Go基础系列(6)：细说slice结构

slice表示切片(分片)，例如对一个数组进行切片，取出数组中的一部分值。在现代编程语言中，slice(切片)几乎成为一种必备特性，它可以从一个数组(列表)中取出任意长度的子数组(列表)，为操作数据结构带来非常大的便利性，如python、perl等都支持对数组的slice操作，甚至perl还支持对hash数据结构的slice。

但go中的slice和这些语言的slice不太一样，前面所说的语言中，slice是一种切片的操作，切片后返回一个新的数据对象。而go中的slice不仅仅是一种切片动作，还是一种数据结构(就像数组一样)。

slice的存储结构

go中的slice依赖于数组，它的底层就是数组，所以数组具有的优点，slice都有。且slice支持可以通过append向slice中追加元素，长度不够时会动态扩展，通过再次slice切片，可以得到得到更小的slice结构，可以迭代、遍历等。

实际上slice是这样的结构：先创建一个有特定长度和数据类型的底层数组，然后从这个底层数组中选取一部分元素，返回这些元素组成的集合(或容器)，并将slice指向集合中的第一个元素。换句话说，slice自身维护了一个指针属性，指向它底层数组中的某些元素的集合。

例如，初始化一个slice数据结构：

my_slice := make([]int, 3，5)

// 输出slice
fmt.println(my_slice)    // 输出：[0 0 0]

这表示先声明一个长度为5、数据类型为int的底层数组，然后从这个底层数组中从前向后取3个元素(即index从0到2)作为slice的结构。

如下图：

每一个slice结构都由3部分组成：容量(capacity)、长度(length)和指向底层数组某元素的指针，它们各占8字节(1个机器字长，64位机器上一个机器字长为64bit，共8字节大小，32位架构则是32bit，占用4字节)，所以任何一个slice都是24字节(3个机器字长)。

• pointer：表示该slice结构从底层数组的哪一个元素开始，该指针指向该元素
  
• capacity：即底层数组的长度，表示这个slice目前最多能扩展到这么长
  
• length：表示slice当前的长度，如果追加元素，长度不够时会扩展，最大扩展到capacity的长度(不完全准确，后面数组自动扩展时解释)，所以length必须不能比capacity更大，否则会报错

对上面创建的slice来说，它的长度为3，容量为5，指针指向底层数组的index=0。

可以通过len()函数获取slice的长度，通过cap()函数获取slice的capacity。

my_slice := make([]int,3,5)

fmt.println(len(my_slice))  // 3
fmt.println(cap(my_slice))  // 5

还可以直接通过print()或println()函数去输出slice，它将得到这个slice结构的属性值，也就是length、capacity和pointer：

my_slice := make([]int,3,5)
println(my_slice)      // [3/5]0xc42003df10

[3/5]表示length和capacity，0xc42003df10表示指向的底层数组元素的指针。

务必记住slice的本质是[x/y]0xaddr，记住它将在很多地方有助于理解slice的特性。另外，个人建议，虽然slice的本质不是指针，但仍然可以将它看作是一种包含了另外两种属性的不纯粹的指针，也就是说，直接认为它是指针。其实不仅slice如此，map也如此。

创建、初始化、访问slice

有几种创建slice数据结构的方式。

一种是使用make()：

// 创建一个length和capacity都等于5的slice
slice := make([]int,5)

// length=3,capacity=5的slice
slice := make([]int,3,5)

make()比new()函数多一些操作，new()函数只会进行内存分配并做默认的赋0初始化，而make()可以先为底层数组分配好内存，然后从这个底层数组中再额外生成一个slice并初始化。另外，make只能构建slice、map和channel这3种结构的数据对象，因为它们都指向底层数据结构，都需要先为底层数据结构分配好内存并初始化。

还可以直接赋值初始化的方式创建slice：

// 创建长度和容量都为4的slice，并初始化赋值
color_slice := []string{"red","blue","black","green"}

// 创建长度和容量为100的slice，并为第100个元素赋值为3
slice := []int{99:3}

注意区分array和slice：

// 创建长度为3的int数组
array := [3]int{10, 20, 30}

// 创建长度和容量都为3的slice
slice := []int{10, 20, 30}

由于slice底层是数组，所以可以使用索引的方式访问slice，或修改slice中元素的值：

// 创建长度为5、容量为5的slice
my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 访问slice的第2个元素
print(my_slice[1])

