Go语言-Slice详解

Go语言中的slice表示一个具有相同类型元素的可变长序列，语言本身提供了两个操作方法：

• 创建：make([]T,len,cap)
  
• 追加: append(slice, T ...)
  

同时slice支持随机访问。本篇文章主要对slice的具体实现进行总结。
1. 数据结构

go语言的slice有三个主要的属性：

• 指针：slice的首地址指针
  
• 长度：slice中元素的个数
  
• 容量：由于slice底层结构本身物理空间可能更大，因此该值记录slice实际空间大小。
  

因此，在golang官网中的Go Slices: usage and internals对slice的描述如下：
A slice is a descriptor of an array segment. It consists of a pointer to the array, the length of the segment, and its capacity (the maximum length of the segment).
slice是一段array，包括了上面的三个部分，他的物理结构如下：

如果我们通过make([]byte,5,5)创建了一个len=5，cap=5的slice，其物理结构如此：

如果我们仅仅想使用原数组的一部分，例如：

1. s = s[2:4]

复制代码

则s的物理结构如此：

但实际上，这两者所引用的是同一块连续的空间，如果我们修改其中一个，另一个也会跟着修改。实际上，slice在go语言中的代码表示为：

1. type slice struct {
2.         array unsafe.Pointer
3.         len   int
4.         cap   int
5. }

复制代码

我们是如何知道这件事的呢？请看继续阅读该文章。
操作

go语言为slice提供了两个修改类操作：

• 创建
  
• 追加
  

接下来我们会对这两个操作进行分析。
1. 创建slice

slice的定义（分配空间）有三种方式：

• 字面量创建：s := []int{1,2,3}
  
• 内置函数make创建：make([]T, len, cap)
  
• 切取其他数据结构：s := array[1:2]
  

还有两种声明方式（不分配空间）:

• var s []int
  
• s := []int{}
  

接下来我们通过一组示例代码，查看slice的创建流程，以及上面的定义与声明的区别。

• 字面量创建方式
  1. // main.go
  2. package main
  4. import "fmt"
  6. func main() {
  7.     s1 := []int{1,2,3}
  8.     fmt.Println(s1)
  9. }

  复制代码
  这组代码给出了一个通过字面量方式创建的slice s1，我们通过delve工具对这部分代码进行debug。命令行进入到main.go所在目录，键入如下命令：
  1. dlv debug
  3. # 为main包的main函数第1行即文件第7行打上断点
  4. b main.go:7
  6. # 运行到断点处
  7. c
  9. # 对要运行的部分进行反汇编
  10. disassemble

  复制代码
  我们就可以看到如下代码：
  1. TEXT main.main(SB) D:/code/Notes/docs/go/list/main.go
  2.         main.go:6       0x948300        493b6610                cmp rsp, qword ptr [r14+0x10]
  3.         main.go:6       0x948304        0f86f5000000            jbe 0x9483ff
  4.         main.go:6       0x94830a        4883ec78                sub rsp, 0x78
  5.         main.go:6       0x94830e        48896c2470              mov qword ptr [rsp+0x70], rbp
  6.         main.go:6       0x948313        488d6c2470              lea rbp, ptr [rsp+0x70]
  7. =>      main.go:7       0x948318*       488d05a1940000          lea rax, ptr [rip+0x94a1]
  8.         main.go:7       0x94831f        90                      nop
  9.         # 调用runtime的newobject创建一个新的对象
  10.         main.go:7       0x948320        e81b53f6ff              call $runtime.newobject
  11.         # 将调用结果（即新slice的地址）存到栈顶中
  12.         main.go:7       0x948325        4889442428              mov qword ptr [rsp+0x28], rax
  13.         # 把1放入slice中
  14.         main.go:7       0x94832a        48c70001000000          mov qword ptr [rax], 0x1
  15.         # 从栈顶将slice的地址取出放入rcx寄存器中
  16.         main.go:7       0x948331        488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
  17.         main.go:7       0x948336        8401                    test byte ptr [rcx], al
  18.         # 把2放入slice中
  19.         main.go:7       0x948338        48c7410802000000        mov qword ptr [rcx+0x8], 0x2
  20.         main.go:7       0x948340        488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
  21.         main.go:7       0x948345        8401                    test byte ptr [rcx], al
  22.         # 把3放入slice中
  23.         main.go:7       0x948347        48c7411003000000        mov qword ptr [rcx+0x10], 0x3
  24.         main.go:7       0x94834f        488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
  25.         main.go:7       0x948354        8401                    test byte ptr [rcx], al
  26.         main.go:7       0x948356        eb00                    jmp 0x948358
  27.         # 最后设置slice的指针，并将len和cap都设置为3
  28.         main.go:7       0x948358        48894c2440              mov qword ptr [rsp+0x40], rcx
  29.         main.go:7       0x94835d        48c744244803000000      mov qword ptr [rsp+0x48], 0x3
  30.         main.go:7       0x948366        48c744245003000000      mov qword ptr [rsp+0x50], 0x3

