Golang 切片的用法和本質

引言

Go的切片類型為處理同類型資料序列提供一個方便而高效的方式。 切片有些類似於其他語言中的數組，但是有一些不同尋常的特性。 本文將深入切片的本質，並講解它的用法。

數組

Go的切片是在數組之上的抽象資料類型，因此在瞭解切片之前必須要先理解數組。

數群組類型定義了長度和元素類型。例如， [4]int 類型表示一個四個整數的數組。 數組的長度是固定的，長度是數群組類型的一部分（ [4]int 和 [5]int 是完全不同的類型）。 數組可以以常規的索引方式訪問，運算式 s[n] 訪問數組的第 n 個元素。

var a [4]inta[0] = 1i := a[0]// i == 1

數組不需要顯式的初始化；數組的零值是可以直接使用的，數組元素會自動初始化為其對應類型的零值：

// a[2] == 0, int 類型的零值

類型 [4]int 對應記憶體中四個連續的整數：

Go的數組是值語義。一個陣列變數表示整個數組，它不是指向第一個元素的指標（不像 C 語言的數組）。 當一個陣列變數被賦值或者被傳遞的時候，實際上會複製整個數組。 （為了避免複製數組，你可以傳遞一個指向數組的指標，但是數組指標並不是數組。） 可以將數組看作一個特殊的struct，結構的欄位名對應數組的索引，同時成員的數目固定。

數組的字面值像這樣：

b := [2]string{"Penn", "Teller"}

當然，也可以讓編譯器統計數組字面值中元素的數目：

b := [...]string{"Penn", "Teller"}

這兩種寫法， b 都是對應 [2]string 類型。

切片

數組雖然有適用它們的地方，但是數組不夠靈活，因此在Go代碼中數組使用的並不多。 但是，切片則使用得相當廣泛。切片基於數組構建，但是提供更強的功能和便利。

切片類型的寫法是 []T ， T 是切片元素的類型。和數組不同的是，切片類型並沒有給定固定的長度。

切片的字面值和數組字面值很像，不過切片沒有指定元素個數：

letters := []string{"a", "b", "c", "d"}

切片可以使用內建函數 make 建立，函數簽名為：

func make([]T, len, cap) []T

其中T代表被建立的切片元素的類型。函數 make 接受一個類型、一個長度和一個可選的容量參數。 調用 make 時，內部會分配一個數組，然後返回數組對應的切片。

var s []bytes = make([]byte, 5, 5)// s == []byte{0, 0, 0, 0, 0}

當容量參數被忽略時，它預設為指定的長度。下面是簡潔的寫法：

s := make([]byte, 5)

可以使用內建函數 len 和 cap 擷取切片的長度和容量資訊。

len(s) == 5cap(s) == 5

接下來的兩個小節將討論長度和容量之間的關係。

切片的零值為 nil 。對於切片的零值， len 和 cap 都將返回0。

切片也可以基於現有的切片或數組產生。切分的範圍由兩個由冒號分割的索引對應的半開區間指定。 例如，運算式 b[1:4]建立的切片引用數組 b 的第1到3個元素空間（對應切片的索引為0到2）。

b := []byte{'g', 'o', 'l', 'a', 'n', 'g'}// b[1:4] == []byte{'o', 'l', 'a'}, sharing the same storage as b

切片的開始和結束的索引都是可選的；它們分別預設為零和數組的長度。

// b[:2] == []byte{'g', 'o'}// b[2:] == []byte{'l', 'a', 'n', 'g'}// b[:] == b

下面文法也是基於數組建立一個切片：

x := [3]string{"Лайка", "Белка", "Стрелка"}s := x[:] // a slice referencing the storage of x

切片的內幕

一個切片是一個數組片段的描述。它包含了指向數組的指標，片段的長度， 和容量（片段的最大長度）。

前面使用 make([]byte, 5) 建立的切片變數 s 的結構如下：

長度是切片引用的元素數目。容量是底層數組的元素數目（從切片指標開始）。 關於長度和容量和地區將在下一個例子說明。

我們繼續對 s 進行切片，觀察切片的資料結構和它引用的底層數組：

s = s[2:4]

切片操作並不複製切片指向的元素。它建立一個新的切片並複用原來切片的底層數組。 這使得切片操作和數組索引一樣高效。因此，通過一個新切片修改元素會影響到原始切片的對應元素。

d := []byte{'r', 'o', 'a', 'd'}e := d[2:] // e == []byte{'a', 'd'}e[1] = 'm'// e == []byte{'a', 'm'}// d == []byte{'r', 'o', 'a', 'm'}

