golang2021数据格式(30)切片容量是怎样增长
一般都是在向 slice 追加了元素之后,才会引起扩容。追加元素调用的是 append 函数。
先来看看 append 函数的原型:
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func append(slice []Type, elems ...Type) []Type |
append 函数的参数长度可变,因此可以追加多个值到 slice 中,还可以用 ... 传入 slice,直接追加一个切片。
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slice = append(slice, elem1, elem2) |
append函数返回值是一个新的slice,Go编译器不允许调用了 append 函数后不使用返回值。
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append(slice, elem1, elem2) |
所以上面的用法是错的,不能编译通过。
使用 append 可以向 slice 追加元素,实际上是往底层数组添加元素。但是底层数组的长度是固定的,如果索引 len-1 所指向的元素已经是底层数组的最后一个元素,就没法再添加了。
这时,slice 会迁移到新的内存位置,新底层数组的长度也会增加,这样就可以放置新增的元素。同时,为了应对未来可能再次发生的 append 操作,新的底层数组的长度,也就是新 slice 的容量是留了一定的 buffer 的。否则,每次添加元素的时候,都会发生迁移,成本太高。
新 slice 预留的 buffer 大小是有一定规律的。网上大多数的文章都是这样描述的:
当原 slice 容量小于 1024 的时候,新 slice 容量变成原来的 2 倍;原 slice 容量超过 1024,新 slice 容量变成原来的1.25倍。
我在这里先说结论:以上描述是错误的。
为了说明上面的规律是错误的,我写了一小段玩具代码:
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package main import 'fmt' func main() { oldCap := cap(s) for i := 0; i < 2048; i++ { newCap := cap(s) if newCap != oldCap { |
我先创建了一个空的 slice,然后,在一个循环里不断往里面 append 新的元素。然后记录容量的变化,并且每当容量发生变化的时候,记录下老的容量,以及添加完元素之后的容量,同时记下此时 slice 里的元素。这样,我就可以观察,新老 slice 的容量变化情况,从而找出规律。
运行结果:
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[0 -> -1] cap = 0 | after append 0 cap = 1 |
在老 slice 容量小于1024的时候,新 slice 的容量的确是老 slice 的2倍。目前还算正确。
但是,当老 slice 容量大于等于 1024 的时候,情况就有变化了。当向 slice 中添加元素 1280 的时候,老 slice 的容量为 1280,之后变成了 1696,两者并不是 1.25 倍的关系(1696/1280=1.325)。添加完 1696 后,新的容量 2304 当然也不是 1696 的 1.25 倍。
可见,现在网上各种文章中的扩容策略并不正确。我们直接搬出源码:源码面前,了无秘密。
从前面汇编代码我们也看到了,向 slice 追加元素的时候,若容量不够,会调用 growslice 函数,所以我们直接看它的代码。
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// go 1.9.5 src/runtime/slice.go:82 |
看到了吗?如果只看前半部分,现在网上各种文章里说的 newcap 的规律是对的。现实是,后半部分还对 newcap 作了一个内存对齐,这个和内存分配策略相关。进行内存对齐之后,新 slice 的容量是要 大于等于 老 slice 容量的 2倍或者1.25倍。
之后,向 Go 内存管理器申请内存,将老 slice 中的数据复制过去,并且将 append 的元素添加到新的底层数组中。
最后,向 growslice 函数调用者返回一个新的 slice,这个 slice 的长度并没有变化,而容量却增大了。
【引申1】
来看一个例子,来源于这里
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package main import 'fmt' func main() { |
代码 |
切片对应状态 |
s := []int{5} |
s 只有一个元素,[5] |
s = append(s, 7) |
s 扩容,容量变为2,[5, 7] |
s = append(s, 9) |
s 扩容,容量变为4,[5, 7, 9]。注意,这时 s 长度是3,只有3个元素 |
x := append(s, 11) |
由于 s 的底层数组仍然有空间,因此并不会扩容。这样,底层数组就变成了 [5, 7, 9, 11]。注意,此时 s = [5, 7, 9],容量为4;x = [5, 7, 9, 11],容量为4。这里 s 不变 |
y := append(s, 12) |
这里还是在 s 元素的尾部追加元素,由于 s 的长度为3,容量为4,所以直接在底层数组索引为3的地方填上12。结果:s = [5, 7, 9],y = [5, 7, 9, 12],x = [5, 7, 9, 12],x,y 的长度均为4,容量也均为4 |
所以最后程序的执行结果是:
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[5 7 9] [5 7 9 12] [5 7 9 12] |
这里要注意的是,append函数执行完后,返回的是一个全新的 slice,并且对传入的 slice 并不影响。
【引申2】
关于 append,我们最后来看一个例子,来源于 Golang Slice的扩容规则。
