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Go 切片：用法和本质

2011/01/05

引言

Go的切片类型为处理同类型数据序列提供一个方便而高效的方式。切片有些类似于其他语言中的数组，但是有一些不同寻常的特性。本文将深入切片的本质，并讲解它的用法。

数组

Go的切片是在数组之上的抽象数据类型，因此在了解切片之前必须要先理解数组。

数组类型定义了长度和元素类型。例如， [4]int 类型表示一个四个整数的数组。数组的长度是固定的，长度是数组类型的一部分（ [4]int 和 [5]int 是完全不同的类型）。数组可以以常规的索引方式访问，表达式 s[n] 访问数组的第 n 个元素。

var a [4]int
a[0] = 1
i := a[0]
// i == 1

数组不需要显式的初始化；数组的零值是可以直接使用的，数组元素会自动初始化为其对应类型的零值：

// a[2] == 0, int 类型的零值

类型 [4]int 对应内存中四个连续的整数：

Go的数组是值语义。一个数组变量表示整个数组，它不是指向第一个元素的指针（不像 C 语言的数组）。当一个数组变量被赋值或者被传递的时候，实际上会复制整个数组。（为了避免复制数组，你可以传递一个指向数组的指针，但是数组指针并不是数组。）可以将数组看作一个特殊的struct，结构的字段名对应数组的索引，同时成员的数目固定。

数组的字面值像这样：

b := [2]string{"Penn", "Teller"}

当然，也可以让编译器统计数组字面值中元素的数目：

b := [...]string{"Penn", "Teller"}

这两种写法， b 都是对应 [2]string 类型。

切片

数组虽然有适用它们的地方，但是数组不够灵活，因此在Go代码中数组使用的并不多。但是，切片则使用得相当广泛。切片基于数组构建，但是提供更强的功能和便利。

切片类型的写法是 []T ， T 是切片元素的类型。和数组不同的是，切片类型并没有给定固定的长度。

切片的字面值和数组字面值很像，不过切片没有指定元素个数：

letters := []string{"a", "b", "c", "d"}

切片可以使用内置函数 make 创建，函数签名为：

func make([]T, len, cap) []T

其中T代表被创建的切片元素的类型。函数 make 接受一个类型、一个长度和一个可选的容量参数。调用 make 时，内部会分配一个数组，然后返回数组对应的切片。

var s []byte
s = make([]byte, 5, 5)
// s == []byte{0, 0, 0, 0, 0}

当容量参数被忽略时，它默认为指定的长度。下面是简洁的写法：

s := make([]byte, 5)

可以使用内置函数 len 和 cap 获取切片的长度和容量信息。

len(s) == 5
cap(s) == 5

接下来的两个小节将讨论长度和容量之间的关系。

切片的零值为 nil 。对于切片的零值， len 和 cap 都将返回0。

切片也可以基于现有的切片或数组生成。切分的范围由两个由冒号分割的索引对应的半开区间指定。例如，表达式 b[1:4] 创建的切片引用数组 b 的第1到3个元素空间（对应切片的索引为0到2）。

b := []byte{'g', 'o', 'l', 'a', 'n', 'g'}
// b[1:4] == []byte{'o', 'l', 'a'}, sharing the same storage as b

切片的开始和结束的索引都是可选的；它们分别默认为零和数组的长度。

// b[:2] == []byte{'g', 'o'}
// b[2:] == []byte{'l', 'a', 'n', 'g'}
// b[:] == b

下面语法也是基于数组创建一个切片：

x := [3]string{"Лайка", "Белка", "Стрелка"}
s := x[:] // a slice referencing the storage of x

切片的内幕

一个切片是一个数组片段的描述。它包含了指向数组的指针，片段的长度，和容量（片段的最大长度）。

前面使用 make([]byte, 5) 创建的切片变量 s 的结构如下：

长度是切片引用的元素数目。容量是底层数组的元素数目（从切片指针开始）。关于长度和容量和区域将在下一个例子说明。

我们继续对 s 进行切片，观察切片的数据结构和它引用的底层数组：

s = s[2:4]

切片操作并不复制切片指向的元素。它创建一个新的切片并复用原来切片的底层数组。这使得切片操作和数组索引一样高效。因此，通过一个新切片修改元素会影响到原始切片的对应元素。

d := []byte{'r', 'o', 'a', 'd'}
e := d[2:]
// e == []byte{'a', 'd'}
e[1] = 'm'
// e == []byte{'a', 'm'}
// d == []byte{'r', 'o', 'a', 'm'}

前面创建的切片 s 长度小于它的容量。我们可以增长切片的长度为它的容量：

s = s[:cap(s)]

