Go基礎系列:Go切片(分片)slice詳解

2022-04-16 19:00:27

slice表示切片(分片)，例如對一個陣列進行切片，取出陣列中的一部分值。在現代程式語言中，slice(切片)幾乎成為一種必備特性，它可以從一個陣列(列表)中取出任意長度的子陣列(列表)，為運算元據結構帶來非常大的便利性，如python、perl等都支援對陣列的slice操作，甚至perl還支援對hash資料結構的slice。

但Go中的slice和這些語言的slice不太一樣，前面所說的語言中，slice是一種切片的操作，切片後返回一個新的資料物件。而Go中的slice不僅僅是一種切片動作，還是一種資料結構(就像陣列一樣)。

slice的儲存結構

Go中的slice依賴於陣列，它的底層就是陣列，所以陣列具有的優點，slice都有。且slice支援可以通過append向slice中追加元素，長度不夠時會動態擴充套件，通過再次slice切片，可以得到得到更小的slice結構，可以迭代、遍歷等。

實際上slice是這樣的結構：先建立一個有特定長度和資料型別的底層陣列，然後從這個底層陣列中選取一部分元素，返回這些元素組成的集合(或容器)，並將slice指向集合中的第一個元素。換句話說，slice自身維護了一個指標屬性，指向它底層陣列中的某些元素的集合。

例如，初始化一個slice資料結構：

my_slice := make([]int, 3，5)

// 輸出slice
fmt.Println(my_slice)    // 輸出：[0 0 0]

這表示先宣告一個長度為5、資料型別為int的底層陣列，然後從這個底層陣列中從前向後取3個元素(即index從0到2)作為slice的結構。

如下圖：

每一個slice結構都由3部分組成：容量(capacity)、長度(length)和指向底層陣列某元素的指標，它們各佔8位元組(1個機器字長，64位元機器上一個機器字長為64bit，共8位元組大小，32位元架構則是32bit，佔用4位元組)，所以任何一個slice都是24位元組(3個機器字長)。

Pointer：表示該slice結構從底層陣列的哪一個元素開始，該指標指向該元素
Capacity：即底層陣列的長度，表示這個slice目前最多能擴充套件到這麼長
Length：表示slice當前的長度，如果追加元素，長度不夠時會擴充套件，最大擴充套件到Capacity的長度(不完全準確，後面陣列自動擴充套件時解釋)，所以Length必須不能比Capacity更大，否則會報錯

對上面建立的slice來說，它的長度為3，容量為5，指標指向底層陣列的index=0。

可以通過len()函數獲取slice的長度，通過cap()函數獲取slice的Capacity。

my_slice := make([]int,3,5)

fmt.Println(len(my_slice))  // 3
fmt.Println(cap(my_slice))  // 5

還可以直接通過print()或println()函數去輸出slice，它將得到這個slice結構的屬性值，也就是length、capacity和pointer：

my_slice := make([]int,3,5)
println(my_slice)      // [3/5]0xc42003df10

[3/5]表示length和capacity，0xc42003df10表示指向的底層陣列元素的指標。

務必記住slice的本質是[x/y]0xADDR，記住它將在很多地方有助於理解slice的特性。另外，個人建議，雖然slice的本質不是指標，但仍然可以將它看作是一種包含了另外兩種屬性的不純粹的指標，也就是說，直接認為它是指標。其實不僅slice如此，map也如此。

建立、初始化、存取slice

有幾種建立slice資料結構的方式。

一種是使用make()：

// 建立一個length和capacity都等於5的slice
slice := make([]int,5)

// length=3,capacity=5的slice
slice := make([]int,3,5)

make()比new()函數多一些操作，new()函數只會進行記憶體分配並做預設的賦0初始化，而make()可以先為底層陣列分配好記憶體，然後從這個底層陣列中再額外生成一個slice並初始化。另外，make只能構建slice、map和channel這3種結構的資料物件，因為它們都指向底層資料結構，都需要先為底層資料結構分配好記憶體並初始化。

