Go切片与技巧（附图解）
你好，我是太白，今天和你聊聊Go语言的切片（Slice）以及它的一些技巧。
如果觉得文章对你有帮助，记得点赞+收藏+关注+转发。谢谢！
1 前言
2 数组
3 切片的创建
4 切片操作
5 切片表达式
1、简单的表达式
2、扩展表达式
6 切片技巧
Cut
Cut（GC）
Delete
Delete（GC）
Delete without preserving order
Delete without preserving order（GC）
Expand
Extend
Filter (in place)
Insert
InsertVector
Push
Pop
Push Front/Unshift
Pop Front/Shift
7 切片额外技巧
Filtering without allocating
Reversing
Shuffling
Batching with minimal allocation
In-place deduplicate (comparable)
Move to front, or prepend if not present, in place if possible.
Sliding Window
总结
1 前言
切片是Go语言中最多被使用的数据结构之一。本文将介绍切片的创建、操作、表达式以及使用的技巧。
2 数组
slice类型是建立在 Go 的数组类型之上的抽象，因此要理解 slice，我们必须首先理解数组。
先看一段代码：
var a [4]int // 数组类型: 定义指定长度和元素类型
a[0] = 1 // 数组a的第一个索引的值设置为1
i := a[0]
fmt.Println(i) // 输出：1， 说明已经设置成功
fmt.Println(a[1]) // 输出：0，说明数组不需要显式初始化，其元素本身为零
fmt.Println(a[4]) // 报错：invalid array index 4 (out of bounds for 4-element array)
（代码来自 Go Slices: usage and internals[1]）
说明：
1、代码中 var a [4]int完成了数组的初始化，表示一个由四个整数组成的数组。2、默认值为0。当我们打印 a[1]的时候输出0。3、设置数组索引的值，可以直接指定下标的索引进行赋值，例子中是 a[0] = 1。3、Go数组的索引和其他语言一样，从0开始，数组的大小是固定的，上面例子中最大是4的的大小，所以下标索引最大是3，所以当我们访问 a[4]会报数组越界的错误。
Go的数组是值类型。不像C语言数组变量是指向第一个元素的指针，所以当我们把数组变量传递或者赋值的时候，其实是做copy的操作。比如下面的例子a赋值给b，修改a中的元素，并没有影响b中的元素：
a := [2]string{"johnny", "太白技术"} // 长度`2`，可以改成`...`，编译器会自动计算数组的长度
b := a
a[0] = "xujiajun"
fmt.Println(a) // 输出：[xujiajun 太白技术]
fmt.Println(b) // 输出：[johnny 太白技术]
为了避免复制，你可以传递一个指向数组的指针，例如：
func double(arr *[3]int) {
for i, num := range *arr {
(*arr)[i] = num * 2
}
}
a := [3]int{1, 2, 3}
double(&a)
fmt.Println(a) // [2 4 6]
（代码参考 Effective Go[2]）
3 切片的创建
由于数组需要固定长度，很多时候不是很灵活，而切片更灵活、更强大。切片包含对底层数组的引用，如果将一个切片分配给另一个切片，则两者都引用同一个数组。
切片底层的数据结构（src/runtime/slice.go）：
type slice struct {
array unsafe.Pointer // 指针指向底层数组
len int // 切片长度
cap int // 底层数组容量
}
切片的类型规范是[]T，其中T是切片元素的类型。与数组类型不同，切片类型没有指定长度。
创建切片有多种方式：变量声明、切片字面量、make创建、new创建、从切片/数组截取。
1、变量声明
var s []byte
这种声明的切片变量，默认值是nil，容量和长度默认都是0。
var x []byte
fmt.Println(cap(x)) // 0
fmt.Println(len(x)) // 0
fmt.Println(x == nil) // true
2、切片字面量
当使用字面量来声明切片时，其语法与使用字面量声明数组非常相似：
a := []string{"johnny", "太白技术"} // 这是切片声明，少了长度的指定
b := [2]string{"johnny", "太白技术"} // 这是数组声明，多了长度的指定
3、make创建：
除了上面创建方式外，使用内置函数make可以指定长度和容量来创建（具体函数：func make([]T, len, cap) []T）
其中 T 代表要创建的切片的元素类型。该make函数采用类型、长度和可选容量。调用时，make分配一个数组并返回一个引用该数组的切片。
首先看下空切片：
y := make([]int, 0)
fmt.Println(cap(y)) // 0
