切片简单介绍

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。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。

数组就是一片连续的内存, slice 实际上是一个结构体,包含三个字段:长度、容量、底层数组。




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


slice 的数据结构如下:

Go切片实现_数组

 

 




切片的创建和初始化

在 Golang 中可以通过多种方式创建和初始化切片。是否提前知道切片所需的容量通常会决定如何创建切片。

通过 make() 函数创建切片

使用 Golang 内置的 make() 函数创建切片,此时需要传入一个参数来指定切片的长度:



// 创建一个整型切片
// 其长度和容量都是 5 个元素
slice := make([]int, 5) 


此时只指定了切片的长度,那么切片的容量和长度相等。也可以分别指定长度和容量:



// 创建一个整型切片
// 其长度为 3 个元素,容量为 5 个元素
slice := make([]int, 3, 5)


分别指定长度和容量时,创建的切片,底层数组的长度是指定的容量,但是初始化后并不能访问所有的数组元素。

注意,Golang 不允许创建容量小于长度的切片,当创建的切片容量小于长度时会在编译时刻报错:



// 创建一个整型切片
// 使其长度大于容量
myNum := make([]int, 5, 3)


编译上面的代码,会收到下面的编译错误:

len larger than cap in make([]int)

通过字面量创建切片

另一种常用的创建切片的方法是使用切片字面量,这种方法和创建数组类似,只是不需要指定[]运算符里的值。初始的长度和容量会基于初始化时提供的元素的个数确定:



// 创建字符串切片
// 其长度和容量都是 3 个元素
myStr := []string{"Jack", "Mark", "Nick"}
// 创建一个整型切片
// 其长度和容量都是 4 个元素
myNum := []int{10, 20, 30, 40}


当使用切片字面量创建切片时,还可以设置初始长度和容量。要做的就是在初始化时给出所需的长度和容量作为索引。下面的语法展示了如何使用索引方式创建长度和容量都是100个元素的切片:



// 创建字符串切片
// 使用空字符串初始化第 100 个元素
myStr := []string{99: ""}


区分数组的声明和切片的声明方式

当使用字面量来声明切片时,其语法与使用字面量声明数组非常相似。二者的区别是:如果在 [] 运算符里指定了一个值,那么创建的就是数组而不是切片。只有在 [] 中不指定值的时候,创建的才是切片。看下面的例子:



// 创建有 3 个元素的整型数组
myArray := [3]int{10, 20, 30}
// 创建长度和容量都是 3 的整型切片
mySlice := []int{10, 20, 30}


  



slice基本实现

slice结构大致存储了三个部分,第一部分为指向底层数组的指针​​ptr​​,其次是切片的大小​​len​​和切片的容量​​cap​​:

      +--------+
| |
| ptr |+------------+-------+-----------+
| | | |
+--------+ | |
| | | |
| | | |
| len 5 | | |
| | | |
+--------+ v v
| | +-----+-----+-----+-----+----+
| | | | | | | |
| cap 5 | [5]int | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| | +-----+-----+-----+-----+----+
+--------+
   



arr := [5]int{0,1,2,3,4}
slice := arr[1:4]


有一个数组​​arr​​是一个包含五个int类型的结构,它的切片slice只是从其取了 1到3这几个数字。我们同样可以再生成一个切片 ​​slice2 := arr[2:5]​​, 所取的就是数组后面的连续块。他们共同使用arr作为底层的结构,可以看见共用了数字的第3,4个元素。修改其中任何一个,都能改变两个切片的值。



func main() {

arr := [5]int{0, 1, 2, 3, 4}
fmt.Println(arr)

slice := arr[1:4]
slice2 := arr[2:5]

fmt.Printf("arr %v, slice1 %v, slice2 %v, %p %p %p\n", arr, slice, slice2, &arr, &slice, &slice2)

fmt.Printf("arr[2]%p slice[1] %p slice2[0]%p\n", &arr[2], &slice[1], &slice2[0])

arr[2] = 2222

fmt.Printf("arr %v, slice1 %v, slice2 %v\n", arr, slice, slice2)


slice[1] = 1111

fmt.Printf("arr %v, slice1 %v, slice2 %v\n", arr, slice, slice2)