還可以直接賦值初始化的方式建立slice：

// 建立長度和容量都為4的slice，並初始化賦值
color_slice := []string{"red","blue","black","green"}

// 建立長度和容量為100的slice，併為第100個元素賦值為3
slice := []int{99:3}

注意區分array和slice：

// 建立長度為3的int陣列
array := [3]int{10, 20, 30}

// 建立長度和容量都為3的slice
slice := []int{10, 20, 30}

由於slice底層是陣列，所以可以使用索引的方式存取slice，或修改slice中元素的值：

// 建立長度為5、容量為5的slice
my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 存取slice的第2個元素
print(my_slice[1])

// 修改slice的第3個元素的值
my_slice[2] = 333

由於slice的底層是陣列，所以存取my_slice[1]實際上是在存取它的底層陣列的對應元素。slice能被存取的元素只有length範圍內的元素，那些在length之外，但在capacity之內的元素暫時還不屬於slice，只有在slice被擴充套件時(見下文append)，capacity中的元素才被納入length，才能被存取。

nil slice和空slice

當宣告一個slice，但不做初始化的時候，這個slice就是一個nil slice。

// 宣告一個nil slice
var nil_slice []int

nil slice表示它的指標為nil，也就是這個slice不會指向哪個底層陣列。也因此，nil slice的長度和容量都為0。

|--------|---------|----------|
|  nil   |   0     |     0    |
|  ptr   | Length  | Capacity |
|--------|---------|----------|

還可以建立空slice(Empty Slice)，空slice表示長度為0，容量為0，但卻有指向的slice，只不過指向的底層陣列暫時是長度為0的空陣列。

// 使用make建立
empty_slice := make([]int,0)

// 直接建立
empty_slice := []int{}

Empty Slice的結構如下：

|--------|---------|----------|
|  ADDR  |   0     |     0    |
|  ptr   | Length  | Capacity |
|--------|---------|----------|

雖然nil slice和Empty slice的長度和容量都為0，輸出時的結果都是[]，且都不儲存任何資料，但它們是不同的。nil slice不會指向底層陣列，而空slice會指向底層陣列，只不過這個底層陣列暫時是空陣列。

可以使用println()來輸出驗證：

package main

func main() {
    var nil_s []int
    empty_s:= []int{}
    println(nil_s)
    println(empty_s)
}

輸出結果：

[0/0]0x0
[0/0]0xc042085f50

當然，無論是nil slice還是empty slice，都可以對它們進行操作，如append()函數、len()函數和cap()函數。

對slice進行切片

可以從slice中繼續切片生成一個新的slice，這樣能實現slice的縮減。

對slice切片的語法為：

SLICE[A:B]
SLICE[A:B:C]

其中A表示從SLICE的第幾個元素開始切，B控制切片的長度(B-A)，C控制切片的容量(C-A)，如果沒有給定C，則表示切到底層陣列的最尾部。

還有幾種簡化形式：

SLICE[A:]  // 從A切到最尾部
SLICE[:B]  // 從最開頭切到B(不包含B)
SLICE[:]   // 從頭切到尾，等價於複製整個SLICE

例如：

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 生成新的slice，從第二個元素取，切取的長度為2
new_slice := my_slice[1:3]

注意，擷取時"左閉右開"。所以上面new_slice是從my_slice的index=1開始擷取，擷取到index=3為止，但不包括index=3這個元素。所以，新的slice是由my_slice中的第2個元素、第3個元素組成的新的資料結構，長度為2。

以下是slice切片生成新的slice後的結構：

不難發現，一個底層陣列，可以生成無數個slice，且對於new_slice而言，它並不知道底層陣列index=0的那個元素。

還可以控制切片時新slice的容量：

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 從第二個元素取，切取的長度為2，容量也為2
new_slice := my_slice[1:3:3]