fmt.Println(len(y)) // 0
fmt.Println(y == nil) // false
下面这个例子中创建了长度为5，容量等于5的切片
var s []byte
s = make([]byte, 5, 5) // 指定了长度和容量
fmt.Println(s) // 输出：[0 0 0 0 0]
当容量参数被省略时，它默认为指定的长度：
s := make([]byte, 5)
fmt.Println(s) // 输出也是 [0 0 0 0 0]
内置len和cap函数检查切片的长度和容量：
fmt.Println(len(s)) // 5
fmt.Println(cap(s)) // 5
4、使用new
使用new创建的切片是个nil切片。
n := *new([]int)
fmt.Println(n == nil) // true
5、从切片/数组截取
切片可以基于数组和切片来创建。这边会用到切片表达式，3.3会详细说明。
n := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}
n1 := n[1:] // 从n数组中截取
fmt.Println(n1) // [2 3 4 5]
n2 := n1[1:] // 从n1切片中截取
fmt.Println(n2) // [3 4 5]
切片与原数组或切片是共享底层空间的，接着上面例子，把n2的元素修改之后，会影响原切片和数组：
n2[1] = 6 // 修改n2，会影响原切片和数组
fmt.Println(n1) // [2 3 6 5]
fmt.Println(n2) // [3 6 5]
fmt.Println(n) // [1 2 3 6 5]
4 切片操作
内置函数append()用于向切片中追加元素。
n := make([]int, 0)
n = append(n, 1) // 添加一个元素
n = append(n, 2, 3, 4) // 添加多个元素
n = append(n, []int{5, 6, 7}...) // 添加一个切片
fmt.Println(n) // [1 2 3 4 5 6 7]
当append操作的时候，切片容量如果不够，会触发扩容，接着上面的例子：
fmt.Println(cap(n)) // 容量等于8
n = append(n, []int{8, 9, 10}...)
fmt.Println(cap(n)) // 容量等于16，发生了扩容
当一开始容量是8，后面追加了切片[]int{8, 9, 10}之后，容量变成了16。关于详细的扩容机制，我们后面文章再聊。
5 切片表达式
Go语言提供了两种切片的表达式：
1、简单表达式 2、扩展表达式
1、简单的表达式
简单切片表达式的格式[low:high]。
如下面例子，n为一个切片，当用这个表达式[1:4]表示的是左闭右开[low, high)区间截取一个新的切片（例子中结果是[2 3 4]），切片被截取之后，截取的长度是high-low。
n := []int{1, 2, 3, 4, 5, 6}
fmt.Println(n[1:4]) // [2 3 4]
切片表达式的开始low和结束索引high是可选的；它们分别默认为零和切片的长度：
n := []int{1, 2, 3, 4, 5, 6}
fmt.Println(n[:4]) // [1 2 3 4]，:前面没有值，默认表示0
fmt.Println(n[1:]) // [2 3 4 5 6]，:后面没有值，默认表示切片的长度
边界问题
1、当n为数组或字符串表达式n[low:high]中low和high的取值关系：
0 <= low <=high <= len(n)
2、当n为切片的时候，表达式n[low:high]中high最大值变成了cap(n)，low和high的取值关系：
0 <= low <=high <= cap(n)
不满足以上条件会发送越界panic。
截取字符串
注意截取字符串，产生的也是新的字符串。
s := "hello taibai"
s1 := s[6:]
fmt.Println(s1) // taibai
fmt.Println(reflect.TypeOf(s1)) // string
2、扩展表达式
简单表达式生产的新切片与原数组或切片会共享底层数组，虽然避免了copy，但是会带来一定的风险。下面这个例子当新的n1切片append添加元素的时候，覆盖了原来n的索引位置4的值，导致你的程序可能是非预期的，从而产生不良的后果。
n := []int{1, 2, 3, 4, 5, 6}
n1 := n[1:4]
fmt.Println(n) // [1 2 3 4 5 6]
fmt.Println(n1) // [2 3 4]
n1 = append(n1, 100) // 把n的索引位置4的值从原来的5变成了100
fmt.Println(n) // [1 2 3 4 100 6]
Go 1.2[3]中提供了一种可以限制新切片容量的表达式：
n[low:high:max]
max表示新生成切片的容量，新切片容量等于max-low，表达式中low、high、max关系：
0 <= low <= high <= max <= cap(n)
继续刚才的例子，当计算n[1:4]的容量，用cap得到值等于5，用扩展表达式n[1:4:5]，用cap重新计算得到新的容量值（5-1）等于4：
