1.3 数组、字符串和切片
在主流的编程语言中数组及其相关的数据结构是使用得最为频繁的，只有在它(们)不能满足时才会考虑链表、hash 表（hash 表可以看作是数组和链表的混合体）和更复杂的自定义数据结构。
Go 语言中数组、字符串和切片三者是密切相关的数据结构。这三种数据类型，在底层原始数据有着相同的内存结构，在上层，因为语法的限制而有着不同的行为表现。首先，Go 语言的数组是一种值类型，虽然数组的元素可以被修改，但是数组本身的赋值和函数传参都是以整体复制的方式处理的。Go 语言字符串底层数据也是对应的字节数组，但是字符串的只读属性禁止了在程序中对底层字节数组的元素的修改。字符串赋值只是复制了数据地址和对应的长度，而不会导致底层数据的复制。切片的行为更为灵活，切片的结构和字符串结构类似，但是解除了只读限制。切片的底层数据虽然也是对应数据类型的数组，但是每个切片还有独立的长度和容量信息，切片赋值和函数传参数时也是将切片头信息部分按传值方式处理。因为切片头含有底层数据的指针，所以它的赋值也不会导致底层数据的复制。其实 Go 语言的赋值和函数传参规则很简单，除了闭包函数以引用的方式对外部变量访问之外，其它赋值和函数传参数都是以传值的方式处理。要理解数组、字符串和切片三种不同的处理方式的原因需要详细了解它们的底层数据结构。
1.3.1 数组
数组是一个由固定长度的特定类型元素组成的序列，一个数组可以由零个或多个元素组成。数组的长度是数组类型的组成部分。因为数组的长度是数组类型的一个部分，不同长度或不同类型的数据组成的数组都是不同的类型，因此在 Go 语言中很少直接使用数组（不同长度的数组因为类型不同无法直接赋值）。和数组对应的类型是切片，切片是可以动态增长和收缩的序列，切片的功能也更加灵活，但是要理解切片的工作原理还是要先理解数组。
我们先看看数组有哪些定义方式:
var a [3]int // 定义长度为 3 的 int 型数组, 元素全部为 0
var b = [...]int{1, 2, 3} // 定义长度为 3 的 int 型数组, 元素为 1, 2, 3
var c = [...]int{2: 3, 1: 2} // 定义长度为 3 的 int 型数组, 元素为 0, 2, 3
var d = [...]int{1, 2, 4: 5, 6} // 定义长度为 6 的 int 型数组, 元素为 1, 2, 0, 0, 5, 6
第一种方式是定义一个数组变量的最基本的方式，数组的长度明确指定，数组中的每个元素都以零值初始化。
第二种方式定义数组，可以在定义的时候顺序指定全部元素的初始化值，数组的长度根据初始化元素的数目自动计算。
map[int]Type第四种方式是混合了第二种和第三种的初始化方式，前面两个元素采用顺序初始化，第三第四个元素零值初始化，第五个元素通过索引初始化，最后一个元素跟在前面的第五个元素之后采用顺序初始化。
[4]int{2,3,5,7}
图 1-7 数组布局
Go 语言中数组是值语义。一个数组变量即表示整个数组，它并不是隐式的指向第一个元素的指针（比如 C 语言的数组），而是一个完整的值。当一个数组变量被赋值或者被传递的时候，实际上会复制整个数组。如果数组较大的话，数组的赋值也会有较大的开销。为了避免复制数组带来的开销，可以传递一个指向数组的指针，但是数组指针并不是数组。
var a = [...]int{1, 2, 3} // a 是一个数组
var b = &a // b 是指向数组的指针
fmt.Println(a[0], a[1]) // 打印数组的前 2 个元素
fmt.Println(b[0], b[1]) // 通过数组指针访问数组元素的方式和数组类似
for i, v := range b { // 通过数组指针迭代数组的元素
fmt.Println(i, v)
}
babafor rangelencaplencapfor for i := range a {
fmt.Printf("a[%d]: %d\n", i, a[i])
}
for i, v := range b {
fmt.Printf("b[%d]: %d\n", i, v)
}
for i := 0; i < len(c); i++ {
fmt.Printf("c[%d]: %d\n", i, c[i])
}
for rangefor range var times [5][0]int
for range times {
fmt.Println("hello")
}
times[5][0]int[0]intfor rangetimes数组不仅仅可以用于数值类型，还可以定义字符串数组、结构体数组、函数数组、接口数组、管道数组等等：
// 字符串数组
var s1 = [2]string{"hello", "world"}
var s2 = [...]string{"你好", "世界"}
var s3 = [...]string{1: "世界", 0: "你好", }
// 结构体数组
var line1 [2]image.Point
var line2 = [...]image.Point{image.Point{X: 0, Y: 0}, image.Point{X: 1, Y: 1}}
var line3 = [...]image.Point{{0, 0}, {1, 1}}
// 图像解码器数组
var decoder1 [2]func(io.Reader) (image.Image, error)
