【Golang】Golang进阶系列教程--Go 语言切片是如何扩容的？

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-10-14 09:39 18阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  前言
 *  声明和初始化
 *  扩容时机
 *  源码分析
 *   *  go1.17
     *  go1.18
     *  内存对齐
 *  总结

## 前言 ##

在 Go 语言中，有一个很常用的数据结构，那就是切片（Slice）。

切片是一个拥有相同类型元素的可变长度的序列，它是基于数组类型做的一层封装。它非常灵活，支持自动扩容。

切片是一种引用类型，它有三个属性：指针，长度和容量。  
![在这里插入图片描述][c811fe33d62640b49e468ae2704db097.png]

底层源码定义如下：

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

*  指针： 指向 slice 可以访问到的第一个元素。
 *  长度： slice 中元素个数。
 *  容量： slice 起始元素到底层数组最后一个元素间的元素个数。

比如使用 make(\[\]byte, 5) 创建一个切片，它看起来是这样的：  
![在这里插入图片描述][963eed27f72a4c129c1d818c1bf49cf4.png]

## 声明和初始化 ##

切片的使用还是比较简单的，这里举一个例子，直接看代码吧。

func main() {
        
        var nums []int  // 声明切片
        fmt.Println(len(nums), cap(nums)) // 0 0
        nums = append(nums, 1)   // 初始化
        fmt.Println(len(nums), cap(nums)) // 1 1
    
        nums1 := []int{
        1,2,3,4}    // 声明并初始化
        fmt.Println(len(nums1), cap(nums1))    // 4 4
    
        nums2 := make([]int,3,5)   // 使用make()函数构造切片
        fmt.Println(len(nums2), cap(nums2))    // 3 5
    }

## 扩容时机 ##

当切片的长度超过其容量时，切片会自动扩容。这通常发生在使用 append 函数向切片中添加元素时。

扩容时，Go 运行时会分配一个新的底层数组，并将原始切片中的元素复制到新数组中。然后，原始切片将指向新数组，并更新其长度和容量。

需要注意的是，由于扩容会分配新数组并复制元素，因此可能会影响性能。如果你知道要添加多少元素，可以使用 make 函数预先分配足够大的切片来避免频繁扩容。

接下来看看 append 函数，签名如下：

func Append(slice []int, items ...int) []int

append 函数参数长度可变，可以追加多个值，还可以直接追加一个切片。使用起来比较简单，分别看两个例子：  
追加多个值：

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
        
        s := []int{
        1, 2, 3}
        fmt.Println("初始切片:", s)
    
        s = append(s, 4, 5, 6)
        fmt.Println("追加多个值后的切片:", s)
    }

输出结果为：

初始切片: [1 2 3]
    追加多个值后的切片: [1 2 3 4 5 6]

再来看一下直接追加一个切片：

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
        
        s1 := []int{
        1, 2, 3}
        fmt.Println("初始切片:", s1)
    
        s2 := []int{
        4, 5, 6}
        s1 = append(s1, s2...)
        fmt.Println("追加另一个切片后的切片:", s1)
    }

输出结果为：

初始切片: [1 2 3]
    追加另一个切片后的切片: [1 2 3 4 5 6]

再来看一个发生扩容的例子：

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
        
        s := make([]int, 0, 3) // 创建一个长度为0，容量为3的切片
        fmt.Printf("初始状态: len=%d cap=%d %v\n", len(s), cap(s), s)
    
        for i := 1; i <= 5; i++ {
        
            s = append(s, i) // 向切片中添加元素
            fmt.Printf("添加元素%d: len=%d cap=%d %v\n", i, len(s), cap(s), s)
        }
    }

输出结果为：

初始状态: len=0 cap=3 []
    添加元素1: len=1 cap=3 [1]
    添加元素2: len=2 cap=3 [1 2]
    添加元素3: len=3 cap=3 [1 2 3]
    添加元素4: len=4 cap=6 [1 2 3 4]
    添加元素5: len=5 cap=6 [1 2 3 4 5]

