原创分享 Dig101: Go 之灵活的 slice

newbmiao · 2020年01月13日 · 357 次阅读

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Dig101: dig more, simplified more and know more

Slice 作为 go 常用的数据类型,在日常编码中非常常见。 相对于数组的定长不可变,slice 使用起来就灵活了许多。

0x01 slice 到底是什么?

首先我们看下源码中 slice 结构的定义

// src/runtime/slice.go
type slice struct {
    array unsafe.Pointer
    len   int
    cap   int
}

slice 数据结构如上,Data 指向底层引用的数组内存地址, len 是已用长度,cap 是总容量。 为验证如上所述,我们尝试声明一个 slice a,获取 a 的 sliceHeader 头信息,并用%p获取&a, sh, a, a[0]的地址 看看他们的地址是否相同。

a := make([]int, 1, 3)
//reflect.SliceHeader 为 slice运行时数据结构
sh := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&a))
fmt.Printf("slice header: %#v\naddress of a: %p &a[0]: %p |  &a: %p sh:%p ", 
    sh, a, &a[0],&a, sh)

//slice header: &reflect.SliceHeader{Data:0xc000018260, Len:1, Cap:3}
//address of a: 0xc000018260 &a[0]: 0xc000018260 | &a: 0xc00000c080 sh:0xc00000c080 

结果发现a和&a[0]地址相同。 这个好理解,切片指向地址即对应底层引用数组首个元素地址 而&a和sh及sh.Data指向地址相同。这个是因为这三个地址是指 slice 自身地址。 这里【slice 自身地址不同于 slice 指向的底层数据结构地址】, 清楚这一点对于后边的一些问题会更容易判断。

这里作为一个小插曲,我们看下当fmt.Printf("%p",a)时发生了什么 内部调用链 fmtPointer -> Value.Pointer 然后根据 Pointer 方法对应 slice 的注释如下

// If v's Kind is Slice, the returned pointer is to the first
// element of the slice. If the slice is nil the returned value
// is 0.  If the slice is empty but non-nil the return value is non-zero.

发现没,正是我们上边说的,slice 不为空时,返回了第一个元素的地址 有点迷惑性是不是,但其实作为使用 slice 的我们,更关心的是底层指向的数据不是么。

再一点就是,基于 go 中所有赋值和参数传递都是值传递,对于大数组而言,拷贝一个指向他的 slice 就高效多了 上一篇Go 之 for-range 排坑指南 有过描述, 详见 0x03 对大数组这样遍历有啥问题?

总结下, slice 是一个有底层数组引用的结构里,有长度,有容量。

就这么简单? 不,光这样还不足以让它比数组更好用。 slice 还支持非常方便的切片操作和 append 时自动扩容,这让他更加 flexible

0x02 slice 能比较么?

答案是【只能和 nil 比较】

s := make([]int, 5)
a := s
println(s == a) 
//invalid operation: s == a (slice can only be compared to nil)

这个也其实好理解,当你比较两个 slice,你是想比较他们自身呢?(必然不同啊,因为有值拷贝) 还是比较他们底层的数组?(那长度和容量也一起比较么) 确实没有什么意义去做两个 slice 的比较。

0x03 花样的切片操作

slice 通过三段参数来操作:x[from:len:cap] 即对 x 从from索引位置开始,截取len长度,cap大小的新切片返回 但是 len 和 cap 不能大于 x 原来的 len 和 cap 三个参数都可省略,默认为x[0:len(x):cap(x)] 切片操作同样适用于 array 如下都是通过src[:]常规对切片(指向的底层数组)或数组的引用

s:=make([]int,5)
x:=s[:]

arr:=[5]int{}
y:=arr[:]

配合 copy 和 append,slice 的操作还有很多,官方 wikiSlice Tricks 有更丰富的例子 比如更通用的拷贝 b = append(a[:0:0], a...) 比如 cut 或 delete 时增加对不使用指针的 nil 标记释放 (防止内存泄露)

//Cut
copy(a[i:], a[j:])
for k, n := len(a)-j+i, len(a); k < n; k++ {
    a[k] = nil // or the zero value of T
}
a = a[:len(a)-j+i]

//Delete
if i < len(a)-1 {
  copy(a[i:], a[i+1:])
}
a[len(a)-1] = nil // or the zero value of T
a = a[:len(a)-1]

不熟悉的话,建议好好练习一下去感受

0x04 append 时发生了什么?