}


输出的值为:



[0 1 2 3 4]
arr [0 1 2 3 4], slice1 [1 2 3], slice2 [2 3 4], 0xc42006e0c0 0xc4200660c0 0xc4200660e0
arr[2]0xc42006e0d0 slice[1] 0xc42006e0d0 slice2[0]0xc42006e0d0
arr [0 1 2222 3 4], slice1 [1 2222 3], slice2 [2222 3 4]
arr [0 1 1111 3 4], slice1 [1 1111 3], slice2 [1111 3 4]


由此可见,数组的切片,只是从数组上切一段数据下来,不同的切片,其实是共享这些底层的数据数据。不过这些切片本身是不一样的对象,其内存地址都不一样。

从数组中切一块下来形成切片很好理解,有时候我们用make函数创建切片,实际上golang会在底层创建一个匿名的数组。如果从新的slice再切,那么新创建的两个切片都共享这个底层的匿名数组。



func main() {

slice := make([]int, 5)
for i:=0; i<len(slice);i++{
slice[i] = i
}
fmt.Printf("slice %v \n", slice)

slice2 := slice[1:4]
fmt.Printf("slice %v, slice2 %v \n", slice, slice2)

slice[1] = 1111
fmt.Printf("slice %v, slice2 %v \n", slice, slice2)
}


输出如下:



slice [0 1 2 3 4] 
slice [0 1 2 3 4], slice2 [1 2 3]
slice [0 1111 2 3 4], slice2 [1111 2 3]
更多例子如下:




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)
} 


结果:



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


​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。

Go切片实现_数组_02

接着,向 ​​s2​​ 尾部追加一个元素 100:



s2 = append(s2, 100)


​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。

Go切片实现_数据_03

再次向 ​​s2​​ 追加元素200:



s2 = append(s2, 100)


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。

Go切片实现_golang_04

最后,修改 ​​s1​​ 索引为2位置的元素:



s1[2] = 20


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。

Go切片实现_数据_05

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。





slice的复制

既然slice的创建依赖于数组,有时候新生成的slice会修改,但是又不想修改原来的切片或者数组。此时就需要针对原来的切片进行复制了。



func main() {

slice := []int{0, 1, 2, 3, 4}

slice2 := slice[1:4]

slice3 := make([]int, len(slice2))

for i, e := range slice2 {
slice3[i] = e
}

fmt.Printf("slice %v, slice3 %v \n", slice, slice3)

slice[1] = 1111

fmt.Printf("slice %v, slice3 %v \n", slice, slice3)
} 


输出:



slice [0 1 2 3 4], slice3 [1 2 3] 
slice [0 1111 2 3 4], slice3 [1 2 3]


由此可见,新创建的slice3,不会因为slice和slice2的修改而改变slice3。复制很有用,因此golang实现了一个内建的函数​​copy​​, copy有两个参数,第一个参数是复制后的对象,第二个是复制前的数组切片对象。



func main() {

slice := []int{0, 1, 2, 3, 4}
slice2 := slice[1:4]

slice4 := make([]int, len(slice2))

copy(slice4, slice2)

fmt.Printf("slice %v, slice4 %v \n", slice, slice4)
slice[1] = 1111
fmt.Printf("slice %v, slice4 %v \n", slice, slice4)
}


slice4是从slice2中copy生成,slice和slice4底层的匿名数组是不一样的。因此修改他们不会影响彼此。

 

 

slice 追加

append 简介

创建复制切片都是常用的操作,还有一个追加元素或者追加数组也是很常用的功能。golang提供了​​append​​函数用于给切片追加元素。append第一个参数为原切片,随后是一些可变参数,用于将要追加的元素或多个元素。

当添加元素超过容量时时会发生扩容。



func main() {

slice := make([]int, 1, 2)
slice[0] = 111

fmt.Printf("slice %v, slice addr %p, len %d, cap %d \n", slice, &slice, len(slice), cap(slice))

slice = append(slice, 222)
fmt.Printf("slice %v, slice addr %p, len %d, cap %d \n", slice, &slice, len(slice), cap(slice))

slice = append(slice, 333)
fmt.Printf("slice %v, slice addr %p, len %d, cap %d \n", slice, &slice, len(slice), cap(slice))