這時新slice的length等於capacity，底層陣列的index=4、5將對new_slice永不可見，即使後面對new_slice進行append()導致底層陣列擴容也仍然不可見。具體見下文。

由於多個slice共用同一個底層陣列，所以當修改了某個slice中的元素時，其它包含該元素的slice也會隨之改變，因為slice只是一個指向底層陣列的指標(只不過這個指標不純粹，多了兩個額外的屬性length和capacity)，實際上修改的是底層陣列的值，而底層陣列是被共用的。

當同一個底層陣列有很多slice的時候，一切將變得混亂不堪，因為我們不可能記住誰在共用它，通過修改某個slice的元素時，將也會影響那些可能我們不想影響的slice。所以，需要一種特性，保證各個slice的底層陣列互不影響，相關內容見下面的"擴容"。

copy()函數

可以將一個slice拷貝到另一個slice中。

$ go doc builtin copy
func copy(dst, src []Type) int

這表示將src slice拷貝到dst slice，src比dst長，就截斷，src比dst短，則只拷貝src那部分。

copy的返回值是拷貝成功的元素數量，所以也就是src slice或dst slice中最小的那個長度。

例如：

s1 := []int{11, 22, 33}
s2 := make([]int, 5)
s3 := make([]int,2)

num := copy(s2, s1)
copy(s3,s1)

fmt.Println(num)   // 3
fmt.Println(s2)    // [11,22,33,0,0]
fmt.Println(s3)    // [11,22]

此外，copy還能將字串拷貝到byte slice中，因為字串實際上就是[]byte。

func main() {
	s1 := []byte("Hello")
	num := copy(s1, "World")
	fmt.Println(num)
	fmt.Println(s1)    // 輸出[87 111 114 108 100 32]
	fmt.Println(string(s1))  //輸出"World"
}

append()函數

可以使用append()函數對slice進行擴充套件，因為它追加元素到slice中，所以一定會增加slice的長度。

但必須注意，append()的結果必須被使用。所謂被使用，可以將其輸出、可以賦值給某個slice。如果將append()放在空上下文將會報錯：append()已評估，但未使用。同時這也說明，append()返回一個新的slice，原始的slice會保留不變。

例如：

my_slice := []int{11,22,33,44,55}
new_slice := my_slice[1:3]

// append()追加一個元素2323，返回新的slice
app_slice := append(new_slice,2323)

上面的append()在new_slice的後面增加了一個元素2323，所以app_slice[2]=2323。但因為這些slice共用同一個底層陣列，所以2323也會反映到其它slice中。

現在的資料結構圖如下：

當然，如果append()的結果重新賦值給new_slice，則new_slice會增加長度。

同樣，由於string的本質是[]byte，所以string可以append到byte slice中：

s1 := []byte("Hello")
s2 := append(s1, "World"...)
fmt.Println(string(s2))   // 輸出：HelloWorld

擴容

當slice的length已經等於capacity的時候，再使用append()給slice追加元素，會自動擴充套件底層陣列的長度。

底層陣列擴充套件時，會生成一個新的底層陣列。所以舊底層陣列仍然會被舊slice參照，新slice和舊slice不再共用同一個底層陣列。

func main() {
    my_slice := []int{11,22,33,44,55}
    new_slice := append(my_slice,66)

    my_slice[3] = 444   // 修改舊的底層陣列

    fmt.Println(my_slice)   // [11 22 33 444 55]
    fmt.Println(new_slice)  // [11 22 33 44 55 66]

    fmt.Println(len(my_slice),":",cap(my_slice))     // 5:5
    fmt.Println(len(new_slice),":",cap(new_slice))   // 6:10
}

從上面的結果上可以發現，底層陣列被擴容為10，且是新的底層陣列。

實際上，當底層陣列需要擴容時，會按照當前底層陣列長度的2倍進行擴容，並生成新陣列。如果底層陣列的長度超過1000時，將按照25%的比率擴容，也就是1000個元素時，將擴充套件為1250個，不過這個增長比率的演演算法可能會隨著go版本的遞進而改變。