切片增长不能超出其容量。增长超出切片容量将会导致运行时异常，就像切片或数组的索引超出范围引起异常一样。同样，不能使用小于零的索引去访问切片之前的元素。

切片的生长（copy and append 函数）

要增加切片的容量必须创建一个新的、更大容量的切片，然后将原有切片的内容复制到新的切片。整个技术是一些支持动态数组语言的常见实现。下面的例子将切片 s 容量翻倍，先创建一个2倍容量的新切片 t ，复制 s 的元素到 t ，然后将 t 赋值给 s ：

t := make([]byte, len(s), (cap(s)+1)*2) // +1 in case cap(s) == 0
for i := range s {
        t[i] = s[i]
}
s = t

循环中复制的操作可以由 copy 内置函数替代。copy 函数将源切片的元素复制到目的切片。它返回复制元素的数目。

func copy(dst, src []T) int

copy 函数支持不同长度的切片之间的复制（它只复制较短切片的长度个元素）。此外， copy 函数可以正确处理源和目的切片有重叠的情况。

使用 copy 函数，我们可以简化上面的代码片段：

t := make([]byte, len(s), (cap(s)+1)*2)
copy(t, s)
s = t

一个常见的操作是将数据追加到切片的尾部。下面的函数将元素追加到切片尾部，必要的话会增加切片的容量，最后返回更新的切片：

func AppendByte(slice []byte, data ...byte) []byte {
    m := len(slice)
    n := m + len(data)
    if n > cap(slice) { // if necessary, reallocate
        // allocate double what's needed, for future growth.
        newSlice := make([]byte, (n+1)*2)
        copy(newSlice, slice)
        slice = newSlice
    }
    slice = slice[0:n]
    copy(slice[m:n], data)
    return slice
}

下面是 AppendByte 的一种用法：

p := []byte{2, 3, 5}
p = AppendByte(p, 7, 11, 13)
// p == []byte{2, 3, 5, 7, 11, 13}

类似 AppendByte 的函数比较实用，因为它提供了切片容量增长的完全控制。根据程序的特点，可能希望分配较小的活较大的块，或则是超过某个大小再分配。

但大多数程序不需要完全的控制，因此Go提供了一个内置函数 append ，用于大多数场合；它的函数签名：

func append(s []T, x ...T) []T

append 函数将 x 追加到切片 s 的末尾，并且在必要的时候增加容量。

a := make([]int, 1)
// a == []int{0}
a = append(a, 1, 2, 3)
// a == []int{0, 1, 2, 3}

如果是要将一个切片追加到另一个切片尾部，需要使用 ... 语法将第2个参数展开为参数列表。

a := []string{"John", "Paul"}
b := []string{"George", "Ringo", "Pete"}
a = append(a, b...) // equivalent to "append(a, b[0], b[1], b[2])"
// a == []string{"John", "Paul", "George", "Ringo", "Pete"}

由于切片的零值 nil 用起来就像一个长度为零的切片，我们可以声明一个切片变量然后在循环中向它追加数据：

// Filter returns a new slice holding only
// the elements of s that satisfy fn()
func Filter(s []int, fn func(int) bool) []int {
    var p []int // == nil
    for _, v := range s {
        if fn(v) {
            p = append(p, v)
        }
    }
    return p
}

可能的“陷阱”

正如前面所说，切片操作并不会复制底层的数组。整个数组将被保存在内存中，直到它不再被引用。有时候可能会因为一个小的内存引用导致保存所有的数据。

例如， FindDigits 函数加载整个文件到内存，然后搜索第一个连续的数字，最后结果以切片方式返回。

var digitRegexp = regexp.MustCompile("[0-9]+")

func FindDigits(filename string) []byte {
    b, _ := ioutil.ReadFile(filename)
    return digitRegexp.Find(b)
}

这段代码的行为和描述类似，返回的 []byte 指向保存整个文件的数组。因为切片引用了原始的数组，导致 GC 不能释放数组的空间；只用到少数几个字节却导致整个文件的内容都一直保存在内存里。

要修复整个问题，可以将感兴趣的数据复制到一个新的切片中：

func CopyDigits(filename string) []byte {
    b, _ := ioutil.ReadFile(filename)
    b = digitRegexp.Find(b)
    c := make([]byte, len(b))
    copy(c, b)
    return c
}

可以使用 append 实现一个更简洁的版本。这留给读者作为练习。

延伸阅读

实效 Go 编程包含了对切片和数组更深入的探讨； Go 编程语言规范对切片类型和数组类型以及与它们相关的辅助函数进行了定义。

Andrew Gerrand 编写

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