深度解密Go语言之Slice

梦里梦外; 2022-10-01 10:00 157阅读 0赞

Go 语言的 `slice` 很好用，不过也有一些坑。`slice` 是 Go 语言一个很重要的数据结构。网上已经有很多文章写过了，似乎没必要再写。但是每个人看问题的视角不同，写出来的东西自然也不一样。我这篇会从更底层的汇编语言去解读它。而且在我写这篇文章的过程中，发现绝大部分文章都存在一些问题，文章里会讲到，这里先不展开。

我希望本文可以终结这个话题，下次再有人想和你讨论 `slice`，直接把这篇文章的链接丢过去就行了。

# 当我们在说 slice 时，到底在说什么 #

`slice` 翻译成中文就是`切片`，它和`数组（array）`很类似，可以用下标的方式进行访问，如果越界，就会产生 panic。但是它比数组更灵活，可以自动地进行扩容。

了解 slice 的本质，最简单的方法就是看它的源代码：

// runtime/slice.go
    type slice struct {
    	array unsafe.Pointer // 元素指针
    	len   int // 长度 
    	cap   int // 容量
    }
    复制代码

看到了吗，`slice` 共有三个属性： `指针`，指向底层数组； `长度`，表示切片可用元素的个数，也就是说使用下标对 slice 的元素进行访问时，下标不能超过 slice 的长度； `容量`，底层数组的元素个数，容量 >= 长度。在底层数组不进行扩容的情况下，容量也是 slice 可以扩张的最大限度。

注意，底层数组是可以被多个 slice 同时指向的，因此对一个 slice 的元素进行操作是有可能影响到其他 slice 的。

# slice 的创建 #

创建 slice 的方式有以下几种：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>序号</th> 
   <th>方式</th> 
   <th>代码示例</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>直接声明</td> 
   <td><code>var slice []int</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>new</td> 
   <td><code>slice := *new([]int)</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td>字面量</td> 
   <td><code>slice := []int{1,2,3,4,5}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4</td> 
   <td>make</td> 
   <td><code>slice := make([]int, 5, 10)</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5</td> 
   <td>从切片或数组“截取”</td> 
   <td><code>slice := array[1:5]</code> 或 <code>slice := sourceSlice[1:5]</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 直接声明 ##

第一种创建出来的 slice 其实是一个 `nil slice`。它的长度和容量都为0。和`nil`比较的结果为`true`。

这里比较混淆的是`empty slice`，它的长度和容量也都为0，但是所有的空切片的数据指针都指向同一个地址 `0xc42003bda0`。空切片和 `nil` 比较的结果为`false`。

它们的内部结构如下图：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>创建方式</th> 
   <th>nil切片</th> 
   <th>空切片</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>方式一</td> 
   <td>var s1 []int</td> 
   <td>var s2 = []int{}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>方式二</td> 
   <td>var s4 = *new([]int)</td> 
   <td>var s3 = make([]int, 0)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>长度</td> 
   <td>0</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>容量</td> 
   <td>0</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>和 <code>nil</code> 比较</td> 
   <td><code>true</code></td> 
   <td><code>false</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

`nil` 切片和空切片很相似，长度和容量都是0，官方建议尽量使用 `nil` 切片。

关于`nil slice`和`empty slice`的探索可以参考公众号“码洞”作者老钱写的一篇文章《深度解析 Go 语言中「切片」的三种特殊状态》，地址附在了参考资料部分。

## 字面量 ##

比较简单，直接用`初始化表达式`创建。

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
    	s1 := []int{
        0, 1, 2, 3, 8: 100}
    	fmt.Println(s1, len(s1), cap(s1))
    }
    复制代码

运行结果：

[0 1 2 3 0 0 0 0 100] 9 9
    复制代码

唯一值得注意的是上面的代码例子中使用了索引号，直接赋值，这样，其他未注明的元素则默认 `0 值`。

## make ##

`make`函数需要传入三个参数：切片类型，长度，容量。当然，容量可以不传，默认和长度相等。

上篇文章[《走进Go的底层》][Go]中，我们学到了汇编这个工具，这次我们再次请出汇编来更深入地看看`slice`。如果没看过上篇文章，建议先回去看完，再继续阅读本文效果更佳。

先来一小段玩具代码，使用 `make` 关键字创建 `slice`：

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
    	slice := make([]int, 5, 10) // 长度为5，容量为10
    	slice[2] = 2 // 索引为2的元素赋值为2
    	fmt.Println(slice)
    }
    复制代码

