深入解析 Go 中 Slice 底层实现
Indiana45P
7年前
<p><img src="https://simg.open-open.com/show/5407ce3c62287215deb7ac3516f24699.jpg"></p> <p>切片是 Go 中的一种基本的数据结构，使用这种结构可以用来管理数据集合。切片的设计想法是由动态数组概念而来，为了开发者可以更加方便的使一个数据结构可以自动增加和减少。但是切片本身并不是动态数据或者数组指针。切片常见的操作有 reslice、append、copy。与此同时，切片还具有可索引，可迭代的优秀特性。</p> <h2>一. 切片和数组</h2> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/14029ff2ad366f870452ae60a2bb311e.png"></p> <p>关于切片和数组怎么选择？接下来好好讨论讨论这个问题。</p> <p>在 Go 中，与 C 数组变量隐式作为指针使用不同，Go 数组是值类型，赋值和函数传参操作都会复制整个数组数据。</p> <pre> <code class="language-go">func main() { arrayA := [2]int{100, 200} var arrayB [2]int arrayB = arrayA fmt.Printf("arrayA : %p , %v\n", &arrayA, arrayA) fmt.Printf("arrayB : %p , %v\n", &arrayB, arrayB) testArray(arrayA) } func testArray(x [2]int) { fmt.Printf("func Array : %p , %v\n", &x, x) }</code></pre> <p>打印结果：</p> <pre> <code class="language-go">arrayA : 0xc4200bebf0 , [100 200] arrayB : 0xc4200bec00 , [100 200] func Array : 0xc4200bec30 , [100 200]</code></pre> <p>可以看到，三个内存地址都不同，这也就验证了 Go 中数组赋值和函数传参都是值复制的。那这会导致什么问题呢？</p> <p>假想每次传参都用数组，那么每次数组都要被复制一遍。如果数组大小有 100万，在64位机器上就需要花费大约 800W 字节，即 8MB 内存。这样会消耗掉大量的内存。于是乎有人想到，函数传参用数组的指针。</p> <pre> <code class="language-go">func main() { arrayA := []int{100, 200} testArrayPoint(&arrayA) // 1.传数组指针 arrayB := arrayA[:] testArrayPoint(&arrayB) // 2.传切片 fmt.Printf("arrayA : %p , %v\n", &arrayA, arrayA) } func testArrayPoint(x *[]int) { fmt.Printf("func Array : %p , %v\n", x, *x) (*x)[1] += 100 }</code></pre> <p>打印结果：</p> <pre> <code class="language-go">func Array : 0xc4200b0140 , [100 200] func Array : 0xc4200b0180 , [100 300] arrayA : 0xc4200b0140 , [100 400]</code></pre> <p>这也就证明了数组指针确实到达了我们想要的效果。现在就算是传入10亿的数组，也只需要再栈上分配一个8个字节的内存给指针就可以了。这样更加高效的利用内存，性能也比之前的好。</p> <p>不过传指针会有一个弊端，从打印结果可以看到，第一行和第三行指针地址都是同一个，万一原数组的指针指向更改了，那么函数里面的指针指向都会跟着更改。</p> <p>切片的优势也就表现出来了。用切片传数组参数，既可以达到节约内存的目的，也可以达到合理处理好共享内存的问题。打印结果第二行就是切片，切片的指针和原来数组的指针是不同的。</p> <p>由此我们可以得出结论：</p> <p>把第一个大数组传递给函数会消耗很多内存，采用切片的方式传参可以避免上述问题。切片是引用传递，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。</p> <p>但是，依旧有反例。</p> <pre> <code class="language-go">package main import "testing" func array() [1024]int { var x [1024]int for i := 0; i < len(x); i++ { x[i] = i } return x } func slice() []int { x := make([]int, 1024) for i := 0; i < len(x); i++ { x[i] = i } return x } func BenchmarkArray(b *testing.B) { for i := 0; i < b.N; i++ { array() } } func BenchmarkSlice(b *testing.B) { for i := 0; i < b.N; i++ { slice() } }</code></pre> <p>我们做一次性能测试，并且禁用内联和优化，来观察切片的堆上内存分配的情况。