剖析golang slice的實現

本文基於golang 1.10版本分析。

slice 結構

slice實際就是一個struct，在runtime/slice.go中的定義如下：

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

// An notInHeapSlice is a slice backed by go:notinheap memory.
type notInHeapSlice struct {
    array *notInHeap
    len   int 
    cap   int 
}

由定義可以看出slice底層是基於數組，本質是對數組的封裝。由三部分組成：

1. 指針 指向第一個slice元素對應的底層數組元素地址。
2. 長度 slice中元素的數目
3. 容量 slice開始位置到底層數據的結尾

內置函數len和cap，分別返回slice的長度和容量。slice使用下標不能超過len，向後擴展不能超過cap。多個不同slice之間可以共享底層的數據，起始地址、長度都可以不同，所以slice第一個元素未必是數組的第一個元素。

使用切片

Slice代表變長的序列，序列中每個元素都有相同的類型，屬於引用類型，一般這麼聲明：

var 變量名 []類型  //這樣沒有初始化賦值，僅僅是引用，沒分配底層數組。
var 變量名 = []類型{置集合} //會分配底層數組,len、cap都是置集合大小
var 變量名 []類型 = make([]類型,len,cap) //這樣會分配底層數組

注意，slice類型是不能比較的，對於字節型的slice，標準庫有bytes.Equal函數用於比較，但是其他類型的slice，需要自行展開比較。

對於數組和slice，除了使用聲明，還可以使用[begin:end:cap]來創建新的切片，注意這是個左閉右開區間，slice的容量是cap-begin，底層數據共享。
對於string類型，進行如[:]的操作，返回的是一個string，而不是切片，這個新的string和原來的string未必是一塊內存，看編譯器優化。
另外給切片從後面追加數據，可以用buildin函數append來實現。

func f(a []int) {
    a = append(a, 8)
    fmt.Printf("f cap:%d addr:%p value:%v\n", cap(a), &a[0], a)
}

func main() {

    var slice1 = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6}
    fmt.Printf("%v %d %d\n", slice1, len(slice1), cap(slice1))

    slice2 := slice1[2:2:3]
    fmt.Printf("%v %d %d\n", slice2, len(slice2), cap(slice2))

    var a [5]int = [5]int{1, 2, 3, 4, 5} //先定義了一個數組
    array_slice := a[:]
    fmt.Printf("cap:%d a_addr:%p slice_addr:%p slice_type:%T\n", cap(array_slice), &a, &array_slice[0], array_slice)

    array_slice[1] = 9
    fmt.Printf("cap:%d addr:%p value:%v\n", cap(array_slice), &array_slice[0], a)

    array_slice = append(array_slice, 6)
    fmt.Printf("cap:%d addr:%p value:%v\n", cap(array_slice), &array_slice[0], array_slice)
    array_slice = append(array_slice, 7)
    fmt.Printf("cap:%d addr:%p value:%v\n", cap(array_slice), &array_slice[0], array_slice)

    f(array_slice)
    fmt.Printf("cap:%d addr:%p value:%v\n", cap(array_slice), &array_slice[0], array_slice)
    array_slice = array_slice[:8]
    fmt.Printf("cap:%d addr:%p value:%v\n", cap(array_slice), &array_slice[0], array_slice)

    var s string = "abcdefg"
    string_slice := s[0:5]
    fmt.Printf("%p %T\n", &s, string_slice)
}

輸出：
[1 2 3 4 5 6] 6 6
[] 0 1
cap:5 a_addr:0xc042086090 slice_addr:0xc042086090 slice_type:[]int
cap:5 addr:0xc042086090 value:[1 9 3 4 5]
cap:10 addr:0xc04209a000 value:[1 9 3 4 5 6]
cap:10 addr:0xc04209a000 value:[1 9 3 4 5 6 7]
f cap:10 addr:0xc04209a000 value:[1 9 3 4 5 6 7 8]
cap:10 addr:0xc04209a000 value:[1 9 3 4 5 6 7]
cap:10 addr:0xc04209a000 value:[1 9 3 4 5 6 7 8]
0xc04205c1c0 string

可以看到返回的切片，底層數據是一樣的，修改切片中某個元素的值，就是修改原數據的值。但是對切片進行append的時候，如果底層空間足夠就使用原來的空間，如果底層空間不夠，那麼就會申請新的空間。函數傳遞切片的時候，也是值傳遞，不是引用傳遞，傳遞的是slice結構體那三個字段的值，所以不會複製slice的實際內容，在函數內append，那麼在cap足夠的時候，修改的僅僅是函數中slice的len，外面的slice len不會發生變化。

nil值、空值

slice有2個特殊的值，大家要注意分辨一下

var s []int          //nil值   
var t = []int{}     //空值
var u = make([]int, 3)[3:]   //空值

fmt.Printf("value of s: %#v\n", s) // value of s: []int(nil)
fmt.Printf("value of t: %#v\n", t)   // value of t: []int{}
fmt.Printf("value of u: %#v\n", u) //value of u: []int{}
fmt.Printf("s is nil? %v\n", s == nil)   //true
fmt.Printf("t is nil? %v\n", t == nil)     //false
fmt.Printf("u is nil? %v\n", u == nil)     //false

