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如何解释go语言切片

青灯夜游

青灯夜游

发布时间:2022-12-22 12:19:35

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来源于php中文网

原创

在go语言中,切片(slice)是对数组的一个连续片段的引用,所以切片是一个引用类型,这个片段可以是整个数组,也可以是由起始和终止索引标识的一些项的子集;切片的内存分布是连续的,所以可以把切片当做一个大小不固定的数组。切片有三个字段的数据结构:指向底层数组的指针、切片访问的元素的个数(即长度)和切片允许增长到的元素个数(即容量)。

如何解释go语言切片

本教程操作环境:windows7系统、GO 1.18版本、Dell G3电脑。

切片(slice)是对数组的一个连续片段的引用,所以切片是一个引用类型(因此更类似于 C/C++ 中的数组类型,或者 Python 中的 list 类型),这个片段可以是整个数组,也可以是由起始和终止索引标识的一些项的子集,需要注意的是,终止索引标识的项不包括在切片内。

Go语言中切片的内部结构包含地址、大小和容量,切片一般用于快速地操作一块数据集合,如果将数据集合比作切糕的话,切片就是你要的“那一块”,切的过程包含从哪里开始(切片的起始位置)及切多大(切片的大小),容量可以理解为装切片的口袋大小,如下图所示。

1.jpg
图:切片结构和内存分配

切片的内存分布是连续的,所以你可以把切片当做一个大小不固定的数组。

立即学习go语言免费学习笔记(深入)”;

切片有三个字段的数据结构,这些数据结构包含 Go 语言需要操作底层数组的元数据,这 3 个字段分别是指向底层数组的指针、切片访问的元素的个数(即长度)和切片允许增长到的元素个数(即容量)。后面会进一步讲解长度和容量的区别。

2.png

从数组或切片生成新的切片

切片默认指向一段连续内存区域,可以是数组,也可以是切片本身。

从连续内存区域生成切片是常见的操作,格式如下:

slice [开始位置 : 结束位置]

语法说明如下:

  • slice:表示目标切片对象;

  • 开始位置:对应目标切片对象的索引;

  • 结束位置:对应目标切片的结束索引。

从数组生成切片,代码如下:

var a  = [3]int{1, 2, 3}
fmt.Println(a, a[1:2])

其中 a 是一个拥有 3 个整型元素的数组,被初始化为数值 1 到 3,使用 a[1:2] 可以生成一个新的切片,代码运行结果如下:

[1 2 3]  [2]

其中 [2] 就是 a[1:2] 切片操作的结果。

从数组或切片生成新的切片拥有如下特性:

  • 取出的元素数量为:结束位置 - 开始位置;

  • 取出元素不包含结束位置对应的索引,切片最后一个元素使用 slice[len(slice)] 获取;

  • 当缺省开始位置时,表示从连续区域开头到结束位置;

  • 当缺省结束位置时,表示从开始位置到整个连续区域末尾;

  • 两者同时缺省时,与切片本身等效;

  • 两者同时为 0 时,等效于空切片,一般用于切片复位。

根据索引位置取切片 slice 元素值时,取值范围是(0~len(slice)-1),超界会报运行时错误,生成切片时,结束位置可以填写 len(slice) 但不会报错。

下面通过实例来熟悉切片的特性。

1) 从指定范围中生成切片

切片和数组密不可分,如果将数组理解为一栋办公楼,那么切片就是把不同的连续楼层出租给使用者,出租的过程需要选择开始楼层和结束楼层,这个过程就会生成切片,示例代码如下:

var highRiseBuilding [30]int
for i := 0; i < 30; i++ {
        highRiseBuilding[i] = i + 1
}
// 区间
fmt.Println(highRiseBuilding[10:15])
// 中间到尾部的所有元素
fmt.Println(highRiseBuilding[20:])
// 开头到中间指定位置的所有元素
fmt.Println(highRiseBuilding[:2])

代码输出如下:

