slice数据结构

1. 前言

Slice又称动态数组,依托数组实现,可以方便的进行扩容、传递等,实际使用中比数组更灵活。

正因为灵活,如果不了解其内部实现机制,有可能遭遇莫名的异常现象。Slice的实现原理很简单,本节试图根据真实的使用场景,在源码中总结实现原理。

2 Slice实现原理

Slice依托数组实现,底层数组对用户屏蔽,在底层数组容量不足时可以实现自动重分配并生成新的Slice。
接下来按照实际使用场景分别介绍其实现机制。

2.1 slice数据结构

Slice底层是一个结构体:

type slice struct {
    array unsafe.Pointer
    len   int
    cap   int
}

从数据结构看Slice很清晰, array指针指向底层数组,len表示切片长度,cap表示底层数组容量。

2.2 使用make创建Slice

使用make 来创建slice是,可以同时指定长度和容量, 创建时底层会分配一个数组, 数组的长度即为容量.

例如,语句slice := make([]int, 5, 10)所创建的Slice,结构如下图所示:

slice数据结构

该Slice长度为5,即可以使用下标slice[0] ~ slice[4]来操作里面的元素,capacity为10,表示后续向slice添加新的元素时可以不必重新分配内存,直接使用预留内存即可。

注意: go中,下标是从0开始的

2.3 使用数组创建Slice

使用数组来创建Slice时,Slice将与原数组共用一部分内存。

例如,语句slice := array[5:7]所创建的Slice,结构如下图所示:
slice数据结构
切片从数组array[5]开始,到数组array[7]结束(不含array[7]),即切片长度为2,数组后面的内容都作为切片的预留内存,即capacity为5。

数组和切片操作可能作用于同一块内存,这也是使用过程中需要注意的地方。

数组和切片操作可能作用于同一块内存,这也是使用过程中需要注意的地方。

2.4 Slice 扩容

使用append向Slice追加元素时,如果Slice空间不足,将会触发Slice扩容,扩容实际上是重新分配一块更大的内存,将原Slice数据拷贝进新Slice,然后返回新Slice,扩容后再将数据追加进去

例如,当向一个capacity为5,且length也为5的Slice再次追加1个元素时,就会发生扩容,如下图所示:

slice数据结构

扩容操作只关心容量,会把原Slice数据拷贝到新Slice,追加数据由append在扩容结束后完成。上图可见,扩容后新的Slice长度仍然是5,但容量由5提升到了10,原Slice的数据也都拷贝到了新Slice指向的数组中。

扩容容量的选择遵循以下规则:

  • 如果原Slice容量小于1024,则新Slice容量将扩大为原来的2倍
  • 如果原Slice容量大于等于1024,则新Slice容量将扩大为原来的1.25倍;

使用append()向Slice添加一个元素的实现步骤如下:

1.假如Slice容量够用,则将新元素追加进去,Slice.len++,返回原Slice
2.原Slice容量不够,则将Slice先扩容,扩容后得到新Slice
3.将新元素追加进新Slice,Slice.len++,返回新的Slice。

2.5 Slice Copy

使用copy()内置函数拷贝两个切片时,会将源切片的数据逐个拷贝到目的切片指向的数组中,拷贝数量取两个切片长度的最小值。

例如长度为10的切片拷贝到长度为5的切片时,将会拷贝5个元素。

也就是说,copy过程中不会发生扩容

2.6 特殊切片

根据数组或切片生成新的切片一般使用slice := array[start:end]方式,这种新生成的切片并没有指定切片的容量,实际上新切片的容量是从start开始直至array的结束。

比如下面两个切片,长度和容量都是一致的,使用共同的内存地址:

sliceA := make([]int, 5, 10)    
sliceB := sliceA[0:5]               // len=5,cap=10

根据数组或切片生成切片还有另一种写法,即切片同时也指定容量,即slice[start??cap], 其中cap即为新切片的容量,当然容量不能超过原切片实际值,如下所示:

    sliceA := make([]int, 5, 10)  //length = 5; capacity = 10
    sliceB := sliceA[0:5]         //length = 5; capacity = 10
    sliceC := sliceA[0:5:5]       //length = 5; capacity = 5, 重新分配容量

这切片方法不常见,在Golang源码里能够见到,不过非常利于切片的理解。

3. 编程过程中注意点

  • 创建切片时可根据实际需要欲分配容量,尽量避免追加过程中扩容操作,有利于提升性能
  • 切片拷贝时需要判断实际拷贝的元素个数
  • 谨慎使用多个切片操作同一个数组,以防读写冲突

4. 总结

  • 每个切片都指向一个底层数组
  • 每个切片都保存了当前切片的长度、底层数组可用容量
  • 使用len()计算切片长度时间复杂度为O(1),不需要遍历切片
  • 使用cap()计算切片容量时间复杂度为O(1),不需要遍历切片
  • 通过函数传递切片时,不会拷贝整个切片,因为切片本身只是个结构体而已
  • 使用append()向切片追加元素时有可能触发扩容,扩容后将会生成新的切片

slice数据结构

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