执行如下命令，得到 Go 汇编代码：

go tool compile -S main.go
    复制代码

我们只关注main函数：

0x0000 00000 (main.go:5)TEXT    "".main(SB), $96-0
    0x0000 00000 (main.go:5)MOVQ    (TLS), CX
    0x0009 00009 (main.go:5)CMPQ    SP, 16(CX)
    0x000d 00013 (main.go:5)JLS     228
    0x0013 00019 (main.go:5)SUBQ    $96, SP
    0x0017 00023 (main.go:5)MOVQ    BP, 88(SP)
    0x001c 00028 (main.go:5)LEAQ    88(SP), BP
    0x0021 00033 (main.go:5)FUNCDATA    $0, gclocals·69c1753bd5f81501d95132d08af04464(SB)
    0x0021 00033 (main.go:5)FUNCDATA    $1, gclocals·57cc5e9a024203768cbab1c731570886(SB)
    0x0021 00033 (main.go:5)LEAQ    type.int(SB), AX
    0x0028 00040 (main.go:6)MOVQ    AX, (SP)
    0x002c 00044 (main.go:6)MOVQ    $5, 8(SP)
    0x0035 00053 (main.go:6)MOVQ    $10, 16(SP)
    0x003e 00062 (main.go:6)PCDATA  $0, $0
    0x003e 00062 (main.go:6)CALL    runtime.makeslice(SB)
    0x0043 00067 (main.go:6)MOVQ    24(SP), AX
    0x0048 00072 (main.go:6)MOVQ    32(SP), CX
    0x004d 00077 (main.go:6)MOVQ    40(SP), DX
    0x0052 00082 (main.go:7)CMPQ    CX, $2
    0x0056 00086 (main.go:7)JLS     221
    0x005c 00092 (main.go:7)MOVQ    $2, 16(AX)
    0x0064 00100 (main.go:8)MOVQ    AX, ""..autotmp_2+64(SP)
    0x0069 00105 (main.go:8)MOVQ    CX, ""..autotmp_2+72(SP)
    0x006e 00110 (main.go:8)MOVQ    DX, ""..autotmp_2+80(SP)
    0x0073 00115 (main.go:8)MOVQ    $0, ""..autotmp_1+48(SP)
    0x007c 00124 (main.go:8)MOVQ    $0, ""..autotmp_1+56(SP)
    0x0085 00133 (main.go:8)LEAQ    type.[]int(SB), AX
    0x008c 00140 (main.go:8)MOVQ    AX, (SP)
    0x0090 00144 (main.go:8)LEAQ    ""..autotmp_2+64(SP), AX
    0x0095 00149 (main.go:8)MOVQ    AX, 8(SP)
    0x009a 00154 (main.go:8)PCDATA  $0, $1
    0x009a 00154 (main.go:8)CALL    runtime.convT2Eslice(SB)
    0x009f 00159 (main.go:8)MOVQ    16(SP), AX
    0x00a4 00164 (main.go:8)MOVQ    24(SP), CX
    0x00a9 00169 (main.go:8)MOVQ    AX, ""..autotmp_1+48(SP)
    0x00ae 00174 (main.go:8)MOVQ    CX, ""..autotmp_1+56(SP)
    0x00b3 00179 (main.go:8)LEAQ    ""..autotmp_1+48(SP), AX
    0x00b8 00184 (main.go:8)MOVQ    AX, (SP)
    0x00bc 00188 (main.go:8)MOVQ    $1, 8(SP)
    0x00c5 00197 (main.go:8)MOVQ    $1, 16(SP)
    0x00ce 00206 (main.go:8)PCDATA  $0, $1
    0x00ce 00206 (main.go:8)CALL    fmt.Println(SB)
    0x00d3 00211 (main.go:9)MOVQ    88(SP), BP
    0x00d8 00216 (main.go:9)ADDQ    $96, SP
    0x00dc 00220 (main.go:9)RET
    0x00dd 00221 (main.go:7)PCDATA  $0, $0
    0x00dd 00221 (main.go:7)CALL    runtime.panicindex(SB)
    0x00e2 00226 (main.go:7)UNDEF
    0x00e4 00228 (main.go:7)NOP
    0x00e4 00228 (main.go:5)PCDATA  $0, $-1
    0x00e4 00228 (main.go:5)CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
    0x00e9 00233 (main.go:5)JMP     0
    复制代码

先说明一下，Go 语言汇编 `FUNCDATA` 和 `PCDATA` 是编译器产生的，用于保存一些和垃圾收集相关的信息，我们先不用 care。

以上汇编代码行数比较多，没关系，因为命令都比较简单，而且我们的 Go 源码也足够简单，没有理由看不明白。

我们先从上到下扫一眼，看到几个关键函数：

CALL    runtime.makeslice(SB)
    CALL    runtime.convT2Eslice(SB)
    CALL    fmt.Println(SB)
    CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
    复制代码