3.png

代码中构建了一个 30 层的高层建筑,数组的元素值从 1 到 30,分别代表不同的独立楼层,输出的结果是不同的租售方案。

代码说明如下:

  • 第 8 行,尝试出租一个区间楼层。

  • 第 11 行,出租 20 层以上。

  • 第 14 行,出租 2 层以下,一般是商用铺面。

切片有点像C语言里的指针,指针可以做运算,但代价是内存操作越界,切片在指针的基础上增加了大小,约束了切片对应的内存区域,切片使用中无法对切片内部的地址和大小进行手动调整,因此切片比指针更安全、强大。

2) 表示原有的切片

生成切片的格式中,当开始和结束位置都被忽略时,生成的切片将表示和原切片一致的切片,并且生成的切片与原切片在数据内容上也是一致的,代码如下:

a := []int{1, 2, 3}
fmt.Println(a[:])

a 是一个拥有 3 个元素的切片,将 a 切片使用 a[:] 进行操作后,得到的切片与 a 切片一致,代码输出如下:

[1 2 3]

3) 重置切片,清空拥有的元素

把切片的开始和结束位置都设为 0 时,生成的切片将变空,代码如下:

a := []int{1, 2, 3}
fmt.Println(a[0:0])

代码输出如下:

4.png

直接声明新的切片

除了可以从原有的数组或者切片中生成切片外,也可以声明一个新的切片,每一种类型都可以拥有其切片类型,表示多个相同类型元素的连续集合,因此切片类型也可以被声明,切片类型声明格式如下:

var name []Type

其中 name 表示切片的变量名,Type 表示切片对应的元素类型。

下面代码展示了切片声明的使用过程:

// 声明字符串切片
var strList []string

// 声明整型切片
var numList []int

// 声明一个空切片
var numListEmpty = []int{}

// 输出3个切片
fmt.Println(strList, numList, numListEmpty)

// 输出3个切片大小
fmt.Println(len(strList), len(numList), len(numListEmpty))

// 切片判定空的结果
fmt.Println(strList == nil)
fmt.Println(numList == nil)
fmt.Println(numListEmpty == nil)

代码输出结果:

5.png

代码说明如下:

  • 第 2 行,声明一个字符串切片,切片中拥有多个字符串。

  • 第 5 行,声明一个整型切片,切片中拥有多个整型数值。

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  • 第 8 行,将 numListEmpty 声明为一个整型切片,本来会在{}中填充切片的初始化元素,这里没有填充,所以切片是空的,但是此时的 numListEmpty 已经被分配了内存,只是还没有元素。

  • 第 11 行,切片均没有任何元素,3 个切片输出元素内容均为空。

  • 第 14 行,没有对切片进行任何操作,strList 和 numList 没有指向任何数组或者其他切片。

  • 第 17 行和第 18 行,声明但未使用的切片的默认值是 nil,strList 和 numList 也是 nil,所以和 nil 比较的结果是 true。

  • 第 19 行,numListEmpty 已经被分配到了内存,但没有元素,因此和 nil 比较时是 false。

切片是动态结构,只能与 nil 判定相等,不能互相判定相等。声明新的切片后,可以使用 append() 函数向切片中添加元素。

使用 make() 函数构造切片

如果需要动态地创建一个切片,可以使用 make() 内建函数,格式如下:

make( []Type, size, cap )

其中 Type 是指切片的元素类型,size 指的是为这个类型分配多少个元素,cap 为预分配的元素数量,这个值设定后不影响 size,只是能提前分配空间,降低多次分配空间造成的性能问题。

示例如下:

a := make([]int, 2)
b := make([]int, 2, 10)

fmt.Println(a, b)
fmt.Println(len(a), len(b))

代码输出如下:

