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Go基礎(chǔ)系列:Go切片(分片)slice詳解

 更新時間:2022年04月16日 16:23:56   作者:駿馬金龍  
這篇文章主要介紹了Go語言中的切片(分片)slice詳細(xì)說明?,需要的朋友可以參考下

slice表示切片(分片),例如對一個數(shù)組進(jìn)行切片,取出數(shù)組中的一部分值。在現(xiàn)代編程語言中,slice(切片)幾乎成為一種必備特性,它可以從一個數(shù)組(列表)中取出任意長度的子數(shù)組(列表),為操作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)帶來非常大的便利性,如python、perl等都支持對數(shù)組的slice操作,甚至perl還支持對hash數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的slice。

但Go中的slice和這些語言的slice不太一樣,前面所說的語言中,slice是一種切片的操作,切片后返回一個新的數(shù)據(jù)對象。而Go中的slice不僅僅是一種切片動作,還是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(就像數(shù)組一樣)。

slice的存儲結(jié)構(gòu)

Go中的slice依賴于數(shù)組,它的底層就是數(shù)組,所以數(shù)組具有的優(yōu)點(diǎn),slice都有。且slice支持可以通過append向slice中追加元素,長度不夠時會動態(tài)擴(kuò)展,通過再次slice切片,可以得到得到更小的slice結(jié)構(gòu),可以迭代、遍歷等。

實際上slice是這樣的結(jié)構(gòu):先創(chuàng)建一個有特定長度和數(shù)據(jù)類型的底層數(shù)組,然后從這個底層數(shù)組中選取一部分元素,返回這些元素組成的集合(或容器),并將slice指向集合中的第一個元素。換句話說,slice自身維護(hù)了一個指針屬性,指向它底層數(shù)組中的某些元素的集合

例如,初始化一個slice數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

my_slice := make([]int, 3,5)

// 輸出slice
fmt.Println(my_slice)    // 輸出:[0 0 0]

這表示先聲明一個長度為5、數(shù)據(jù)類型為int的底層數(shù)組,然后從這個底層數(shù)組中從前向后取3個元素(即index從0到2)作為slice的結(jié)構(gòu)。

如下圖:

每一個slice結(jié)構(gòu)都由3部分組成:容量(capacity)、長度(length)和指向底層數(shù)組某元素的指針,它們各占8字節(jié)(1個機(jī)器字長,64位機(jī)器上一個機(jī)器字長為64bit,共8字節(jié)大小,32位架構(gòu)則是32bit,占用4字節(jié)),所以任何一個slice都是24字節(jié)(3個機(jī)器字長)。

  • Pointer:表示該slice結(jié)構(gòu)從底層數(shù)組的哪一個元素開始,該指針指向該元素
  • Capacity:即底層數(shù)組的長度,表示這個slice目前最多能擴(kuò)展到這么長
  • Length:表示slice當(dāng)前的長度,如果追加元素,長度不夠時會擴(kuò)展,最大擴(kuò)展到Capacity的長度(不完全準(zhǔn)確,后面數(shù)組自動擴(kuò)展時解釋),所以Length必須不能比Capacity更大,否則會報錯

對上面創(chuàng)建的slice來說,它的長度為3,容量為5,指針指向底層數(shù)組的index=0。

可以通過len()函數(shù)獲取slice的長度,通過cap()函數(shù)獲取slice的Capacity。

my_slice := make([]int,3,5)

fmt.Println(len(my_slice))  // 3
fmt.Println(cap(my_slice))  // 5

還可以直接通過print()或println()函數(shù)去輸出slice,它將得到這個slice結(jié)構(gòu)的屬性值,也就是length、capacity和pointer:

my_slice := make([]int,3,5)
println(my_slice)      // [3/5]0xc42003df10

[3/5]表示length和capacity,0xc42003df10表示指向的底層數(shù)組元素的指針。

務(wù)必記住slice的本質(zhì)是[x/y]0xADDR,記住它將在很多地方有助于理解slice的特性。另外,個人建議,雖然slice的本質(zhì)不是指針,但仍然可以將它看作是一種包含了另外兩種屬性的不純粹的指針,也就是說,直接認(rèn)為它是指針。其實不僅slice如此,map也如此。

