Go 切片：用法与本质

0x01 引言

Go的切片类型为处理同类型数据序列提供一个方便而高效的方式。切片有些类似于其他语言中的数组，但是有一些不同寻常的特性。本文将深入切片的本质，并讲解它的用法。

0x02 数组(Array)

Go的切片是在数组之上的抽象数据类型，因此在了解切片之前必须要先理解数组。

数组类型定义了长度和元素类型。例如， [4]int 类型表示一个四个整数的数组。数组的长度是固定的，长度是数组类型的一部分（ [4]int 和 [5]int 是完全不同的类型）。数组可以以常规的索引方式访问，表达式 s[n] 访问数组的第 n 个元素。

var a [4]int
a[0] = 1
i := a[0]
// i == 1

数组不需要显式的初始化；数组的零值是可以直接使用的，数组元素会自动初始化为其对应类型的零值：

1	// a[2] == 0, int 类型的零值

类型 [4]int 对应内存中四个连续的整数：

Go的数组是值语义。一个数组变量表示整个数组，它不是指向第一个元素的指针（不像 C 语言的数组）。当一个数组变量被赋值或者被传递的时候，实际上会复制整个数组。（为了避免复制数组，你可以传递一个指向数组的指针，但是数组指针并不是数组。）可以将数组看作一个特殊的struct，结构的字段名对应数组的索引，同时成员的数目固定。

数组的字面值像这样：

1	b := [2]string{"Penn", "Teller"}

当然，也可以让编译器统计数组字面值中元素的数目：

1	b := [...]string{"Penn", "Teller"}

这两种写法， b 都是对应 [2]string 类型。

0x03 切片(Slices)

数组虽然有适用它们的地方，但是数组不够灵活，因此在Go代码中数组使用的并不多。但是，切片则使用得相当广泛。切片基于数组构建，但是提供更强的功能和便利。

切片类型的写法是 []T ， T 是切片元素的类型。和数组不同的是，切片类型并没有给定固定的长度。

切片的字面值和数组字面值很像，不过切片没有指定元素个数：

1	letters := []string{"a", "b", "c", "d"}

切片可以使用内置函数 make 创建，函数签名为：

1	func make([]T, len, cap) []T

其中T代表被创建的切片元素的类型。函数 make 接受一个类型、一个长度和一个可选的容量参数。调用 make 时，内部会分配一个数组，然后返回数组对应的切片。

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var s []byte
s = make([]byte, 5, 5)
// s == []byte{0, 0, 0, 0, 0}

当容量参数被忽略时，它默认为指定的长度。下面是简洁的写法：

1	s := make([]byte, 5)

可以使用内置函数 len 和 cap 获取切片的长度和容量信息。

1 2	len(s) == 5 cap(s) == 5

接下来的两个小节将讨论长度和容量之间的关系。

切片的零值为 nil 。对于切片的零值， len 和 cap 都将返回0。

切片也可以基于现有的切片或数组生成。切分的范围由两个由冒号分割的索引对应的半开区间指定。例如，表达式 b[1:4] 创建的切片引用数组 b 的第1到3个元素空间（对应切片的索引为0到2）。

1 2	b := []byte{'g', 'o', 'l', 'a', 'n', 'g'} // b[1:4] == []byte{'o', 'l', 'a'}, sharing the same storage as b

切片的开始和结束的索引都是可选的；它们分别默认为零和数组的长度。

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// b[:2] == []byte{'g', 'o'}
// b[2:] == []byte{'l', 'a', 'n', 'g'}
// b[:] == b

下面语法也是基于数组创建一个切片：

1 2	x := [3]string{"Лайка", "Белка", "Стрелка"} s := x[:] // a slice referencing the storage of x

0x04 切片的内幕

一个切片是一个数组片段的描述。它包含了指向数组的指针，片段的长度，和容量（片段的最大长度）。

前面使用 make([]byte, 5) 创建的切片变量 s 的结构如下：

长度是切片引用的元素数目。容量是底层数组的元素数目（从切片指针开始）。关于长度和容量和区域将在下一个例子说明。

我们继续对 s 进行切片，观察切片的数据结构和它引用的底层数组：

1	s = s[2:4]

切片操作并不复制切片指向的元素。它创建一个新的切片并复用原来切片的底层数组。这使得切片操作和数组索引一样高效。因此，通过一个新切片修改元素会影响到原始切片的对应元素。

d := []byte{'r', 'o', 'a', 'd'}
e := d[2:]
// e == []byte{'a', 'd'}
e[1] = 'm'
// e == []byte{'a', 'm'}
// d == []byte{'r', 'o', 'a', 'm'}

