彻底理解Golang Slice

2021-12-25  本文已影响0人  Go程序员

看完这篇文章，下面这些高频面试题你都会答了吧

  1. Go slice的底层实现原理
  2. Go array和slice的区别
  3. Go slice深拷贝和浅拷贝
  4. Go slice扩容机制是怎样的？
  5. 为什么Go slice是非线程安全的？

实现原理

slice是无固定长度的数组，底层结构是一个结构体，包含如下3个属性

一个 slice 在 golang 中占用 24 个 bytes

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

array : 包含了一个指向一个数组的指针，数据实际上存储在这个指针指向的数组上，占用 8 bytes

len: 当前 slice 使用到的长度，占用8 bytes

cap : 当前 slice 的容量，同时也是底层数组 array 的长度， 8 bytes

slice并不是真正意义上的动态数组，而是一个引用类型。slice总是指向一个底层array，slice的声明也可以像 array一样，只是长度可变。golang中通过语法糖，使得我们可以像声明array一样，自动创建slice结构体

根据索引位置取切片slice 元素值时，默认取值范围是（0～len(slice)-1），一般输出slice时，通常是指 slice[0:len(slice)-1]，根据下标就可以输出所指向底层数组中的值

主要特性

引用类型

golang 有三个常用的高级类型slice、map、channel, 它们都是引用类型，当引用类型作为函数参数时，可能会修改原内容数据。

func sliceModify(s []int) {
    s[0] = 100
}

func sliceAppend(s []int) []int {
    s = append(s, 100)
    return s
}

func sliceAppendPtr(s *[]int) {
    *s = append(*s, 100)
    return
}

// 注意：Go语言中所有的传参都是值传递（传值），都是一个副本，一个拷贝。
// 拷贝的内容是非引用类型（int、string、struct等这些），在函数中就无法修改原内容数据；
// 拷贝的内容是引用类型（interface、指针、map、slice、chan等这些），这样就可以修改原内容数据。
func TestSliceFn(t *testing.T) {
    // 参数为引用类型slice：外层slice的len/cap不会改变，指向的底层数组会改变
    s := []int{1, 1, 1}
    newS := sliceAppend(s)
    // 函数内发生了扩容
    t.Log(s, len(s), cap(s))
    // [1 1 1] 3 3
    t.Log(newS, len(newS), cap(newS)) 
    // [1 1 1 100] 4 6

    s2 := make([]int, 0, 5)
    newS = sliceAppend(s2)
    // 函数内未发生扩容
    t.Log(s2, s2[0:5], len(s2), cap(s2)) 
    // [] [100 0 0 0 0] 0 5
    t.Log(newS, newS[0:5], len(newS), cap(newS))
    // [100] [100 0 0 0 0] 1 5

    // 参数为引用类型slice的指针：外层slice的len/cap会改变，指向的底层数组会改变
    sliceAppendPtr(&s)
    t.Log(s, len(s), cap(s)) 
  // [1 1 1 100] 4 6
    sliceModify(s)
    t.Log(s, len(s), cap(s)) 
  // [100 1 1 100] 4 6
}

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切片状态

切片有3种特殊的状态，分为「零切片」、「空切片」和「nil 切片」

func TestSliceEmptyOrNil(t *testing.T) {
    var slice1 []int           
  // slice1 is nil slice
    slice2 := make([]int, 0)    
    // slcie2 is empty slice
    var slice3 = make([]int, 2) 
    // slice3 is zero slice
    if slice1 == nil {
        t.Log("slice1 is nil.") 
        // 会输出这行
    }
    if slice2 == nil {
        t.Log("slice2 is nil.") 
        // 不会输出这行
    }
    t.Log(slice3) // [0 0]
}

非线程安全

slice不支持并发读写，所以并不是线程安全的，使用多个 goroutine 对类型为 slice 的变量进行操作，每次输出的值大概率都不会一样，与预期值不一致; slice在并发执行中不会报错，但是数据会丢失

/**
* 切片非并发安全
* 多次执行，每次得到的结果都不一样
* 可以考虑使用 channel 本身的特性 (阻塞) 来实现安全的并发读写
 */
func TestSliceConcurrencySafe(t *testing.T) {
    a := make([]int, 0)
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(i int) {
            a = append(a, i)
            wg.Done()
        }(i)
    }
    wg.Wait()
    t.Log(len(a)) 
    // not equal 10000
}

