淺析Go語言的切片如何擴容

Go 語言切片是如何擴容的？以下這篇文章為大家介紹一下Go 語言中切片的擴容機制，希望對大家有幫助！

在 Go 語言中，有一個很常用的資料結構，那就是切片（Slice）。

切片是一個擁有相同類型元素的可變長度的序列，它是基於陣列類型所做的一層封裝。它非常靈活，支援自動擴容。

切片是一種引用類型，它有三個屬性：指標，長度和容量。

底層原始碼定義如下：

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

1. #指標： 指向 slice 可以存取到的第一個元素。
2. 長度： slice 中元素個數。
3. 容量： slice 起始元素到底層陣列最後一個元素間的元素個數。

例如使用make([]byte, 5) 建立一個切片，它看起來是這樣的：

##宣告和初始化

切片的使用還是比較簡單的，這裡舉個例子，直接看程式碼吧。

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
}

擴容時機

當切片的長度超過其容量時，切片會自動擴容。這通常發生在使用

append 函數向切片中新增元素時。

擴容時，Go 執行時會指派一個新的底層數組，並將原始切片中的元素複製到新數組中。然後，原始切片將指向新數組，並更新其長度和容量。

要注意的是，由於

擴充功能會指派新陣列並複製元素，因此可能會影響效能。如果你知道要添加多少元素，可以使用 make 函數預先分配足夠大的切片來避免頻繁擴容。

接下來看看

append 函數，簽章如下：

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

append 函數參數長度可變，可以追加多個值，還可以直接追加一個切片。使用起來比較簡單，分別看兩個例子：

追加多個值：

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)
}

輸出結果為：

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

再來看一下直接

追加一個切片：

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)
}

輸出結果為：

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

再來看一個

發生擴容的範例：

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)
    }
}

輸出結果為：

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]

在這個範例中，我們建立了一個長度為

0，容量為3 的切片。然後，我們使用 append 函數在切片中新增 5 個元素。

當我們加入第

4 個元素時，切片的長度超過了其容量。此時，切片會自動擴容。新的容量是原始容量的兩倍，即 6。

表面現像已經看到了，接下來，我們就深入到原始碼層面，看看切片的擴容機製到底是什麼樣的。

原始碼分析

在 Go 語言的原始碼中，切片擴容通常是在進行切片的

append 操作時觸發的。在進行 append 操作時，如果切片容量不足以容納新的元素，就需要對切片進行擴容，此時就會呼叫 growslice 函數進行擴容。

growslice 函數定義在 Go 語言的 runtime 套件中，它的呼叫是在編譯後的程式碼中實現的。具體來說，當執行append 操作時，編譯器會將其轉換為類似下面的程式碼：

slice = append(slice, elem)

在上述程式碼中，如果切片容量不足以容納新的元素，則會呼叫

growslice 函數進行擴容。所以 growslice 函數的呼叫是由編譯器在產生的機器碼中實現的，而不是在原始碼中明確調用的。

切片擴容策略有兩個階段，go1.18 之前和之後是不同的，這一點在 go1.18 的 release notes 中有說明。

下面我用 go1.17 和 go1.18 兩個版本來分開說明。先通過一段測試程式碼，直覺地感受一下兩個版本在擴容上的差異。

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
        }
    }
}

上述程式碼先建立了一個空的 slice，然後在一個迴圈裡不斷往裡面

append 新元素。

然後記錄容量的變化，每當容量發生變化的時候，記錄下舊的容量，添加的元素，以及添加完元素之後的容量。

這樣就可以觀察，新舊 slice 的容量變化情況，從而找出規律。

運行結果（

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

運行結果（

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

根據上面的結果還是能看到差別的，具體擴容策略下面邊看源碼邊說明。

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：

1. 如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
2. 如果当前切片的长度小于 1024 就会将容量翻倍；
3. 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：

1. 如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
2. 如果当前切片的长度小于阈值（默认 256）就会将容量翻倍；
3. 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：

1. 如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
2. 如果当前切片的长度小于 1024 就会将容量翻倍；
3. 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：

1. 如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
2. 如果当前切片的长度小于阈值（默认 256）就会将容量翻倍；
3. 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；

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