部分，例如 [3]int 和 [4]int 是不同的类型。
  • 由于长度固定，数组在实际开发中使用较少。

• 切片：

  • 切片更加灵活，是数组的封装和增强。
  • 切片的长度可变，其类型字面量中只有元素类型，没有长度（可通过 make 函数初始化时指定长度和容量）。
  • 切片的长度可随着添加元素而动态增长，但不会因移除元素而减少（直到没有引用时垃圾回收机制才会释放）。

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切片（Slice）源码解析

切片的长度和容量均可动态扩展，其底层结构如下：

type slice struct {
    array unsafe.Pointer // 指向切片中第一个元素的地址
    len   int            // 切片长度
    cap   int            // 切片容量
}

• array：指向底层数组的内存地址。
• len（长度）：返回集合中的元素数量。切片中实际包含的元素数量，必须小于等于 cap。
• cap（容量）：返回切片的最大长度（当重新切片时可达到的长度）。从切片第一个元素到底层数组末尾元素的最大可用空间。

Go 源码中 len() 和 cap() 定义

len() 示例定义：

// The len built-in function returns the length of v, according to its type:

// Array: the number of elements in v.

// Pointer to array: the number of elements in *v (even if v is nil).

// Slice, or map: the number of elements in v; if v is nil, len(v) is zero.

// String: the number of bytes in v.

// Channel: the number of elements queued (unread) in the channel buffer;

//          if v is nil, len(v) is zero.

// For some arguments, such as a string literal or a simple array expression, the

// result can be a constant. See the Go language specification's "Length and

// capacity" section for details.

func len(v Type) int

描述：

• 数组：返回数组中元素数量。
• 指针数组：返回指向数组的元素数量。
• 切片或map：返回元素数量（若切片为 nil，长度为 0）。
• 字符串：返回字节长度。
• 通道：返回缓冲区中未读取的元素数量（若通道为 nil，长度为 0）。

cap() 示例定义：

// The cap built-in function returns the capacity of v, according to its type:

// Array: the number of elements in v (same as len(v)).

// Pointer to array: the number of elements in *v (same as len(v)).

// Slice: the maximum length the slice can reach when resliced;

// if v is nil, cap(v) is zero.

// Channel: the channel buffer capacity, in units of elements;

// if v is nil, cap(v) is zero.

// For some arguments, such as a simple array expression, the result can be a

// constant. See the Go language specification's "Length and capacity" section for

// details.

func cap(v Type) int

描述：

• 数组：返回元素数量（与 len() 一致）。
• 指针数组：返回指向数组的元素数量。
• 切片：返回可达的最大长度（若切片为 nil，容量为 0）。
• 通道：返回缓冲区的最大容量。

注意：map没有cap()。

长度与容量示例

func main() {
    a := []int{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
    fmt.Println(len(a), cap(a)) // 输出: 10 10

    b := a[3:4]
    fmt.Println(len(b), cap(b)) // 输出: 1 7
}

解释：

• len(b) 为切片长度，即 4-3=1。
• cap(b) 为切片容量，即从索引 3 开始，直到底层数组末尾的元素数，即 10-3=7。

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append() 函数

• append 函数的原型：

  func append(slice []Type, elems ...Type) []Type
  

  • 支持可变参数，可追加多个值。
  • 可使用 ... 直接追加另一个 slice。

• 调用规则：

  • append 函数返回新的 slice，必须使用返回值，未使用返回值的调用会编译失败。一般会使用原变量赋值。

• append() 用于向切片添加元素或合并两个切片，行为如下：

  1. 容量足够：
     • 直接在原底层数组后追加元素，返回的切片与原切片共享底层数组。
     • 此时，原切片的值会发生变化。
  2. 容量不足：
     • 创建一个新的底层数组，将原切片的数据复制到新数组，再追加元素。
     • 此时，原切片不会变化。

面试考点：

• 如果多个切片共享一个底层数组，append 超出容量时，切片迁移到新内存，其他切片仍指向旧底层数组。
• 示例：

  s := []int{1, 2, 3}
  x := append(s, 4) // 底层数组有剩余空间，不迁移
  y := append(s, 5) // 底层数组已满，迁移到新内存
  fmt.Println(s, x, y) // 输出: [1 2 3] [1 2 3 4] [1 2 3 5]
  