如果想实现slice线程安全，有两种方式：

方式一：通过加锁实现slice线程安全，适合对性能要求不高的场景。

func TestSliceConcurrencySafeByMutex(t *testing.T) {
    var lock sync.Mutex //互斥锁
    a := make([]int, 0)
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(i int) {
            defer wg.Done()
            lock.Lock()
            defer lock.Unlock()
            a = append(a, i)
        }(i)
    }
    wg.Wait()
    t.Log(len(a)) 
    // equal 10000
}

方式二：通过channel实现slice线程安全，适合对性能要求高的场景。

func TestSliceConcurrencySafeByChanel(t *testing.T) {
    buffer := make(chan int)
    a := make([]int, 0)
    // 消费者
    go func() {
        for v := range buffer {
            a = append(a, v)
        }
    }()
    // 生产者
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(i int) {
            defer wg.Done()
            buffer <- i
        }(i)
    }
    wg.Wait()
    t.Log(len(a)) 
    // equal 10000
}

共享存储空间

多个切片如果共享同一个底层数组，这种情况下，对其中一个切片或者底层数组的更改，会影响到其他切片

/**
* 切片共享存储空间
 */
func TestSliceShareMemory(t *testing.T) {
    slice1 := []string{"1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9", "10", "11", "12"}
    Q2 := slice1[3:6]
    t.Log(Q2, len(Q2), cap(Q2)) 
    // [4 5 6] 3 9
    Q3 := slice1[5:8]
    t.Log(Q3, len(Q3), cap(Q3)) 
    // [6 7 8] 3 7
    Q3[0] = "Unkown"
    t.Log(Q2, Q3) 
    // [4 5 Unkown] [Unkown 7 8]

    a := []int{1, 2, 3, 4, 5}
    shadow := a[1:3]
    t.Log(shadow, a)             
    // [2 3] [1 2 3 4 5]
    shadow = append(shadow, 100) 
    // 会修改指向数组的所有切片
    t.Log(shadow, a)            
  // [2 3 100] [1 2 3 100 5]
}

常用操作

创建

slice 的创建有4种方式，如下：

func TestSliceInit(t *testing.T) {
    // 初始化方式1：直接声明
    var slice1 []int
    t.Log(len(slice1), cap(slice1)) 
    // 0, 0
    slice1 = append(slice1, 1)
    t.Log(len(slice1), cap(slice1)) 
    // 1, 1, 24

    // 初始化方式2：使用字面量
    slice2 := []int{1, 2, 3, 4}
    t.Log(len(slice2), cap(slice2)) 
    // 4, 4, 24

    // 初始化方式3：使用make创建slice
    slice3 := make([]int, 3, 5)           
  // make([]T, len, cap) cap不传则和len一样
    t.Log(len(slice3), cap(slice3))       
  // 3, 5
    t.Log(slice3[0], slice3[1], slice3[2]) 
    // 0, 0, 0
    // t.Log(slice3[3], slice3[4]) 
    // panic: runtime error: index out of range [3] with length 3
    slice3 = append(slice3, 1)
    t.Log(len(slice3), cap(slice3)) 
    // 4, 5, 24

    // 初始化方式4: 从切片或数组“截取”
    arr := [100]int{}
    for i := range arr {
        arr[i] = i
    }
    slcie4 := arr[1:3]
    slice5 := make([]int, len(slcie4))
    copy(slice5, slcie4)
    t.Log(len(slcie4), cap(slcie4), unsafe.Sizeof(slcie4)) 
    // 2，99，24
    t.Log(len(slice5), cap(slice5), unsafe.Sizeof(slice5)) 
    // 2，2，24
}

增加

func TestSliceGrowing(t *testing.T) {
    slice1 := []int{}
    for i := 0; i < 10; i++ {
        slice1 = append(slice1, i)
        t.Log(len(slice1), cap(slice1))
    }
    // 1 1
    // 2 2
    // 3 4
    // 4 4
    // 5 8
    // 6 8
    // 7 8
    // 8 8
    // 9 16
    // 10 16
}

删除

func TestSliceDelete(t *testing.T) {
    slice1 := []int{1, 2, 3, 4, 5}
    var x int
    // 删除最后一个元素
    x, slice1 = slice1[len(slice1)-1], slice1[:len(slice1)-1] 
    t.Log(x, slice1, len(slice1), cap(slice1)) 
    // 5 [1 2 3 4] 4 5

    // 删除第2个元素  
    slice1 = append(slice1[:2], slice1[3:]...) 
    t.Log(slice1, len(slice1), cap(slice1))    
    // [1 2 4] 3 5
}

