切片的容量是怎样增长的

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:

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。

slice = append(slice, elem1, elem2)
slice = append(slice, anotherSlice...)

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。

append(slice, elem1, elem2)
append(slice, anotherSlice...)

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:

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
}
}
}

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:

[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

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 16961.25 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。

// go 1.9.5 src/runtime/slice.go:82
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
// ……
newcap := old.cap
doublecap := newcap + newcap
if cap > doublecap {
newcap = cap
} else {
if old.len < 1024 {
newcap = doublecap
} else {
for newcap < cap {
newcap += newcap / 4
}
}
}
// ……
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
newcap = int(capmem / ptrSize)
}

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

package main
import "fmt"
func main() {
s := []int{5}
s = append(s, 7)
s = append(s, 9)
x := append(s, 11)
y := append(s, 12)
fmt.Println(s, x, y)
}

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:

[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

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))
}

运行结果是:

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:

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:

// go 1.9.5 src/runtime/slice.go:82
func growslice(et *_type, old slice, cap int) slice {
// ……
newcap := old.cap
doublecap := newcap + newcap
if cap > doublecap {
newcap = cap
} else {
// ……
}
// ……
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
newcap = int(capmem / ptrSize)
}

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,lencap 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:

// src/runtime/msize.go:13
func roundupsize(size uintptr) uintptr {
if size < _MaxSmallSize {
if size <= smallSizeMax-8 {
return uintptr(class_to_size[size_to_class8[(size+smallSizeDiv-1)/smallSizeDiv]])
} else {
//……
}
}
//……
}
const _MaxSmallSize = 32768
const smallSizeMax = 1024
const smallSizeDiv = 8

很明显,我们最终将返回这个式子的结果:

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 sliceclass_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

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

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 sliceempty slice,然后摇身一变,成为“真正”的 slice 了。