理解 Go 编程中的 slice

自从我开始使用 Go 编程以来，slice 的概念和使用一直令人困惑。slice 看起来像一个数组，感觉就像一个数组，但它们不仅仅是一个数组，对我来说是一种全新的概念。我一直在阅读 Go 程序员如何使用 slice，我认为现在终于明白了 slice 的用途。

Andrew Gerrand 撰写了一篇非常棒的关于 slice 的博文：

http://blog.golang.org/go-slices-usage-and-internals

没有理由重复 Andrew 所写的一切，所以请在开始之前阅读他的博文。这篇文章专注于 slice 的内部实现。

上图表示 slice 的内部结构。分配 slice 时，将创建此数据结构以及对应的基础数组。slice 变量的值指向该数据结构。将 slice 传递给函数时，会在堆栈上创建此数据结构的副本。

我们可以用两种方式创建一个 slice：

这里我们使用关键字 make 来创建 slice。需要传递我们存储的数据类型，slice 的初始长度和底层数组的容量，例如

mySlice := make([]string, 5, 8)
mySlice[0] = "Apple"
mySlice[1] = "Orange"
mySlice[2] = "Banana"
mySlice[3] = "Grape"
mySlice[4] = "Plum"

// You don ’ t need to include the capacity. Length and Capacity will be the same
mySlice := make([]string, 5)

您还可以使用 slice 字面量来定义 slice。在这种情况下，长度和容量将是相同的。请注意，中括号[]内没有提供任何值。如果添加一个值，您将拥有一个 array。如果您不添加值，您将获得一个 slice。

mySlice := []string{"Apple", "Orange", "Banana", "Grape", "Plum"}

创建 slice 后，无法扩展 slice 的容量。更改容量的唯一方法是创建新 slice 并执行复制。Andrew 提供了一个很好的示例函数，它显示了检查剩余容量的有效方法，并且只在必要时执行复制。

slice 的长度标识了我们从起始索引位置使用的基础数组的元素数量。容量标识了我们可以使用的总元素数量。

我们可以从原始 slice 创建一个新 slice：

newSlice := mySlice[2:4]

新 slice 的指针变量的值与初始基础数组的索引位置 2 和 3 相关联。就这个新 slice 而言，我们现在有一个包含 3 个元素的基础数组，我们只使用这 3 个元素中的 2 个。这个 slice 无法访问初始底层数组的前两个元素。

执行 slice 操作时，第一个参数指定 slice 指针变量位置的起始索引。在我们的例子中，我们说索引 2 是初始底层数组中的 3 个元素，我们从中获取 slice。第二个参数是最后一个索引位置加一（+1）。在我们的例子中，我们说索引 4 将包括索引 2（起始位置）和索引 3（最终位置）之间的所有索引。

执行 slice 操作时，我们并不总是需要包含起始或结束索引位置：

newSlice2 = newSlice[:cap(newSlice)]

在此示例中，我们使用之前创建的新 slice 来创建第三个 slice。我们不提供起始索引位置，但我们确实指定了最后一个索引位置。我们最新的 slice 具有相同的起始位置和容量，但长度已经改变。通过将最后一个索引位置指定为容量大小，此 slice 的此长度使用基础数组中的所有剩余元素。

现在让我们运行一些代码来证明这个数据结构实际存在，并且 slice 按照说明的方式工作。

我创建了一个函数来检查与任何 slice 关联的内存：

func InspectSlice(slice []string) {
    // Capture the address to the slice structure
    address := unsafe.Pointer(&slice)
    addrSize := unsafe.Sizeof(address)

    // Capture the address where the length and cap size is stored
    lenAddr := uintptr(address) + addrSize
    capAddr := uintptr(address) + (addrSize * 2)

    // Create pointers to the length and cap size
    lenPtr := (*int)(unsafe.Pointer(lenAddr))
    capPtr := (*int)(unsafe.Pointer(capAddr))

    // Create a pointer to the underlying array
    addPtr := (*[8]string)(unsafe.Pointer(*(*uintptr)(address)))

    fmt.Printf("Slice Addr[%p] Len Addr[0x%x] Cap Addr[0x%x]\n",
        address,
        lenAddr,
        capAddr)

    fmt.Printf("Slice Length[%d] Cap[%d]\n",
        *lenPtr,
        *capPtr)

    for index := 0; index < *lenPtr; index++ {
        fmt.Printf("[%d] %p %s\n",
            index,
            &(*addPtr)[index],
            (*addPtr)[index])
    }

    fmt.Printf("\n\n")
}

此函数正在执行一系列指针操作，因此我们可以检查 slice 的数据结构和底层数组的内存和值。

我们将它分解，但首先让我们创建一个 slice 并通过 inspect 函数运行它：

package main

import (
    "fmt"
    "unsafe"
)

func main() {
    orgSlice := make([]string, 5, 8)
    orgSlice[0] = "Apple"
    orgSlice[1] = "Orange"
    orgSlice[2] = "Banana"
    orgSlice[3] = "Grape"
    orgSlice[4] = "Plum"