區別是，nil slice的底層數組指針是nil，empty slice底層數組指針指向一個長度爲0的數組。
所以測試一個slice是否有數據，使用len(s) == 0來判斷，而不應用s == nil來判斷。
一般的用法是nil slice表示數組不存在，empty slice表示集合爲空。序列化json的時候，nil slice會變成null，empty是[]

源碼分析

創建slice

// maxElems is a lookup table containing the maximum capacity for a slice.
// The index is the size of the slice element.
var maxElems = [...]uintptr{
    ^uintptr(0),
    maxAlloc / 1, maxAlloc / 2, maxAlloc / 3, maxAlloc / 4,
    maxAlloc / 5, maxAlloc / 6, maxAlloc / 7, maxAlloc / 8,
    maxAlloc / 9, maxAlloc / 10, maxAlloc / 11, maxAlloc / 12,
    maxAlloc / 13, maxAlloc / 14, maxAlloc / 15, maxAlloc / 16,
    maxAlloc / 17, maxAlloc / 18, maxAlloc / 19, maxAlloc / 20,
    maxAlloc / 21, maxAlloc / 22, maxAlloc / 23, maxAlloc / 24,
    maxAlloc / 25, maxAlloc / 26, maxAlloc / 27, maxAlloc / 28,
    maxAlloc / 29, maxAlloc / 30, maxAlloc / 31, maxAlloc / 32,
}

// maxSliceCap returns the maximum capacity for a slice.
func maxSliceCap(elemsize uintptr) uintptr {
    if elemsize < uintptr(len(maxElems)) {
        return maxElems[elemsize]
    }
    return maxAlloc / elemsize
}

func makeslice(et *_type, len, cap int) slice {
    // NOTE: The len > maxElements check here is not strictly necessary,
    // but it produces a 'len out of range' error instead of a 'cap out of range' error
    // when someone does make([]T, bignumber). 'cap out of range' is true too,
    // but since the cap is only being supplied implicitly, saying len is clearer.
    // See issue 4085.
    maxElements := maxSliceCap(et.size)
    if len < 0 || uintptr(len) > maxElements {
        panicmakeslicelen()
    }

    if cap < len || uintptr(cap) > maxElements {
        panicmakeslicecap()
    }

    p := mallocgc(et.size*uintptr(cap), et, true)
    return slice{p, len, cap}
}

可以看到創建slice的流程非常簡單，根據類型的大小，算出最多能申請多少個元素，然後檢查一下參數，不對就panic，就用malloc申請空間，賦值到一個slice結構體中，返回。

擴容

// growslice handles slice growth during append.
// It is passed the slice element type, the old slice, and the desired new minimum capacity,
// and it returns a new slice with at least that capacity, with the old data
// copied into it.
// The new slice's length is set to the old slice's length,
// NOT to the new requested capacity.
// This is for codegen convenience. The old slice's length is used immediately
// to calculate where to write new values during an append.
// TODO: When the old backend is gone, reconsider this decision.
// The SSA backend might prefer the new length or to return only ptr/cap and save stack space.
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
    if raceenabled {
        callerpc := getcallerpc()
        racereadrangepc(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)), callerpc, funcPC(growslice))
    }
    if msanenabled {
        msanread(old.array, uintptr(old.len*int(et.size)))
    }

    if et.size == 0 {
        if cap < old.cap {
            panic(errorString("growslice: cap out of range"))
        }
        // append should not create a slice with nil pointer but non-zero len.
        // We assume that append doesn't need to preserve old.array in this case.
        return slice{unsafe.Pointer(&zerobase), old.len, cap}
    }

    newcap := old.cap
    doublecap := newcap + newcap
    if cap > doublecap {
        newcap = cap
    } else {
        if old.len < 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
            }
        }
    }