fmt.Println(cap(n[1:4])) // 5
fmt.Println(cap(n[1:4:5])) // 4
关于容量
n[1:4]的长度是3好理解（4-1），容量为什么是5？
因为切片n[1:4]和切片n是共享底层空间，所以它的容量并不等于他的长度3，根据1等于索引1的位置（等于值2），从值2这个元素开始到末尾元素6，共5个，所以n[1:4]容量是5。
如果append超过切片的长度会重新生产一个全新的切片，不会覆盖原来的：
n2 := n[1:4:5] // 长度等于3，容量等于4
fmt.Printf("%p\n", n2) // 0xc0000ac068
n2 = append(n2, 5)
fmt.Printf("%p\n", n2) // 0xc0000ac068
n2 = append(n2, 6)
fmt.Printf("%p\n", n2) // 地址发生改变，0xc0000b8000
6 切片技巧
Go在Github的官方Wiki上介绍了切片的技巧SliceTricks[4]，另外这个项目Go Slice Tricks Cheat Sheet[5]基于SliceTricks做了一系列的图，比较直观。Go Slice Tricks Cheat Sheet 做的图有些缺失，我也做了补充
说明：官方Wiki最后更新时间是2022.1.22，下文是基于这个版本来描述。
AppendVector
这个是添加一个切片的操作，上面我们在切片操作中已经介绍过。
a = append(a, b...)
Copy
这边给我们展示了三种copy的写法：
b := make([]T, len(a))
copy(b, a)
// 效率一般比上面的写法慢，但是如果有更多，他们效率更好
b = append([]T(nil), a...)
b = append(a[:0:0], a...)
// 这个实现等价于make+copy。
// 但在Go工具链v1.16上实际上会比较慢。
b = append(make([]T, 0, len(a)), a...)
Cut
截掉切片[i,j）之间的元素：
a = append(a[:i], a[j:]...)
Cut（GC）
上面的Cut如果元素是指针的话，会存在内存泄露，所以我们要对删除的元素设置nil，等待GC。
copy(a[i:], a[j:])
for k, n := len(a)-j+i, len(a); k < n; k++ {
a[k] = nil // or the zero value of T
}
a = a[:len(a)-j+i]
Delete
删除索引位置i的元素：
a = append(a[:i], a[i+1:]...)
// or
a = a[:i+copy(a[i:], a[i+1:])]
Delete（GC）
删除索引位置i的元素：
copy(a[i:], a[i+1:])
a[len(a)-1] = nil // or the zero value of T
a = a[:len(a)-1]
Delete without preserving order
删除索引位置i的元素，把最后一位放到索引位置i上，然后把最后一位元素删除。这种方式底层并没有发生复制操作。
a[i] = a[len(a)-1]
a = a[:len(a)-1]
Delete without preserving order（GC）
上面的删除操作，元素是一个指针的类型或结构体指针字段，会存在最后一个元素不能被GC掉，造成泄露，把末尾的元素设置nil，等待GC。
a[i] = a[len(a)-1]
a[len(a)-1] = nil
a = a[:len(a)-1]
Expand
这个本质上是多个append的组合操作。
a = append(a[:i], append(make([]T, j), a[i:]...)...)
Extend
用新列表扩展原来的列表
a = append(a, make([]T, j)...)
Filter (in place)
下面代码演示原地删除Go切片元素：
n := 0
for _, x := range a {
if keep(x) {
a[n] = x
n++
}
}
a = a[:n]
Insert
a = append(a[:i], append([]T{x}, a[i:]...)...)
第二个append会产生新的切片，产生一次copy，可以用以下代码方式，可免去第二次的copy：
s = append(s, 0 /* 先添加一个0值*/)
copy(s[i+1:], s[i:])
s[i] = x
InsertVector
下面代码演示插入向量（封装了动态大小数组的顺序容器）的实现：
a = append(a[:i], append(b, a[i:]...)...)
func Insert(s []int, k int, vs ...int) []int {
if n := len(s) + len(vs); n <= cap(s) {
s2 := s[:n]
copy(s2[k+len(vs):], s[k:])
copy(s2[k:], vs)
return s2
}
s2 := make([]int, len(s) + len(vs))
copy(s2, s[:k])
copy(s2[k:], vs)
copy(s2[k+len(vs):], s[k:])
return s2
}
a = Insert(a, i, b...)