創(chuàng)建、初始化、訪問slice

有幾種創(chuàng)建slice數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方式。

一種是使用make():

// 創(chuàng)建一個length和capacity都等于5的slice
slice := make([]int,5)

// length=3,capacity=5的slice
slice := make([]int,3,5)

make()比new()函數(shù)多一些操作,new()函數(shù)只會進(jìn)行內(nèi)存分配并做默認(rèn)的賦0初始化,而make()可以先為底層數(shù)組分配好內(nèi)存,然后從這個底層數(shù)組中再額外生成一個slice并初始化。另外,make只能構(gòu)建slice、map和channel這3種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對象,因為它們都指向底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),都需要先為底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配好內(nèi)存并初始化。

還可以直接賦值初始化的方式創(chuàng)建slice:

// 創(chuàng)建長度和容量都為4的slice,并初始化賦值
color_slice := []string{"red","blue","black","green"}

// 創(chuàng)建長度和容量為100的slice,并為第100個元素賦值為3
slice := []int{99:3}

注意區(qū)分array和slice:

// 創(chuàng)建長度為3的int數(shù)組
array := [3]int{10, 20, 30}

// 創(chuàng)建長度和容量都為3的slice
slice := []int{10, 20, 30}

由于slice底層是數(shù)組,所以可以使用索引的方式訪問slice,或修改slice中元素的值:

// 創(chuàng)建長度為5、容量為5的slice
my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 訪問slice的第2個元素
print(my_slice[1])

// 修改slice的第3個元素的值
my_slice[2] = 333

由于slice的底層是數(shù)組,所以訪問my_slice[1]實際上是在訪問它的底層數(shù)組的對應(yīng)元素。slice能被訪問的元素只有l(wèi)ength范圍內(nèi)的元素,那些在length之外,但在capacity之內(nèi)的元素暫時還不屬于slice,只有在slice被擴(kuò)展時(見下文append),capacity中的元素才被納入length,才能被訪問。

nil slice和空slice

當(dāng)聲明一個slice,但不做初始化的時候,這個slice就是一個nil slice。

// 聲明一個nil slice
var nil_slice []int

nil slice表示它的指針為nil,也就是這個slice不會指向哪個底層數(shù)組。也因此,nil slice的長度和容量都為0。

|--------|---------|----------|
|  nil   |   0     |     0    |
|  ptr   | Length  | Capacity |
|--------|---------|----------|

還可以創(chuàng)建空slice(Empty Slice),空slice表示長度為0,容量為0,但卻有指向的slice,只不過指向的底層數(shù)組暫時是長度為0的空數(shù)組。

// 使用make創(chuàng)建
empty_slice := make([]int,0)

// 直接創(chuàng)建
empty_slice := []int{}

Empty Slice的結(jié)構(gòu)如下:

|--------|---------|----------|
|  ADDR  |   0     |     0    |
|  ptr   | Length  | Capacity |
|--------|---------|----------|

雖然nil slice和Empty slice的長度和容量都為0,輸出時的結(jié)果都是[],且都不存儲任何數(shù)據(jù),但它們是不同的。nil slice不會指向底層數(shù)組,而空slice會指向底層數(shù)組,只不過這個底層數(shù)組暫時是空數(shù)組。

可以使用println()來輸出驗證:

package main

func main() {
    var nil_s []int
    empty_s:= []int{}
    println(nil_s)
    println(empty_s)
}

輸出結(jié)果:

[0/0]0x0
[0/0]0xc042085f50

當(dāng)然,無論是nil slice還是empty slice,都可以對它們進(jìn)行操作,如append()函數(shù)、len()函數(shù)和cap()函數(shù)。