}


输出结果为:

slice [111], slice addr 0xc4200660c0, len 1, cap 2 
slice [111 222], slice addr 0xc4200660c0, len 2, cap 2
slice [111 222 333], slice addr 0xc4200660c0, len 3, cap 4


切片容量

无论数组还是切片,都有长度限制。也就是追加切片的时候,如果元素正好在切片的容量范围内,直接在尾部追加一个元素即可。如果超出了最大容量,再追加元素就需要针对底层的数组进行复制和扩容操作了。

这里有一个切片容量的概念,从数组中切数据,切片的容量应该是切片的最后一个数据,和数组剩下元素的大小,再加上现有切片的大小。

数组 [0, 1, 2, 3, 4] 中,数组有5个元素。如果切片 s = [1, 2, 3],那么​​3​​在数组的索引为3,也就是数组还剩最后一个元素的大小,加上s已经有3个元素,因此最后s的容量为 1 + 3 = 4。如果切片是

s1 = [4],4的索引再数组中是最大的了,数组空余的元素为0,那么s1的容量为 0 + 1 = 1。具体如下表:


切片

切片字面量

数组剩下空间

长度

容量

s[1:3]

[1 2]

2

2

4

s[1:1]

[]

4

0

4

s[4:4]

[]

1

0

1

s[4:5]

[4]

0

1

1


尽管上面的第二个和第三个切片的长度一样,但是他们的容量不一样。容量与最终append的策略有关系。

append简单实现

我们已经知道,切片都依赖底层的数组结构,即使是直接创建的切片,也会生成一个匿名的数组。使用append时候,本质上是针对底层依赖的数组进行操作。如果切片的容量大于长度,给切片追加元素其实是修改底层数中,切片元素后面的元素。如果容量满了,就不能在原来的数组上修改,而是要创建一个新的数组,当然golang是通过创建一个新的切片实现的,因为新切片必然也有一个新的数组,并且这个数组的长度是原来的2倍,使用动态规划算法的简单实现。



func main() {

arr := [3]int{0, 1, 2}

slice := arr[1:2]

fmt.Printf("arr %v len %d, slice %v len %d, cap %d, \n", arr, len(arr), slice, len(slice), cap(slice))

slice[0] = 333

fmt.Printf("arr %v len %d, slice %v len %d, cap %d, \n", arr, len(arr), slice, len(slice), cap(slice))

slice = append(slice, 4444)

fmt.Printf("arr %v len %d, slice %v len %d, cap %d, \n", arr, len(arr), slice, len(slice), cap(slice))

slice = append(slice, 5555)

fmt.Printf("arr %v len %d, slice %v len %d, cap %d, \n", arr, len(arr), slice, len(slice), cap(slice))

slice[0] = 333

fmt.Printf("arr %v len %d, slice %v len %d, cap %d, \n", arr, len(arr), slice, len(slice), cap(slice))
} 


输出:

arr [0 1 2] len 3, slice [1]  len 1, cap 2, 
arr [0 333 2] len 3, slice [333] len 1, cap 2,
arr [0 333 444] len 3, slice [333 444] len 2, cap 2,
arr [0 333 444] len 3, slice [333 444 555] len 3, cap 4,
arr [0 333 444] len 3, slice [333 444 555] len 3, cap 4,


小于容量的append

重输出,我们来画一下这个动态过程的图示:

       +----+----+----+                           +----+----+----+                             +----+----+----+
| | | | | | | | | | | |
arr | 0 | 1 | 2 | arr | 0 |333 | 2 | arr | 0 |333 |444 |
+----+----+----+ +----+----+----+ +----+----+----+
^ ^ ^ ^
| | | |
| | | |
| slic0] = 333 | slice = append(slice, 444) +----+
| +-----------------> | +----------------> |
| | |
+--+--+----+----+ +--+--+----+----+ +--+--+----+----+
| | | | | | | | | | | |
| p | 1 | 2 | | p | 1 | 2 | | p | 2 | 2 |
+-----+----+----+ +-----+----+----+ +-----+----+----+

slice :=arr[1:2] slice :=arr[1:2] slice :=arr[1:2]


arr 是一个含有三个元素的数组,slice从arr中切了一个元素,由于切片的最后一个元素​​1​​是数组的索引是​​1​​,距离数组的最大长度还是1,因此slice的容量为2。当修改slice的第一个元素,由于slice底层是arr数组,因此arr的第二个元素也相应被修改。使用append方法给slice追加元素的时候,由于slice的容量还未满,因此等同于扩展了slice指向数组的内容,可以理解为重新切了一个数组内容附给slice,同时修改了数组的内容。