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  由此可见，使用字面量创建slice时，len和cap都会设置为初始化数据的个数。
  可以简单看一下刚才使用的runtime.newobject()，该函数在runtime/malloc.go文件中，代码如下：
  1. func newobject(typ *_type) unsafe.Pointer {
  2.     return mallocgc(typ.size, typ, true)
  3. }

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  本质上还是通过内存管理机制为一个对象申请一块连续空间并返回对应指针。
  
• make函数创建：
  1. // main.go
  2. package main
  4. import "fmt"
  6. func main() {
  7.     s := make([]int, 10,20)
  8.     fmt.Println(s)
  9. }

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  该例子使用make方式创建了slice s，其len=10，cap=20，同样使用delve进行debug，脚本同上，我们得到的反汇编结果如下：
  1. TEXT main.main(SB) D:/code/Notes/docs/go/list/main.go
  2.         main.go:6       0xea8300        493b6610                cmp rsp, qword ptr [r14+0x10]
  3.         main.go:6       0xea8304        0f86cb000000            jbe 0xea83d5
  4.         main.go:6       0xea830a        4883ec70                sub rsp, 0x70
  5.         main.go:6       0xea830e        48896c2468              mov qword ptr [rsp+0x68], rbp
  6.         main.go:6       0xea8313        488d6c2468              lea rbp, ptr [rsp+0x68]
  7. =>      main.go:7       0xea8318*       488d0541840000          lea rax, ptr [rip+0x8441]
  8.         main.go:7       0xea831f        bb0a000000              mov ebx, 0xa
  9.         main.go:7       0xea8324        b914000000              mov ecx, 0x14
  10.         # 调用runtime.makeslice函数创建slice（其实也只是创建了一个指针）
  11.         main.go:7       0xea8329        e8b244faff              call $runtime.makeslice
  12.         # 为创建好的对象设置起始指针，len和cap
  13.         main.go:7       0xea832e        4889442438              mov qword ptr [rsp+0x38], rax
  14.         main.go:7       0xea8333        48c74424400a000000      mov qword ptr [rsp+0x40], 0xa
  15.         main.go:7       0xea833c        48c744244814000000      mov qword ptr [rsp+0x48], 0x14

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  可以看到，这里不再使用runtime.newobject()创建对象了，而是通过runtime.mallocslice()方法，该方法在runtime/slice.go文件中，源码如下：
  1. func makeslice(et *_type, len, cap int) unsafe.Pointer {
  2.     // 计算一下要申请的空间大小
  3.     mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(cap))
  4.     // 并判断len和cap是否合理
  5.     if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 || len > cap {
  6.         // NOTE: Produce a 'len out of range' error instead of a
  7.         // 'cap out of range' error when someone does make([]T, bignumber).
  8.         // 'cap out of range' is true too, but since the cap is only being
  9.         // supplied implicitly, saying len is clearer.
  10.         // See golang.org/issue/4085.
  11.         mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr(len))
  12.         if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 {
  13.             panicmakeslicelen()
  14.         }
  15.         panicmakeslicecap()
  16.     }
  17.     // 最后还是要靠刚才的方法申请空间返回指针
  18.     return mallocgc(mem, et, true)
  19. }

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  不过从这里可以看到，slice底层物理空间的大小不是无限分配的，而是有上限的，其上限就是maxAlloc，该值的大小依赖于heapAddrBites，而heapAddrBites与操作系统有关。
  1. maxAlloc = (1 << heapAddrBits) - (1-_64bit)*1

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  这个例子有两个点要注意：
  
  
  
  • slice s3的cap（容量）是3，也就是是原始容量减去slice起始值，这里需要特别注意
    
  • 这个例子中slice s3没有被在内存中分配指针，而是在栈中分配的，这个点有待考察。
    
  
  
• 两种声明方式
  1. // main.go
  2. package main
  4. import "fmt"
  5. func main() {
  6.     s := [4]int{1,2,3,4}
  7.     s3 := s[1:]
  8.     fmt.Println(s3)
  9. }