查找

v := s[i] // 下标访问

修改

s[i] = 5 // 下标修改

截取

/**
* 切片截取
 */
func TestSliceSubstr(t *testing.T) {
    slice1 := []int{1, 2, 3, 4, 5}
    slice2 := slice1[:]
    // 截取 slice[left:right:max]
    // left：省略默认0
    // right：省略默认len(slice1)
    // max: 省略默认len(slice1)
    // len = right-left+1
    // cap = max-left
    t.Log(slice2, len(slice2), cap(slice2)) 
    // 1 2 3 4 5] 5 5
    slice3 := slice1[1:]
    t.Log(slice3, len(slice3), cap(slice3)) 
    // [2 3 4 5] 4 4
    slice4 := slice1[:2]
    t.Log(slice4, len(slice4), cap(slice4)) 
    // [1 2] 2 5
    slice5 := slice1[1:2]
    t.Log(slice5, len(slice5), cap(slice5)) 
    // [2] 1 4
    slice6 := slice1[:2:5]
    t.Log(slice6, len(slice6), cap(slice6)) 
    // [1 2] 2 5
    slice7 := slice1[1:2:2]
    t.Log(slice7, len(slice7), cap(slice7)) 
    // [2] 1 1
}

遍历

切片有3种遍历方式

/**
* 切片遍历
 */
func TestSliceTravel(t *testing.T) {
    slice1 := []int{1, 2, 3, 4}
    for i := 0; i < len(slice1); i++ {
        t.Log(slice1[i])
    }
    for idx, e := range slice1 {
        t.Log(idx, e)
    }
    for _, e := range slice1 {
        t.Log(e)
    }
}

反转

func TestSliceReverse(t *testing.T) {
    a := []int{1, 2, 3, 4, 5}
    for left, right := 0, len(a)-1; left < right; left, right = left+1, right-1 {
        a[left], a[right] = a[right], a[left]
    }
    t.Log(a, len(a), cap(a)) 
    // [5 4 3 2 1] 5 5
}

拷贝

开发中会经常的把一个变量复制给另一个变量，那么这个过程，可能是深浅拷贝，那么今天帮大家区分一下这两个拷贝的区别和具体的区别

深拷贝

拷贝的是数据本身，创造一个样的新对象，新创建的对象与原对象不共享内存，新创建的对象在内存中开辟一个新的内存地址，新对象值修改时不会影响原对象值。既然内存地址不同，释放内存地址时，可分别释放

值类型的数据，默认赋值操作都是深拷贝，Array、Int、String、Struct、Float，Bool。引用类型的数据如果想实现深拷贝，需要通过辅助函数完成

比如golang深拷贝copy 方法会把源切片值(即 from Slice )中的元素复制到目标切片(即 to Slice )中，并返回被复制的元素个数，copy 的两个类型必须一致。copy 方法最终的复制结果取决于较短的那个切片，当较短的切片复制完成，整个复制过程就全部完成了

/**
* 深拷贝
 */
func TestSliceDeepCopy(t *testing.T) {
    slice1 := []int{1, 2, 3, 4, 5}
    slice2 := make([]int, 5, 5)
    // 深拷贝
    copy(slice2, slice1)                   
    t.Log(slice1, len(slice1), cap(slice1)) 
    // [1 2 3 4 5] 5 5
    t.Log(slice2, len(slice2), cap(slice2)) 
    // [1 2 3 4 5] 5 5
    slice1[1] = 100                        
    t.Log(slice1, len(slice1), cap(slice1)) 
    // [1 100 3 4 5] 5 5
    t.Log(slice2, len(slice2), cap(slice2)) 
    // [1 2 3 4 5] 5 5
}

浅拷贝

拷贝的是数据地址，只复制指向的对象的指针，此时新对象和老对象指向的内存地址是一样的，新对象值修改时老对象也会变化。释放内存地址时，同时释放内存地址。

引用类型的数据，默认全部都是浅拷贝，Slice、Map等

目的切片和源切片指向同一个底层数组，任何一个数组元素改变，都会同时影响两个数组。

/**
* 浅拷贝
 */
func TestSliceShadowCopy(t *testing.T) {
    slice1 := []int{1, 2, 3, 4, 5}
    // 浅拷贝（注意 := 对于引用类型是浅拷贝，对于值类型是深拷贝）
    slice2 := slice1     
    t.Logf("%p", slice1) // 0xc00001c120
    t.Logf("%p", slice2) // 0xc00001c120
    // 同时改变两个数组，这时就是浅拷贝，未扩容时，修改 slice1 的元素之后，slice2 的元素也会跟着修改
    slice1[0] = 10
    t.Log(slice1, len(slice1), cap(slice1)) 
    // [10 2 3 4 5] 5 5
    t.Log(slice2, len(slice2), cap(slice2)) 
    // [10 2 3 4 5] 5 5
    // 注意下：扩容后，slice1和slice2不再指向同一个数组，修改 slice1 的元素之后，slice2 的元素不会被修改了
    slice1 = append(slice1, 5, 6, 7, 8)
    slice1[0] = 11   
  // 这里可以发现，slice1[0] 被修改为了 11, slice1[0] 还是10
    t.Log(slice1, len(slice1), cap(slice1)) 
    // [11 2 3 4 5 5 6 7 8] 9 10
    t.Log(slice2, len(slice2), cap(slice2))
  // [10 2 3 4 5] 5 5
}