對slice進(jìn)行切片

可以從slice中繼續(xù)切片生成一個新的slice,這樣能實現(xiàn)slice的縮減。

對slice切片的語法為:

SLICE[A:B]
SLICE[A:B:C]

其中A表示從SLICE的第幾個元素開始切,B控制切片的長度(B-A),C控制切片的容量(C-A),如果沒有給定C,則表示切到底層數(shù)組的最尾部。

還有幾種簡化形式:

SLICE[A:]  // 從A切到最尾部
SLICE[:B]  // 從最開頭切到B(不包含B)
SLICE[:]   // 從頭切到尾,等價于復(fù)制整個SLICE

例如:

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 生成新的slice,從第二個元素取,切取的長度為2
new_slice := my_slice[1:3]

注意,截取時"左閉右開"。所以上面new_slice是從my_slice的index=1開始截取,截取到index=3為止,但不包括index=3這個元素。所以,新的slice是由my_slice中的第2個元素、第3個元素組成的新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),長度為2。

以下是slice切片生成新的slice后的結(jié)構(gòu):

不難發(fā)現(xiàn),一個底層數(shù)組,可以生成無數(shù)個slice,且對于new_slice而言,它并不知道底層數(shù)組index=0的那個元素。

還可以控制切片時新slice的容量:

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 從第二個元素取,切取的長度為2,容量也為2
new_slice := my_slice[1:3:3]

這時新slice的length等于capacity,底層數(shù)組的index=4、5將對new_slice永不可見,即使后面對new_slice進(jìn)行append()導(dǎo)致底層數(shù)組擴(kuò)容也仍然不可見。具體見下文。

由于多個slice共享同一個底層數(shù)組,所以當(dāng)修改了某個slice中的元素時,其它包含該元素的slice也會隨之改變,因為slice只是一個指向底層數(shù)組的指針(只不過這個指針不純粹,多了兩個額外的屬性length和capacity),實際上修改的是底層數(shù)組的值,而底層數(shù)組是被共享的。

當(dāng)同一個底層數(shù)組有很多slice的時候,一切將變得混亂不堪,因為我們不可能記住誰在共享它,通過修改某個slice的元素時,將也會影響那些可能我們不想影響的slice。所以,需要一種特性,保證各個slice的底層數(shù)組互不影響,相關(guān)內(nèi)容見下面的"擴(kuò)容"。

copy()函數(shù)

可以將一個slice拷貝到另一個slice中。

$ go doc builtin copy
func copy(dst, src []Type) int

這表示將src slice拷貝到dst slice,src比dst長,就截斷,src比dst短,則只拷貝src那部分。

copy的返回值是拷貝成功的元素數(shù)量,所以也就是src slice或dst slice中最小的那個長度。

例如:

s1 := []int{11, 22, 33}
s2 := make([]int, 5)
s3 := make([]int,2)

num := copy(s2, s1)
copy(s3,s1)

fmt.Println(num)   // 3
fmt.Println(s2)    // [11,22,33,0,0]
fmt.Println(s3)    // [11,22]

此外,copy還能將字符串拷貝到byte slice中,因為字符串實際上就是[]byte。

func main() {
	s1 := []byte("Hello")
	num := copy(s1, "World")
	fmt.Println(num)
	fmt.Println(s1)    // 輸出[87 111 114 108 100 32]
	fmt.Println(string(s1))  //輸出"World"
}

append()函數(shù)

可以使用append()函數(shù)對slice進(jìn)行擴(kuò)展,因為它追加元素到slice中,所以一定會增加slice的長度。

但必須注意,append()的結(jié)果必須被使用。所謂被使用,可以將其輸出、可以賦值給某個slice。如果將append()放在空上下文將會報錯:append()已評估,但未使用。同時這也說明,append()返回一個新的slice,原始的slice會保留不變。

例如:

my_slice := []int{11,22,33,44,55}
new_slice := my_slice[1:3]

