Go 语言切片是如何扩容的

原文链接： Go 语言切片是如何扩容的？

切片是一个拥有相同类型元素的可变长度的序列，它是基于数组类型做的一层封装。它非常灵活，支持自动扩容。

指针，长度和容量。

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

指针：

长度： slice 中元素个数。
容量： slice 起始元素到底层数组最后一个元素间的元素个数。

比如使用 make([]byte, 5 创建一个切片，它看起来是这样的：

声明和初始化

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
}

扩容时机

当切片的长度超过其容量时，切片会自动扩容。这通常发生在使用 append 函数向切片中添加元素时。

需要注意的是，由于扩容会分配新数组并复制元素，因此可能会影响性能。如果你知道要添加多少元素，可以使用 make 函数预先分配足够大的切片来避免频繁扩容。

append 函数，签名如下：

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

append 函数参数长度可变，可以追加多个值，还可以直接追加一个切片。使用起来比较简单，分别看两个例子：
追加多个值：
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
}

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

再来看一下直接追加一个切片：
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
}

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

再来看一个发生扩容的例子：
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
    }
}

输出结果为：
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]

在这个例子中，我们创建了一个长度为 0，容量为 3 的切片。然后，我们使用 append 函数向切片中添加 5 个元素。
4 个元素时，切片的长度超过了其容量。此时，切片会自动扩容。新的容量是原始容量的两倍，即 6。
源码分析
在 Go 语言的源码中，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。
growslice 函数定义在 Go 语言的 runtime 包中，它的调用是在编译后的代码中实现的。具体来说，当执行 append 操作时，编译器会将其转换为类似下面的代码：
slice = append(slice, elem

在上述代码中，如果切片容量不足以容纳新的元素，则会调用 growslice 函数进行扩容。所以 growslice 函数的调用是由编译器在生成的机器码中实现的，而不是在源代码中显式调用的。
下面我用 go1.17 和 go1.18 两个版本来分开说明。先通过一段测试代码，直观感受一下两个版本在扩容上的区别。
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
        }
    }
}

上述代码先创建了一个空的 slice，然后在一个循环里不断往里面 append 新元素。
这样就可以观察，新老 slice 的容量变化情况，从而找出规律。
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

运行结果（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

根据上面的结果还是能看到区别的，具体扩容策略下面边看源码边说明。
go1.17
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：
如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
如果当前切片的长度小于 1024 就会将容量翻倍；
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。
如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
如果当前切片的长度小于阈值（默认 256）就会将容量翻倍；
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。
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
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。
一、go1.18 之前：
如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
如果当前切片的长度小于 1024 就会将容量翻倍；
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：
如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
如果当前切片的长度小于阈值（默认 256）就会将容量翻倍；
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；

点赞，转发和关注，感谢支持。

参考文章：
https://go.dev/doc/go1.18
https://go.dev/blog/slices
https://go.dev/blog/slices-intro
https://golang.design/go-questions/slice/grow/
https://draveness.me/golang/docs/part2-foundation/ch03-datastructure/golang-array-and-slice/

推荐阅读：
Go 语言数组和切片的区别
Go 语言 new 和 make 关键字的区别
为什么 Go 不支持 []T 转换为 []interface
为什么 Go 语言 struct 要使用 tags
            声明：本文由用户投稿上传，本站不保证内容的真实与正确性，并且不承担相关法律责任，如有侵权请提供版权资料并联系删除！
            
                编程笔记
                »
                Go 语言切片是如何扩容的
            
            
                
                    赞同 (29)
                
                or
                
                    
                    分享 (0)

Go 语言切片是如何扩容的

声明和初始化

扩容时机

源码分析

go1.17

go1.18

内存对齐

总结

相关文章

Hi，您需要填写昵称和邮箱！