在这个例子中，我们创建了一个长度为 0，容量为 3 的切片。然后，我们使用 append 函数向切片中添加 5 个元素。

当我们添加第 4 个元素时，切片的长度超过了其容量。此时，切片会自动扩容。新的容量是原始容量的两倍，即 6。

表面现象已经看到了，接下来，我们就深入到源码层面，看看切片的扩容机制到底是什么样的。

## 源码分析 ##

在 Go 语言的源码中，切片扩容通常是在进行切片的 append 操作时触发的。在进行 append 操作时，如果切片容量不足以容纳新的元素，就需要对切片进行扩容，此时就会调用 growslice 函数进行扩容。

growslice 函数定义在 Go 语言的 runtime 包中，它的调用是在编译后的代码中实现的。具体来说，当执行 append 操作时，编译器会将其转换为类似下面的代码：

slice = append(slice, elem)

在上述代码中，如果切片容量不足以容纳新的元素，则会调用 growslice 函数进行扩容。所以 growslice 函数的调用是由编译器在生成的机器码中实现的，而不是在源代码中显式调用的。

切片扩容策略有两个阶段，go1.18 之前和之后是不同的，这一点在 go1.18 的 release notes 中有说明。

下面我用 go1.17 和 go1.18 两个版本来分开说明。先通过一段测试代码，直观感受一下两个版本在扩容上的区别。

package main
    
    import "fmt"
    
    func main() {
        
        s := make([]int, 0)
    
        oldCap := cap(s)
    
        for i := 0; i < 2048; i++ {
        
            s = append(s, i)
    
            newCap := cap(s)
    
            if newCap != oldCap {
        
                fmt.Printf("[%d -> %4d] cap = %-4d  |  after append %-4d  cap = %-4d\n", 0, i-1, oldCap, i, newCap)
                oldCap = newCap
            }
        }
    }

上述代码先创建了一个空的 slice，然后在一个循环里不断往里面 append 新元素。  
然后记录容量的变化，每当容量发生变化的时候，记录下老的容量，添加的元素，以及添加完元素之后的容量。  
这样就可以观察，新老 slice 的容量变化情况，从而找出规律。  
运行结果（1.17 版本）：

[0 ->   -1] cap = 0     |  after append 0     cap = 1   
    [0 ->    0] cap = 1     |  after append 1     cap = 2   
    [0 ->    1] cap = 2     |  after append 2     cap = 4   
    [0 ->    3] cap = 4     |  after append 4     cap = 8   
    [0 ->    7] cap = 8     |  after append 8     cap = 16  
    [0 ->   15] cap = 16    |  after append 16    cap = 32  
    [0 ->   31] cap = 32    |  after append 32    cap = 64  
    [0 ->   63] cap = 64    |  after append 64    cap = 128 
    [0 ->  127] cap = 128   |  after append 128   cap = 256 
    [0 ->  255] cap = 256   |  after append 256   cap = 512 
    [0 ->  511] cap = 512   |  after append 512   cap = 1024
    [0 -> 1023] cap = 1024  |  after append 1024  cap = 1280
    [0 -> 1279] cap = 1280  |  after append 1280  cap = 1696
    [0 -> 1695] cap = 1696  |  after append 1696  cap = 2304

运行结果（1.18 版本）：

[0 ->   -1] cap = 0     |  after append 0     cap = 1
    [0 ->    0] cap = 1     |  after append 1     cap = 2   
    [0 ->    1] cap = 2     |  after append 2     cap = 4   
    [0 ->    3] cap = 4     |  after append 4     cap = 8   
    [0 ->    7] cap = 8     |  after append 8     cap = 16  
    [0 ->   15] cap = 16    |  after append 16    cap = 32  
    [0 ->   31] cap = 32    |  after append 32    cap = 64  
    [0 ->   63] cap = 64    |  after append 64    cap = 128 
    [0 ->  127] cap = 128   |  after append 128   cap = 256 
    [0 ->  255] cap = 256   |  after append 256   cap = 512 
    [0 ->  511] cap = 512   |  after append 512   cap = 848 
    [0 ->  847] cap = 848   |  after append 848   cap = 1280
    [0 -> 1279] cap = 1280  |  after append 1280  cap = 1792
    [0 -> 1791] cap = 1792  |  after append 1792  cap = 2560