// append()追加一個元素2323,返回新的slice
app_slice := append(new_slice,2323)

上面的append()在new_slice的后面增加了一個元素2323,所以app_slice[2]=2323。但因為這些slice共享同一個底層數(shù)組,所以2323也會反映到其它slice中。

現(xiàn)在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如下:

當(dāng)然,如果append()的結(jié)果重新賦值給new_slice,則new_slice會增加長度。

同樣,由于string的本質(zhì)是[]byte,所以string可以append到byte slice中:

s1 := []byte("Hello")
s2 := append(s1, "World"...)
fmt.Println(string(s2))   // 輸出:HelloWorld

擴(kuò)容

當(dāng)slice的length已經(jīng)等于capacity的時候,再使用append()給slice追加元素,會自動擴(kuò)展底層數(shù)組的長度。

底層數(shù)組擴(kuò)展時,會生成一個新的底層數(shù)組。所以舊底層數(shù)組仍然會被舊slice引用,新slice和舊slice不再共享同一個底層數(shù)組。

func main() {
    my_slice := []int{11,22,33,44,55}
    new_slice := append(my_slice,66)

    my_slice[3] = 444   // 修改舊的底層數(shù)組

    fmt.Println(my_slice)   // [11 22 33 444 55]
    fmt.Println(new_slice)  // [11 22 33 44 55 66]

    fmt.Println(len(my_slice),":",cap(my_slice))     // 5:5
    fmt.Println(len(new_slice),":",cap(new_slice))   // 6:10
}

從上面的結(jié)果上可以發(fā)現(xiàn),底層數(shù)組被擴(kuò)容為10,且是新的底層數(shù)組。

實際上,當(dāng)?shù)讓訑?shù)組需要擴(kuò)容時,會按照當(dāng)前底層數(shù)組長度的2倍進(jìn)行擴(kuò)容,并生成新數(shù)組。如果底層數(shù)組的長度超過1000時,將按照25%的比率擴(kuò)容,也就是1000個元素時,將擴(kuò)展為1250個,不過這個增長比率的算法可能會隨著go版本的遞進(jìn)而改變。

實際上,上面的說法應(yīng)該改一改:當(dāng)capacity需要擴(kuò)容時,會按照當(dāng)前capacity的2倍對數(shù)組進(jìn)行擴(kuò)容?;蛘哒f,是按照slice的本質(zhì)[x/y]0xADDR的容量y來判斷如何擴(kuò)容的。之所以要特別強(qiáng)調(diào)這兩種不同,是因為很容易搞混。

例如,擴(kuò)容的對象是底層數(shù)組的真子集時:

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 限定長度和容量,且讓長度和容量相等
new_slice := my_slice[1:3:3]   // [22 33]

// 擴(kuò)容
app_slice := append(new_slice,4444)

上面的new_slice的容量為2,并沒有對應(yīng)到底層數(shù)組的最結(jié)尾,所以new_slicemy_slice的一個真子集。這時對new_slice擴(kuò)容,將生成一個新的底層數(shù)組,新的底層數(shù)組容量為4,而不是10。如下圖:

因為創(chuàng)建了新的底層數(shù)組,所以修改不同的slice,將不會互相影響。為了保證每次都是修改各自的底層數(shù)組,通常會切出僅一個長度、僅一個容量的新slice,這樣只要對它進(jìn)行任何一次擴(kuò)容,就會生成一個新的底層數(shù)組,從而讓每個slice的底層數(shù)組都獨(dú)立。

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

new_slice := my_slice[2:3:3]
app_slice := append(new_slice,3333)

事實上,這還是會出現(xiàn)共享的幾率,因為沒有擴(kuò)容時,那個唯一的元素仍然是共享的,修改它肯定會影響至少1個slice,只有切出長度為0,容量為0的slice,才能完全保證獨(dú)立性,但這和新創(chuàng)建一個slice沒有區(qū)別。