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>序号</th> 
   <th>功能</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>创建slice</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>类型转换</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td>打印函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4</td> 
   <td>栈空间扩容</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

`1`是创建 slice 相关的；`2`是类型转换；调用 `fmt.Println`需要将 slice 作一个转换； `3`是打印语句；`4`是栈空间扩容函数，在函数开始处，会检查当前栈空间是否足够，不够的话需要调用它来进行扩容。暂时可以忽略。

调用了函数就会涉及到参数传递，Go 的参数传递都是通过 栈空间完成的。接下来，我们详细分析这整个过程。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>行数</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td><code>main</code>函数定义，栈帧大小为 <code>96B</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2-4</td> 
   <td>判断栈是否需要进行扩容，如果需要则跳到 <code>228</code>，这里会调用 <code>runtime.morestack_noctxt(SB)</code> 进行栈扩容操作。具体细节后续还会有文章来讲</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5-9</td> 
   <td>将 <code>caller BP</code> 压栈，具体细节后面会讲到</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>10-15</td> 
   <td>调用 <code>runtime.makeslice(SB)</code> 函数及准备工作。*_type表示的是 <code>int</code>，也就是 <code>slice</code> 元素的类型。这里对应的源码是第6行，也就是调用 <code>make</code> 创建 <code>slice</code> 的那一行。<code>5</code> 和 <code>10</code> 分别代表长度和容量，函数参数会在栈顶准备好，之后执行函数调用命令 <code>CALL</code>，进入到被调用函数的栈帧，就会按顺序从 <code>caller</code> 的栈顶取函数参数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16-18</td> 
   <td>接收 <code>makeslice</code>的返回值，通过 <code>move</code> 移动到寄存器中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>19-21</td> 
   <td>给数组索引值为 <code>2</code> 的元素赋上值 <code>2</code>，因为是 <code>int</code> 型的 <code>slice</code>，元素大小为8字节，所以 <code>MOVQ $2, 16(AX)</code> 此命令就是将 <code>2</code> 搬到索引为 <code>2</code> 的位置。这里还会对索引值的大小进行检查，如果越界，则会跳转到 <code>221</code>，执行 <code>panic</code> 函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>22-26</td> 
   <td>分别通过寄存器 <code>AX，CX，DX</code> 将 <code>makeslice</code> 的返回值 <code>move</code> 到内存的其他位置，也称为局部变量，这样就构造出了 <code>slice</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

左边是栈上的数据，右边是堆上的数据。`array` 指向 `slice` 的底层数据，被分配到堆上了。注意，栈上的地址是从高向低增长；堆则从低向高增长。栈左边的数字表示对应的汇编代码的行数，栈右边箭头则表示栈地址。（48）SP、（56）SP 表示的内容接着往下看。

注意，在图中，栈地址是从下往上增长，所以 SP 表示的是图中 `*_type` 所在的位置，其它的依此类推。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>行数</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>27-32</td> 
   <td>准备调用 <code>runtime.convT2Eslice(SB)</code>的函数参数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>33-36</td> 
   <td>接收返回值，通过AX，CX寄存器 <code>move</code> 到(48)SP、（56）SP</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

`convT2Eslice` 的函数声明如下：

func convT2Eslice(t *_type, elem unsafe.Pointer) (e eface) 复制代码

第一个参数是指针 `*_type`，`_type`是一个表示类型的结构体，这里传入的就是 `slice`的类型 `[]int`；第二个参数则是元素的指针，这里传入的就是 `slice` 底层数组的首地址。

返回值 `eface` 的结构体定义如下：

type eface struct {
    	_type *_type
    	data  unsafe.Pointer
    }
    复制代码

由于我们会调用 `fmt.Println(slice)`，看下函数原型：

func Println(a ...interface{}) (n int, err error) 复制代码

`Println` 接收 interface 类型，因此我们需要将 `slice` 转换成 interface 类型。由于 `slice` 没有方法，是个“`空 interface`”。因此会调用 `convT2Eslice` 完成这一转换过程。

`convT2Eslice` 函数返回的是类型指针和数据地址。源码就不贴了，大体流程是：调用 `mallocgc` 分配一块内存，把数据 `copy` 进到新的内存，然后返回这块内存的地址，`*_type` 则直接返回传入的参数。

`32(SP)` 和 `40(SP)` 其实是 `makeslice` 函数的返回值，这里可以忽略。

还剩 `fmt.Println(slice)` 最后一个函数调用了，我们继续。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>行数</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>37-40</td> 
   <td>准备 <code>Println</code> 函数参数。共3个参数，第一个是类型地址，还有两个 <code>1</code>，这块暂时还不知道为什么要传，有了解的同学可以在文章后面留言</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