    var overflow bool
    var lenmem, newlenmem, capmem uintptr
    // Specialize for common values of et.size.
    // For 1 we don't need any division/multiplication.
    // For sys.PtrSize, compiler will optimize division/multiplication into a shift by a constant.
    // For powers of 2, use a variable shift.
    switch {
    case et.size == 1:
        lenmem = uintptr(old.len)
        newlenmem = uintptr(cap)
        capmem = roundupsize(uintptr(newcap))
        overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc
        newcap = int(capmem)
    case et.size == sys.PtrSize:
        lenmem = uintptr(old.len) * sys.PtrSize
        newlenmem = uintptr(cap) * sys.PtrSize
        capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * sys.PtrSize)
        overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc/sys.PtrSize
        newcap = int(capmem / sys.PtrSize)
    case isPowerOfTwo(et.size):
        var shift uintptr
        if sys.PtrSize == 8 {
            // Mask shift for better code generation.
            shift = uintptr(sys.Ctz64(uint64(et.size))) & 63
        } else {
            shift = uintptr(sys.Ctz32(uint32(et.size))) & 31
        }
        lenmem = uintptr(old.len) << shift
        newlenmem = uintptr(cap) << shift
        capmem = roundupsize(uintptr(newcap) << shift)
        overflow = uintptr(newcap) > (maxAlloc >> shift)
        newcap = int(capmem >> shift)
    default:
        lenmem = uintptr(old.len) * et.size
        newlenmem = uintptr(cap) * et.size
        capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * et.size)
        overflow = uintptr(newcap) > maxSliceCap(et.size)
        newcap = int(capmem / et.size)
    }

    // The check of overflow (uintptr(newcap) > maxSliceCap(et.size))
    // in addition to capmem > _MaxMem is needed to prevent an overflow
    // which can be used to trigger a segfault on 32bit architectures
    // with this example program:
    //
    // type T [1<<27 + 1]int64
    //
    // var d T
    // var s []T
    //
    // func main() {
    //   s = append(s, d, d, d, d)
    //   print(len(s), "\n")
    // }
    if cap < old.cap || overflow || capmem > maxAlloc {
        panic(errorString("growslice: cap out of range"))
    }

    var p unsafe.Pointer
    if et.kind&kindNoPointers != 0 {
        p = mallocgc(capmem, nil, false)
        memmove(p, old.array, lenmem)
        // The append() that calls growslice is going to overwrite from old.len to cap (which will be the new length).
        // Only clear the part that will not be overwritten.
        memclrNoHeapPointers(add(p, newlenmem), capmem-newlenmem)
    } else {
        // Note: can't use rawmem (which avoids zeroing of memory), because then GC can scan uninitialized memory.
        p = mallocgc(capmem, et, true)
        if !writeBarrier.enabled {
            memmove(p, old.array, lenmem)
        } else {
            for i := uintptr(0); i < lenmem; i += et.size {
                typedmemmove(et, add(p, i), add(old.array, i))
            }
        }
    }

    return slice{p, old.len, newcap}
}

擴容時，先計算需要擴多少個，算法是這樣的：

1. 如果申請的容量（cap）是老容量（old.cap）的兩倍以上，那麼就擴成cap
2. 否則，如果老容量old.cap小於1024，那麼就擴成old.cap x 2
3. 再否則，newcap初始爲old.cap，一直循環newcap += newcap/4，直到不小於cap，newcap就是最終擴成的大小，注意這裏還有個溢出保護，如果溢出了，那麼newcap=cap。

計算完需要申請的元素個數大小之後，就計算內存位置，進行復制，這裏不細說。

需要注意的地方是，擴容之後可能還是原來的數組，因爲可能底層數組還有空間。

slice copy

func slicecopy(to, fm slice, width uintptr) int {
    if fm.len == 0 || to.len == 0 {
        return 0
    }

    n := fm.len
    if to.len < n {
        n = to.len
    }

    if width == 0 {
        return n
    }

    if raceenabled {
        callerpc := getcallerpc()
        pc := funcPC(slicecopy)
        racewriterangepc(to.array, uintptr(n*int(width)), callerpc, pc)
        racereadrangepc(fm.array, uintptr(n*int(width)), callerpc, pc)
    }
    if msanenabled {
        msanwrite(to.array, uintptr(n*int(width)))
        msanread(fm.array, uintptr(n*int(width)))
    }

    size := uintptr(n) * width
    if size == 1 { // common case worth about 2x to do here
        // TODO: is this still worth it with new memmove impl?
        *(*byte)(to.array) = *(*byte)(fm.array) // known to be a byte pointer
    } else {
        memmove(to.array, fm.array, size)
    }
    return n
}

這是常規的copy，比較兩個slice的len，選取小的len進行復制，把fm的內容複製to中，使用memmove對array進行內存拷貝。我們可以看到因爲使用的是較小的len，所以slice to中的cap不需要改變。如果fm的len較小，那麼就覆蓋to中的前len個位置，其餘不變。eg：

func main() {
    var slice1 = []int{1, 2, 3, 4, 5, 6}

    var slice2 = []int{8,9,10,11,12,13,14,15}
    copy(slice2, slice1)
    fmt.Printf("len:%d cap:%d %#v\n", len(slice2), cap(slice2), slice2)
}

輸出
len:8 cap:8 []int{1, 2, 3, 4, 5, 6, 14, 15}