Go 语言切片是如何扩容的?_golang切片底层原理
在 Go 语言中，有一个很常用的数据结构，那就是切片（Slice）。
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。
切片是一种引用类型，它有三个属性：指针，长度和容量。
底层源码定义如下：
type slice struct {
array unsafe.Pointer
len int
cap int
}
- 指针： 指向 slice 可以访问到的第一个元素。
- 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
切片的使用还是比较简单的，这里举一个例子，直接看代码吧。
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。
扩容时，Go 运行时会分配一个新的底层数组，并将原始切片中的元素复制到新数组中。然后，原始切片将指向新数组，并更新其长度和容量。
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。
接下来看看 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。
当我们添加第 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。
表面现象已经看到了，接下来，我们就深入到源码层面，看看切片的扩容机制到底是什么样的。
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。
切片扩容策略有两个阶段，go1.18 之前和之后是不同的，这一点在 go1.18 的 release notes 中有说明。
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。
然后记录容量的变化，每当容量发生变化的时候，记录下老的容量，添加的元素，以及添加完元素之后的容量。
这样就可以观察，新老 slice 的容量变化情况，从而找出规律。
运行结果（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
扩容调用的是 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。
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。
那是为什么呢？
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
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。
切片扩容分两个阶段，分为 go1.18 之前和之后：
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；
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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/