所以调用 `fmt.Println(slice)` 时，实际是传入了一个 `slice类型的eface地址`。这样，`Println`就可以访问类型中的数据，最终给“打印”出来。

最后，我们看下 `main` 函数栈帧的开始和收尾部分。

0x0013 00019 (main.go:5)SUBQ    $96, SP
    0x0017 00023 (main.go:5)MOVQ    BP, 88(SP)
    0x001c 00028 (main.go:5)LEAQ    88(SP), BP
    …………………………
    0x00d3 00211 (main.go:9)MOVQ    88(SP), BP
    0x00d8 00216 (main.go:9)ADDQ    $96, SP
    RET
    复制代码

`BP`可以理解为保存了当前函数栈帧栈底的地址，`SP`则保存栈顶的地址。

初始，`BP` 和 `SP` 分别有一个初始状态。

`main` 函数执行的时候，先根据 `main` 函数栈帧大小确定 `SP` 的新指向，使得 `main` 函数栈帧大小达到 `96B`。之后把老的 `BP` 保存到 `main` 函数栈帧的底部，并使 `BP` 寄存器重新指向新的栈底，也就是 `main` 函数栈帧的栈底。

最后，当 `main` 函数执行完毕，把它栈底的 `BP` 给回弹回到 `BP` 寄存器，恢复调用前的初始状态。一切都像是没有发生一样，完美的现场。

这部分，又详细地分析了一遍函数调用的过程。一方面，让大家复习一下上一篇文章讲的内容；另一方面，向大家展示如何找到 Go 中的一个函数背后真实调用了哪些函数。像例子中，我们就看到了 `make` 函数背后，实际上是调用了 `makeslice` 函数；还有一点，让大家对汇编不那么“惧怕”，可以轻松地分析一些东西。

## 截取 ##

截取也是比较常见的一种创建 slice 的方法，可以从数组或者 slice 直接截取，当然需要指定起止索引位置。

基于已有 slice 创建新 slice 对象，被称为 `reslice`。新 slice 和老 slice 共用底层数组，新老 slice 对底层数组的更改都会影响到彼此。基于数组创建的新 slice 对象也是同样的效果：对数组或 slice 元素作的更改都会影响到彼此。

值得注意的是，新老 slice 或者新 slice 老数组互相影响的前提是两者共用底层数组，如果因为执行 `append` 操作使得新 slice 底层数组扩容，移动到了新的位置，两者就不会相互影响了。所以，`问题的关键在于两者是否会共用底层数组`。

截取操作采用如下方式：

data := [...]int{
        0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
     slice := data[2:4:6] // data[low, high, max]
    复制代码

对 `data` 使用3个索引值，截取出新的 `slice`。这里 `data` 可以是数组或者 `slice`。`low` 是最低索引值，这里是闭区间，也就是说第一个元素是 `data` 位于 `low` 索引处的元素；而 `high` 和 `max` 则是开区间，表示最后一个元素只能是索引 `high-1` 处的元素，而最大容量则只能是索引 `max-1` 处的元素。

max >= high >= low
    复制代码

当 `high == low` 时，新 `slice` 为空。

还有一点，`high` 和 `max` 必须在老数组或者老 `slice` 的容量（`cap`）范围内。

来看一个例子，来自雨痕大佬《Go学习笔记》第四版，P43页，参考资料里有开源书籍地址。这里我会进行扩展，并会作详细说明：

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
    	slice := []int{
        0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
    	s1 := slice[2:5]
    	s2 := s1[2:6:7]
    
    	s2 = append(s2, 100)
    	s2 = append(s2, 200)
    
    	s1[2] = 20
    
    	fmt.Println(s1)
    	fmt.Println(s2)
    	fmt.Println(slice)
    }
    复制代码

先看下代码运行的结果：

[2 3 20]
    [4 5 6 7 100 200]
    [0 1 2 3 20 5 6 7 100 9]
    复制代码

我们来走一遍代码，初始状态如下：

slice := []int{
        0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
    s1 := slice[2:5]
    s2 := s1[2:6:7]
    复制代码

`s1` 从 `slice` 索引2（闭区间）到索引5（开区间，元素真正取到索引4），长度为3，容量默认到数组结尾，为8。 `s2` 从 `s1` 的索引2（闭区间）到索引6（开区间，元素真正取到索引5），容量到索引7（开区间，真正到索引6），为5。

接着，向 `s2` 尾部追加一个元素 100：

s2 = append(s2, 100)
    复制代码

`s2` 容量刚好够，直接追加。不过，这会修改原始数组对应位置的元素。这一改动，数组和 `s1` 都可以看得到。

再次向 `s2` 追加元素200：

s2 = append(s2, 100)
    复制代码

这时，`s2` 的容量不够用，该扩容了。于是，`s2` 另起炉灶，将原来的元素复制新的位置，扩大自己的容量。并且为了应对未来可能的 `append` 带来的再一次扩容，`s2` 会在此次扩容的时候多留一些 `buffer`，将新的容量将扩大为原始容量的2倍，也就是10了。