    InspectSlice(orgSlice)
}

这是程序的输出：

Slice Addr[0x2101be000] Len Addr[0x2101be008] Cap Addr[0x2101be010]
Slice Length[5] Cap[8]
[0] 0x2101bd000 Apple
[1] 0x2101bd010 Orange
[2] 0x2101bd020 Banana
[3] 0x2101bd030 Grape
[4] 0x2101bd040 Plum

正如 Andrew 所描述的那样，slice 的数据结构确实存在。

InspectSlice 函数首先显示 slice 数据结构的地址以及长度和容量值应该在的地址位置。然后通过使用这些地址创建 int 指针，我们显示长度和容量的值。最后，我们创建一个指向底层数组的指针。使用指针，我们遍历底层数组，显示索引位置，元素的起始地址和值。

让我们分解 InspectSlice 函数来理解它是如何工作的：

// Capture the address to the slice structure
address := unsafe.Pointer(&slice)
addrSize := unsafe.Sizeof(address)

// Capture the address where the length and cap size is stored
lenAddr := uintptr(address) + addrSize
capAddr := uintptr(address) + (addrSize * 2)

unsafe.Pointer 是一种映射到 uintptr 类型的特殊类型。因为我们需要执行指针运算，所以我们需要使用通用指针。第一行代码将 slice 的数据结构的地址强制转换为 unsafe.Pointer。然后我们得到编码运行的架构的地址大小。现在知道了地址大小，我们创建了两个通用指针，分别将地址大小和地址大小字节的两倍指向 slice 的数据结构。

下图显示了每个指针变量，变量的值以及指针指向的值：

|address|lenAddr|capAddr| |-------|-------|-------| |0x2101be000|0x2101be008|0x2101be010| |0x2101bd000|5|8|

有了我们的指针，我们现在可以创建正确的类型指针，以便我们可以显示值。这里我们创建两个整数指针，可用于显示 slice 数据结构的长度和容量值。

// Create pointers to the length and cap size
lenPtr := (*int)(unsafe.Pointer(lenAddr))
capPtr := (*int)(unsafe.Pointer(capAddr))

我们现在需要一个类型为[8]字符串的指针，它是底层数组的类型。

// Create a pointer to the underlying array
addPtr := (*[8]string)(unsafe.Pointer(*(*uintptr)(address)))

在这一个语句中有很多内容，所以让我们将其分解：

(*uintptr)(address) ：0x2101be000。此代码获取 slice 数据结构的起始地址并将其转换为通用指针。

*(*uintptr)(address) ：0x2101bd000。然后我们得到指针指向的值，这是底层数组的起始地址。

unsafe.Pointer(*(*uintptr)(address)) 。然后我们将底层数组的起始地址转换为 unsafe.Pointer 类型。我们需要一个这种类型的指针来执行最后的步骤。

(*[8]string)(unsafe.Pointer(*(*uintptr)(address))) 最后，我们将 unsafe.Pointer 转换为正确类型的指针。

其余代码使用正确的指针来显示输出：

fmt.Printf("Slice Addr[%p] Len Addr[0x%x] Cap Addr[0x%x]\n",
    address,
    lenAddr,
    capAddr)

fmt.Printf("Slice Length[%d] Cap[%d]\n",
    *lenPtr,
    *capPtr)

for index := 0; index < *lenPtr; index++ {
    fmt.Printf("[%d] %p %s\n",
        index,
        &(*addPtr)[index],
        (*addPtr)[index])
}

现在让我们将整个程序放在一起并创建一些 slice。我们将检查每个 slice 并确保我们所知道的 slice 是真的：

package main

import (
    "fmt"
    "unsafe"
)

func main() {
    orgSlice := make([]string, 5, 8)
    orgSlice[0] = "Apple"
    orgSlice[1] = "Orange"
    orgSlice[2] = "Banana"
    orgSlice[3] = "Grape"
    orgSlice[4] = "Plum"

    InspectSlice(orgSlice)

    slice2 := orgSlice[2:4]
    InspectSlice(slice2)

    slice3 := slice2[1:cap(slice2)]
    InspectSlice(slice3)

    slice3[0] = "CHANGED"
    InspectSlice(slice3)
    InspectSlice(slice2)
}

func InspectSlice(slice []string) {
    // Capture the address to the slice structure
    address := unsafe.Pointer(&slice)
    addrSize := unsafe.Sizeof(address)

