深入解析 Go 中 Slice 底层实现
切片是 Go 中的一种基本的数据结构，使用这种结构可以用来管理数据集合。切片的设计想法是由动态数组概念而来，为了开发者可以更加方便的使一个数据结构可以自动增加和减少。但是切片本身并不是动态数据或者数组指针。切片常见的操作有 reslice、append、copy。与此同时，切片还具有可索引，可迭代的优秀特性。
一. 切片和数组
关于切片和数组怎么选择？接下来好好讨论讨论这个问题。
在 Go 中，与 C 数组变量隐式作为指针使用不同，Go 数组是值类型，赋值和函数传参操作都会复制整个数组数据, 但slice不会复制值。
func main() {
arrayA := [2]int{100, 200}
var arrayB [2]int
arrayB = arrayA
fmt.Printf("arrayA : %p , %v\n", &arrayA, arrayA)
fmt.Printf("arrayB : %p , %v\n", &arrayB, arrayB)
testArray(arrayA)
}
func testArray(x [2]int) {
fmt.Printf("func Array : %p , %v\n", &x, x)
}
打印结果：
arrayA : 0xc4200bebf0 , [100 200]
arrayB : 0xc4200bec00 , [100 200]
func Array : 0xc4200bec30 , [100 200]
可以看到，三个内存地址都不同，这也就验证了 Go 中数组赋值和函数传参都是值复制的。那这会导致什么问题呢？
假想每次传参都用数组，那么每次数组都要被复制一遍。如果数组大小有 100万，在64位机器上就需要花费大约 800W 字节，即 8MB 内存。这样会消耗掉大量的内存。于是乎有人想到，函数传参用数组的指针。
func main() {
arrayA := []int{100, 200}
testArrayPoint(&arrayA) // 1.传数组指针
arrayB := arrayA[:]
testArrayPoint(&arrayB) // 2.传切片
fmt.Printf("arrayA : %p , %v\n", &arrayA, arrayA)
}
func testArrayPoint(x *[]int) {
fmt.Printf("func Array : %p , %v\n", x, *x)
(*x)[1] += 100
}
打印结果：
func Array : 0xc4200b0140 , [100 200]
func Array : 0xc4200b0180 , [100 300]
arrayA : 0xc4200b0140 , [100 400]
这也就证明了数组指针确实到达了我们想要的效果。现在就算是传入10亿的数组，也只需要再栈上分配一个8个字节的内存给指针就可以了。这样更加高效的利用内存，性能也比之前的好。
不过传指针会有一个弊端，从打印结果可以看到，第一行和第三行指针地址都是同一个，万一原数组的指针指向更改了，那么函数里面的指针指向都会跟着更改。
切片的优势也就表现出来了。用切片传数组参数，既可以达到节约内存的目的，也可以达到合理处理好共享内存的问题。打印结果第二行就是切片，切片的指针和原来数组的指针是不同的。
由此我们可以得出结论：
把第一个大数组传递给函数会消耗很多内存，采用切片(slice)的方式传参可以避免复制值。切片是引用传递，所以它们不需要使用额外的内存并且比使用数组更有效率。
但是，依旧有反例。
package main
import "testing"
func array() [1024]int {
var x [1024]int
for i := 0; i < len(x); i++ {
x[i] = i
}
return x
}
func slice() []int {
x := make([]int, 1024)
for i := 0; i < len(x); i++ {
x[i] = i
}
return x
}
func BenchmarkArray(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
array()
}
}
func BenchmarkSlice(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
slice()
}
}
我们做一次性能测试，并且禁用内联和优化，来观察切片的堆上内存分配的情况。
go test -bench . -benchmem -gcflags "-N -l"
输出结果比较“令人意外”：
BenchmarkArray-4 500000 3637 ns/op 0 B/op 0 alloc s/op
BenchmarkSlice-4 300000 4055 ns/op 8192 B/op 1 alloc s/op
解释一下上述结果，在测试 Array 的时候，用的是4核，循环次数是500000，平均每次执行时间是3637 ns，每次执行堆上分配内存总量是0，分配次数也是0 。
而切片的结果就“差”一点，同样也是用的是4核，循环次数是300000，平均每次执行时间是4055 ns，但是每次执行一次，堆上分配内存总量是8192，分配次数也是1 。
这样对比看来，并非所有时候都适合用切片代替数组，因为切片底层数组可能会在堆上分配内存，而且小数组在栈上拷贝的消耗也未必比 make 消耗大。
二. 切片的数据结构
切片本身并不是动态数组或者数组指针。它内部实现的数据结构通过指针引用底层数组，设定相关属性将数据读写操作限定在指定的区域内。切片本身是一个只读对象，其工作机制类似数组指针的一种封装。
切片（slice）是对数组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，或者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。切片提供了一个与指向数组的动态窗口, 是一个“滑动窗口”。和数组不同的是，切片的长度可以在运行时修改，最小为 0 最大为相关数组的长度：切片是一个长度可变的数组“片段”的引用，数组(array)是固定长度的。
Slice 的数据结构定义如下:
type slice struct {
array unsafe.Pointer
len int
cap int
}
切片的结构体由3部分构成，Pointer 是指向一个数组的指针，len 代表当前切片的长度，cap 是当前切片的容量。cap 总是大于等于 len 的。
如果想从 slice 中得到一块内存地址，可以这样做：
s := make([]byte, 200)
ptr := unsafe.Pointer(&s[0])
如果反过来呢？从 Go 的内存地址中构造一个 slice。
var ptr unsafe.Pointer
var s1 = struct {
addr uintptr
len int