</p> <pre> <code class="language-go">go test -bench . -benchmem -gcflags "-N -l"</code></pre> <p>输出结果比较“令人意外”：</p> <pre> <code class="language-go">BenchmarkArray-4 500000 3637 ns/op 0 B/op 0 alloc s/op BenchmarkSlice-4 300000 4055 ns/op 8192 B/op 1 alloc s/op</code></pre> <p>解释一下上述结果，在测试 Array 的时候，用的是4核，循环次数是500000，平均每次执行时间是3637 ns，每次执行堆上分配内存总量是0，分配次数也是0 。</p> <p>而切片的结果就“差”一点，同样也是用的是4核，循环次数是300000，平均每次执行时间是4055 ns，但是每次执行一次，堆上分配内存总量是8192，分配次数也是1 。</p> <p>这样对比看来，并非所有时候都适合用切片代替数组，因为切片底层数组可能会在堆上分配内存，而且小数组在栈上拷贝的消耗也未必比 make 消耗大。</p> <h2>二. 切片的数据结构</h2> <p>切片本身并不是动态数组或者数组指针。它内部实现的数据结构通过指针引用底层数组，设定相关属性将数据读写操作限定在指定的区域内。 切片本身是一个只读对象，其工作机制类似数组指针的一种封装 。</p> <p>切片（slice）是对数组一个连续片段的引用，所以切片是一个引用类型（因此更类似于 C/C++ 中的数组类型，或者 Python 中的 list 类型）。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。切片提供了一个与指向数组的动态窗口。</p> <p>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。</p> <p>Slice 的数据结构定义如下:</p> <pre> <code class="language-go">type slice struct { array unsafe.Pointer len int cap int }</code></pre> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/338e5230e307ca99d3d2b55e8b1f9a99.png"></p> <p>切片的结构体由3部分构成，Pointer 是指向一个数组的指针，len 代表当前切片的长度，cap 是当前切片的容量。cap 总是大于等于 len 的。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/806cdc58342524bc309d8b5b19850453.png"></p> <p>如果想从 slice 中得到一块内存地址，可以这样做：</p> <pre> <code class="language-go">s := make([]byte, 200) ptr := unsafe.Pointer(&s[0])</code></pre> <p>如果反过来呢？从 Go 的内存地址中构造一个 slice。</p> <pre> <code class="language-go">var ptr unsafe.Pointer var s1 = struct { addr uintptr len int cap int }{ptr, length, length} s := *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s1))</code></pre> <p>构造一个虚拟的结构体，把 slice 的数据结构拼出来。</p> <p>当然还有更加直接的方法，在 Go 的反射中就存在一个与之对应的数据结构 SliceHeader，我们可以用它来构造一个 slice</p> <pre> <code class="language-go">var o []byte sliceHeader := (*reflect.SliceHeader)((unsafe.Pointer(&o))) sliceHeader.Cap = length sliceHeader.Len = length sliceHeader.Data = uintptr(ptr)</code></pre> <h2>三. 创建切片</h2> <p>make 函数允许在运行期动态指定数组长度，绕开了数组类型必须使用编译期常量的限制。</p> <p>创建切片有两种形式，make 创建切片，空切片。</p> <h3>1. make 和切片字面量</h3> <pre> <code class="language-go">func makeslice(et *_type, len, cap int) slice { // 根据切片的数据类型，获取切片的最大容量 maxElements := maxSliceCap(et.size) // 比较切片的长度，长度值域应该在[0,maxElements]之间 if len < 0 || uintptr(len) > maxElements { panic(errorString("makeslice: len out of range")) } // 比较切片的容量，容量值域应该在[len,maxElements]之间 if cap < len || uintptr(cap) > maxElements { panic(errorString("makeslice: cap out of range")) } // 根据切片的容量申请内存 p := mallocgc(et.size*uintptr(cap), et, true) // 返回申请好内存的切片的首地址 return slice{p, len, cap} }</code></pre> <p>还有一个 int64 的版本：</p> <pre> <code class="language-go">func makeslice64(et *_type, len64, cap64 int64) slice { len := int(len64) if int64(len) != len64 { panic(errorString("makeslice: len out of range")) } cap := int(cap64) if int64(cap) != cap64 { panic(errorString("makeslice: cap out of range")) } return makeslice(et, len, cap) }</code></pre> <p>实现原理和上面的是一样的，只不过多了把 int64 转换成 int 这一步罢了。