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  该例子实现了对slice的两种声明方式，首先查看第7行于第9行的汇编代码：
  1.         main.go:6       0xdc8318        488d05a1940000          lea rax, ptr [rip+0x94a1]
  2.         main.go:6       0xdc831f        90                      nop
  3.         # 为数组s分配空间
  4.         main.go:6       0xdc8320        e81b53f6ff              call $runtime.newobject
  5.         # 为数组s填充数据
  6.         main.go:6       0xdc8325        4889442428              mov qword ptr [rsp+0x28], rax
  7.         main.go:6       0xdc832a        48c70001000000          mov qword ptr [rax], 0x1
  8.         main.go:6       0xdc8331        48c7400802000000        mov qword ptr [rax+0x8], 0x2
  9.         main.go:6       0xdc8339        48c7401003000000        mov qword ptr [rax+0x10], 0x3
  10.         main.go:6       0xdc8341        48c7401804000000        mov qword ptr [rax+0x18], 0x4
  11. =>      main.go:7       0xdc8349*       488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
  12.         main.go:7       0xdc834e        8401                    test byte ptr [rcx], al
  13.         main.go:7       0xdc8350        eb00                    jmp 0xdc8352
  14.         main.go:7       0xdc8352        eb00                    jmp 0xdc8354
  15.         main.go:7       0xdc8354        488d5108                lea rdx, ptr [rcx+0x8]
  16.         # 为切片设置起始地址以及len和cap
  17.         main.go:7       0xdc8358        4889542440              mov qword ptr [rsp+0x40], rdx
  18.         main.go:7       0xdc835d        48c744244802000000      mov qword ptr [rsp+0x48], 0x2
  19.         main.go:7       0xdc8366        48c744245003000000      mov qword ptr [rsp+0x50], 0x3

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  对于var s4 []int此类声明，go仅仅是给该对象设置了一个nil指针，真正使用的时候，将其通过runtime.convTslice()转化为slice，再使用。runtime.convTslice()源码如下：
  1. // main.go
  2. package main
  4. import "fmt"
  6. func main() {
  7.     var s4 []int
  8.     s5 := []int{}
  9.     fmt.Println(s4)
  10.     fmt.Println(s5)
  11. }

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  这里有一个点需要注意，convTslice()方法中入参val是一个struct slice{}，由此，我们就可以追溯到slice的数据结构是如下模样的：
  1.         # 将slice的起始地址设置为0
  2.         main.go:7       0xe58326        48c744246800000000              mov qword ptr [rsp+0x68], 0x0
  3.         main.go:7       0xe5832f        440f117c2470                    movups xmmword ptr [rsp+0x70], xmm15
  4.         main.go:9       0xe58350        440f117c2440                    movups xmmword ptr [rsp+0x40], xmm15
  5.         main.go:9       0xe58356        488d542440                      lea rdx, ptr [rsp+0x40]
  6.         main.go:9       0xe5835b        4889542430                      mov qword ptr [rsp+0x30], rdx
  7.         # 取出连续的三个空间
  8.         main.go:9       0xe58360        488b442468                      mov rax, qword ptr [rsp+0x68]
  9.         main.go:9       0xe58365        488b5c2470                      mov rbx, qword ptr [rsp+0x70]
  10.         main.go:9       0xe5836a        488b4c2478                      mov rcx, qword ptr [rsp+0x78]
  11.         # 将其转化为slice再进行打印
  12.         main.go:9       0xe5836f        e80c2af6ff                      call $runtime.convTslice
  13.         main.go:9       0xe58374        4889442428                      mov qword ptr [rsp+0x28], rax
  14.         main.go:9       0xe58379        488b7c2430                      mov rdi, qword ptr [rsp+0x30]
  15.         main.go:9       0xe5837e        8407                            test byte ptr [rdi], al
  16.         main.go:9       0xe58380        488d1599750000                  lea rdx, ptr [rip+0x7599]
  17.         main.go:9       0xe58387        488917                          mov qword ptr [rdi], rdx
  18.         main.go:9       0xe5838a        488d5708                        lea rdx, ptr [rdi+0x8]
  19.         main.go:9       0xe5838e        833dbb610f0000                  cmp dword ptr [runtime.writeBarrier], 0x0
  20.         main.go:9       0xe58395        7402                            jz 0xe58399
  21.         main.go:9       0xe58397        eb06                            jmp 0xe5839f
  22.         main.go:9       0xe58399        48894708                        mov qword ptr [rdi+0x8], rax
  23.         main.go:9       0xe5839d        eb0a                            jmp 0xe583a9
  24.         main.go:9       0xe5839f        4889d7                          mov rdi, rdx
  25.         main.go:9       0xe583a2        e819ccfbff                      call $runtime.gcWriteBarrier
  26.         main.go:9       0xe583a7        eb00                            jmp 0xe583a9
  27.         main.go:9       0xe583a9        488b442430                      mov rax, qword ptr [rsp+0x30]
  28.         main.go:9       0xe583ae        8400                            test byte ptr [rax], al
  29.         main.go:9       0xe583b0        eb00                            jmp 0xe583b2
  30.         main.go:9       0xe583b2        4889842498000000                mov qword ptr [rsp+0x98], rax
  31.         main.go:9       0xe583ba        48c78424a000000001000000        mov qword ptr [rsp+0xa0], 0x1
  32.         main.go:9       0xe583c6        48c78424a800000001000000        mov qword ptr [rsp+0xa8], 0x1
  33.         main.go:9       0xe583d2        bb01000000                      mov ebx, 0x1
  34.         main.go:9       0xe583d7        4889d9                          mov rcx, rbx
  35.         main.go:9       0xe583da        e801abffff                      call $fmt.Println

