Go语言中常见100问题-#20 切片操作实战

前言

有很多gopher将切片的length和capacity混淆，没有彻底理清这两者的区别和联系。理清楚切片的长度和容量这两者的关系，有助于我们合理的对切片进行初始化、通过append追加元素以及进行复制等操作。如果没有深入理解它们，缺少高效操作切片的方法，甚至可能导致内存泄露。

切片结构

Go语言中切片的底层是一个数组，也就是说切片中的元素在内存中是连续存储的。如果底层数组元素已满，继续向切片中添加元素，切片会进行扩容操作。在内部实现上，切片包含一个指向底层数组的指针，一个记录数组长度的字段和一个记录数组容量的字段。长度记录的是切片中已添加的元素数量，而容量记录的是数组大小。

切片初始化

下面结合几个具体的程序进行理解。首先来初始化一个给定长度和容量的切片：

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s := make([]int, 3, 6)

通过make函数创建切片，它的第一个参数（3）表示切片的长度，是必传参数。第二个参数（6）是非必传参数，该参数表示切片的容量。下图展示了切片s在内存中的分配结果。

s的底层是一个包含6个元素（容量）的数组，但是因为长度设置为3，所以只初始化了前3个元素。又因为切片中的元素是int类型，所以初始的值为int的类型零值：0. 上图中灰色的格子表示已分配内存但尚未使用。

如果打印切片s的值，得到输出内容是长度范围内的元素值，即[0 0 0]. 如果将s[1]设置为1，则切片中的第二个元素内容会被更新为1，但不会影响切片s的长度和容量。

访问切片中的元素位置超过切片的长度是不被允许的，将会产生panic, 尽管已经分配的元素个数（切片的容量）比长度大。例如，下面执行 s[4]=0将会产生pani.

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panic: runtime error: index out of range [4] with length 3

append操作

那如何使用剩余灰色的3个空间呢？通过内置的append函数向切片中添加元素。

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s = append(s, 2)

可以看到，通过append操作，切片s中添加了一个新的元素2. 元素2存在s中已分配但未使用的空间中（即数组中第4个格子）。如下图所示。此时s的长度变为4.

如果继续向s添加元素3、4、5, 这个时候元素个数已超过预分配的大小6，此时如何处理呢？

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s = append(s, 3, 4, 5)

fmt.Println(s)

执行上面的代码，可以看到输出结果与我们预期的一致，打印 [0 1 0 2 3 4 5].

因为数组是一种大小固定的数据结构，s底层是一个大小为6的数组，所以它只能存储到元素4. 当向里面插入元素5的时候，它已经满了，这时将创建一个新的数组，数组的大小是原来的两倍，然后将原来数组中的元素拷贝到新数组中，最后向新数组中插入元素。处理结果如下图。

NOTE:在Go语言中，切片在扩容时，新切片的容量大小是旧切片的两倍，直到容量大小为1024，当容量超过1024时，按原来的1.25倍进行扩容。

现在切片s底层关联的是一个新数组，那之前的数组会怎么处理呢？如果它不再被引用，并且是在堆上分配的，则最后将被垃圾回收器（GC)回收。

截取操作

切片截取操作，截取操作的对象是一个数组或切片，从中截取一部分数据，截取的范围是左闭右开区间。下面的代码中，s2是通过截取s1得到的，在内存的结构如下图所示。

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s1 := make([]int, 3, 6)

s2 := s1[1:3]

s1是一个长度为3，容量为6的切片，切片s2是通过s1创建的，两个切片底层引用的是相同的数组。但是，s2下标索引从底层数组的索引1开始，并且容量也与s1不同。如果我们对s1[1]或s2[0]进行更新操作，它们更改的是的底层数组的相同位置值，所以对s1[1]进行更新，将其设置为1，s2[0]的值也同步更新了，此时内存结构如下图所示。

如果此时执行 s2 = append(s2,2)操作，切片s1会发生变化吗？虽然它们共享的底层数组中的元素已发生变化，第4个格子中的元素被设置为2，但是该索引位置对s1是不可见的，因为它的长度为3，此时s1和s2在内存中的结构如下。

现在打印s1和s2的值，输出如下。可以看到，它们的值是不同的，理解这种行为很重要，这样在使用append时就不会做出错误的假设。

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s1=[0 1 0], s2=[1 0 2]

NOTE: 切片的底层数组是内部实现，Go开发人员是无法直接操作访问的。唯一的例外是通过对现有数组创建切片。

切片扩容

如果我们不断的将元素append到切片s2中，直到底层数组已满。继续append会产生什么效果？下面通过实验进行说明，继续向s2中append 3个元素.

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s2 = append(s2, 3)

s2 = append(s2, 4)

s2 = append(s2, 5)

这样导致会分配一个新的底层数组给s2，因为原来的底层数组已不够容纳元素3、4、5. 此时s1和s2在内存中的结构如下图所示。可以看到，此时s1和s2底层引用的是不同的数组。由于s1是一个长度为3、容量为6的切片，并且它里面装的元素未满，所以继续引用原来的数组。s2新关联新的数组，并且会将s1中与之关联的数据拷贝到新数组中。

总结

切片长度是切片中已有元素的数量，而切片容量是切片中可以容纳的元素数量。向切片中添加元素，当长度和容量相等时会导致创建具有新容量的新底层数组，复制所有来自前一个数组的元素，并将切片指针更新为新数组。