在复制 slice 的时候，slice 中数组的指针也被复制了，在触发扩容逻辑之前，两个 slice 指向的是相同的数组，触发扩容逻辑之后指向的就是不同的数组了

扩容

扩容会发生在slice append的时候，当slice的cap不足以容纳新元素，就会进行扩容

源码：https://github.com/golang/go/blob/master/src/runtime/slice.go

func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
      // 省略一些判断...
    newcap := old.cap
    doublecap := newcap + newcap
    if cap > doublecap {
        newcap = cap
    } else {
        if old.len < 1024 {
            newcap = doublecap
        } else {
            // Check 0 < newcap to detect overflow
            // and prevent an infinite loop.
            for 0 < newcap && newcap < cap {
                newcap += newcap / 4
            }
            // Set newcap to the requested cap when
            // the newcap calculation overflowed.
            if newcap <= 0 {
                newcap = cap
            }
        }
    }
    // 省略一些后续...
}

内存泄露

由于slice的底层是数组，很可能数组很大，但slice所取的元素数量却很小，这就导致数组占用的绝大多数空间是被浪费的

Case1:

比如下面的代码，如果传入的slice b是很大的，然后引用很小部分给全局量a，那么b未被引用的部分（下标1之后的数据）就不会被释放，造成了所谓的内存泄漏。

var a []int

func test(b []int) {
    a = b[:1] // 和b共用一个底层数组
    return
}

那么只要全局量a在，b就不会被回收。

如何避免？

在这样的场景下注意：如果我们只用到一个slice的一小部分，那么底层的整个数组也将继续保存在内存当中。当这个底层数组很大，或者这样的场景很多时，可能会造成内存急剧增加，造成崩溃。

所以在这样的场景下，我们可以将需要的分片复制到一个新的slice中去，减少内存的占用

var a []int

func test(b []int) {
    a = make([]int, 1)
    copy(a, b[:0])
    return
}

Case2:

比如下面的代码，返回的slice是很小一部分，这样该函数退出后，原来那个体积较大的底层数组也无法被回收

func test2() []int{
    s = make([]int, 0, 10000)
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        s = append(s, p)
    }
    s2 := s[100:102]
    return s2
}

如何避免？

将需要的分片复制到一个新的slice中去，减少内存的占用

func test2() []int{
    s = make([]int, 0, 10000)
    for i := 0; i < 10000; i++ {
      // 一些计算...
        s = append(s, p)
    }
    s2 := make([]int, 2)
    copy(s2, s[100:102])
    return s2
}

切片与数组对比

数组是一个固定长度的，初始化时候必须要指定长度，不指定长度的话就是切片了

数组是值类型，将一个数组赋值给另一个数组时，传递的是一份深拷贝，赋值和函数传参操作都会复制整个数组数据，会占用额外的内存；切片是引用类型，将一个切片赋值给另一个切片时，传递的是一份浅拷贝，赋值和函数传参操作只会复制len和cap，但底层共用同一个数组，不会占用额外的内存。

//a是一个数组，注意数组是一个固定长度的，初始化时候必须要指定长度，不指定长度的话就是切片了
a := [3]int{1, 2, 3}
//b是数组，是a的一份深拷贝
b := a
//c是切片，是引用类型，底层数组是a
c := a[:]
for i := 0; i < len(a); i++ {
 a[i] = a[i] + 1
}
//改变a的值后，b是a的拷贝，b不变，c是引用，c的值改变
fmt.Println(a) 
//[2,3,4]
fmt.Println(b) 
//[1 2 3]
fmt.Println(c) 
//[2,3,4]

//a是一个切片，不指定长度的话就是切片了
a := []int{1, 2, 3}
//b是切片，是a的一份拷贝
b := a
//c是切片，是引用类型
c := a[:]
for i := 0; i < len(a); i++ {
 a[i] = a[i] + 1
}
//改变a的值后，b是a的浅拷贝，b的值改派，c是引用，c的值改变
fmt.Println(a) 
//[2,3,4]
fmt.Println(b) 
//[2,3,4]
fmt.Println(c) 
//[2,3,4]

总结

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