  复制代码
  而对于s5 := []int{}这种声明方式，其反汇编代码如下：
  1. func convTslice(val []byte) (x unsafe.Pointer) {
  2.     // Note: this must work for any element type, not just byte.
  3.     // 判断起始指针是否为nil，是则返回一个空slice
  4.     if (*slice)(unsafe.Pointer(&val)).array == nil {
  5.         x = unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
  6.     } else {
  7.         // 否则将内存中的数据给一个新的地址存储
  8.         x = mallocgc(unsafe.Sizeof(val), sliceType, true)
  9.         *(*[]byte)(x) = val
  10.     }
  11.     return
  12. }

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  使用s5时也是需要通过runtime.convTslice()将内存空间中的数据转化为一个slice。可以看到这两种方式都没有真正的分配一块内存，而是只写了一个对象的指针，对于len和cap都没有进行初始化，否则应该有连续三个8字节的块被初始化。
  

总结一下，通过上面的分析，我们知道针对于5种创建slice的方式，其内部实现逻辑如下：

• 字面量创建：s := []int{1,2,3}，该种方式会调用runtime.newobject实例化一个cap为提供数据个数的连续内存块用于存放数据，本例中为3，创建的slice对象。
  
  
  • 起始指针指向新创建的内存块
    
  • len = len(s)
    
  • cap = len
    
  
  
• 内置函数make创建：make([]T, len, cap)，该方式会通过runtime.makeslice创建一个大小为cap的内存块，然后按照给定的参数将数据写入slice中：
  
  
  • 起始指针指向新创建的内存块
    
  • len = 给定的len
    
  • cap = 给定的cap
    
  
  
• 切取其他数据结构：s := array[1:2]，该方式不会再申请物理内存，而只是创建slice，并修改其值
  
  
  • 起始指针指向被引用数组的被引用起始位置，本例中为array[1]的地址
    
  • len = s中显示指定的长度
    
  • cap = 从被引用起始位置到被引用内存块结束的位置的数据个数
    
  
  
• var s []int：赋值nil，使用时转化为slice
  
• s := []int{}：赋值为nil，使用时转化为slice
  

2. 随机访问

slice本身支持数据的随机访问，计算机基础知识告诉我们，底层是通过计算目标数据的地址直接访问的，这里我们做实验验证一下，查看如下代码：

1. type slice struct {
2.     array unsafe.Pointer
3.     len   int
4.     cap   int
5. }

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上面的例子创建了一个slice s，并对其第3和第10个元素进行访问，明显前者是正确访问的，后者会导致程序崩溃，我们通过反汇编查看该过程。

1.         # 通过runtime.zerobase 返回一个默认0值
2.         main.go:8       0xe58335        488d15a4610f00                  lea rdx, ptr [runtime.zerobase]
3.         main.go:8       0xe5833c        4889542438                      mov qword ptr [rsp+0x38], rdx
4.         main.go:8       0xe58341        8402                            test byte ptr [rdx], al
5.         main.go:8       0xe58343        eb00                            jmp 0xe58345
6.         # 将其写到s5的位置上
7.         main.go:8       0xe58345        4889542450                      mov qword ptr [rsp+0x50], rdx
8.         main.go:8       0xe5834a        440f117c2458                    movups xmmword ptr [rsp+0x58], xmm15