超出容量的append

如果接着append一个元素,那么数组肯定越界。此时append的原理大致如下:

  1. 创建一个新的临时切片t,t的长度和slice切片的长度一样,但是t的容量是slice切片的2倍,一个动态规划的方式。新建切片的时候,底层也创建了一个匿名的数组,数组的长度和切片容量一样。
  2. 复制s里面的元素到t里,即填入匿名数组中。然后把t赋值给slice,现在slice的指向了底层的匿名数组。
  3. 转变成小于容量的append方法。
       +----+----+----+                                +----+----+----+----+----+----+
| | | | | | | | | | |
arr | 0 |333 |444 | | 333| 444| | | | |
+----+----+----+ +----+----+----+----+----+----+
^ ^ ^ ^
| | | |
| | +-----+
+----+ +---------------> |
| |
| +
+--+--+----+----+ +-----+-----+-----+
| | | | | | | |
| p | 2 | 2 | | p | 2 | 6 |
+-----+----+----+ +-----+-----+-----+

slice :=arr[1:2] t := make([]int, len=2, cap=6)

+
|
|
|
|
v


+----+----+----+----+----+----+
| | | | | | |
| 333| 444|555 | | | |
+----+----+----+----+----+----+
^ ^
| |
+----+----+
|
|
+
+-----+-----+-----+
| | | |
| p | 3 | 6 |
+-----+-----+-----+

slice = t


上面的图示描述了大于容量的时候append的操作原理。新生成的切片其依赖的数组和原来的数组就没有关系了,因此在修改新的切片元素,旧的数组也不会有关系。至于临时的切片t,将会被golang的gc回收。当然arr或它衍生的切片都没有应用的时候,也会被gc所回收。

slice和array的关系十分密切,通过两者的合理构建,既能实现动态灵活的线性结构,也能提供访问元素的高效性能。当然,这种结构也不是完美无暇,共用底层数组,在部分修改操作的时候,可能带来副作用,同时如果一个很大的数组,那怕只有一个元素被切片应用,那么剩下的数组都不会被垃圾回收,这往往也会带来额外的问题。

作为函数参数的切片

直接改变切片

切片传递的时候,传的是数组的值,等效于从原始切片中再切了一次。原始切片slice和参数s切片的底层数组是一样的。因此修改函数内的切片,也就修改了数组。

                                                +-----+----+-----+
| | | |
+-----------------------------+| p | 3 | 3 |
| + +-----+----+-----+
| |
| | s
| |
| |
v v
+----+----+-----+
| | | |
arr | 0 | 1 | 2 |
+----+----+-----+
^ ^
| |
| |
+-----------+
|
|
+-+--+----+-----+
| | | |
| p | 3 | 3 |
+----+----+-----+


slice


例如下面的代码:



  slice := make([]int, 2, 3)
for i := 0; i < len(slice); i++ {
slice[i] = i
}

fmt.Printf("slice %v %p \n", slice, &slice)

ret := changeSlice(slice)
fmt.Printf("slice %v %p, ret %v \n", slice, &slice, ret)

ret[1] = 1111

fmt.Printf("slice %v %p, ret %v \n", slice, &slice, ret)
}

func changeSlice(s []int) []int {
fmt.Printf("func s %v %p \n", s, &s)
s = append(s, 3)
return s
} 


输出:

slice [0 1] 0xc42000a1e0 
func s [0 1] 0xc42000a260
slice [0 1] 0xc42000a1e0, ret [0 1 3]
slice [0 1111] 0xc42000a1e0, ret [0 1111 3]


从输出可以看出,当slice传递给函数的时候,新建了切片s。在函数中给s进行了append一个元素,由于此时s的容量足够到,并没有生成新的底层数组。当修改返回的ret的时候,ret也共用了底层的数组,因此修改ret的原始,相应的也看到了slice的改变。

append 操作

如果在函数内,append操作超过了原始切片的容量,将会有一个新建底层数组的过程,那么此时再修改函数返回切片,应该不会再影响原始切片。例如下面代码:



 func main() {
slice := make([]int, 2, 2)
for i := 0; i < len(slice); i++ {
slice[i] = i
}

fmt.Printf("slice %v %p \n", slice, &slice)

ret := changeSlice(slice)
fmt.Printf("slice %v %p, ret %v \n", slice, &slice, ret)

ret[1] = -1111

fmt.Printf("slice %v %p, ret %v \n", slice, &slice, ret)
}

func changeSlice(s []int) []int {
fmt.Printf("func s %v %p \n", s, &s)
s[0] = -1
s = append(s, 3)
s[1] = 1111
return s
}


输出:

slice [0 1] 0xc42000a1a0 
func s [0 1] 0xc42000a200
slice [-1 1] 0xc42000a1a0, ret [-1 1111 3]
slice [-1 1] 0xc42000a1a0, ret [-1 -1111 3]


从输出可以很清楚的看到了我们的猜想。 即函数中先改变s第一个元素的值,由于slice和s都共用了底层数组,因此无论原始切片slice还是ret,第一个元素都是-1.然后append操作之后,因为超出了s的容量,因此会新建底层数组,虽然s变量没变,但是他的底层数组变了,此时修改s第一个元素,并不会影响原始的slice切片。也就是slice[1]还是1,而ret[1]则是-1。最后在外面修改ret[1]为 -1111,也不会影响原始的切片slice。

通过上面的分析,我们大致可以下结论,slice或者array作为函数参数传递的时候,本质是传值而不是传引用。传值的过程复制一个新的切片,这个切片也指向原始变量的底层数组。(个人感觉称之为传切片可能比传值的表述更准确)。函数中无论是直接修改切片,还是append创建新的切片,都是基于共享切片底层数组的情况作为基础。也就是最外面的原始切片是否改变,取决于函数内的操作和切片本身容量。

传引用方式

array和slice作为参数传递的过程基本上是一样的,即传递他们切片。有时候我们需要处理传递引用的形式。golang提供了指针很方便实现类似的功能。



func main() {
slice := []int{0, 1}
fmt.Printf("slice %v %p \n", slice, &slice)

changeSlice(&slice)
fmt.Printf("slice %v %p \n", slice, &slice)

slice[1] = -1111

fmt.Printf("slice %v %p \n", slice, &slice)
}

func changeSlice(s *[]int) {
fmt.Printf("func s %v %p \n", *s, s)
(*s)[0] = -1
*s = append(*s, 3)
(*s)[1] = 1111
}


输出如下:

slice [0 1] 0xc42000a1e0 
func s [0 1] 0xc42000a1e0
slice [-1 1111 3] 0xc42000a1e0
slice [-1 -1111 3] 0xc42000a1e0


从输出可以看到,传递给函数的是slice的指针,函数内对对s的操作本质上都是对slice的操作。并且也可以从函数内打出的s地址看到,至始至终就只有一个切片。虽然在append过程中会出现临时的切片或数组。

总结

golang提供了array和slice两种序列结构。其中array是值类型。slice则是复合类型。slice是基于array实现的。slice的第一个内容为指向数组的指针,然后是其长度和容量。通过array的切片可以​​切​​出slice,也可以使用make创建slice,此时golang会生成一个匿名的数组。

因为slice依赖其底层的array,修改slice本质是修改array,而array又是有大小限制,当超过slice的容量,即数组越界的时候,需要通过动态规划的方式创建一个新的数组块。把原有的数据复制到新数组,这个新的array则为slice新的底层依赖。

数组还是切片,在函数中传递的不是引用,是另外一种值类型,即通过原始变量进行​​切片​​传入。函数内的操作即对切片的修改操作了。当然,如果为了修改原始变量,可以指定参数的类型为指针类型。传递的就是slice的内存地址。函数内的操作都是根据内存地址找到变量本身。