// 修改slice的第3个元素的值
my_slice[2] = 333

由于slice的底层是数组，所以访问my_slice[1]实际上是在访问它的底层数组的对应元素。slice能被访问的元素只有length范围内的元素，那些在length之外，但在capacity之内的元素暂时还不属于slice，只有在slice被扩展时(见下文append)，capacity中的元素才被纳入length，才能被访问。

nil slice和空slice

当声明一个slice，但不做初始化的时候，这个slice就是一个nil slice。

// 声明一个nil slice
var nil_slice []int

nil slice表示它的指针为nil，也就是这个slice不会指向哪个底层数组。也因此，nil slice的长度和容量都为0。

|--------|---------|----------|
|  nil   |   0     |     0    |
|  ptr   | length  | capacity |
|--------|---------|----------|

还可以创建空slice(empty slice)，空slice表示长度为0，容量为0，但却有指向的slice，只不过指向的底层数组暂时是长度为0的空数组。

// 使用make创建
empty_slice := make([]int,0)

// 直接创建
empty_slice := []int{}

empty slice的结构如下：

|--------|---------|----------|
|  addr  |   0     |     0    |
|  ptr   | length  | capacity |
|--------|---------|----------|

虽然nil slice和empty slice的长度和容量都为0，输出时的结果都是[]，且都不存储任何数据，但它们是不同的。nil slice不会指向底层数组，而空slice会指向底层数组，只不过这个底层数组暂时是空数组。

可以使用println()来输出验证：

package main

func main() {
    var nil_s []int
    empty_s:= []int{}
    println(nil_s)
    println(empty_s)
}

输出结果：

[0/0]0x0
[0/0]0xc042085f50

当然，无论是nil slice还是empty slice，都可以对它们进行操作，如append()函数、len()函数和cap()函数。

对slice进行切片

可以从slice中继续切片生成一个新的slice，这样能实现slice的缩减。

对slice切片的语法为：

slice[a:b]
slice[a:b:c]

其中a表示从slice的第几个元素开始切，b控制切片的长度(b-a)，c控制切片的容量(c-a)，如果没有给定c，则表示切到底层数组的最尾部。

例如：

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 生成新的slice，从第二个元素取，切取的长度为2
new_slice := my_slice[1:3]

注意，截取时"左闭右开"。所以上面new_slice是从my_slice的index=1开始截取，截取到index=3为止，但不包括index=3这个元素。所以，新的slice是由my_slice中的第2个元素、第3个元素组成的新的数据结构，长度为2。

以下是slice切片生成新的slice后的结构：

不难发现，一个底层数组，可以生成无数个slice，且对于new_slice而言，它并不知道底层数组index=0的那个元素。

还可以控制切片时新slice的容量：

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 从第二个元素取，切取的长度为2，容量也为2
new_slice := my_slice[1:3:3]

这时新slice的length等于capacity，底层数组的index=4、5将对new_slice永不可见，即使后面对new_slice进行append()导致底层数组扩容也仍然不可见。具体见下文。

由于多个slice共享同一个底层数组，所以当修改了某个slice中的元素时，其它包含该元素的slice也会随之改变，因为slice只是一个指向底层数组的指针(只不过这个指针不纯粹，多了两个额外的属性length和capacity)，实际上修改的是底层数组的值，而底层数组是被共享的。

当同一个底层数组有很多slice的时候，一切将变得混乱不堪，因为我们不可能记住谁在共享它，通过修改某个slice的元素时，将也会影响那些可能我们不想影响的slice。所以，需要一种特性，保证各个slice的底层数组互不影响，相关内容见下面的"扩容"。

append()函数

可以使用append()函数对slice进行扩展，因为它追加元素到slice中，所以一定会增加slice的长度。

但必须注意，append()的结果必须被使用。所谓被使用，可以将其输出、可以赋值给某个slice。如果将append()放在空上下文将会报错：append()已评估，但未使用。同时这也说明，append()返回一个新的slice，原始的slice会保留不变。

例如：

my_slice := []int{11,22,33,44,55}
new_slice := my_slice[1:3]

// append()追加一个元素2323，返回新的slice
app_slice := append(new_slice,2323)

上面的append()在new_slice的后面增加了一个元素2323，所以app_slice[2]=2323。但因为这些slice共享同一个底层数组，所以2323也会反映到其它slice中。