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通过这部分反汇编代码，我们就可以清楚地看到随机访问的整个过程。
3. 追加

slice本身是可以进行修改的，go提供了append([]T, T...)方法用于岁slice进行数据追加，同时也通过该方法实现了slice的扩容，接下来我们通过下面的例子对slice的追加策略进行探究。

1. // main.go
2. package main
4. import "fmt"
6. func main() {
7.         s := []int{1,2,3,4,5}
8.         s[2] = 10
9.         s[10] = 9
10.         fmt.Println(s)
11. }

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这里为了通用性，我们分析第9行代码s = append(s, 2)，因为第8行s = append(s, 1)必定需要扩容，所以不能代表全部情况，现在查看第9行反汇编代码：

1.         main.go:7       0x418318        488d0561950000          lea rax, ptr [rip+0x9561]
2.         main.go:7       0x41831f        90                      nop
3.         # 创建slice底层数组，并为其填充数据
4.         main.go:7       0x418320        e81b53f6ff              call $runtime.newobject
5.         main.go:7       0x418325        4889442428              mov qword ptr [rsp+0x28], rax
6.         main.go:7       0x41832a        48c70001000000          mov qword ptr [rax], 0x1
7.         main.go:7       0x418331        488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
8.         main.go:7       0x418336        8401                    test byte ptr [rcx], al
9.         main.go:7       0x418338        48c7410802000000        mov qword ptr [rcx+0x8], 0x2
10.         main.go:7       0x418340        488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
11.         main.go:7       0x418345        8401                    test byte ptr [rcx], al
12.         main.go:7       0x418347        48c7411003000000        mov qword ptr [rcx+0x10], 0x3
13.         main.go:7       0x41834f        488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
14.         main.go:7       0x418354        8401                    test byte ptr [rcx], al
15.         main.go:7       0x418356        48c7411804000000        mov qword ptr [rcx+0x18], 0x4
16.         main.go:7       0x41835e        488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
17.         main.go:7       0x418363        8401                    test byte ptr [rcx], al
18.         main.go:7       0x418365        48c7412005000000        mov qword ptr [rcx+0x20], 0x5
19.         main.go:7       0x41836d        488b4c2428              mov rcx, qword ptr [rsp+0x28]
20.         main.go:7       0x418372        8401                    test byte ptr [rcx], al
21.         main.go:7       0x418374        eb00                    jmp 0x418376
22.         # 创建slice对象
23.         main.go:7       0x418376        48894c2440              mov qword ptr [rsp+0x40], rcx
24.         main.go:7       0x41837b        48c744244805000000      mov qword ptr [rsp+0x48], 0x5
25.         main.go:7       0x418384        48c744245005000000      mov qword ptr [rsp+0x50], 0x5
26.         main.go:8       0x41838d        eb00                    jmp 0x41838f
27.         # 通过计算s[2]的地址访问s[2]的值
28.         main.go:8       0x41838f        48c741100a000000        mov qword ptr [rcx+0x10], 0xa
29. =>      main.go:9       0x418397*       488b4c2448              mov rcx, qword ptr [rsp+0x48]
30.         main.go:9       0x41839c        488b542440              mov rdx, qword ptr [rsp+0x40]
31.         # 使用索引与s的len比较
32.         main.go:9       0x4183a1        4883f90a                cmp rcx, 0xa
33.         # 如果没有问题，则将数据放入slice
34.         main.go:9       0x4183a5        7705                    jnbe 0x4183ac
35.         # 索引越界，程序处理出错，跳转到错误处理
36.         main.go:9       0x4183a7        e998000000              jmp 0x418444
37.         main.go:9       0x4183ac        48c7425009000000        mov qword ptr [rdx+0x50], 0x9

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可以看到，go语言中slice是否需要扩容的判断并不是在go中实现的，而扩容的具体逻辑是runtime.growslice()函数。下面查看runtime.growslice()源码：

1. // main.go
2. package main
4. import "fmt"
6. func main() {
7.         s := []int{}
8.         s = append(s, 1)
9.         s = append(s, 2)
10.         s = append(s, 3)
11.         fmt.Println(s)
12. }

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通过上面的分析，我们可以看到，slice的扩容策略是：

• 旧slice容量 < 256，则newSlice.cap两倍递增
  
• 旧slice容量 >= 256，则newSlice.cap = (old.cap + 3 * 256)/4
  

而且注意，这里产生了一个新的指针，新指针与旧指针指向的位置不同，因此才需要s = append(s, T)。
至此，slice的内容基本分析完毕。

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