cap int
}{ptr, length, length}
s := *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s1))
构造一个虚拟的结构体，把 slice 的数据结构拼出来。
当然还有更加直接的方法，在 Go 的反射中就存在一个与之对应的数据结构 SliceHeader，我们可以用它来构造一个 slice
var o []byte
sliceHeader := (*reflect.SliceHeader)((unsafe.Pointer(&o)))
sliceHeader.Cap = length
sliceHeader.Len = length
sliceHeader.Data = uintptr(ptr)
三. 创建切片
make 函数允许在运行期动态指定数组长度，绕开了数组类型必须使用编译期常量的限制。
创建切片有两种形式，make 创建切片，空切片。
1. make 和切片字面量
func makeslice(et *_type, len, cap int) slice {
// 根据切片的数据类型，获取切片的最大容量
maxElements := maxSliceCap(et.size)
// 比较切片的长度，长度值域应该在[0,maxElements]之间
if len < 0 || uintptr(len) > maxElements {
panic(errorString("makeslice: len out of range"))
}
// 比较切片的容量，容量值域应该在[len,maxElements]之间
if cap < len || uintptr(cap) > maxElements {
panic(errorString("makeslice: cap out of range"))
}
// 根据切片的容量申请内存
p := mallocgc(et.size*uintptr(cap), et, true)
// 返回申请好内存的切片的首地址
return slice{p, len, cap}
}
还有一个 int64 的版本：
func makeslice64(et *_type, len64, cap64 int64) slice {
len := int(len64)
if int64(len) != len64 {
panic(errorString("makeslice: len out of range"))
}
cap := int(cap64)
if int64(cap) != cap64 {
panic(errorString("makeslice: cap out of range"))
}
return makeslice(et, len, cap)
}
实现原理和上面的是一样的，只不过多了把 int64 转换成 int 这一步罢了。
上图是用 make 函数创建的一个 len = 4， cap = 6 的切片。内存空间申请了6个 int 类型的内存大小。由于 len = 4，所以后面2个暂时访问不到，但是容量还是在的。这时候数组里面每个变量都是0 。
除了 make 函数可以创建切片以外，字面量也可以创建切片。
这里是用字面量创建的一个 len = 6，cap = 6 的切片，这时候数组里面每个元素的值都初始化完成了。需要注意的是 [ ] 里面不要写数组的容量，因为如果写了个数以后就是数组了，而不是切片了。
还有一种简单的字面量创建切片的方法。如上图。上图就 Slice A 创建出了一个 len = 3，cap = 3 的切片。从原数组的第二位元素(0是第一位)开始切，一直切到第四位为止(不包括第五位)。同理，Slice B 创建出了一个 len = 2，cap = 4 的切片。
2. nil 和空切片
nil 切片和空切片也是常用的。
var slice []int
nil 切片被用在很多标准库和内置函数中，描述一个不存在的切片的时候，就需要用到 nil 切片。比如函数在发生异常的时候，返回的切片就是 nil 切片。nil 切片的指针指向 nil。
空切片一般会用来表示一个空的集合。比如数据库查询，一条结果也没有查到，那么就可以返回一个空切片。
silce := make( []int , 0 )
slice := []int{ }
空切片和 nil 切片的区别在于，空切片指向的地址不是nil，指向的是一个内存地址，但是它没有分配任何内存空间，即底层元素包含0个元素。
最后需要说明的一点是。不管是使用 nil 切片还是空切片，对其调用内置函数 append，len 和 cap 的效果都是一样的。
四. 切片扩容
当一个切片的容量满了，就需要扩容了。怎么扩，策略是什么？
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
if raceenabled {
callerpc := getcallerpc(unsafe.Pointer(&et))
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 {
// 如果新要扩容的容量比原来的容量还要小，这代表要缩容了，那么可以直接报panic了。
if cap < old.cap {
panic(errorString("growslice: cap out of range"))
}
// 如果当前切片的大小为0，还调用了扩容方法，那么就新生成一个新的容量的切片返回。
return slice{unsafe.Pointer(&zerobase), old.len, cap}
}
// 这里就是扩容的策略
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
}
}
}
// 计算新的切片的容量，长度。
var lenmem, newlenmem, capmem uintptr
const ptrSize = unsafe.Sizeof((*byte)(nil))
switch et.size {
case 1:
lenmem = uintptr(old.len)
newlenmem = uintptr(cap)
capmem = roundupsize(uintptr(newcap))
newcap = int(capmem)
case ptrSize:
lenmem = uintptr(old.len) * ptrSize
newlenmem = uintptr(cap) * ptrSize
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
newcap = int(capmem / ptrSize)
default:
lenmem = uintptr(old.len) * et.size
newlenmem = uintptr(cap) * et.size
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * et