Go语言Slice切片底层的实现_开发_开发者

1.切片是什么

在Go语言中切片（slice）是建立在数组之上的一种抽象类型。切片提供了一种更灵活的方式来处理数组、它允许动态地改变数组的大小、并且可以方便地进行切片操作。理解切片之前、我们需要先了解数组。

Go的数组在Go语言中、数组的长度是类型的一部分、这意味着数组的长度是固定的、不能改变。

数组的传递和拷贝行为与C语言不同、Go语言中的数组是值类型、传递数组时会进行值拷贝。

1.1 示例一：

将数组传递到函数中数组的地址不一样

package main

import "fmt"

func main() {
    array := [3]int{1, 2, 3}
    // 数组传递到函数中
    test(array)
    fmt.Printf("array 外: %p\n", &array)
}

func test(array [3]int) {
    fmt.Printf("array 内: %p\n", &array)
    }

由于数组是值类型、传递数组时会进行值拷贝、因此在test函数中打印的地址与main函数中打印的地址不同。

1.2 值拷贝

值拷贝意味着拷贝的是变量的内容、而不是内存地址。因此拷贝出来的变量有自己的独立副本、内容相同、但它们存储在不同的内存地址中。

Go 语言中的切片（slice）是动态扩容的。当你向切片中添加元素时、Go 会自动管理切片的大小、并在需要时进行扩容。

具体行为：

初始容量：当你创建一个切片时、Go 会为切片分配一个初始容量。如果你添加的元素超过了切片当前的容量Go 会自动扩容。
扩容规则：Go 会根据当前切片的容量自动扩展切片的大小、通常是原来容量的2倍。扩容后、切片的长度和容量都会增加。
内部机制：当切片扩容时、Go 会为新切片分配新的底层数组、并将原数组的元素拷贝到新数组中。这是一个代价比较高的操作、尤其是在需要多次扩容的情况下

2.底层结构

type slice struct {
    // 底层数组指针（或者说是指向一块连续内存空间的起点）
    array unsafe.Pointer
    // 长度
    len  int
    // 容量
    cap  int
}

在这个结构中：

array：指向底层数组的指针、或者说是指向一块连续内存空间的起点。
len：切片的长度、即切片中实际包含的元素数量。
cap：切片的容量、即切片可以包含的元素的最大数量，不包括可能的扩展空间。

切片扩容

计算目标容量

case1: 如果新切片的长度大于旧切片容量的两倍、则新切片容量就为新切片的长度。

case2:

如果旧切片的容量小于256、那么新切片的容量就是旧切片的容量的两倍。
反之需要用旧切片容量按照1.25倍的增速、直到大于新切片长度。

为了更平滑的过渡、每次扩大1.25倍、还会加上3/4 * 256

进行内存对齐、需要按照Go内存管理的级别去对齐内存、最终容量以这个为准。

3.切片问题

3.1 切片通过函数传的是什么

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "unsafe"
)

func main() {
    s := make([]int, 5, 10)
    PrintSliceStruct(&s)
    test(s)
}

func test(s []int) {
    PrintSliceStruct(&s)
}

func PrintSliceStruct(s *[]int) {
    // 代码 将slice 转换成 reflect.SliceHeader
    ss := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(s))

    // 查看slice的结构
    fmt.Printf("slice struct: %+v, slice is %v\n", ss, s)
}

控制台输出：

slice struct: &{Data:1374389649568 Len:5 Cap:10}, slice is &[0 0 0 0 0]
slice struct: &{Data:1374389649568 Len:5 Cap:10}, slice is &[0 0 0 0 0]

切片的定义：你创建了一个切片 s、通过 make([]int, 5, 10) 创建了一个长度为 5、容量为 10 的切片。

也就是说它初始化了一个包含 5 个元素且最大容量为 10 的底层数组

总结：

切片传递：当切片通过参数传递到函数时、传递的是切片的值、但切片内部的底层数组地址（指针）并没有被复制。

PrintSliceStruct 打印的结构：无论是在 main 函数还是 test 函数中、切片的底层数组地址、长度和容量都是相同的、因为底层数组是共享的。

为什么输出相同：

输出显示的 Data 地址、Len 和 Cap 是一致的、因为 test(s) 传递的是切片的值（即切片的结构），但切片中的指针指向相同的底层数组。所以无论是传递给 PrintSliceStruct 函数的 s、还是 test 函数中的 s、它们指向的是同一个底层数组、并且它们的长度和容量保持一致