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/3f125ff15b71ae961b26759824cd2fb7.png"></p> <p>上图是用 make 函数创建的一个 len = 4， cap = 6 的切片。内存空间申请了6个 int 类型的内存大小。由于 len = 4，所以后面2个暂时访问不到，但是容量还是在的。这时候数组里面每个变量都是0 。</p> <p>除了 make 函数可以创建切片以外，字面量也可以创建切片。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/a696f5406433e8fc0ee7c9f4f18b0020.png"></p> <p>这里是用字面量创建的一个 len = 6，cap = 6 的切片，这时候数组里面每个元素的值都初始化完成了。 需要注意的是 [ ] 里面不要写数组的容量，因为如果写了个数以后就是数组了，而不是切片了。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/337ee75057cf0c0d9d17402d27f6ec6c.png"></p> <p>还有一种简单的字面量创建切片的方法。如上图。上图就 Slice A 创建出了一个 len = 3，cap = 3 的切片。从原数组的第二位元素(0是第一位)开始切，一直切到第四位为止(不包括第五位)。同理，Slice B 创建出了一个 len = 2，cap = 4 的切片。</p> <h3>2. nil 和空切片</h3> <p>nil 切片和空切片也是常用的。</p> <pre> <code class="language-go">var slice []int</code></pre> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/fa2cdf8cf6d5c7ca5d702664e924aef7.png"></p> <p>nil 切片被用在很多标准库和内置函数中，描述一个不存在的切片的时候，就需要用到 nil 切片。比如函数在发生异常的时候，返回的切片就是 nil 切片。nil 切片的指针指向 nil。</p> <p>空切片一般会用来表示一个空的集合。比如数据库查询，一条结果也没有查到，那么就可以返回一个空切片。</p> <pre> <code class="language-go">silce := make( []int , 0 ) slice := []int{ }</code></pre> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/63254b41a87c75251e6c4ec173ae1180.png"></p> <p>空切片和 nil 切片的区别在于，空切片指向的地址不是nil，指向的是一个内存地址，但是它没有分配任何内存空间，即底层元素包含0个元素。</p> <p>最后需要说明的一点是。不管是使用 nil 切片还是空切片，对其调用内置函数 append，len 和 cap 的效果都是一样的。</p> <h2>四. 切片扩容</h2> <p>当一个切片的容量满了，就需要扩容了。怎么扩，策略是什么？</p> <pre> <code class="language-go">func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice { if raceenabled { callerpc := getcallerpc(unsafe.Pointer(&et)) racereadrangepc(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)), callerpc, funcPC(growslice)) } if msanenabled { msanread(old.array, uintptr(old.len*int(et.size))) } if et.size == 0 { // 如果新要扩容的容量比原来的容量还要小，这代表要缩容了，那么可以直接报panic了。 if cap < old.cap { panic(errorString("growslice: cap out of range")) } // 如果当前切片的大小为0，还调用了扩容方法，那么就新生成一个新的容量的切片返回。 return slice{unsafe.Pointer(&zerobase), old.len, cap} } // 这里就是扩容的策略 newcap := old.cap doublecap := newcap + newcap if cap > doublecap { newcap = cap } else { if old.len < 1024 { newcap = doublecap } else { for newcap < cap { newcap += newcap / 4 } } } // 计算新的切片的容量，长度。 