总的来说,append 时会按需自动扩容

  • 容量足够,无扩容则直接拷贝待 append 的数据到原 slice 底层指向的数组 之后(原 slice 的 len 之后),并返回指向该数组首地址的新 slice(len 改变)
  • 容量不够,有扩容则拷贝原有 slice 所指向部分数据到新开辟的数组,并对待 append 的数据附加到其后,并返回新数组首地址的新 slice​(底层数组,len,cap 均改变)

如下代码所示,容量不够时触发了扩容重新开辟底层数组,x 和 s 底层指向的数组已不是同一个

s := make([]int, 5)
x := append(s, 1)
fmt.Printf("x dataPtr: %p len: %d cap: %d\ns dataPtr: %p len: %d cap: %d", 
    x, len(x), cap(x), 
    s, len(s), cap(s))
// x dataPtr: 0xc000094000 len: 6 cap: 10
// s dataPtr: 0xc000092030 len: 5 cap: 5

0x05 append 内部优化

具体查阅源码,你会发现编译时将 append 分为三类并优化

除按需扩容外

  • x = append(y, make([]T, y)...) 使用 memClr 提高初始化效率
  • x = append(l1, l2...) 或者 x = append(slice, string) 直接复制 l2
  • x = append(src, a, b, c) 确定待 append 数目下,直接做赋值优化

具体编译优化如下 注释有简化,详见internal/gc/walk.go: append

switch {
case isAppendOfMake(r):
// x = append(y, make([]T, y)...) will rewrite to

    // s := l1
    // n := len(s) + l2
    // if uint(n) > uint(cap(s)) {
    //   s = growslice(T, s, n)
    // }
    // s = s[:n]
    // lptr := &l1[0]
    // sptr := &s[0]
    // if lptr == sptr || !hasPointers(T) {
    //   // growslice did not clear the whole underlying array 
         // (or did not get called)
    //   hp := &s[len(l1)]
    //   hn := l2 * sizeof(T)
    //   memclr(hp, hn)
    // }

    //使用memClr提高初始化效率
    r = extendslice(r, init)
case r.IsDDD(): // DDD is ... syntax
// x = append(l1, l2...) will rewrite to

    // s := l1
    // n := len(s) + len(l2)
    // if uint(n) > uint(cap(s)) {
    //   s = growslice(s, n)
    // }
    // s = s[:n]
    // memmove(&s[len(l1)], &l2[0], len(l2)*sizeof(T))

    //直接复制l2
    r = appendslice(r, init) // also works for append(slice, string).
default:
// x = append(src, a, b, c) will rewrite to

    // s := src
    // const argc = len(args) - 1
    // if cap(s) - len(s) < argc {
    //     s = growslice(s, len(s)+argc)
    // }
    // n := len(s)
    // s = s[:n+argc]
    // s[n] = a
    // s[n+1] = b
    // ...

    //确定待append数目下,直接做赋值优化
    r = walkappend(r, init, n)
}

这里关于 append 实现有几点可以提下

扩容的策略是什么?

答案是【总的来说是至少返回要求的长度 n 最大则为翻倍】 具体情况是:

  • len<1024 时 2 倍扩容
  • 大于且未溢出时 1.25 倍扩容
  • 溢出则直接按申请大小扩容
  • 最后按mallocgc内存分配大小适配来确定 len. (n-2n 之间)

​扩容留出最多一倍的余量,主要还是为了减少可能的扩容频率。​ mallocgc 内存适配实际是 go 内存管理做了内存分配的优化, 当然内部也有内存对齐的考虑。 雨痕 Go 学习笔记第四章内存分配,对这一块有很详尽的分析,值得一读。

至于为啥要内存对齐可以参见Golang 是否有必要内存对齐?,一篇不错的文章。

扩容判断中uint的作用是啥?

//n为目标slice总长度,类型int,cap(s)类型也为int
if uint(n) > uint(cap(s))
    s = growslice(T, s, n)
}

答案是【为了避免溢出的扩容】

int 有正负,最大值math.MaxInt64 = 1<<63 - 1 uint 无负数最大值math.MaxUint64 = 1<<64 - 1 uint 正值是 int 正值范围的两倍,int 溢出了变为负数,uint(n)则必大于原 s 的 cap,条件成立 到 growslice 内部,对于负值的 n 会 panic,以此避免了溢出的扩容

内存清零初始化: memclrNoHeapPointers vs typedmemclr?

答案是【这个取决于待清零的内存是否已经初始化为 type-safe(类型安全)状态,及类型是否包含指针】

具体来看,memclrNoHeapPointers使用场景是

  • 带清零内存是初始化过的,且不含指针
  • 带清零内存未初始化过的,里边内容是 “垃圾值”(即非 type-safe),需要初始化并清零

其他场景就是typedmemclr, 而且如果用于清零的 Type(类型) 包含指针,他会多一步 WriteBarrier(写屏障),用于为 GC(垃圾回收) 运行时标记对象的内存修改,减少 STW(stop the world)

所以memclrNoHeapPointers第一个使用场景为啥不含指针就不用解释了。

想了解更多可以看看zero-initialization-versus-zeroing 以及相关源码的注释memclrNoHeapPointerstypedmemclr

本文代码见 NewbMiao/Dig101-Go

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文章首发:公众号 newbmiao

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