前面建立的切片 s 長度小於它的容量。我們可以增長切片的長度為它的容量：

s = s[:cap(s)]

切片增長不能超出其容量。增長超出切片容量將會導致運行時異常，就像切片或數組的索引超 出範圍引起異常一樣。同樣，不能使用小於零的索引去訪問切片之前的元素。

切片的生長（copy and append 函數）

要增加切片的容量必須建立一個新的、更大容量的切片，然後將原有切片的內容複寫到新的切片。 整個技術是一些支援動態數組語言的常見實現。下面的例子將切片 s 容量翻倍，先建立一個2倍 容量的新切片 t ，複製 s 的元素到 t ，然後將 t賦值給 s ：

t := make([]byte, len(s), (cap(s)+1)*2) // +1 in case cap(s) == 0for i := range s {        t[i] = s[i]}s = t

迴圈中複製的操作可以由 copy 內建函數替代。copy 函數將源切片的元素複製到目的切片。 它返回複製元素的數目。

func copy(dst, src []T) int

copy 函數支援不同長度的切片之間的複製（它只複製較短切片的長度個元素）。 此外， copy 函數可以正確處理源和目的切片有重疊的情況。

使用 copy 函數，我們可以簡化上面的程式碼片段：

t := make([]byte, len(s), (cap(s)+1)*2)copy(t, s)s = t

一個常見的操作是將資料追加到切片的尾部。下面的函數將元素追加到切片尾部， 必要的話會增加切片的容量，最後返回更新的切片：

func AppendByte(slice []byte, data ...byte) []byte {    m := len(slice)    n := m + len(data)    if n > cap(slice) { // if necessary, reallocate        // allocate double what's needed, for future growth.        newSlice := make([]byte, (n+1)*2)        copy(newSlice, slice)        slice = newSlice    }    slice = slice[0:n]    copy(slice[m:n], data)    return slice}

下面是 AppendByte 的一種用法：

p := []byte{2, 3, 5}p = AppendByte(p, 7, 11, 13)// p == []byte{2, 3, 5, 7, 11, 13}

類似 AppendByte 的函數比較實用，因為它提供了切片容量增長的完全控制。 根據程式的特點，可能希望分配較小的活較大的塊，或則是超過某個大小再分配。

但大多數程式不需要完全的控制，因此Go提供了一個內建函數 append ， 用於大多數場合；它的函數簽名：

func append(s []T, x ...T) []T

append 函數將 x 追加到切片 s 的末尾，並且在必要的時候增加容量。

a := make([]int, 1)// a == []int{0}a = append(a, 1, 2, 3)// a == []int{0, 1, 2, 3}

如果是要將一個切片追加到另一個切片尾部，需要使用 ... 文法將第2個參數展開為參數列表。

a := []string{"John", "Paul"}b := []string{"George", "Ringo", "Pete"}a = append(a, b...) // equivalent to "append(a, b[0], b[1], b[2])"// a == []string{"John", "Paul", "George", "Ringo", "Pete"}

由於切片的零值 nil 用起來就像一個長度為零的切片，我們可以聲明一個切片變數然後在迴圈 中向它追加資料：

// Filter returns a new slice holding only// the elements of s that satisfy f()func Filter(s []int, fn func(int) bool) []int {    var p []int // == nil    for _, v := range s {        if fn(v) {            p = append(p, v)        }    }    return p}

可能的“陷阱”

正如前面所說，切片操作並不會複製底層的數組。整個數組將被儲存在記憶體中，直到它不再被引用。 有時候可能會因為一個小的記憶體引用導致儲存所有的資料。

例如， FindDigits 函數載入整個檔案到記憶體，然後搜尋第一個連續的數字，最後結果以切片方式返回。

var digitRegexp = regexp.MustCompile("[0-9]+")func FindDigits(filename string) []byte {    b, _ := ioutil.ReadFile(filename)    return digitRegexp.Find(b)}

這段代碼的行為和描述類似，返回的 []byte 指向儲存整個檔案的數組。因為切片引用了原始的數組， 導致 GC 不能釋放數組的空間；只用到少數幾個位元組卻導致整個檔案的內容都一直儲存在記憶體裡。

要修複整個問題，可以將感興趣的資料複製到一個新的切片中：

func CopyDigits(filename string) []byte {    b, _ := ioutil.ReadFile(filename)    b = digitRegexp.Find(b)    c := make([]byte, len(b))    copy(c, b)    return c}

可以使用 append 實現一個更簡潔的版本。