3.2 在函数里面改变切片函数外的切片会被影响吗

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "unsafe"
)

func main() {
    s := make([]int, 5) // 创建一个长度为 5 的切片
    case1(s)             // 调用 case1 函数
    case2(s)             // 调用 case2 函数
    PrintSliceStruct(&s) // 打印切片结构
}

// 底层数组不变
func case1(s []int) {
    s[1] = 1 // 修改切片中的元素
    PrintSliceStruct(&s) // 打印切片结构
}

// 底层数组变化
func case2(s []int) {
    s = append(s, 0) // 扩容切片
    s[1] = 1         // 修改切片中的元素
    PrintSliceStruct(&s) // 打印切片结构
}

func PrintSliceStruct(s *[]int) {
    // 将切片转换成 reflect.SliceHeader
    ss := (*reflecjavascriptt.SliceHeader)(unsafe.Pointer(s))

    // 打印切片的底层结构
    fmt.Printf("slice struct: %+v, slice is %v\n", ss, *s)
}

关键点：

case1 函数：

在 case1 中、你传入一个长度为 5 的切片 s、并修改切片中的元素。

切片在函数内的操作是对原切片的修改、因此底层数组没有发生变化、切片的容量、长度仍然相同。

打印的 slice struct 的 Data、Len 和 Cap 字段显示的是切片的原始底层数据结构。

case2 函数：

在 case2 中、你向切片添加一个元素（通过 append 操作）、这将可能导致切片的底层数组扩容。

因为 append 操作在超出当前容量时会触发扩容、所以 s 的底层数组会发生变化、容量也可能增加。

在 case2 中、s 被赋值为 append(s, 0)、这将导致原有切片 s 的底层数组被扩展、并且一个新的数组被分配给 s（s 指向的是新的底层数组）

打印时会看到 slice struct 中的 Data 指向一个新的地址、表示底层数组已经发生了变化。

append(s, 0) 函数会检查切片 s 是否有足够的容量来存储新的元素。如果切片的容量不足、append 函数会分配一个新的更大的数组、并复制旧数组的内容到新数组中、然后将新元素添加到新数组的末尾、并更新切片的指针以指向包含新元素的新底层数组。

3.3 截取切片

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "unsafe"
)

func main() {
    s := make([]int, 5)  // 创建一个长度为 5 的切片，默认初始化为 [0 0 0 0 0]
    
    case1(s)  // 调用 case1，修改切片内容
    case2(s)  // 调用 case2，修改切片并改变底层数组
    case3(s)  // 调用 case3，截取切片并改变其长度
    case4(s)  // 调用 case4，截取切片的部分元素
    PrintSliceStruct(&s)  // 最后打印切片的底层结构
}

// case1：修改切片元素、底层数组不变
func case1(s []int) {
    s[1] = 1  // 修改切片中的第二个元素，s[1] = 1
    PrintSliceStruct(&s)  // 打印修改后的切片底层结构
}

// case2：重新赋值为新的切片
func case2(s []int) {
    s = s[:]  // 这里实际上并没有改变切片的内容、它只是重新赋值为原切片的一个新引用。
    PrintSliceStruct(&s)  // 打印新的切片底层结构
}

// case3：截取切片、底层数组不变
func case3(s []int) {
    s = s[:len(s)-1]  // 截取切片、去掉最后一个元素、新的切片长度为 4
    PrintSliceStruct(&s)  // 打印截取后的切片底层结构
}

// case4：截取切片的部分元素、底层数组不变
func case4(s []int) {
    sl := s[1:2]  // 截取 s[1:2]，即取出切片中索引为 1 的元素
    PrintSliceStruct(&sl)  // 打印截取后的新切片底层结构
}

// PrintSliceStruct 打印切片的底层结构
func PrintSliceStruct(s *[]int) {
    // 将切片的指针转换为 reflect.SliceHeader 结构体，www.devze.com通过 unsafe.Pointer 获取底层数据
    ss := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(s))
    
    // 打印切片的底层数据结构、包括：指向底层数组的内存地址、切片的长度和容量
    fmt.Printf("slice struct: %+v, slice is %v\n", ss, *s)
}

总结：

切片操作的影响：

修改切片元素不会改变底层数组的地址。

重新赋值切片并没有改变底层数组、除非涉及扩容（例如 append）。

截取切片时、底层数组不变、切片的长度和容量可能会变化。

3.4 删除元素

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "unsafe"
)

func main() {
    // 创建一个包含5个整数的切片
    s := []int{0, 1, 2, 3, 4}

    // 打印切片的底层结构
    PrintSliceStruct(&s)

    // 删除切片中的最后一个元素，正确的做法是通过切片截取
    _ = s[4]                      // 访问并丢弃切片中的最后一个元素
    s1 := append(s[:1], s[2:]...) // 删除元素 s[1]，
 //s[:1]（即切片 [0]）和 s[2:]（即切片 [2, 3, 4]）拼接在一起。


    // 打印修改后的切片
    fmt.Println(s)  // [0 2 3 4 4]
    fmt.Println(s1) // [0, 2, 3, 4]python

    // 打印切片底层结构
    PrintSliceStruct(&s)
    PrintSliceStruct(&s1)

    // 访问切片的元素
    s = s[:4] // 截取切片、删除最后一个元素
    _ = s[3]  // 访问切片中的最后一个元素（索引为3的元素）
}

// 打印切片的底层结构
func PrintSliceStruct(s *[]int) {
    // 将切片转换为 reflect.SliceHeader
    ss := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(s))

    // 打印切片的底层结构
    fmt.Printf("slice struct: %+v, slice is %v\n", ss, *s)
}

在 Go 中、切片操作需要特别注意切片的索引和截取。访问切片中的元素时要小心类型不匹配（例如不能将一个切片元素赋值给切片）。

控制台输出：

slice struct: &{Data:1374390755328 Len:5 Cap:5}, slice is [0 1 2 3 4]
[0 2 3 4 4]
[0 2 3 4]
slice struct: &{Data:1374390755328 Len:5 Cap:5}, slice is [0 2 3 4 4]
slice struct: &{Data:1374390755328 Len:4 Cap:5}, slice is [0 2 3 4]

打印原切片 s 时、它仍然指向原底层数组（长度为 5、容量为 5）、而且由于 s[4] 在内存中并没有被移除、原底层数组中的最后一个元素 4 被保留、因此 s 显示为 [0 2 3 4 4]。

简而言之s 显示为 [0 2 3 4, 4] 是因为原始切片的底层数组并没有被修改、而 append 操作生成了一个新的切片（s1）并分配了新的底层数组。所以s 中仍然包含原数组中的所有元素、最后一个 4 仍然存在。

为什么 s变成了 [0, 2, 3, 4, 4]

append 会根据切片的容量决定是否会使用原来的底层数组。如果原切片的容量足够大、append 就会直接修改原切片。

在这段代码中、由于原始切片 s 的容量足够大（原始切片 s 的容量为 5）、append 仍然修改了原始切片 s 的内容。切片的 s 和 s1 都指向相同的底层数组。

重点：

原切片 s 的容量没有改变：s 底层的数组仍然包含原来 s 的所有元素。

append 没有重新分配新的底层数组：由于原切片的容量足够、所以 append 在修改原底层数组时、并没有创建新的底层数组。因此原始切片 s 中的 4 仍然存在。

修改后 s 中的元素为 [0, 2, 3, 4, 4]：虽然你删除了 s[1] 这个元素、但 append 使得 s 的底层数组没有发http://www.devze.com生变化，因此原始的 4 元素仍然保留在切片中。

结论：

append 操作有时会创建新的底层数组（如果容量不足）、但如果原切片的容量足够、append 直接修改原切片的底层数组。在这种情况下原切片 s 会保持原来的容量和数据、导致 s 显示为 [0, 2, 3, 4, 4]，即最后一个 4 保留下来了。

3.5 新增元素

package main

import (
    "fmt"
    "reflect"
    "unsafe"
)

func main() {
    case1()
    case2()
    case3()
}

// case1 函数展示了使用 append 在切片末尾添加元素的行为
func case1() {
    // 创建一个长度为 3，容量为 3 的切片
    s1 := make([]int, 3, 3)
    // 向切片添加一个元素 1，append 返回一个新的切片
    s1 = append(s1, 1)
    // 打印切片的底层结构
    PrintSliceStruct(&s1) //1
}

// case2 函数展示了在原切片上使用 append 并打印切片结构的变化
func case2() {
    // 创建一个长度为 3，容量为 4 的切片
    s1 := make([]int, 3, 4)
    // 向切片添加一个元素 1，append 会扩展切片的长度
    s2 := append(s1, 1)
    // 打印原切片 s1 和新切片 s2 的底层结构
    PrintSliceStruct(&s1)//2
    PrintSliceStruct(&s2)//3
}

// case3 函数与 case2 类似，展示了切片长度、容量变化的行为
func case3() {
    // 创建一个长度为 3，容量为 3 的切片
    s1 := make([]int, 3, 3)
    // 向切片添加一个元素 1，append 返回一个新的切片
    s2 := append(s1, 1)
    // 打印原切片 s1 和新切片 s2 的底层结构
    PrintSliceStruct(&s1)//4
    PrintSliceStruct(&s2)//5
}

// PrintSliceStruct 打印切片的底层结构
func PrintSliceStruct(s *[]int) {
    // 使用 reflect 和 unsafe 包将切片转换成 reflect.SliceHeader 结构体
    ss := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(s))

    // 打印切片的底层结构
    fmt.Printf("slice struct: %+v, slice is %v\n", ss, *s)
}

控制台输出

slice struct: &{Data:1374390755328 Len:4 Cap:6}, slice is [0 0 0 1]
slice struct: &{Data:1374390779936 Len:3 Cap:4}, slice is [0 0 0]
slice struct: &{Data:1374390779936 Len:4 Cap:4}, slice is [0 0 0 1]
slice struct: &{Data:1374390673552 Len:3 Cap:3}, slice is [0 0 0]
slice struct: &{Data:1374390755376 Len:4 Cap:6}, slice is [0 0 0 1]

case1:

使用 make([]int, 3, 3) 创建了一个长度为 3，容量为 3 的切片 s1，初始内容为 [0, 0, 0]。

然后append(s1, 1) 会将元素 1 添加到切片的末尾、生成一个新的切片并返回。由于容量是 3、append 会自动扩容新的切片长度是 4

最后调用 PrintSliceStruct 打印 s1 切片的底层结构。

case2:

make([]int, 3, 4) 创建了一个长度为 3、容量为 4 的切片 s1

使用 append(s1, 1) 向切片添加元素 1、生成一个新切片 s2。由于 s1 的容量已足够、不会触发扩容。

通过 PrintSliceStruct 打印切片 s1 和 s2 的底层结构。

s3 和 s4 参考上面

3.6 操作原来切片会影响新的切片吗

在 Go 中、切片是引用类型，这意味着当你创建一个新切片时，它实际上可能会指向同一个底层数组。因此，如果你修改了原切片（比如通过 append 或其他操作），它可能会影响到新切片，特别是在底层数组没有被重新分配的情况下。

切片和底层数组

切片（slice）是一个非常轻量级的抽象，它包含了三个部分：指向底层数组的指针、切片的长度和切片的容量。

当你对切片进行操作时（例如使用 append、copy 或直接修改），这些操作通常会影响到底层数组。

如果多个切片引用同一个底层数组，改变其中一个切片的内容可能会影响到其他切片，尤其是在没有扩容时。

append操作

当使用 append 函数时、如果切片的容量足够、append 会直接在原底层数组上操作、不会创建新的底层数组。在这种情况下、修改原切片的内容会影响到新切片、因为它们指向相同的底层数组。

如果容量不足、append 会创建一个新的底层数组、并将原切片的数据复制到新数组中、这时原切片和新切片就指向不同的底层数组了、它们互不影响。

例子：

没有扩容：

s1 := []int{1, 2, 3}
s2 := s1      // s2 指向与 s1 相同的底层数组
s1[0] = 100   // 修改 s1 中的第一个元素
fmt.Println(s1) // 输出 [100, 2, 3]
fmt.Println(s2) // 输出 [100, 2, 3]