6.png

其中 a 和 b 均是预分配 2 个元素的切片,只是 b 的内部存储空间已经分配了 10 个,但实际使用了 2 个元素。

容量不会影响当前的元素个数,因此 a 和 b 取 len 都是 2。

温馨提示

使用 make() 函数生成的切片一定发生了内存分配操作,但给定开始与结束位置(包括切片复位)的切片只是将新的切片结构指向已经分配好的内存区域,设定开始与结束位置,不会发生内存分配操作。

切片的使用

切片的使用和数组是一模一样的:

func main() {
    slice1 := []int{1,2,3,4}
    fmt.Println(slice1[1])
}

切片创建切片

切片之所以称为切片,是因为它只是对应底层数组的一部分,看如下所示代码:

func main() {
    slice := []int{10, 20, 30, 40, 50}
    newSlice := slice[1:3]
}

为了说明上面的代码,我们看下面的这张图:
picture alt

第一个切片slice 能够看到底层数组全部5 个元素的容量,不过之后的newSlice 就看不到。对于newSlice,底层数组的容量只有4 个元素。newSlice 无法访问到它所指向的底层数组的第一个元素之前的部分。所以,对newSlice 来说,之前的那些元素就是不存在的。

需要记住的是,现在两个切片共享同一个底层数组。如果一个切片修改了该底层数组的共享部分,另一个切片也能感知到,运行下面的代码:

func main() {
    slice := []int{10, 20, 30, 40, 50}
    newSlice := slice[1:3]

    slice[1] = 200
    fmt.Println(newSlice[0])
}

运行结果如下:

200

切片只能访问到其长度内的元素。试图访问超出其长度的元素将会导致语言运行时异常,比如对上面的newSlice,他只能访问索引为1和2的元素(不包括3),比如:

func main() {
    slice := []int{10, 20, 30, 40, 50}
    newSlice := slice[1:3]

    fmt.Println(newSlice[3])
}

运行代码,控制台会报错:

panic: runtime error: index out of range

goroutine 1 [running]:
main.main()
    E:/go-source/go-arr/main.go:20 +0x11

子切片的容量

我们知道切片可以再生出切片,那么子切片的容量为多大呢?我们来测试一下:

func main() {
    slice := make([]int, 2, 10)
    slice1 := slice[1:2]
    fmt.Println(cap(slice1))
}

控制台打印结果为:

9
9

从结果我们可以推测,子切片的容量为底层数组的长度减去切片在底层数组的开始偏移量,比如在上面的例子中,slice1的偏移值为1,底层数组的大小为10,所以两者相减,得到结果9。

向切片中追加元素

go提供了append方法用于向切片中追加元素,如下所示:

func main() {
    slice := make([]int, 2, 10)
    slice1 := slice[1:2]
    slice2 := append(slice1, 1)
    slice2[0] = 10001
    fmt.Println(slice)
    fmt.Println(cap(slice2))
}

输出结果如下:

[0 10001]
9

此时slice,slice1,slice2共享底层数组,所以只要一个切片改变了某一个索引的值,会影响到所有的切片,还有一点值得注意,就是slice2的容量为9,记住这个值。

为了说明问题,我把例子改为如下所示代码:

func main() {
    slice := make([]int, 2, 10)
    slice1 := slice[1:2]
    slice2 := append(slice1, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2 = append(slice2, 1)
    slice2[0] = 10001
    fmt.Println(slice)
    fmt.Println(slice1)
    fmt.Println(cap(slice2))
}

此时我们再次打印结果,神奇的事情出现了:

[0 0]
[0]
18

虽然我们改变0位置的值,但是并没有影响到原来的slice和slice1,这是为啥呢?我们知道原始的slice2对应的底层数组的容量为9,经过我们一系列的append操作,原始的底层数组已经无法容纳更多的元素了,此时Go会分配另外一块内存,把原始切片从位置1开始的内存复制到新的内存地址中,也就是说现在的slice2切片对应的底层数组和slice切片对应的底层数组完全不是在同一个内存地址,所以当你此时更改slice2中的元素时,对slice已经来说,一点儿关系都没有。

另外根据上面的打印结果,你也应该猜到了,当切片容量不足的时候,Go会以原始切片容量的2倍建立新的切片,在我们的例子中2*9=18,就是这么粗暴。

如何创建子切片时指定容量

在前面的例子中,我们创建子切片的时候,没有指定子切片的容量,所以子切片的容量和我们上面讨论的计算子切片的容量方法相等,那么我们如何手动指定子切片的容量呢?

