在Golang语言开发过程中，我们经常会用到数组和切片数据结构，数组是固定长度的，而切片是可以扩张的数组，那么切片底层到底有什么不同？接下来我们来详细分析一下内部实现。
一、内部数据结构
首先我们来看一下数据结构
type slice struct {
array unsafe.Pointer// 数据
len int // 长度
cap int // 容量
}
这里的array其实是指向切片管理的内存块首地址，而len就是切片的实际使用大小，cap就是切片的容量。
我们可以通过下面的代码输出slice：
package main
import (
"fmt"
"unsafe"
)
func main() {
data := make([]int,0,3)
fmt.Println(unsafe.Sizeof(data),len(data),cap(data))
// Output: 24,0,3
// 通过指针方式拿到切片内部的值
ptr := unsafe.Pointer(&data)
opt := (*[3]int)(ptr)
fmt.Println(opt[0],opt[1],opt[2])
// Output: 824634891936,0,3
data = append(data, 4)
fmt.Println(unsafe.Sizeof(data))
// Output: 24
shallowCopy := data[:1]
ptr1 := unsafe.Pointer(&shallowCopy)
opt1 := (*[3]int)(ptr1)
fmt.Println(opt1[0])
// Output: 824634891936
}
这么分析下来，我们可以了解如下内容：
- 切片的数据结构大小是24，int占8字节，指针占8字节
- 在不发生扩容的情况下，切片指向的首选地址不变
- 常用的关于切片的方法有make，copy
二、声明
使用一个切片通常有两种方法：
一种是var slice []int，称为声明；
另一种是slice = make([]int, len, cap)这种方法，称为分配内存。
三、创建make
创建一个slice，实质上是在分配内存。
func makeslice(et *_type, len, cap int) unsafe.Pointer {
// 获取需要申请的内存大小
mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(cap))
if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 || len > cap {
mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(len))
if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 {
panicmakeslicelen() // 超过内存限制|超过最大分配量|长度小于0
}
panicmakeslicecap() // 长度大于容量
}
// 分配内存
// runtime/malloc.go
return mallocgc(mem, et, true)
}
这里跟一下细节，math.MulUintptr是基于底层的指针计算乘法的，这样计算不会导致超出int大小，这个方法在后面会经常用到。
func MulUintptr(a, b uintptr) (uintptr, bool) {
if a|b < 1<<(4*sys.PtrSize) || a == 0 { // sys.PtrSize=8
return a * b, false // a和b都小于32位，乘积肯定小于64位
}
overflow := b > MaxUintptr/a // MaxUintptr= ^uintptr(0)，也就是64个1
return a * b, overflow
}
同样，对于int64的长度，也有对应的方法
func makeslice64(et *_type, len64, cap64 int64) unsafe.Pointer {
len := int(len64)
if int64(len) != len64 {
panicmakeslicelen()
}
cap := int(cap64)
if int64(cap) != cap64 {
panicmakeslicecap()
}
return makeslice(et, len, cap)
}
而实际分配内存的操作调用mallocgc这个分配内存的函数，这个函数以后再分析。
四、扩容机制
我们了解切片和数组最大的不同就是切片能够自动扩容，接下来看看切片是如何扩容的
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
// 前置条件
if cap < old.cap {
panic(errorString("growslice: cap out of range"))
}
// 如果新切片的长度为0，返回空数据，长度为旧切片的长度
if et.size == 0 {
return slice{unsafe.Pointer(&zerobase), old.len, cap}
}
// 1、先记录原先的容量
newcap := old.cap
// 2、尝试2倍扩容
doublecap := newcap + newcap
if cap > doublecap {
// 如果指定容量大于原有容量的2倍，则按新增容量申请
newcap = cap
} else {
// 3、如果指定容量小于原容量2倍，则按以下的计算方式为新容量
if old.len < 1024 { // 如果原容量小于1024，新容量是原容量的2倍
newcap = doublecap
} else { // 原容量大于1024，按原容量的1.25倍递增
for 0 < newcap && newcap < cap {
newcap += newcap / 4
}
if newcap <= 0 { // 校验容量是否溢出
newcap = cap
}
}
}
var overflow bool
var lenmem, newlenmem, capmem uintptr
// 为加速计算（不用乘除法）
// 对于2的幂，使用变位处理
// 下面的处理使内存对齐
switch {
case et.size == 1:
lenmem = uintptr(old.len)
newlenmem = uintptr(cap)
capmem = roundupsize(uintptr(newcap))
overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc
newcap = int(capmem)
case et.size == sys.PtrSize:
lenmem = uintptr(old.len) * sys.PtrSize
newlenmem = uintptr(cap) * sys.PtrSize
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * sys.PtrSize)
overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc/sys.PtrSize
newcap = int(capmem / sys.PtrSize)
case isPowerOfTwo(et.size): // 2的幂
var shift uintptr
if sys.PtrSize == 8 {
// Mask shift for better code generation.