前面创建的切片 s 长度小于它的容量。我们可以增长切片的长度为它的容量：

1	s = s[:cap(s)]

切片增长不能超出其容量。增长超出切片容量将会导致运行时异常，就像切片或数组的索引超出范围引起异常一样。同样，不能使用小于零的索引去访问切片之前的元素。

0x05 切片的生长(copy and append 函数)

要增加切片的容量必须创建一个新的、更大容量的切片，然后将原有切片的内容复制到新的切片。整个技术是一些支持动态数组语言的常见实现。下面的例子将切片 s 容量翻倍，先创建一个2倍容量的新切片 t ，复制 s 的元素到 t ，然后将 t 赋值给 s ：

t := make([]byte, len(s), (cap(s)+1)*2) // +1 in case cap(s) == 0
for i := range s {
        t[i] = s[i]
}
s = t

循环中复制的操作可以由 copy 内置函数替代。copy 函数将源切片的元素复制到目的切片。它返回复制元素的数目。

1	func copy(dst, src []T) int

copy 函数支持不同长度的切片之间的复制（它只复制较短切片的长度个元素）。此外， copy 函数可以正确处理源和目的切片有重叠的情况。

使用 copy 函数，我们可以简化上面的代码片段：

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t := make([]byte, len(s), (cap(s)+1)*2)
copy(t, s)
s = t

一个常见的操作是将数据追加到切片的尾部。下面的函数将元素追加到切片尾部，必要的话会增加切片的容量，最后返回更新的切片：

func AppendByte(slice []byte, data ...byte) []byte {
    m := len(slice)
    n := m + len(data)
    if n > cap(slice) { // if necessary, reallocate
        // allocate double what's needed, for future growth.
        newSlice := make([]byte, (n+1)*2)
        copy(newSlice, slice)
        slice = newSlice
    }
    slice = slice[0:n]
    copy(slice[m:n], data)
    return slice
}

下面是 AppendByte 的一种用法：

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p := []byte{2, 3, 5}
p = AppendByte(p, 7, 11, 13)
// p == []byte{2, 3, 5, 7, 11, 13}

类似 AppendByte 的函数比较实用，因为它提供了切片容量增长的完全控制。根据程序的特点，可能希望分配较小的活较大的块，或则是超过某个大小再分配。

但大多数程序不需要完全的控制，因此Go提供了一个内置函数 append ，用于大多数场合；它的函数签名：

1	func append(s []T, x ...T) []T

append 函数将 x 追加到切片 s 的末尾，并且在必要的时候增加容量。

a := make([]int, 1)
// a == []int{0}
a = append(a, 1, 2, 3)
// a == []int{0, 1, 2, 3}

如果是要将一个切片追加到另一个切片尾部，需要使用 ... 语法将第2个参数展开为参数列表。

a := []string{"John", "Paul"}
b := []string{"George", "Ringo", "Pete"}
a = append(a, b...) // equivalent to "append(a, b[0], b[1], b[2])"
// a == []string{"John", "Paul", "George", "Ringo", "Pete"}

由于切片的零值 nil 用起来就像一个长度为零的切片，我们可以声明一个切片变量然后在循环中向它追加数据：

// Filter returns a new slice holding only
// the elements of s that satisfy fn()
func Filter(s []int, fn func(int) bool) []int {
    var p []int // == nil
    for _, v := range s {
        if fn(v) {
            p = append(p, v)
        }
    }
    return p
}

0x06 切片的“陷阱”

正如前面所说，切片操作并不会复制底层的数组。整个数组将被保存在内存中，直到它不再被引用。有时候可能会因为一个小的内存引用导致保存所有的数据。

例如， FindDigits 函数加载整个文件到内存，然后搜索第一个连续的数字，最后结果以切片方式返回。

var digitRegexp = regexp.MustCompile("[0-9]+")

func FindDigits(filename string) []byte {
    b, _ := ioutil.ReadFile(filename)
    return digitRegexp.Find(b)
}

这段代码的行为和描述类似，返回的 []byte 指向保存整个文件的数组。因为切片引用了原始的数组，导致 GC 不能释放数组的空间；只用到少数几个字节却导致整个文件的内容都一直保存在内存里。

要修复整个问题，可以将感兴趣的数据复制到一个新的切片中：

func CopyDigits(filename string) []byte {
    b, _ := ioutil.ReadFile(filename)
    b = digitRegexp.Find(b)
    c := make([]byte, len(b))
    copy(c, b)
    return c
}