最后，修改 `s1` 索引为2位置的元素：

s1[2] = 20
    复制代码

这次只会影响原始数组相应位置的元素。它影响不到 `s2` 了，人家已经远走高飞了。

再提一点，打印 `s1` 的时候，只会打印出 `s1` 长度以内的元素。所以，只会打印出3个元素，虽然它的底层数组不止3个元素。

至于，我们想在汇编层面看看到底它们是如何共享底层数组的，限于篇幅，这里不再展开。感兴趣的同学可以在公众号后台回复：`切片截取`。

我会给你详细分析函数调用关系，对共享底层数组的行为也会一目了然。二维码见文章底部。

# slice 和数组的区别在哪 #

slice 的底层数据是数组，slice 是对数组的封装，它描述一个数组的片段。两者都可以通过下标来访问单个元素。

数组是定长的，长度定义好之后，不能再更改。在 Go 中，数组是不常见的，因为其长度是类型的一部分，限制了它的表达能力，比如 `[3]int` 和 `[4]int` 就是不同的类型。

而切片则非常灵活，它可以动态地扩容。切片的类型和长度无关。

# append 到底做了什么 #

先来看看 `append` 函数的原型：

func append(slice []Type, elems ...Type) []Type 复制代码

append 函数的参数长度可变，因此可以追加多个值到 slice 中，还可以用 `...` 传入 slice，直接追加一个切片。

slice = append(slice, elem1, elem2)
    slice = append(slice, anotherSlice...)
    复制代码

`append`函数返回值是一个新的slice，Go编译器不允许调用了 append 函数后不使用返回值。

append(slice, elem1, elem2)
    append(slice, anotherSlice...)
    复制代码

所以上面的用法是错的，不能编译通过。

使用 append 可以向 slice 追加元素，实际上是往底层数组添加元素。但是底层数组的长度是固定的，如果索引 `len-1` 所指向的元素已经是底层数组的最后一个元素，就没法再添加了。

这时，slice 会迁移到新的内存位置，新底层数组的长度也会增加，这样就可以放置新增的元素。同时，为了应对未来可能再次发生的 append 操作，新的底层数组的长度，也就是新 `slice` 的容量是留了一定的 `buffer` 的。否则，每次添加元素的时候，都会发生迁移，成本太高。

新 slice 预留的 `buffer` 大小是有一定规律的。网上大多数的文章都是这样描述的：

> 当原 slice 容量小于 `1024` 的时候，新 slice 容量变成原来的 `2` 倍；原 slice 容量超过 `1024`，新 slice 容量变成原来的`1.25`倍。

我在这里先说结论：以上描述是错误的。

为了说明上面的规律是错误的，我写了一小段玩具代码：

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
    	s := make([]int, 0)
    
    	oldCap := cap(s)
    
    	for i := 0; i < 2048; i++ {
    		s = append(s, i)
    
    		newCap := cap(s)
    
    		if newCap != oldCap {
    			fmt.Printf("[%d -> %4d] cap = %-4d | after append %-4d cap = %-4d\n", 0, i-1, oldCap, i, newCap)
    			oldCap = newCap
    		}
    	}
    }
    复制代码

我先创建了一个空的 `slice`，然后，在一个循环里不断往里面 `append` 新的元素。然后记录容量的变化，并且每当容量发生变化的时候，记录下老的容量，以及添加完元素之后的容量，同时记下此时 `slice` 里的元素。这样，我就可以观察，新老 `slice` 的容量变化情况，从而找出规律。

运行结果：

[0 ->   -1] cap = 0     |  after append 0     cap = 1   
    [0 ->    0] cap = 1     |  after append 1     cap = 2   
    [0 ->    1] cap = 2     |  after append 2     cap = 4   
    [0 ->    3] cap = 4     |  after append 4     cap = 8   
    [0 ->    7] cap = 8     |  after append 8     cap = 16  
    [0 ->   15] cap = 16    |  after append 16    cap = 32  
    [0 ->   31] cap = 32    |  after append 32    cap = 64  
    [0 ->   63] cap = 64    |  after append 64    cap = 128 
    [0 ->  127] cap = 128   |  after append 128   cap = 256 
    [0 ->  255] cap = 256   |  after append 256   cap = 512 
    [0 ->  511] cap = 512   |  after append 512   cap = 1024
    [0 -> 1023] cap = 1024  |  after append 1024  cap = 1280
    [0 -> 1279] cap = 1280  |  after append 1280  cap = 1696
    [0 -> 1695] cap = 1696  |  after append 1696  cap = 2304
    复制代码