shift = uintptr(sys.Ctz64(uint64(et.size))) & 63
} else {
shift = uintptr(sys.Ctz32(uint32(et.size))) & 31
}
lenmem = uintptr(old.len) << shift
newlenmem = uintptr(cap) << shift
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) << shift)
overflow = uintptr(newcap) > (maxAlloc >> shift)
newcap = int(capmem >> shift)
default:
lenmem = uintptr(old.len) * et.size
newlenmem = uintptr(cap) * et.size
capmem, overflow = math.MulUintptr(et.size, uintptr(newcap))
capmem = roundupsize(capmem)
newcap = int(capmem / et.size)
}
// 判断是否会溢出，是否会超出可分配
if overflow || capmem > maxAlloc {
panic(errorString("growslice: cap out of range"))
}
// 内存分配
var p unsafe.Pointer
if et.ptrdata == 0 {
p = mallocgc(capmem, nil, false)
// 回收内存
memclrNoHeapPointers(add(p, newlenmem), capmem-newlenmem)
} else {
// Note: can't use rawmem (which avoids zeroing of memory), because then GC can scan uninitialized memory.
p = mallocgc(capmem, et, true)
if lenmem > 0 && writeBarrier.enabled { // gc
// Only shade the pointers in old.array since we know the destination slice p
// only contains nil pointers because it has been cleared during alloc.
bulkBarrierPreWriteSrcOnly(uintptr(p), uintptr(old.array), lenmem)
}
}
// 数据拷贝
memmove(p, old.array, lenmem)
return slice{p, old.len, newcap}
}
这里可以看到，growslice是返回了一个新的slice，也就是说如果发生了扩容，会发生拷贝。
所以我们在使用过程中，如果预先知道容量，可以预先分配好容量再使用，能提高运行效率。
五、深拷贝
copy这个函数在内部实现为slicecopy
func slicecopy(to, fm slice, width uintptr) int {
// 前置条件
if fm.len == 0 || to.len == 0 {
return 0
}
n := fm.len
if to.len < n {
n = to.len
}
// 元素长度为0，直接返回
if width == 0 {
return n
}
size := uintptr(n) * width
// 拷贝内存
if size == 1 {
*(*byte)(to.array) = *(*byte)(fm.array) // known to be a byte pointer
} else {
memmove(to.array, fm.array, size)
}
return n
}
还有关于字符串的拷贝
func slicestringcopy(to []byte, fm string) int {
// 前置条件
if len(fm) == 0 || len(to) == 0 {
return 0
}
n := len(fm)
if len(to) < n {
n = len(to)
}
memmove(unsafe.Pointer(&to[0]), stringStructOf(&fm).str, uintptr(n))
return n
}
这里显示了可以把string拷贝成[]byte，不能把[]byte拷贝成string。
六、总结
1、切片的数据结构是 array内存地址，len长度，cap容量
2、make的时候需要注意 容量 * 长度 分配的内存大小要小于264，并且要小于可分配的内存量，同时长度不能大于容量。
3、内存增长的过程：
- 如果指定的容量大于原先的2倍，就按照指定的容量
- 如果原先的容量小于1024，按2倍容量扩张
- 如果原先的容量大于1024，就按1.25倍扩张，会小于指定的容量
- 容量大小确定完之后，会进行内存对齐
4、当发生内存扩容时，会发生拷贝数据的现象，影响程序运行的效率，如果可以，要先分配好指定的容量
5、关于拷贝，可以把string拷贝成[]byte，不能把[]byte拷贝成string。