这里s1 和 s2 指向相同的底层数组，因此修改 s1 会影响到 s2。

扩容时：

s1 := []int{1, 2, 3}
s2 := append(s1, 4)  // s2 创建了新的底层数组
s1[0] = 100          // 修改 s1 中的第一个元素
fmt.Println(s1) // 输出 [100, 2, 3]
fmt.Println(s2) // 输出 [1、2、3、 4]

这里s2 创建了一个新的底层数组，因此修改 s1 不会影响 s2。

结论：

修改原切片会影响新切片：如果新切片是通过引用原切片的底层数组创建的（没有触发扩容）、修改原切片的内容会影响到新切片。

扩容时不影响：如果 append 或其他操作导致了扩容、原切片和新切片就会指向不同的底层数组、互不影响。

4.字节面试题

下面这道题的输出是什么

package main

import "fmt"

func main() {

    // 定义一个匿名函数 doAppend，用来执行 append 操作并打印切片的长度和容量
        doAppend := func(s []int) {
              javascript  s = append(s, 1)         // 向切片中添加元素 1
                printLengthAndCapacity(s) // 打印切片的长度和容量
        }

    // 创建一个长度为 8，容量为 8 的切片 s
        s := make([]int, 8, 8)
    
    // 传递 s 的前 4 个元素（即 s[:4]）到 doAppend
        doAppend(s[:4])  // 只传递前4个元素的切片

    // 打印原始切片 s 的长度和容量
        printLengthAndCapacity(s)

    // 传递整个切片 s 到 doAppend
        doAppend(s)
    
    // 打印原始切片 s 的长度和容量
       printLengthAndCapacity(s)
}

func printLengthAndCapacity(s []int) {
    fmt.Println() 
    fmt.Printf("len=%d cap=%d \n", len(s), cap(s))  // 打印切片的长度和容量
}

len(s) 是切片的长度。

cap(s) 是切片的容量、表示切片底层数组的大小。

len=5 cap=8 len=8 cap=8 len=9 cap=16 len=8 cap=8

调用 doAppend(s[:4])：

s[:4] 是 s 切片的前 4 个元素、创建一个新的切片 [0, 0, 0, 0]，长度为 4、容量为 8（因为它引用的是原切片的底层数组）。

在 doAppend 中、执行 append(s, 1)、这会向切片添加一个元素 1、导致切片的长度变为 5、容量保持为 8（因为它没有触发扩容）。

打印结果为：len=5 cap=8。

调用 doAppend(s)：

这次传递整个 s 切片、长度为 8、容量为 8。

执行 append(s 1)、这会向切片 s 添加一个元素 1。因为 s 的容量是 8、不能再容纳更多元素、因此会触发扩容、新的底层数组的容量将是原来的 2 倍、即 16、长度变为 9。

打印结果为：len=9 cap=16。

注意：

append 创建了一个新的底层数组、并返回了一个新的切片。如果你不把返回的新切片赋值回 s、原始切片 s 不会改变、仍然指向旧的底层数组。

由于 append(s 1) 返回的是一个新的切片、但并没有将它赋值回 s、所以原始切片 s 的长度和容量没有变化、仍然是 len=8 和 cap=8

如果改成将新切片赋值回s

package main

import "fmt"

func main() {
    // 定义一个匿名函数 doAppend 用于向切片添加元素
    doAppend := func(s []int) {
       s = append(s, 1)          // 向切片中添加元素 1
       printLengthAndCapacity(s) // 打印切片的长度和容量
    }

    // 定义一个匿名函数 doAppend 用于向切片添加元素
    doAppends := func(s []int) []int {
       s = append(s, 1) // 使用 append 向切片添加一个元素 1
       printLengthAndCapacity(s)
       return s
    }

    // 创建一个长度为 8，容量为 8 的切片 s
    s := make([]int, 8, 8)

    // 传递前 4 个元素的切片
    doAppend(s[:4]) // 只传递前4个元素的切片
    printLengthAndCapacity(s)

    // 传递整个切片 s
    s = doAppends(s) // 将返回的新切片赋值回 s
    printLengthAndCapacity(s)
}

func printLengthAndCapacity(s []int) {
    fmt.Println()
    fmt.Printf("len=%d cap=%d \n", len(s), cap(s))
}