var lenmem, newlenmem, capmem uintptr const ptrSize = unsafe.Sizeof((*byte)(nil)) switch et.size { case 1: lenmem = uintptr(old.len) newlenmem = uintptr(cap) capmem = roundupsize(uintptr(newcap)) newcap = int(capmem) case ptrSize: lenmem = uintptr(old.len) * ptrSize newlenmem = uintptr(cap) * ptrSize capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize) newcap = int(capmem / ptrSize) default: lenmem = uintptr(old.len) * et.size newlenmem = uintptr(cap) * et.size capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * et.size) newcap = int(capmem / et.size) } // 判断非法的值，保证容量是在增加，并且容量不超过最大容量 if cap < old.cap || uintptr(newcap) > maxSliceCap(et.size) { panic(errorString("growslice: cap out of range")) } var p unsafe.Pointer if et.kind&kindNoPointers != 0 { // 在老的切片后面继续扩充容量 p = mallocgc(capmem, nil, false) // 将 lenmem 这个多个 bytes 从 old.array地址 拷贝到 p 的地址处 memmove(p, old.array, lenmem) // 先将 P 地址加上新的容量得到新切片容量的地址，然后将新切片容量地址后面的 capmem-newlenmem 个 bytes 这块内存初始化。为之后继续 append() 操作腾出空间。 memclrNoHeapPointers(add(p, newlenmem), capmem-newlenmem) } else { // 重新申请新的数组给新切片 // 重新申请 capmen 这个大的内存地址，并且初始化为0值 p = mallocgc(capmem, et, true) if !writeBarrier.enabled { // 如果还不能打开写锁，那么只能把 lenmem 大小的 bytes 字节从 old.array 拷贝到 p 的地址处 memmove(p, old.array, lenmem) } else { // 循环拷贝老的切片的值 for i := uintptr(0); i < lenmem; i += et.size { typedmemmove(et, add(p, i), add(old.array, i)) } } } // 返回最终新切片，容量更新为最新扩容之后的容量 return slice{p, old.len, newcap} }</code></pre> <p>上述就是扩容的实现。主要需要关注的有两点，一个是扩容时候的策略，还有一个就是扩容是生成全新的内存地址还是在原来的地址后追加。</p> <p>1. 扩容策略</p> <p>先看看扩容策略。</p> <pre> <code class="language-go">func main() { slice := []int{10, 20, 30, 40} newSlice := append(slice, 50) fmt.Printf("Before slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", slice, &slice, len(slice), cap(slice)) fmt.Printf("Before newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice)) newSlice[1] += 10 fmt.Printf("After slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", slice, &slice, len(slice), cap(slice)) fmt.Printf("After newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice)) }</code></pre> <p>输出结果：</p> <pre> <code class="language-go">Before slice = [10 20 30 40], Pointer = 0xc4200b0140, len = 4, cap = 4 Before newSlice = [10 20 30 40 50], Pointer = 0xc4200b0180, len = 5, cap = 8 After slice = [10 20 30 40], Pointer = 0xc4200b0140, len = 4, cap = 4 After newSlice = [10 30 30 40 50], Pointer = 0xc4200b0180, len = 5, cap = 8</code></pre> <p>用图表示出上述过程。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/e7bdc4bbcbe9c69cf815f102712ac46f.png"></p> <p>从图上我们可以很容易的看出，新的切片和之前的切片已经不同了，因为新的切片更改了一个值，并没有影响到原来的数组，新切片指向的数组是一个全新的数组。并且 cap 容量也发生了变化。这之间究竟发生了什么呢？</p> <p>Go 中切片扩容的策略是这样的：</p> <p>如果切片的容量小于 1024 个元素，于是扩容的时候就翻倍增加容量。上面那个例子也验证了这一情况，总容量从原来的4个翻倍到现在的8个。