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Go 语言的slice是如何扩容的?

article 2025/1/19 21:05:03

Go 语言中的 slice 是一种灵活、动态的视图，是对底层数组的抽象。当对 slice 进行追加元素等操作导致其长度超过容量时，就会发生扩容。

一、扩容的基本原理

当 slice 需要扩容时，Go 语言会根据当前的容量来确定新的容量。一般来说，新的容量通常是原容量的 2 倍。例如，如果一个 slice 的容量是 10，那么在扩容后，新的容量会变成 20。这种扩容策略使得 slice 的容量能够快速增长，以满足不断添加元素的需求。

但是，当 slice 的容量超过 1024 时，扩容的策略会有所改变。新的容量会增加原容量的一半。比如，原容量是 2048，扩容后的新容量会是 2048 + 2048 / 2 = 3072。这种策略可以避免在容量很大时，一次性分配过多的内存，从而减少内存浪费。

上面这种扩容机制是一种很常见的说法, 但是有时候, 我们还需要内存对齐, 所以上面这个扩容机制应该变成大于1.25倍和2倍

// 注意返回的是一个新的切片
func growslice(et * _type, old slice, cap int) slice { // ......
    newcap: = old.cap
    doublecap: = newcap + newcap
    if cap > doublecap {
        newcap = cap
    } else {
    	//小于1024
        if old.len < 1024 {
            // 扩容两倍
            newcap = doublecap
        } else {
        	// 如果小于newcap
            for 0 < newcap && newcap < cap {
                newcap += newcap / 4
            }
            if newcap <= 0 {
                newcap = cap
            }
        }
    }
    // 内存对齐
    capmem = roundupsize(capmem)
    newcap = int(capmem / et.size) // ......
}

内存分配和数据复制

在确定了新的容量后，Go 语言会分配一块新的内存空间来存储底层数组。这块新内存的大小是根据新的容量来确定的，其元素类型与原 slice 底层数组的元素类型相同。

然后，会将原底层数组中的数据复制到新的内存空间中。这个复制过程是逐个元素进行的，确保数据的完整性和顺序不变。例如，原 slice 中有 [1, 2, 3, 4] 这些元素，扩容后，这些元素会被复制到新的底层数组中，仍然保持 [1, 2, 3, 4] 的顺序。

最后，slice 的指针会指向新的底层数组，长度和容量等属性也会相应更新。原来的底层数组所占用的内存可能会被垃圾回收机制回收，除非还有其他的变量引用它。

我们会写一个具体的例子来看:

package main

import "fmt"

func main() {
    s: = [] int {
        1, 2
    }
    s = append(s, 4, 5, 6)
    fmt.Printf("len=%d, cap=%d", len(s), cap(s))
}

通过答应上面这个的结果cap 的结果是6, 如果按照原来的说法应该是这样的:

小于1024，添加第一个元素4, cap 扩容两倍, 实际是2*2=4
添加5的时候, 不需要进行扩容,
添加6的时候, 扩容两倍变成8, 但是结果却是6

但是这种计算过程是错误的:

// 其中cap当前是5
growslice(et * _type, old slice, cap int)

cap > doublecap =old.cap * 2 = 4 所以目前的cap 是为5

然后会执行对应的内存对齐函数:

capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * sys.PtrSize) // sys.PtrSize 大小为 8。
class_to_size[size_to_class8[(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv]]

其中smallsizediv 的大小是8, 然后size=40 最终得到的结果是对应的6值

二、扩容的性能影响

时间开销

扩容操作涉及到内存分配和数据复制，这会消耗一定的时间。内存分配的时间开销取决于操作系统和当前的内存状况。在内存充足的情况下，分配内存的速度相对较快。但是，如果系统内存紧张，分配内存可能会需要等待，从而增加时间开销。
数据复制的时间开销与原底层数组的大小成正比。如果原数组很大，复制数据就需要更多的时间。例如，对于一个包含数百万个元素的 slice，扩容时的数据复制操作可能会导致程序在短时间内出现明显的延迟。

空间开销

每次扩容后，都会多出一部分未使用的内存空间。这是为了后续添加元素预留的。虽然这种策略可以减少频繁扩容的次数，但在某些情况下，如果 slice 的最终大小并没有达到预期，就会造成内存浪费。例如，一个 slice 只需要添加 10 个元素，但由于扩容策略，它的容量可能被扩展到 20 或更大，这就多占用了一部分内存。

三、优化扩容的建议

预先分配足够的容量

如果在使用 slice 之前能够预估大致的元素数量，可以在创建 slice 时就预先分配足够的容量。例如，如果知道要存储 1000 个元素，可以使用 make([]int, 0, 1000) 来创建一个长度为 0、容量为 1000 的 slice。这样就可以避免多次扩容，提高程序的性能。

使用 Append 操作的优化形式

当需要向 slice 中添加多个元素时，可以尽量减少对 append 函数的调用次数。例如，如果有多个元素要添加，可以先将它们存储在一个临时的 slice 中，然后一次性使用 append 将临时 slice 添加到目标 slice 中。这样可以减少扩容的次数，因为一次性添加多个元素可能会直接触发一次较大规模的扩容，而不是多次小规模的扩容。

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