Golang原理分析：切片(slice)原理及扩容机制

《Go语言精进之路》切片相关章节学习笔记及实验。

1.切片原理

说切片之前，先看看Go语言数组。Go数组是一个固定长度的、容纳同构类型元素的连续序列，因此Go数组类型具有两个属性：长度及类型：

var a [1]int
var b [2]byte
var c [3]string
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数组的特性是声明即定长，无法原地进行扩容，所以Golang中一般来说需要使用到数组的场合都会使用切片来替代。

切片的特性：

• 不定长，能随着存储容量进行自动扩容
• 提供append函数，能够方便地添加值

切片的本质是引用底层数组头指针+当前切片长度+底层数组大小：即array、len和cap：

• $goroot/src/runtime/slice.go

type slice struct {
   array unsafe.Pointer    // 底层数组头指针
   len   int               // 当前切片长度 
   cap   int               // 底层数组最大容量
}
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使用时通过make关键字来进行初始化切片分配一个新的底层数组，或者是基于指定的数组进行切片化：

• make关键字，创建一个长度为5的切片，如果没有指定cap参数则默认与长度一致为5（底层数组长度也为5）

s := make([]byte,5)
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• 直接通过已有数组创建切片，array指向底层数组的指定位置作为头部，从头部开始计算len及cap：

u := [10]byte{11,12,13,14,15,16,17,18,19,20} // 长度为10的数组
s := u[3:7] // 从数组的第3个元素至第6个元素建立切片（前闭后开区间）
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• 底层数组可以被多个切片共享，如果切片共享了底层数组同一值，那么切片1进行修改后，切片2读取该值时也会读取到修改的结果：
  

2.扩容机制

切片能够在底层数组容量不够时进行扩容，每次append时如果容量不足，会创建2倍大小于老数组的新数组，并复制老数组数据至新的数组中：

func main() {
        var s []int                // 初始化时，底层数组为数组为nil
        s = append(s, 11)          
        fmt.Println(len(s), cap(s)) // 1 1
        s = append(s, 12) 
        fmt.Println(len(s), cap(s)) // 2 2
        s = append(s, 13)
        fmt.Println(len(s), cap(s)) // 3 4
        s = append(s, 14)
        fmt.Println(len(s), cap(s)) // 4 4
        s = append(s, 15)
        fmt.Println(len(s), cap(s)) // 5 8
}
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• 扩容存在损耗，所以尽可能在已知数据最长度的情况下声明切片的cap，避免频繁库容切换底层数组带来的性能损耗：

func BenchmarkAppendZeroSlice(b *testing.B) {
   maxNum := 10000
   for i := 0; i < b.N; i++ {
       // 空切片
      var zeroSlice []int
      for j := 0; j < maxNum; j++ {
         zeroSlice = append(zeroSlice, j)
      }
   }
}

func BenchmarkAppendCapSlice(b *testing.B) {
   maxNum := 10000
   for i := 0; i < b.N; i++ {
       // 声明cap的切片
      capSlice := make([]int, 0, maxNum)
      for j := 0; j < maxNum; j++ {
         capSlice = append(capSlice, j)
      }
   }
}
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从基准测试结果可以看出，声明了cap的切片能避免频繁创建底层数组及复制，单轮append时间为18847ns，相较于零值切片的82081ns提升了4.3倍性能。