现在的数据结构图如下：

当然，如果append()的结果重新赋值给new_slice，则new_slice会增加长度。

扩容

当slice的length已经等于capacity的时候，再使用append()给slice追加元素，会自动扩展底层数组的长度。

底层数组扩展时，会生成一个新的底层数组。所以旧底层数组仍然会被旧slice引用，新slice和旧slice不再共享同一个底层数组。

func main() {
    my_slice := []int{11,22,33,44,55}
    new_slice := append(my_slice,66)

    my_slice[3] = 444   // 修改旧的底层数组

    fmt.println(my_slice)   // [11 22 33 444 55]
    fmt.println(new_slice)  // [11 22 33 44 55 66]

    fmt.println(len(my_slice),":",cap(my_slice))     // 5:5
    fmt.println(len(new_slice),":",cap(new_slice))   // 6:10
}

从上面的结果上可以发现，底层数组被扩容为10，且是新的底层数组。

实际上，当底层数组需要扩容时，会按照当前底层数组长度的2倍进行扩容，并生成新数组。如果底层数组的长度超过1000时，将按照25%的比率扩容，也就是1000个元素时，将扩展为1250个，不过这个增长比率的算法可能会随着go版本的递进而改变。

实际上，上面的说法应该改一改：当capacity需要扩容时，会按照当前capacity的2倍对数组进行扩容。或者说，是按照slice的本质[x/y]0xaddr的容量y来判断如何扩容的。之所以要特别强调这两种不同，是因为很容易搞混。

例如，扩容的对象是底层数组的真子集时：

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

// 限定长度和容量，且让长度和容量相等
new_slice := my_slice[1:3:3]   // [22 33]

// 扩容
app_slice := append(new_slice,4444)

上面的new_slice的容量为2，并没有对应到底层数组的最结尾，所以new_slice是my_slice的一个真子集。这时对new_slice扩容，将生成一个新的底层数组，新的底层数组容量为4，而不是10。如下图：

因为创建了新的底层数组，所以修改不同的slice，将不会互相影响。为了保证每次都是修改各自的底层数组，通常会切出仅一个长度、仅一个容量的新slice，这样只要对它进行任何一次扩容，就会生成一个新的底层数组，从而让每个slice的底层数组都独立。

my_slice := []int{11,22,33,44,55}

new_slice := my_slice[2:3:3]
app_slice := append(new_slice,3333)

事实上，这还是会出现共享的几率，因为没有扩容时，那个唯一的元素仍然是共享的，修改它肯定会影响至少1个slice，只有切出长度为0，容量为0的slice，才能完全保证独立性，但这和新创建一个slice没有区别。

合并slice

slice和数组其实一样，都是一种值，可以将一个slice和另一个slice进行slice，生成一个新的slice。

合并slice时，只需将append()的第二个参数后加上...即可，即append(s1,s2...)表示将s2合并在s1的后面，并返回新的slice。

s1 := []int{1,2}
s2 := []int{3,4}

s3 := append(s1,s2...)

fmt.println(s3)  // [1 2 3 4]

注意append()最多允许两个参数，所以一次性只能合并两个slice。但可以取巧，将append()作为另一个append()的参数，从而实现多级合并。例如，下面的合并s1和s2，然后再和s3合并，得到s1+s2+s3合并后的结果。

sn := append(append(s1,s2...),s3...)

slice遍历迭代

slice是一个集合，所以可以进行迭代。

range关键字可以对slice进行迭代，每次返回一个index和对应的元素值。可以将range的迭代结合for循环对slice进行遍历。

package main

func main() {
    s1 := []int{11,22,33,44}
    for index,value := range s1 {
        println("index:",index," , ","value",value)
    }
}

输出结果：

index: 0  ,  value 11
index: 1  ,  value 22
index: 2  ,  value 33
index: 3  ,  value 44

传递slice给函数

前面说过，虽然slice实际上包含了3个属性，它的数据结构类似于[3/5]0xc42003df10，但仍可以将slice看作一种指针。这个特性直接体现在函数参数传值上。

go中函数的参数是按值传递的，所以调用函数时会复制一个参数的副本传递给函数。如果传递给函数的是slice，它将复制该slice副本给函数，这个副本实际上就是[3/5]0xc42003df10，所以传递给函数的副本仍然指向源slice的底层数组。

换句话说，如果函数内部对slice进行了修改，有可能会直接影响函数外部的底层数组，从而影响其它slice。但并不总是如此，例如函数内部对slice进行扩容，扩容时生成了一个新的底层数组，函数后续的代码只对新的底层数组操作，这样就不会影响原始的底层数组。

例如：

package main

import "fmt"

func main() {
    s1 := []int{11, 22, 33, 44}
    foo(s1)
    fmt.println(s1[1])     // 输出：23
}

func foo(s []int) {
    for index, _ := range s {
        s[index] += 1
    }
}

上面将输出23，因为foo()直接操作原始的底层数组，对slice的每个元素都加1。