在老 slice 容量小于1024的时候，新 slice 的容量的确是老 slice 的2倍。目前还算正确。

但是，当老 slice 容量大于等于 `1024` 的时候，情况就有变化了。当向 slice 中添加元素 `1280` 的时候，老 slice 的容量为 `1280`，之后变成了 `1696`，两者并不是 `1.25` 倍的关系（1696/1280=1.325）。添加完 `1696` 后，新的容量 `2304` 当然也不是 `1696` 的 `1.25` 倍。

可见，现在网上各种文章中的扩容策略并不正确。我们直接搬出源码：源码面前，了无秘密。

从前面汇编代码我们也看到了，向 slice 追加元素的时候，若容量不够，会调用 `growslice` 函数，所以我们直接看它的代码。

// go 1.9.5 src/runtime/slice.go:82
    func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
        // ……
        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
    			}
    		}
    	}
    	// ……
    	
    	capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
    	newcap = int(capmem / ptrSize)
    }
    复制代码

看到了吗？如果只看前半部分，现在网上各种文章里说的 `newcap` 的规律是对的。现实是，后半部分还对 `newcap` 作了一个`内存对齐`，这个和内存分配策略相关。进行内存对齐之后，新 slice 的容量是要 `大于等于` 老 slice 容量的 `2倍`或者`1.25倍`。

之后，向 Go 内存管理器申请内存，将老 slice 中的数据复制过去，并且将 append 的元素添加到新的底层数组中。

最后，向 `growslice` 函数调用者返回一个新的 slice，这个 slice 的长度并没有变化，而容量却增大了。

关于 `append`，我们最后来看一个例子，来源于参考资料部分的【Golang Slice的扩容规则】。

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
    	s := []int{
        1,2}
    	s = append(s,4,5,6)
    	fmt.Printf("len=%d, cap=%d",len(s),cap(s))
    }
    复制代码

运行结果是：

len=5, cap=6
    复制代码

如果按网上各种文章中总结的那样：小于原 slice 长度小于 1024 的时候，容量每次增加 1 倍。添加元素 4 的时候，容量变为4；添加元素 5 的时候不变；添加元素 6 的时候容量增加 1 倍，变成 8。

那上面代码的运行结果就是：

len=5, cap=8
    复制代码

这是错误的！我们来仔细看看，为什么会这样，再次搬出代码：

// go 1.9.5 src/runtime/slice.go:82
    func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
        // ……
        newcap := old.cap
    	doublecap := newcap + newcap
    	if cap > doublecap {
    		newcap = cap
    	} else {
    		// ……
    	}
    	// ……
    	
    	capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
    	newcap = int(capmem / ptrSize)
    }
    复制代码

这个函数的参数依次是 `元素的类型，老的 slice，新 slice 最小求的容量`。

例子中 `s` 原来只有 2 个元素，`len` 和 `cap` 都为 2，`append` 了三个元素后，长度变为 3，容量最小要变成 5，即调用 `growslice` 函数时，传入的第三个参数应该为 5。即 `cap=5`。而一方面，`doublecap` 是原 `slice`容量的 2 倍，等于 4。满足第一个 `if` 条件，所以 `newcap` 变成了 5。

接着调用了 `roundupsize` 函数，传入 40。（代码中ptrSize是指一个指针的大小，在64位机上是8）

我们再看内存对齐，搬出 `roundupsize` 函数的代码：

// src/runtime/msize.go:13
    func roundupsize(size uintptr) uintptr {
    	if size < _MaxSmallSize {
    		if size <= smallSizeMax-8 {
    			return uintptr(class_to_size[size_to_class8[(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv]])
    		} else {
    			//……
    		}
    	}
        //……
    }
    
    const _MaxSmallSize = 32768
    const smallSizeMax = 1024
    const smallSizeDiv = 8
    复制代码

很明显，我们最终将返回这个式子的结果：

class_to_size[size_to_class8[(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv]]
    复制代码

这是 `Go` 源码中有关内存分配的两个 `slice`。`class_to_size`通过 `spanClass`获取 `span`划分的 `object`大小。而 `size_to_class8` 表示通过 `size` 获取它的 `spanClass`。

var size_to_class8 = [smallSizeMax/smallSizeDiv + 1]uint8{
        0, 1, 2, 3, 3, 4, 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, 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, 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, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31}
    
    var class_to_size = [_NumSizeClasses]uint16{
        0, 8, 16, 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}
    复制代码

我们传进去的 `size` 等于 40。所以 `(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv = 5`；获取 `size_to_class8` 数组中索引为 `5` 的元素为 `4`；获取 `class_to_size` 中索引为 `4` 的元素为 `48`。