Push
a = append(a, x)
Pop
x, a = a[len(a)-1], a[:len(a)-1]
Push Front/Unshift
a = append([]T{x}, a...)
Pop Front/Shift
x, a = a[0], a[1:]
7 切片额外技巧
Filtering without allocating
下面例子演示数据过滤的时候，b基于原来的a存储空间来操作，并没有重新生成新的存储空间。
b := a[:0]
for _, x := range a {
if f(x) {
b = append(b, x)
}
}
为了让截取之后没有使用的存储被GC掉，需要设置成nil：
for i := len(b); i < len(a); i++ {
a[i] = nil // or the zero value of T
}
Reversing
反转操作演示：
for i := len(a)/2-1; i >= 0; i-- {
opp := len(a)-1-i
a[i], a[opp] = a[opp], a[i]
}
还有一种方法：
for left, right := 0, len(a)-1; left < right; left, right = left+1, right-1 {
a[left], a[right] = a[right], a[left]
}
Shuffling
洗牌算法。算法思想就是从原始数组中随机抽取一个新的数字到新数组中。
for i := len(a) - 1; i > 0; i-- {
j := rand.Intn(i + 1)
a[i], a[j] = a[j], a[i]
}
go1.10之后有内置函数Shuffle[6]
Batching with minimal allocation
做批处理大的切片的时候，这个技巧可以了解下：
actions := []int{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
batchSize := 3
batches := make([][]int, 0, (len(actions) + batchSize - 1) / batchSize)
for batchSize < len(actions) {
actions, batches = actions[batchSize:], append(batches, actions[0:batchSize:batchSize])
}
batches = append(batches, actions)
// 结果：
// [[0 1 2] [3 4 5] [6 7 8] [9]]
In-place deduplicate (comparable)
删除有序数组中的重复项：
import "sort"
in := []int{3,2,1,4,3,2,1,4,1} // any item can be sorted
sort.Ints(in)
j := 0
for i := 1; i < len(in); i++ {
if in[j] == in[i] {
continue
}
j++
// preserve the original data
// in[i], in[j] = in[j], in[i]
// only set what is required
in[j] = in[i]
}
result := in[:j+1]
fmt.Println(result) // [1 2 3 4]
Move to front, or prepend if not present, in place if possible.
下面代码演示移动指定元素到头部：
// moveToFront moves needle to the front of haystack, in place if possible.
func moveToFront(needle string, haystack []string) []string {
if len(haystack) != 0 && haystack[0] == needle {
return haystack
}
prev := needle
for i, elem := range haystack {
switch {
case i == 0:
haystack[0] = needle
prev = elem
case elem == needle:
haystack[i] = prev
return haystack
default:
haystack[i] = prev
prev = elem
}
}
return append(haystack, prev)
}
haystack := []string{"a", "b", "c", "d", "e"} // [a b c d e]
haystack = moveToFront("c", haystack) // [c a b d e]
haystack = moveToFront("f", haystack) // [f c a b d e]
Sliding Window
下面实现根据size的滑动窗口输出：
func slidingWindow(size int, input []int) [][]int {
// returns the input slice as the first element
if len(input) <= size {
return [][]int{input}
}
// allocate slice at the precise size we need
r := make([][]int, 0, len(input)-size+1)
for i, j := 0, size; j <= len(input); i, j = i+1, j+1 {
r = append(r, input[i:j])
}
return r
}
func TestSlidingWindow(t *testing.T) {
result := slidingWindow(2, []int{1, 2, 3, 4, 5})
fmt.Println(result) // [[1 2] [2 3] [3 4] [4 5]]
}
总结
1、Go切片本质上是一个结构体，保存了其长度、底层数组的容量、底层数组的指针。 2、Go切片创建方式比较多样： 变量声明、切片字面量、make创建、new创建、从切片/数组截取。3、Go切片使用 len()计算长度、cap()计算容量、append()来添加元素。4、Go切片相比数组更灵活，有很多技巧，也正因为灵活，容易发生类似内存泄露的问题，需要注意。
参考资料
Go Slices: usage and internals: https://go.dev/blog/slices-intro
[2]Effective Go: https://go.dev/doc/effective_go#arrays
[3]go1.2#three_index: https://tip.golang.org/doc/go1.2#three_index
[4]SliceTricks: https://github.com/golang/go/wiki/SliceTricks
[5]Go Slice Tricks Cheat Sheet: https://ueokande.github.io/go-slice-tricks/
[6]Shuffle: https://pkg.go.dev/math/rand#Shuffle