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package main import 'fmt' func main() { |
运行结果是:
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len=5, cap=6 |
如果按网上各种文章中总结的那样:小于原 slice 长度小于 1024 的时候,容量每次增加 1 倍。添加元素 4 的时候,容量变为4;添加元素 5 的时候不变;添加元素 6 的时候容量增加 1 倍,变成 8。
那上面代码的运行结果就是:
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len=5, cap=8 |
这是错误的!我们来仔细看看,为什么会这样,再次搬出代码:
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// go 1.9.5 src/runtime/slice.go:82 |
这个函数的参数依次是 元素的类型,老的 slice,新 slice 最小求的容量。
例子中 s 原来只有 2 个元素,len 和 cap 都为 2,append 了三个元素后,长度变为 5,容量最小要变成 5,即调用 growslice 函数时,传入的第三个参数应该为 5。即 cap=5。而一方面,doublecap 是原 slice容量的 2 倍,等于 4。满足第一个 if 条件,所以 newcap 变成了 5。
接着调用了 roundupsize 函数,传入 40。(代码中ptrSize是指一个指针的大小,在64位机上是8)
我们再看内存对齐,搬出 roundupsize 函数的代码:
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// src/runtime/msize.go:13 const _MaxSmallSize = 32768 |
很明显,我们最终将返回这个式子的结果:
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class_to_size[size_to_class8[(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv]] |
这是 Go 源码中有关内存分配的两个 slice。class_to_size通过 spanClass获取 span划分的 object大小。而 size_to_class8 表示通过 size 获取它的 spanClass。
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var size_to_class8 = [smallSizeMax/smallSizeDiv + 1]uint8{0, 1, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 5, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 9, 9, 10, 10, 11, 11, 12, 12, 13, 13, 14, 14, 15, 15, 16, 16, 17, 17, 18, 18, 18, 18, 19, 19, 19, 19, 20, 20, 20, 20, 21, 21, 21, 21, 22, 22, 22, 22, 23, 23, 23, 23, 24, 24, 24, 24, 25, 25, 25, 25, 26, 26, 26, 26, 26, 26, 26, 26, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 27, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 29, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 30, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31} var class_to_size = [_NumSizeClasses]uint16{0, 8, 16, 32, 48, 64, 80, 96, 112, 128, 144, 160, 176, 192, 208, 224, 240, 256, 288, 320, 352, 384, 416, 448, 480, 512, 576, 640, 704, 768, 896, 1024, 1152, 1280, 1408, 1536, 1792, 2048, 2304, 2688, 3072, 3200, 3456, 4096, 4864, 5376, 6144, 6528, 6784, 6912, 8192, 9472, 9728, 10240, 10880, 12288, 13568, 14336, 16384, 18432, 19072, 20480, 21760, 24576, 27264, 28672, 32768} |
我们传进去的 size 等于 40。所以 (size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv = 5;获取 size_to_class8 数组中索引为 5 的元素为 4;获取 class_to_size 中索引为 4 的元素为 48。
最终,新的 slice 的容量为 6:
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newcap = int(capmem / ptrSize) // 6 |
至于,上面的两个魔法数组的由来,就不展开了。
【引申2】 向一个nil的slice添加元素会发生什么?为什么?
其实 nil slice 或者 empty slice 都是可以通过调用 append 函数来获得底层数组的扩容。最终都是调用 mallocgc 来向 Go 的内存管理器申请到一块内存,然后再赋给原来的nil slice 或 empty slice,然后摇身一变,成为“真正”的 slice 了。