最终，新的 slice 的容量为 `6`：

newcap = int(capmem / ptrSize) // 6
    复制代码

至于，上面的两个`魔法数组`的由来，暂时就不展开了。

# 为什么 nil slice 可以直接 append #

其实 `nil slice` 或者 `empty slice` 都是可以通过调用 append 函数来获得底层数组的扩容。最终都是调用 `mallocgc` 来向 Go 的内存管理器申请到一块内存，然后再赋给原来的`nil slice` 或 `empty slice`，然后摇身一变，成为“真正”的 `slice` 了。

# 传 slice 和 slice 指针有什么区别 #

前面我们说到，slice 其实是一个结构体，包含了三个成员：len, cap, array。分别表示切片长度，容量，底层数据的地址。

当 slice 作为函数参数时，就是一个普通的结构体。其实很好理解：若直接传 slice，在调用者看来，实参 slice 并不会被函数中的操作改变；若传的是 slice 的指针，在调用者看来，是会被改变原 slice 的。

值的注意的是，不管传的是 slice 还是 slice 指针，如果改变了 slice 底层数组的数据，会反应到实参 slice 的底层数据。为什么能改变底层数组的数据？很好理解：底层数据在 slice 结构体里是一个指针，仅管 slice 结构体自身不会被改变，也就是说底层数据地址不会被改变。 但是通过指向底层数据的指针，可以改变切片的底层数据，没有问题。

通过 slice 的 array 字段就可以拿到数组的地址。在代码里，是直接通过类似 `s[i]=10` 这种操作改变 slice 底层数组元素值。

另外，啰嗦一句，Go 语言的函数参数传递，只有值传递，没有引用传递。后面会再写一篇相关的文章，敬请期待。

再来看一个年幼无知的代码片段：

package main
    
    func main() {
    	s := []int{
        1, 1, 1}
    	f(s)
    	fmt.Println(s)
    }
    
    func f(s []int) {
    	// i只是一个副本，不能改变s中元素的值
    	/*for _, i := range s { i++ } */
    
    	for i := range s {
    		s[i] += 1
    	}
    }
    复制代码

运行一下，程序输出：

[2 2 2]
    复制代码

果真改变了原始 slice 的底层数据。这里传递的是一个 slice 的副本，在 `f` 函数中，`s` 只是 `main` 函数中 `s` 的一个拷贝。在`f` 函数内部，对 `s` 的作用并不会改变外层 `main` 函数的 `s`。

要想真的改变外层 `slice`，只有将返回的新的 slice 赋值到原始 slice，或者向函数传递一个指向 slice 的指针。我们再来看一个例子：

package main
    
    import "fmt"
    
    func myAppend(s []int) []int {
    	// 这里 s 虽然改变了，但并不会影响外层函数的 s
    	s = append(s, 100)
    	return s
    }
    
    func myAppendPtr(s *[]int) {
    	// 会改变外层 s 本身
    	*s = append(*s, 100)
    	return
    }
    
    func main() {
    	s := []int{
        1, 1, 1}
    	newS := myAppend(s)
    
    	fmt.Println(s)
    	fmt.Println(newS)
    
    	s = newS
    
    	myAppendPtr(&s)
    	fmt.Println(s)
    }
    复制代码

运行结果：

[1 1 1]
    [1 1 1 100]
    [1 1 1 100 100]
    复制代码

`myAppend` 函数里，虽然改变了 `s`，但它只是一个值传递，并不会影响外层的 `s`，因此第一行打印出来的结果仍然是 `[1 1 1]`。

而 `newS` 是一个新的 `slice`，它是基于 `s` 得到的。因此它打印的是追加了一个 `100` 之后的结果： `[1 1 1 100]`。

最后，将 `newS` 赋值给了 `s`，`s` 这时才真正变成了一个新的slice。之后，再给 `myAppendPtr` 函数传入一个 `s 指针`，这回它真的被改变了：`[1 1 1 100 100]`。

# 总结 #

到此，关于 `slice` 的部分就讲完了，不知大家有没有看过瘾。我们最后来总结一下：

*  切片是对底层数组的一个抽象，描述了它的一个片段。
 *  切片实际上是一个结构体，它有三个字段：长度，容量，底层数据的地址。
 *  多个切片可能共享同一个底层数组，这种情况下，对其中一个切片或者底层数组的更改，会影响到其他切片。
 *  `append` 函数会在切片容量不够的情况下，调用 `growslice` 函数获取所需要的内存，这称为扩容，扩容会改变元素原来的位置。
 *  扩容策略并不是简单的扩为原切片容量的 `2` 倍或 `1.25` 倍，还有内存对齐的操作。扩容后的容量 >= 原容量的 `2` 倍或 `1.25` 倍。
 *  当直接用切片作为函数参数时，可以改变切片的元素，不能改变切片本身；想要改变切片本身，可以将改变后的切片返回，函数调用者接收改变后的切片或者将切片指针作为函数参数。