在这里我们借用《Go实战》中的一个例子:

func main() {
    source := []string{"Apple", "Orange", "Plum", "Banana", "Grape"}
    slice := source[2:3:4]
    fmt.Println(cap(slice))
}

如果你仔细看的话,上面的子切片的生成方式和普通的切片有所不同,[]里面有三个部分组成,,第一个值表示新切片开始元素的索引位置,这个例子中是2。第二个值表示开始的索引位置(2)加上希望包括的元素的个数(1),2+1 的结果是3,所以第二个值就是3。为了设置容量,从索引位置2 开始,加上希望容量中包含的元素的个数(2),就得到了第三个值4。所以这个新的切片slice的长度为1,容量为2。还有一点大家一定要记住,你指定的容量不能比原先的容量,这里就是source的容量大,加入我们这样设置的话:

func main() {
    source := []string{"Apple", "Orange", "Plum", "Banana", "Grape"}
    slice := source[2:3:10]
    fmt.Println(cap(slice))
}

运行结果如下,报错了,哈哈:

panic: runtime error: slice bounds out of range [::10] with capacity 5

goroutine 1 [running]:
main.main()
    E:/learn-go/slice/main.go:7 +0x1d

迭代切片

关于如何迭代切片,我们可以使用range配置来使用,如下:

func main() {
    slice:=[]int{1,2,4,6}
    for _, value:=range slice{
        fmt.Println(value)
    }
}

关于迭代切片,大家有一点需要注意,就以上面的例子为例,value只是slice中元素的副本,为啥呢?我们来验证这一点:

func main() {
    slice:=[]int{1,2,4,6}
    for index, value:=range slice{
        fmt.Printf("value[%d],indexAddr:[%X],valueAddr:[%X],sliceAddr:[%X]\n",value,&index,&value,&slice[index])
    }
}

控制台打印结果如下:

value[1],indexAddr:[C00000A0B8],valueAddr:[C00000A0D0],sliceAddr:[C000010380]
value[2],indexAddr:[C00000A0B8],valueAddr:[C00000A0D0],sliceAddr:[C000010388]
value[4],indexAddr:[C00000A0B8],valueAddr:[C00000A0D0],sliceAddr:[C000010390]
value[6],indexAddr:[C00000A0B8],valueAddr:[C00000A0D0],sliceAddr:[C000010398]

从上面的结果可以看到index和value的地址始终是不变的,所以它们始终是同一个变量,只是变量引用地址的内容发生了变化,从而验证迭代的时候,只能是切片元素的副本,最后看看sliceAddr代表的地址相隔8个字节,因为在64位系统上,每一个int类型的大小为8个字节。

函数间传递切片

函数间传递切片,也是以值的方式传递的,但是你还记得这篇博文开头给出的切片的布局么?
picture alt
切片由三个部分组成,包括指向底层数组的指针,当前切片的长度,当前切片的容量,所以切片本身并不大,我们来测试一个切片的大小:

func main() {
    slice:=[]int{1,2,4,6}
    fmt.Println(unsafe.Sizeof(slice))
}

测试结果为:

24

也就是这个slice切片的大小为24字节,所以当切片作为参数传递的时候,几乎没有性能开销,还有很重要的一点,参数生成的副本的地址指针和原始切片的地址指针是一样的,因此,如果你在函数里面修改了切片,那么会影响到原始的切片,我们来验证这点:

func main() {
    slice:=[]int{1,2,4,6}
    handleSlice(slice)
    fmt.Println(slice)
}

打印结果:

[100 2 4 6]

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