實際上，上面的說法應該改一改：當capacity需要擴容時，會按照當前capacity的2倍對陣列進行擴容。或者說，是按照slice的本質[x/y]0xADDR的容量y來判斷如何擴容的。之所以要特別強調這兩種不同，是因為很容易搞混。

例如，擴容的物件是底層陣列的真子集時：

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 限定長度和容量，且讓長度和容量相等
new_slice := my_slice[1:3:3]   // [22 33]

// 擴容
app_slice := append(new_slice,4444)

上面的new_slice的容量為2，並沒有對應到底層陣列的最結尾，所以new_slice是my_slice的一個真子集。這時對new_slice擴容，將生成一個新的底層陣列，新的底層陣列容量為4，而不是10。如下圖：

因為建立了新的底層陣列，所以修改不同的slice，將不會互相影響。為了保證每次都是修改各自的底層陣列，通常會切出僅一個長度、僅一個容量的新slice，這樣只要對它進行任何一次擴容，就會生成一個新的底層陣列，從而讓每個slice的底層陣列都獨立。

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

new_slice := my_slice[2:3:3]
app_slice := append(new_slice,3333)

事實上，這還是會出現共用的機率，因為沒有擴容時，那個唯一的元素仍然是共用的，修改它肯定會影響至少1個slice，只有切出長度為0，容量為0的slice，才能完全保證獨立性，但這和新建立一個slice沒有區別。

合併slice

slice和陣列其實一樣，都是一種值，可以將一個slice和另一個slice進行合併，生成一個新的slice。

合併slice時，只需將append()的第二個引數後加上...即可，即append(s1,s2...)表示將s2合併在s1的後面，並返回新的slice。

s1 := []int{1,2}
s2 := []int{3,4}

s3 := append(s1,s2...)

fmt.Println(s3)  // [1 2 3 4]

注意append()最多允許兩個引數，所以一次性只能合併兩個slice。但可以取巧，將append()作為另一個append()的引數，從而實現多級合併。例如，下面的合併s1和s2，然後再和s3合併，得到s1+s2+s3合併後的結果。

sn := append(append(s1,s2...),s3...)

slice遍歷迭代

slice是一個集合，所以可以進行迭代。

range關鍵字可以對slice進行迭代，每次返回一個index和對應的元素值。可以將range的迭代結合for迴圈對slice進行遍歷。

package main

func main() {
    s1 := []int{11,22,33,44}
    for index,value := range s1 {
        println("index:",index," , ","value",value)
    }
}

輸出結果：

index: 0  ,  value 11
index: 1  ,  value 22
index: 2  ,  value 33
index: 3  ,  value 44

傳遞slice給函數

前面說過，雖然slice實際上包含了3個屬性，它的資料結構類似於[3/5]0xc42003df10，但仍可以將slice看作一種指標。這個特性直接體現在函數引數傳值上。

Go中函數的引數是按值傳遞的，所以呼叫函數時會複製一個引數的副本傳遞給函數。如果傳遞給函數的是slice，它將複製該slice副本給函數，這個副本實際上就是[3/5]0xc42003df10，所以傳遞給函數的副本仍然指向源slice的底層陣列。

換句話說，如果函數內部對slice進行了修改，有可能會直接影響函數外部的底層陣列，從而影響其它slice。但並不總是如此，例如函數內部對slice進行擴容，擴容時生成了一個新的底層陣列，函數後續的程式碼只對新的底層陣列操作，這樣就不會影響原始的底層陣列。

例如：

package main

import "fmt"

func main() {
    s1 := []int{11, 22, 33, 44}
    foo(s1)
    fmt.Println(s1[1])     // 輸出：23
}

func foo(s []int) {
    for index, _ := range s {
        s[index] += 1
    }
}

上面將輸出23，因為foo()直接操作原始的底層陣列，對slice的每個元素都加1。