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Go 切片扩容机制

基本原理

• 使用 append() 向切片追加元素时，如果底层数组容量不足，切片会迁移到新的内存位置。
• 扩容过程：
  1. 在底层数组追加元素。
  2. 若容量不足，创建新数组并迁移原数据。
  3. 新切片预留一定容量 buffer，以降低未来迁移成本。

那么这个buffer会预留多少呢？

扩容策略（依据 Go 版本）

• Go 1.18 之前：

  1. 新容量 > 旧容量的 2 倍：直接将新容量作为扩容后的容量。
  2. 旧容量 < 1024：扩容后容量为旧容量的 2 倍。
  3. 旧容量 ≥ 1024：每次增加旧容量的 1/4，直到满足 newcap >= cap。
  4. 溢出检查：若容量cap计算值溢出，最终容量直接设置为新申请容量。

• Go 1.18 及之后：

  1. 原容量 < 256：新容量为原容量的 2 倍。
  2. 原容量 ≥ 256：

     newcap = oldcap + (oldcap + 3*256)/4
     

  3. 内存对齐：最终容量经过内存对齐处理（如 8 字节倍数），可能略大于计算值。例如：

       s := make([]int, 2, 2)
       s = append(s, 4, 5, 6)
       fmt.Printf("len=%d, cap=%d\n", len(s), cap(s)) // 输出: len=5, cap=6
     

扩容源码解析

• 函数调用：append 会调用 growslice 完成扩容。
• 内存分配：
  • 计算新容量 newcap。
  • 调用 roundupsize 函数完成内存对齐。
  • 分配新内存，将旧数据复制到新数组，追加新元素。
• 扩容后的特性：
  • 长度（len）：仅增加到实际元素数量。
  • 容量（cap）：扩容后值变大，满足未来可能的 append 操作。

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常见误区

1. 未使用 append 返回值：

   • 忘记更新切片引用会导致数据未正确扩容。

   s := []int{1, 2}
   append(s, 3) // 错误，未保存返回值
   fmt.Println(s) // 输出: [1 2]
   

2. 忽略内存对齐影响：

   • 假设容量完全等于理论计算值，未考虑内存对齐可能导致实际值略大。

3. 未意识到 append 返回新切片：

   • 原切片数据可能未被更新。

建议

为了避免意外修改原切片数据，可以通过切片的第三个索引限制容量，从而强制触发新底层数组的创建。例如：

a := []int{1, 2, 3, 4}
b := a[:2:2] // 限制长度和容量相等
b = append(b, 5) // 生成新的切片，原切片 a 不受影响

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切片作为函数参数传递

• 多个切片共享底层数组，所以作为函数参数传递需要特别注意：不同的切片可能同时指向同一个底层数组，因此对其中一个切片的操作可能影响到其他切片。

• 作为函数参数：

  • 切片本质是一个结构体。当切片作为函数参数传递时，切片本身是按值传递的：
    1. 直接传切片：按值传递切片结构体
       当切片作为函数参数传递时，传递的是切片结构体的值（包括指向底层数组的指针）。
       • 对切片本身（结构体字段如 len、cap）的修改不会影响调用者的切片，因为传递的是结构体的副本。
       • 对切片底层数组的修改会影响调用者的切片，因为底层数组是共享的。
    2. 传递切片指针：按值传递切片结构体的指针
       当切片的指针传递到函数时，函数可以直接修改调用者的切片结构体本身（例如修改 len 和 cap），并且仍然可以修改底层数组。
  • 函数参数无论是直接传递切片还是传递切片的指针，底层数组的值都可能会被改变，因为底层数组是通过指针访问的。是否改变底层数组，应该看容量是否足够，和append() 函数与原数组变化问题一样。

  示例：

  func modifySlice(s []int) {
      s[0] = 42 // 修改底层数组
  }
  func main() {
      nums := []int{1, 2, 3}
      modifySlice(nums)
      fmt.Println(nums) // 输出: [42, 2, 3]
  }
  

• Go 的参数传递：

  • Go 语言中只有值传递，没有引用传递。即使传递切片，也是将切片的结构体副本传入。
  • 通过切片的 array 字段（底层数组指针），可以操作底层数组的值，从而间接修改原始数据。

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