</p> <p>一旦元素个数超过 1024 个元素，那么增长因子就变成 1.25 ，即每次增加原来容量的四分之一。</p> <p>注意：扩容扩大的容量都是针对原来的容量而言的，而不是针对原来数组的长度而言的。</p> <p>2. 新数组 or 老数组 ？</p> <p>再谈谈扩容之后的数组一定是新的么？这个不一定，分两种情况。</p> <p>情况一：</p> <pre> <code class="language-go">func main() { array := [4]int{10, 20, 30, 40} slice := array[0:2] newSlice := append(slice, 50) fmt.Printf("Before slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", slice, &slice, len(slice), cap(slice)) fmt.Printf("Before newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice)) newSlice[1] += 10 fmt.Printf("After slice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", slice, &slice, len(slice), cap(slice)) fmt.Printf("After newSlice = %v, Pointer = %p, len = %d, cap = %d\n", newSlice, &newSlice, len(newSlice), cap(newSlice)) fmt.Printf("After array = %v\n", array) }</code></pre> <p>打印输出：</p> <pre> <code class="language-go">Before slice = [10 20], Pointer = 0xc4200c0040, len = 2, cap = 4 Before newSlice = [10 20 50], Pointer = 0xc4200c0060, len = 3, cap = 4 After slice = [10 30], Pointer = 0xc4200c0040, len = 2, cap = 4 After newSlice = [10 30 50], Pointer = 0xc4200c0060, len = 3, cap = 4 After array = [10 30 50 40]</code></pre> <p>把上述过程用图表示出来，如下图。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/5e1cd1570138d196270b42f3e7a5039a.png"></p> <p>通过打印的结果，我们可以看到，在这种情况下，扩容以后并没有新建一个新的数组，扩容前后的数组都是同一个，这也就导致了新的切片修改了一个值，也影响到了老的切片了。并且 append() 操作也改变了原来数组里面的值。一个 append() 操作影响了这么多地方，如果原数组上有多个切片，那么这些切片都会被影响！无意间就产生了莫名的 bug！</p> <p>这种情况，由于原数组还有容量可以扩容，所以执行 append() 操作以后，会在原数组上直接操作，所以这种情况下，扩容以后的数组还是指向原来的数组。</p> <p>这种情况也极容易出现在字面量创建切片时候，第三个参数 cap 传值的时候，如果用字面量创建切片，cap 并不等于指向数组的总容量，那么这种情况就会发生。</p> <pre> <code class="language-go">slice := array[1:2:3]</code></pre> <p>上面这种情况非常危险，极度容易产生 bug 。</p> <p>建议用字面量创建切片的时候，cap 的值一定要保持清醒，避免共享原数组导致的 bug。</p> <p>情况二：</p> <p>情况二其实就是在扩容策略里面举的例子，在那个例子中之所以生成了新的切片，是因为原来数组的容量已经达到了最大值，再想扩容， Go 默认会先开一片内存区域，把原来的值拷贝过来，然后再执行 append() 操作。这种情况丝毫不影响原数组。</p> <p>所以建议尽量避免情况一，尽量使用情况二，避免 bug 产生。</p> <h2>五. 切片拷贝</h2> <p>Slice 中拷贝方法有2个。</p> <pre> <code class="language-go">func slicecopy(to, fm slice, width uintptr) int { // 如果源切片或者目标切片有一个长度为0，那么就不需要拷贝，直接 return if fm.len == 0 || to.len == 0 { return 0 } // n 记录下源切片或者目标切片较短的那一个的长度 n := fm.len if to.len < n { n = to.len } // 如果入参 width = 0，也不需要拷贝了，返回较短的切片的长度 if width == 0 { return n } // 如果开启了竞争检测 if raceenabled { callerpc := getcallerpc(unsafe.Pointer(&to)) pc := funcPC(slicecopy) racewriterangepc(to.array, uintptr(n*int(width)), callerpc, pc) racereadrangepc(fm.array, uintptr(n*int(width)), callerpc, pc) } // 如果开启了 The memory sanitizer (msan) if msanenabled { msanwrite(to.array, uintptr(n*int(width))) msanread(fm.array, uintptr(n*int(width))) } size := uintptr(n) * width if size == 1 { // TODO: is this still worth it with new memmove impl? // 如果只有一个元素，那么指针直接转换即可 *(*byte)(to.array) = *(*byte)(fm.array) // known to be a byte pointer } else { // 如果不止一个元素，那么就把 size 个 bytes 从 fm.array 地址开始，拷贝到 to.array 地址之后 memmove(to.array, fm.array, size) } return n }</code></pre> <p>在这个方法中，slicecopy 方法会把源切片值(即 fm Slice )中的元素复制到目标切片(即 to Slice )中，并返回被复制的元素个数，copy 的两个类型必须一致。slicecopy 方法最终的复制结果取决于较短的那个切片，当较短的切片复制完成，整个复制过程就全部完成了。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/9646577f7226e4e76331aa8f88d477c3.png"></p> <p>举个例子，比如：</p> <pre> <code class="language-go">func main() { array := []int{10, 20, 30, 40} slice := make([]int, 6) n := copy(slice, array) fmt.Println(n,slice) }</code></pre> <p>还有一个拷贝的方法，这个方法原理和 slicecopy 方法类似，不在赘述了，注释写在代码里面了。</p> <pre> <code class="language-go">func slicestringcopy(to []byte, fm string) int { // 如果源切片或者目标切片有一个长度为0，那么就不需要拷贝，直接 return if len(fm) == 0 || len(to) == 0 { return 0 } // n 记录下源切片或者目标切片较短的那一个的长度 n := len(fm) if len(to) < n { n = len(to) } // 如果开启了竞争检测 if raceenabled { callerpc := getcallerpc(unsafe.Pointer(&to)) pc := funcPC(slicestringcopy) racewriterangepc(unsafe.Pointer(&to[0]), uintptr(n), callerpc, pc) } // 如果开启了 The memory sanitizer (msan) if msanenabled { msanwrite(unsafe.Pointer(&to[0]), uintptr(n)) } // 拷贝字符串至字节数组 memmove(unsafe.Pointer(&to[0]), stringStructOf(&fm).str, uintptr(n)) return n }</code></pre> <p>再举个例子，比如：</p> <pre> <code class="language-go">func main() { slice := make([]byte, 3) n := copy(slice, "abcdef") fmt.Println(n,slice) }</code></pre> <p>输出：</p> <pre> <code class="language-go">3 [97,98,99]</code></pre> <p>说到拷贝，切片中有一个需要注意的问题。</p> <pre> <code class="language-go">func main() { slice := []int{10, 20, 30, 40} for index, value := range slice { fmt.Printf("value = %d , value-addr = %x , slice-addr = %x\n", value, &value, &slice[index]) } }</code></pre> <p>输出：</p> <pre> <code class="language-go">value = 10 , value-addr = c4200aedf8 , slice-addr = c4200b0320 value = 20 , value-addr = c4200aedf8 , slice-addr = c4200b0328 value = 30 , value-addr = c4200aedf8 , slice-addr = c4200b0330 value = 40 , value-addr = c4200aedf8 , slice-addr = c4200b0338</code></pre> <p>从上面结果我们可以看到，如果用 range 的方式去遍历一个切片，拿到的 Value 其实是切片里面的值拷贝。所以每次打印 Value 的地址都不变。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/9d33621eddefb713a4caf54e7d94ca10.png"></p> <p>由于 Value 是值拷贝的，并非引用传递，所以直接改 Value 是达不到更改原切片值的目的的，需要通过 &slice[index] 获取真实的地址。</p> <p>Reference：</p> <p>《Go in action》</p> <p>《Go 语言学习笔记》</p> <p> </p> <p>来自：https://halfrost.com/go_slice/</p> <p> </p>