Go 語言切片是如何擴容的？
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在 Go 語言中，有一個很常用的數據結構，那就是切片（Slice）。
切片是一個擁有相同類型元素的可變長度的序列，它是基于數組類型做的一層封裝。它非常靈活，支持自動擴容。
切片是一種引用類型，它有三個屬性：指針，長度和容量。
底層源碼定義如下：
type slice struct {
array unsafe.Pointer
len int
cap int
}
- 指針： 指向 slice 可以訪問到的第一個元素。
- 長度： slice 中元素個數。
- 容量： slice 起始元素到底層數組最后一個元素間的元素個數。
比如使用 make([]byte, 5) 創建一個切片，它看起來是這樣的：
聲明和初始化
切片的使用還是比較簡單的，這里舉一個例子，直接看代碼吧。
func main() {
var nums []int // 聲明切片
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} // 聲明并初始化
fmt.Println(len(nums1), cap(nums1)) // 4 4
nums2 := make([]int,3,5) // 使用make()函數構造切片
fmt.Println(len(nums2), cap(nums2)) // 3 5
}
擴容時機
當切片的長度超過其容量時，切片會自動擴容。這通常發生在使用 append 函數向切片中添加元素時。
擴容時，Go 運行時會分配一個新的底層數組，并將原始切片中的元素復制到新數組中。然后，原始切片將指向新數組，并更新其長度和容量。
需要注意的是，由于擴容會分配新數組并復制元素，因此可能會影響性能。如果你知道要添加多少元素，可以使用 make 函數預先分配足夠大的切片來避免頻繁擴容。
接下來看看 append 函數，簽名如下：
func Append(slice []int, items ...int) []int
append 函數參數長度可變，可以追加多個值，還可以直接追加一個切片。使用起來比較簡單，分別看兩個例子：
追加多個值：
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("追加多個值后的切片:", s)
}
輸出結果為：
初始切片: [1 2 3]
追加多個值后的切片: [1 2 3 4 5 6]
再來看一下直接追加一個切片：
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("追加另一個切片后的切片:", s1)
}
輸出結果為：
初始切片: [1 2 3]
追加另一個切片后的切片: [1 2 3 4 5 6]
再來看一個發生擴容的例子：
package main
import "fmt"
func main() {
s := make([]int, 0, 3) // 創建一個長度為0，容量為3的切片
fmt.Printf("初始狀態: 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)
}
}
輸出結果為：
初始狀態: 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]
在這個例子中，我們創建了一個長度為 0，容量為 3 的切片。然后，我們使用 append 函數向切片中添加 5 個元素。
當我們添加第 4 個元素時，切片的長度超過了其容量。此時，切片會自動擴容。新的容量是原始容量的兩倍，即 6。
表面現象已經看到了，接下來，我們就深入到源碼層面，看看切片的擴容機制到底是什么樣的。
源碼分析
在 Go 語言的源碼中，切片擴容通常是在進行切片的 append 操作時觸發的。在進行 append 操作時，如果切片容量不足以容納新的元素，就需要對切片進行擴容，此時就會調用 growslice 函數進行擴容。
growslice 函數定義在 Go 語言的 runtime 包中，它的調用是在編譯后的代碼中實現的。具體來說，當執行 append 操作時，編譯器會將其轉換為類似下面的代碼：
slice = append(slice, elem)
在上述代碼中，如果切片容量不足以容納新的元素，則會調用 growslice 函數進行擴容。所以 growslice 函數的調用是由編譯器在生成的機器碼中實現的，而不是在源代碼中顯式調用的。
切片擴容策略有兩個階段，go1.18 之前和之后是不同的，這一點在 go1.18 的 release notes 中有說明。
下面我用 go1.17 和 go1.18 兩個版本來分開說明。先通過一段測試代碼，直觀感受一下兩個版本在擴容上的區別。
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
}
}
}
上述代碼先創建了一個空的 slice，然后在一個循環里不斷往里面 append 新元素。
然后記錄容量的變化，每當容量發生變化的時候，記錄下老的容量，添加的元素，以及添加完元素之后的容量。
這樣就可以觀察，新老 slice 的容量變化情況，從而找出規律。
運行結果（1.17 版本）：
[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
運行結果（1.18 版本）：
[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
根據上面的結果還是能看到區別的，具體擴容策略下面邊看源碼邊說明。
go1.17
擴容調用的是 growslice 函數，我復制了其中計算新容量部分的代碼。
// 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}
}
在分配內存空間之前需要先確定新的切片容量，運行時根據切片的當前容量選擇不同的策略進行擴容：
- 如果期望容量大于當前容量的兩倍就會使用期望容量；
- 如果當前切片的長度小于 1024 就會將容量翻倍；
- 如果當前切片的長度大于等于 1024 就會每次增加 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}
}
和之前版本的區別，主要在擴容閾值，以及這行代碼：newcap += (newcap + 3*threshold) / 4。
在分配內存空間之前需要先確定新的切片容量，運行時根據切片的當前容量選擇不同的策略進行擴容：
- 如果期望容量大于當前容量的兩倍就會使用期望容量；
- 如果當前切片的長度小于閾值（默認 256）就會將容量翻倍；
- 如果當前切片的長度大于等于閾值（默認 256），就會每次增加 25% 的容量，基準是
newcap + 3*threshold，直到新容量大于期望容量；
內存對齊
分析完兩個版本的擴容策略之后，再看前面的那段測試代碼，就會發現擴容之后的容量并不是嚴格按照這個策略的。
那是為什么呢？
實際上，growslice 的后半部分還有更進一步的優化（內存對齊等），靠的是 roundupsize 函數，在計算完 newcap 值之后，還會有一個步驟計算最終的容量：
capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * ptrSize)
newcap = int(capmem / ptrSize)
這個函數的實現就不在這里深入了，先挖一個坑，以后再來補上。
總結
切片擴容通常是在進行切片的 append 操作時觸發的。在進行 append 操作時，如果切片容量不足以容納新的元素，就需要對切片進行擴容，此時就會調用 growslice 函數進行擴容。
切片擴容分兩個階段，分為 go1.18 之前和之后：
一、go1.18 之前：
- 如果期望容量大于當前容量的兩倍就會使用期望容量；
- 如果當前切片的長度小于 1024 就會將容量翻倍；
- 如果當前切片的長度大于 1024 就會每次增加 25% 的容量，直到新容量大于期望容量；
二、go1.18 之后：
- 如果期望容量大于當前容量的兩倍就會使用期望容量；
- 如果當前切片的長度小于閾值（默認 256）就會將容量翻倍；
- 如果當前切片的長度大于等于閾值（默認 256），就會每次增加 25% 的容量，基準是
newcap + 3*threshold，直到新容量大于期望容量；
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參考文章：
- https://go.dev/doc/go1.18
- https://go.dev/blog/slices
- https://go.dev/blog/slices-intro
- https://golang.design/go-questions/slice/grow/
- https://draveness.me/golang/docs/part2-foundation/ch03-datastructure/golang-array-and-slice/
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