根据上面的结果还是能看到区别的，具体扩容策略下面边看源码边说明。

### go1.17 ###

扩容调用的是 growslice 函数，我复制了其中计算新容量部分的代码。

// src/runtime/slice.go
    
    func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
        
        // ...
    
        newcap := old.cap
        doublecap := newcap + newcap
        if cap > doublecap {
        
            newcap = cap
        } else {
        
            if old.cap < 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
                }
            }
        }
    
        // ...
    
        return slice{
        p, old.len, newcap}
    }

在分配内存空间之前需要先确定新的切片容量，运行时根据切片的当前容量选择不同的策略进行扩容：

*  如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
 *  如果当前切片的长度小于 1024 就会将容量翻倍；
 *  如果当前切片的长度大于等于 1024 就会每次增加 25% 的容量，直到新容量大于期望容量；

### go1.18 ###

// src/runtime/slice.go
    
    func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
        
        // ...
    
        newcap := old.cap
        doublecap := newcap + newcap
        if cap > doublecap {
        
            newcap = cap
        } else {
        
            const threshold = 256
            if old.cap < threshold {
        
                newcap = doublecap
            } else {
        
                // Check 0 < newcap to detect overflow
                // and prevent an infinite loop.
                for 0 < newcap && newcap < cap {
        
                    // Transition from growing 2x for small slices
                    // to growing 1.25x for large slices. This formula
                    // gives a smooth-ish transition between the two.
                    newcap += (newcap + 3*threshold) / 4
                }
                // Set newcap to the requested cap when
                // the newcap calculation overflowed.
                if newcap <= 0 {
        
                    newcap = cap
                }
            }
        }
    
        // ...
    
        return slice{
        p, old.len, newcap}
    }

和之前版本的区别，主要在扩容阈值，以及这行代码：newcap += (newcap + 3\*threshold) / 4。

在分配内存空间之前需要先确定新的切片容量，运行时根据切片的当前容量选择不同的策略进行扩容：

*  如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
 *  如果当前切片的长度小于阈值（默认 256）就会将容量翻倍；
 *  如果当前切片的长度大于等于阈值（默认 256），就会每次增加 25% 的容量，基准是 newcap + 3\*threshold，直到新容量大于期望容量；

### 内存对齐 ###

分析完两个版本的扩容策略之后，再看前面的那段测试代码，就会发现扩容之后的容量并不是严格按照这个策略的。

那是为什么呢？

实际上，growslice 的后半部分还有更进一步的优化（内存对齐等），靠的是 roundupsize 函数，在计算完 newcap 值之后，还会有一个步骤计算最终的容量：

capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
    newcap = int(capmem / ptrSize)

这个函数的实现就不在这里深入了，先挖一个坑，以后再来补上。

## 总结 ##

切片扩容通常是在进行切片的 append 操作时触发的。在进行 append 操作时，如果切片容量不足以容纳新的元素，就需要对切片进行扩容，此时就会调用 growslice 函数进行扩容。  
切片扩容分两个阶段，分为 go1.18 之前和之后：

一、go1.18 之前：

*  如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
 *  如果当前切片的长度小于 1024 就会将容量翻倍；
 *  如果当前切片的长度大于 1024 就会每次增加 25% 的容量，直到新容量大于期望容量；

二、go1.18 之后：

[c811fe33d62640b49e468ae2704db097.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/c811fe33d62640b49e468ae2704db097.png
[963eed27f72a4c129c1d818c1bf49cf4.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/963eed27f72a4c129c1d818c1bf49cf4.png