最后，如果你觉得本文对你有帮助的话，帮我点一下右下角的“推荐”吧，感谢！

# 参考资料 #

【码洞《深度解析 Go 语言中「切片」的三种特殊状态》】[juejin.im/post/5bea58…][juejin.im_post_5bea58] 【老钱 数组】[juejin.im/post/5be53b…][juejin.im_post_5be53b] 【老钱 切片】[juejin.im/post/5be8e0…][juejin.im_post_5be8e0] 【golang interface源码】[i6448038.github.io/2018/10/01/…][i6448038.github.io_2018_10_01] 【golang interface源码】[legendtkl.com/2017/07/01/…][legendtkl.com_2017_07_01] 【interface】[www.jishuwen.com/d/2C9z\#tuit][www.jishuwen.com_d_2C9z_tuit] 【雨痕开源Go学习笔记】[github.com/qyuhen/book][github.com_qyuhen_book] 【slice 图很漂亮】[halfrost.com/go\_slice/][halfrost.com_go_slice] 【Golang Slice的扩容规则】[jodezer.github.io/2017/05/gol…][jodezer.github.io_2017_05_gol] 【slice作为参数】[www.cnblogs.com/fwdqxl/p/93…][www.cnblogs.com_fwdqxl_p_93] 【源码】[ictar.xyz/2018/10/25/…][ictar.xyz_2018_10_25] 【append机制 译文】[brantou.github.io/2017/05/24/…][brantou.github.io_2017_05_24] 【slice 汇编】[xargin.com/go-slice/][xargin.com_go-slice] 【slice tricks】[colobu.com/2017/03/22/…][colobu.com_2017_03_22] 【有图】[i6448038.github.io/2018/08/11/…][i6448038.github.io_2018_08_11] 【slice的本质】[www.flysnow.org/2018/12/21/…][www.flysnow.org_2018_12_21] 【slice使用技巧】[blog.thinkeridea.com/201901/go/s…][blog.thinkeridea.com_201901_go_s] 【slice/array、内存增长】[blog.thinkeridea.com/201901/go/s…][blog.thinkeridea.com_201901_go_s 1]

转载于:https://juejin.im/post/5ca2b75f51882543ea4b81c8

[Go]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.cnblogs.com%2Fqcrao-2018%2Fp%2F10562216.html
[juejin.im_post_5bea58]: https://juejin.im/post/5bea58df6fb9a049f153bca8
[juejin.im_post_5be53b]: https://juejin.im/post/5be53bc251882516c15af2e0
[juejin.im_post_5be8e0]: https://juejin.im/post/5be8e0b1f265da614d08b45a
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[www.jishuwen.com_d_2C9z_tuit]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.jishuwen.com%2Fd%2F2C9z%23tuit
[github.com_qyuhen_book]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fqyuhen%2Fbook
[halfrost.com_go_slice]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fhalfrost.com%2Fgo_slice%2F
[jodezer.github.io_2017_05_gol]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fjodezer.github.io%2F2017%2F05%2FgolangSlice%25E7%259A%2584%25E6%2589%25A9%25E5%25AE%25B9%25E8%25A7%2584%25E5%2588%2599
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[ictar.xyz_2018_10_25]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fictar.xyz%2F2018%2F10%2F25%2F%25E6%25B7%25B1%25E5%2585%25A5%25E6%25B5%2585%25E5%2587%25BA-go-slice%2F
[brantou.github.io_2017_05_24]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fbrantou.github.io%2F2017%2F05%2F24%2Fgo-array-slice-string%2F
[xargin.com_go-slice]: https://link.juejin.im?target=http%3A%2F%2Fxargin.com%2Fgo-slice%2F
[colobu.com_2017_03_22]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fcolobu.com%2F2017%2F03%2F22%2FSlice-Tricks%2F
[i6448038.github.io_2018_08_11]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fi6448038.github.io%2F2018%2F08%2F11%2Farray-and-slice-principle%2F
[www.flysnow.org_2018_12_21]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.flysnow.org%2F2018%2F12%2F21%2Fgolang-sliceheader.html
[blog.thinkeridea.com_201901_go_s]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fblog.thinkeridea.com%2F201901%2Fgo%2Fslice_de_yi_xie_shi_yong_ji_qiao.html
[blog.thinkeridea.com_201901_go_s 1]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fblog.thinkeridea.com%2F201901%2Fgo%2Fshen_ru_pou_xi_slice_he_array.html