合并slice

slice和數(shù)組其實一樣,都是一種值,可以將一個slice和另一個slice進(jìn)行合并,生成一個新的slice。

合并slice時,只需將append()的第二個參數(shù)后加上...即可,即append(s1,s2...)表示將s2合并在s1的后面,并返回新的slice。

s1 := []int{1,2}
s2 := []int{3,4}

s3 := append(s1,s2...)

fmt.Println(s3)  // [1 2 3 4]

注意append()最多允許兩個參數(shù),所以一次性只能合并兩個slice。但可以取巧,將append()作為另一個append()的參數(shù),從而實現(xiàn)多級合并。例如,下面的合并s1和s2,然后再和s3合并,得到s1+s2+s3合并后的結(jié)果。

sn := append(append(s1,s2...),s3...)

slice遍歷迭代

slice是一個集合,所以可以進(jìn)行迭代。

range關(guān)鍵字可以對slice進(jìn)行迭代,每次返回一個index和對應(yīng)的元素值。可以將range的迭代結(jié)合for循環(huán)對slice進(jìn)行遍歷。

package main

func main() {
    s1 := []int{11,22,33,44}
    for index,value := range s1 {
        println("index:",index," , ","value",value)
    }
}

輸出結(jié)果:

index: 0  ,  value 11
index: 1  ,  value 22
index: 2  ,  value 33
index: 3  ,  value 44

傳遞slice給函數(shù)

前面說過,雖然slice實際上包含了3個屬性,它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似于[3/5]0xc42003df10,但仍可以將slice看作一種指針。這個特性直接體現(xiàn)在函數(shù)參數(shù)傳值上。

Go中函數(shù)的參數(shù)是按值傳遞的,所以調(diào)用函數(shù)時會復(fù)制一個參數(shù)的副本傳遞給函數(shù)。如果傳遞給函數(shù)的是slice,它將復(fù)制該slice副本給函數(shù),這個副本實際上就是[3/5]0xc42003df10,所以傳遞給函數(shù)的副本仍然指向源slice的底層數(shù)組。

換句話說,如果函數(shù)內(nèi)部對slice進(jìn)行了修改,有可能會直接影響函數(shù)外部的底層數(shù)組,從而影響其它slice。但并不總是如此,例如函數(shù)內(nèi)部對slice進(jìn)行擴(kuò)容,擴(kuò)容時生成了一個新的底層數(shù)組,函數(shù)后續(xù)的代碼只對新的底層數(shù)組操作,這樣就不會影響原始的底層數(shù)組。

例如:

package main

import "fmt"

func main() {
    s1 := []int{11, 22, 33, 44}
    foo(s1)
    fmt.Println(s1[1])     // 輸出:23
}

func foo(s []int) {
    for index, _ := range s {
        s[index] += 1
    }
}

上面將輸出23,因為foo()直接操作原始的底層數(shù)組,對slice的每個元素都加1。

slice和內(nèi)存浪費(fèi)問題

由于slice的底層是數(shù)組,很可能數(shù)組很大,但slice所取的元素數(shù)量卻很小,這就導(dǎo)致數(shù)組占用的絕大多數(shù)空間是被浪費(fèi)的。

特別地,垃圾回收器(GC)不會回收正在被引用的對象,當(dāng)一個函數(shù)直接返回指向底層數(shù)組的slice時,這個底層數(shù)組將不會隨函數(shù)退出而被回收,而是因為slice的引用而永遠(yuǎn)保留,除非返回的slice也消失。

因此,當(dāng)函數(shù)的返回值是一個指向底層數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(如slice),應(yīng)當(dāng)在函數(shù)內(nèi)部將slice拷貝一份保存到一個使用自己底層數(shù)組的新slice中,并返回這個新的slice。這樣函數(shù)一退出,原來那個體積較大的底層數(shù)組就會被回收,保留在內(nèi)存中的是小的slice。

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    2022-12-12

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