    // Capture the address where the length and cap size is stored
    lenAddr := uintptr(address) + addrSize
    capAddr := uintptr(address) + (addrSize * 2)

    // Create pointers to the length and cap size
    lenPtr := (*int)(unsafe.Pointer(lenAddr))
    capPtr := (*int)(unsafe.Pointer(capAddr))

    // Create a pointer to the underlying array
    addPtr := (*[8]string)(unsafe.Pointer(*(*uintptr)(address)))

    fmt.Printf("Slice Addr[%p] Len Addr[0x%x] Cap Addr[0x%x]\n",
        address,
        lenAddr,
        capAddr)

    fmt.Printf("Slice Length[%d] Cap[%d]\n",
        *lenPtr,
        *capPtr)

    for index := 0; index < *lenPtr; index++ {
        fmt.Printf("[%d] %p %s\n",
            index,
            &(*addPtr)[index],
            (*addPtr)[index])
    }

    fmt.Printf("\n\n")
}

下面是每个 slice 的代码和输出：

这里我们创建一个初始 slice，其长度为 5 个元素，容量为 8 个元素。

Code:
orgSlice := make([]string, 5, 8)
orgSlice[0] = "Apple"
orgSlice[1] = "Orange"
orgSlice[2] = "Banana"
orgSlice[3] = "Grape"
orgSlice[4] = "Plum"

Output:
Slice Addr[0x2101be000] Len Addr[0x2101be008] Cap Addr[0x2101be010]
Slice Length[5] Cap[8]
[0] 0x2101bd000 Apple
[1] 0x2101bd010 Orange
[2] 0x2101bd020 Banana
[3] 0x2101bd030 Grape
[4] 0x2101bd040 Plum

输出符合预期。长度为 5，容量为 8，底层数组包含我们的值。

接下来，我们从原始 slice 中获取 slice。我们要求索引 2 和 3 之间有 2 个元素。

Code:
slice2 := orgSlice[2:4]
InspectSlice(slice2)

Output:
Slice Addr[0x2101be060] Len Addr[0x2101be068] Cap Addr[0x2101be070]
Slice Length[2] Cap[6]
[0] 0x2101bd020 Banana
[1] 0x2101bd030 Grape

在输出中，您可以看到我们有一个长度为 2 且容量为 6 的 slice。因为这个新 slice 在原始 slice 的底层数组中启动了 3 个元素，所以有 6 个元素的容量。容量包括新 slice 可以访问的所有可能元素。新 slice 的索引 0 映射到原始 slice 的索引 2。它们都具有相同的地址 0x2101bd020。

这次我们要求从索引位置 1 开始 slice 到 slice2 的最后一个元素。

Code:
slice3 := slice2[1:cap(slice2)]
InspectSlice(slice3)

Output:
Slice Addr[0x2101be0a0] Len Addr[0x2101be0a8] Cap Addr[0x2101be0b0]
Slice Length[5] Cap[5]
[0] 0x2101bd030 Grape
[1] 0x2101bd040 Plum
[2] 0x2101bd050
[3] 0x2101bd060
[4] 0x2101bd070

正如预期的那样，长度和容量都是 5. 当我们显示 slice 的所有值时，您会看到最后三个元素没有值。在创建基础数组时，slice 初始化了所有元素。此 slice 的索引 0 也映射到 slice2 的索引 1 和原始 slice 的索引 3。它们都具有相同的地址 0x2101bd030。

最终代码将第一个元素的值（slice3 中的索引 0）更改为值 CHANGED。然后我们显示 slice3 和 slice2 的值。

slice3[0] = "CHANGED"
InspectSlice(slice3)
InspectSlice(slice2)

Slice Addr[0x2101be0e0] Len Addr[0x2101be0e8] Cap Addr[0x2101be0f0]
Slice Length[5] Cap[5]
[0] 0x2101bd030 CHANGED
[1] 0x2101bd040 Plum
[2] 0x2101bd050
[3] 0x2101bd060
[4] 0x2101bd070


Slice Addr[0x2101be120] Len Addr[0x2101be128] Cap Addr[0x2101be130]
Slice Length[2] Cap[6]
[0] 0x2101bd020 Banana
[1] 0x2101bd030 CHANGED

请注意，两个 slice 都在其尊重索引中显示更改的值。这证明了所有 slice 都使用相同的底层数组。

InspectSlice 函数证明每个 slice 都包含自己的数据结构，其中包含指向底层数组的指针，slice 的长度和容量。花些时间创建更多 slice 并使用 InspectSlice 函数验证您的假设。