Go 언어 슬라이싱이 어떻게 확장되는지에 대한 간략한 분석

Go 언어 슬라이싱은 어떻게 확장되나요? 다음 글에서는 Go 언어의 슬라이스 확장 메커니즘을 소개하겠습니다. 도움이 되길 바랍니다.

Go 언어에는 매우 일반적으로 사용되는 데이터 구조, 즉 슬라이스가 있습니다.

슬라이스는 동일한 유형의 요소로 구성된 가변 길이 시퀀스입니다. 배열 유형을 기반으로 하는 캡슐화 계층입니다. 매우 유연하며 자동 확장을 지원합니다.

슬라이스(Slice)는 Pointer, Length 및 Capacity라는 세 가지 속성을 갖는 참조 유형입니다.

기본 소스 코드는 다음과 같이 정의됩니다.

type slice struct {
    array unsafe.Pointer
    len   int
    cap   int
}

1. 포인터: 슬라이스가 액세스할 수 있는 첫 번째 요소를 가리킵니다.
2. 길이: 슬라이스의 요소 수입니다.
3. 용량: 슬라이스의 시작 요소와 기본 배열의 마지막 요소 사이의 요소 수입니다.

예를 들어 make([]byte, 5)를 사용하여 다음과 같은 슬라이스를 생성합니다. 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

선언 및 초기화

슬라이싱의 사용법은 비교적 간단합니다. 코드를 직접 살펴보겠습니다.

[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

확장 타이밍

슬라이스 길이가 용량을 초과하면 슬라이스가 자동으로 확장됩니다. 이는 일반적으로 append 함수를 사용하여 슬라이스에 요소를 추가할 때 발생합니다.

확장 시 Go 런타임은 새로운 기본 배열을 할당하고 원본 슬라이스의 요소를 새 배열에 복사합니다. 그러면 원래 슬라이스는 길이와 용량이 업데이트된 새 어레이를 가리키게 됩니다.

확장은 새로운 배열을 할당하고 요소를 복사하므로 성능에 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 합니다

. 추가하려는 요소 수를 알고 있는 경우 make 함수를 사용하여 빈번한 확장을 피할 수 있을 만큼 큰 조각을 미리 할당할 수 있습니다. 🎜🎜append 함수를 살펴보겠습니다. 서명은 다음과 같습니다. 🎜

[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

🎜append 함수 매개변수의 길이는 가변적이며 여러 값이 가능합니다. 추가하거나 슬라이스를 직접 추가할 수 있습니다. 두 가지 예를 각각 살펴보겠습니다. 🎜🎜🎜여러 값 추가: 🎜🎜

// 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}
}

🎜출력 결과는 다음과 같습니다. 🎜

// 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}
}

🎜 직접 살펴보겠습니다. 🎜슬라이스 추가: 🎜🎜

capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
newcap = int(capmem / ptrSize)

🎜출력 결과입니다. is: 🎜rrreee🎜 🎜expansion🎜의 예를 살펴보겠습니다. 🎜rrreee🎜출력 결과는 다음과 같습니다. 🎜rrreee🎜 이 예에서는 길이가 0이고 용량이 3 조각. 그런 다음 append 함수를 사용하여 5 요소를 슬라이스에 추가합니다. 🎜🎜 4 요소를 추가하면 슬라이스 길이가 용량을 초과합니다. 이때 슬라이스가 자동으로 확장됩니다. 새로운 용량은 원래 용량인 6의 두 배입니다. 🎜🎜피상적인 현상을 살펴보았습니다. 다음으로 슬라이싱 확장 메커니즘이 어떤 모습인지 알아보기 위해 소스 코드 수준으로 자세히 살펴보겠습니다. 🎜

🎜소스 코드 분석🎜

🎜Go 언어의 소스 코드에서는 일반적으로 append 작업을 수행할 때 슬라이스 확장이 트리거됩니다. 일부분. append 작업 중에 슬라이스 용량이 새 요소를 수용하기에 충분하지 않으면 슬라이스를 확장해야 합니다. 이때 growslice 함수가 호출되어 확장됩니다. 용량. 🎜🎜growslice 함수는 Go 언어의 런타임 패키지에 정의되어 있으며 해당 호출은 컴파일된 코드에서 구현됩니다. 구체적으로 append 작업이 수행되면 컴파일러는 이를 다음과 유사한 코드로 변환합니다. 🎜rrreee🎜위 코드에서 슬라이스 용량이 새 요소를 수용할 만큼 충분하지 않으면 확장을 위해 growslice 함수가 호출됩니다. 따라서 growslice 함수에 대한 호출은 소스 코드에서 명시적으로 호출되는 것이 아니라 생성된 기계어 코드에서 컴파일러에 의해 구현됩니다. 🎜🎜슬라이스 확장 전략에는 go1.18 이전과 이후가 다른 두 단계가 있습니다. 이에 대해서는 go1.18 릴리스 노트에 설명되어 있습니다. 🎜🎜아래에서는 go1.17과 go1.18 버전을 사용하여 별도로 설명하겠습니다. 먼저, 두 버전 간의 확장 차이를 직관적으로 느껴보기 위해 테스트 코드를 살펴보겠습니다. 🎜rrreee🎜위 코드는 먼저 빈 슬라이스를 만든 다음 루프에서 새 요소를 해당 슬라이스에 추가합니다. 🎜🎜그런 다음 용량이 변경될 때마다 기존 용량과 추가된 요소, 요소를 추가한 후의 용량을 기록합니다. 🎜🎜이런 식으로 기존 슬라이스와 새 슬라이스의 용량 변화를 관찰하고 규칙을 알아낼 수 있습니다. 🎜🎜실행 결과(🎜1.17 버전🎜): 🎜rrreee🎜실행 결과(🎜1.18 버전🎜): 🎜rrreee🎜 위 결과를 토대로 여전히 차이점을 확인할 수 있습니다. 구체적인 확장 전략은 소스를 보면서 설명하겠습니다. 암호. 🎜

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：

1. 如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
2. 如果当前切片的长度小于 1024 就会将容量翻倍；
3. 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：

1. 如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
2. 如果当前切片的长度小于阈值（默认 256）就会将容量翻倍；
3. 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：

1. 如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
2. 如果当前切片的长度小于 1024 就会将容量翻倍；
3. 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：

1. 如果期望容量大于当前容量的两倍就会使用期望容量；
2. 如果当前切片的长度小于阈值（默认 256）就会将容量翻倍；
3. 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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