深入理解go的slice和到底什麼時候該用slice?

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前言

用過go語言的親們都知道，slice（中文翻譯為切片）在編程中經常用到，它代表變長的序列，序列中每個元素都有相同的類型，類似一個動態數組，利用append可以實現動態增長，利用slice的特性可以很容易的切割slice，它們是怎麼實現這些特性的呢？現在我們來探究一下這些特性的本質是什麼。

先瞭解一下slice的特性

• 定義一個slice

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

一個slice類型一般寫作[]T，其中T代表slice中元素的類型；slice的文法和數組很像，只是沒有固定長度而已。

• slice的擴容

    s := []int{1,2,3,4,5}    s = append(s, 6)    fmt.Println(s)  // [1 2 3 4 5 6]

內建append函數在現有數組的長度 < 1024 時 cap 增長是翻倍的，再往上的增長率則是 1.25，至於為何後面會說。

• slice的切割

    s := []int{1,2,3,4,5,6}    s1 := s[0:2]    fmt.Println(s1)  // [1 2]    s2 := s[4:]    fmt.Println(s2)  // [5 6]    s3 := s[:4]    fmt.Println(s3)  // [1 2 3 4]

• slice作為函數參數

    package main    import "fmt"    func main() {        slice_1 := []int{1, 2, 3, 4, 5}        fmt.Printf("main-->data:\t%#v\n", slice_1)        fmt.Printf("main-->len:\t%#v\n", len(slice_1))        fmt.Printf("main-->cap:\t%#v\n", cap(slice_1))        test1(slice_1)        fmt.Printf("main-->data:\t%#v\n", slice_1)        test2(&slice_1)        fmt.Printf("main-->data:\t%#v\n", slice_1)    }    func test1(slice_2 []int) {        slice_2[1] = 6666               // 函數外的slice確實有被修改        slice_2 = append(slice_2, 8888) // 函數外的不變        fmt.Printf("test1-->data:\t%#v\n", slice_2)        fmt.Printf("test1-->len:\t%#v\n", len(slice_2))        fmt.Printf("test1-->cap:\t%#v\n", cap(slice_2))    }    func test2(slice_2 *[]int) { // 這樣才能修改函數外的slice        *slice_2 = append(*slice_2, 6666)    }

結果：

main-->data:    []int{1, 2, 3, 4, 5}main-->len: 5main-->cap: 5test1-->data:   []int{1, 6666, 3, 4, 5, 8888}test1-->len:    6test1-->cap:    12main-->data:    []int{1, 6666, 3, 4, 5}main-->data:    []int{1, 6666, 3, 4, 5, 6666}

這裡要注意注釋的地方，為何slice作為值傳遞參數，函數外的slice也被更改了？為何在函數內append不能改變函數外的slice？要回da這些問題就得瞭解slice內部結構，詳細請看下面.

slice的內部結構

其實slice在Go的執行階段程式庫中就是一個C語言動態數組的實現，在$GOROOT/src/pkg/runtime/runtime.h中可以看到它的定義：

struct    Slice{    // must not move anything    byte*    array;        // actual data    uintgo    len;        // number of elements    uintgo    cap;        // allocated number of elements};

這個結構有3個欄位，第一個欄位表示array的指標，就是真實資料的指標（這個一定要注意），所以才經常說slice是數組的引用，第二個是表示slice的長度，第三個是表示slice的容量，注意：len和cap都不是指標。

現在就可以解釋前面的例子slice作為函數參數提出的問題：函數外的slice叫slice_1，函數的參數叫slice_2，當函數傳遞slice_1的時候，其實傳入的確實是slice_1參數的複製，所以slice_2複製了slise_1，但要注意的是slice_2裡儲存的數組的指標，所以當在函數內更改數組內容時，函數外的slice_1的內容也改變了。在函數內用append時，append會自動以倍增的方式擴充slice_2的容量，但是擴充也僅僅是函數內slice_2的長度和容量，slice_1的長度和容量是沒變的，所以在函數外列印時看起來就是沒變。

append的運作機制

在對slice進行append等操作時，可能會造成slice的自動擴容。其擴容時的大小增長規則是：

• 如果新的slice大小是當前大小2倍以上，則大小增長為新大小
• 否則迴圈以下操作：如果當前slice大小小於1024，按每次2倍增長，否則每次按當前大小1/4增長。直到增長的大小超過或等於新大小。
• append的實現只是簡單的在記憶體中將***舊slice***複製給***新slice***

至於為何會這樣，你要看一下golang的源碼就知道了：https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/slice.go

    newcap := old.cap    if newcap+newcap < cap {        newcap = cap    } else {        for {            if old.len < 1024 {                newcap += newcap            } else {                newcap += newcap / 4            }            if newcap >= cap {                break            }        }    }

為何不用動態鏈表實現slice？

• 首先拷貝一斷連續的記憶體是很快的，假如不想發生拷貝，也就是用動態鏈表，那你就沒有連續記憶體。此時隨機訪問開銷會是：鏈表 O(N), 2倍增長塊鏈 O(LogN),二級表一個常數很大的O(1)。問題不僅是演算法上開銷，還有記憶體位置分散而對緩衝高度不友好，這些問題i在連續記憶體方案裡都是不存在的。除非你的應用是狂append然後只順序讀一次，否則最佳化寫而犧牲讀都完全不 make sense. 而就算你的應用是嚴格順序讀，快取命中率也通常會讓你的綜合效率比拷貝換連續記憶體低。
• 對小 slice 來說，連續 append 的開銷更多的不是在 memmove, 而是在分配一塊新空間的 memory allocator 和之後的 gc 壓力（這方面對鏈表更是不利）。所以，當你能大致知道所需的最大空間（在大部分時候都是的）時，在make的時候預留相應的 cap 就好。如果所需的最大空間很大而每次使用的空間量分布不確定，那你就要在浪費記憶體和耗 CPU 在 allocator + gc 上做權衡。
• Go 在 append 和 copy 方面的開銷是可預知+可控的，應用上簡單的調優有很好的效果。這個世界上沒有免費的動態增長記憶體，各種實現方案都有設計權衡。

什麼時候該用slice？

在go語言中slice是很靈活的，大部分情況都能表現的很好，但也有特殊情況。當程式要求slice的容量超大並且需要頻繁的更改slice的內容時，就不應該用slice，改用list更合適。