var decoder2 = [...]func(io.Reader) (image.Image, error){
png.Decode,
jpeg.Decode,
}
// 接口数组
var unknown1 [2]interface{}
var unknown2 = [...]interface{}{123, "你好"}
// 管道数组
var chanList = [2]chan int{}
我们还可以定义一个空的数组：
var d [0]int // 定义一个长度为 0 的数组
var e = [0]int{} // 定义一个长度为 0 的数组
var f = [...]int{} // 定义一个长度为 0 的数组
长度为 0 的数组在内存中并不占用空间。空数组虽然很少直接使用，但是可以用于强调某种特有类型的操作时避免分配额外的内存空间，比如用于管道的同步操作：
c1 := make(chan [0]int)
go func() {
fmt.Println("c1")
c1 <- [0]int{}
}()
<-c1
在这里，我们并不关心管道中传输数据的真实类型，其中管道接收和发送操作只是用于消息的同步。对于这种场景，我们用空数组来作为管道类型可以减少管道元素赋值时的开销。当然一般更倾向于用无类型的匿名结构体代替：
c2 := make(chan struct{})
go func() {
fmt.Println("c2")
c2 <- struct{}{} // struct{} 部分是类型, {} 表示对应的结构体值
}()
<-c2
fmt.Printf%T%#v fmt.Printf("b: %T\n", b) // b: [3]int
fmt.Printf("b: %#v\n", b) // b: [3]int{1, 2, 3}
在 Go 语言中，数组类型是切片和字符串等结构的基础。以上数组的很多操作都可以直接用于字符串或切片中。
1.3.2 字符串
for rangereflect.StringHeadertype StringHeader struct {
Data uintptr
Len int
}
reflect.StringHeader[2]string[2]reflect.StringHeader我们可以看看字符串“Hello, world”本身对应的内存结构：
图 1-8 字符串布局
分析可以发现，“Hello, world”字符串底层数据和以下数组是完全一致的：
var data = [...]byte{
'h', 'e', 'l', 'l', 'o', ',', ' ', 'w', 'o', 'r', 'l', 'd',
}
字符串虽然不是切片，但是支持切片操作，不同位置的切片底层也访问的同一块内存数据（因为字符串是只读的，相同的字符串面值常量通常是对应同一个字符串常量）：
s := "hello, world"
hello := s[:5]
world := s[7:]
s1 := "hello, world"[:5]
s2 := "hello, world"[7:]
lenreflect.StringHeaderfmt.Println("len(s):", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s)).Len) // 12
fmt.Println("len(s1):", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s1)).Len) // 5
fmt.Println("len(s2):", (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&s2)).Len) // 5
printfmt.Printfor range下面的“Hello, 世界”字符串中包含了中文字符，可以通过打印转型为字节类型来查看字符底层对应的数据：
fmt.Printf("%#v\n", []byte("Hello, 世界"))
输出的结果是：
[]byte{0x48, 0x65, 0x6c, 0x6c, 0x6f, 0x2c, 0x20, 0xe4, 0xb8, 0x96, 0xe7, \
0x95, 0x8c}
0xe4, 0xb8, 0x960xe7, 0x95, 0x8cfmt.Println("\xe4\xb8\x96") // 打印: 世
fmt.Println("\xe7\x95\x8c") // 打印: 界
下图展示了“Hello, 世界”字符串的内存结构布局:
图 1-9 字符串布局
Go 语言的字符串中可以存放任意的二进制字节序列，而且即使是 UTF8 字符序列也可能会遇到坏的编码。如果遇到一个错误的 UTF8 编码输入，将生成一个特别的 Unicode 字符‘\uFFFD’，这个字符在不同的软件中的显示效果可能不太一样，在印刷中这个符号通常是一个黑色六角形或钻石形状，里面包含一个白色的问号‘�’。
下面的字符串中，我们故意损坏了第一字符的第二和第三字节，因此第一字符将会打印为“�”，第二和第三字节则被忽略，后面的“abc”依然可以正常解码打印（错误编码不会向后扩散是 UTF8 编码的优秀特性之一）。
fmt.Println("\xe4\x00\x00\xe7\x95\x8cabc") // �界abc
for rangefor i, c := range "\xe4\x00\x00\xe7\x95\x8cabc" {
fmt.Println(i, c)
}
// 0 65533 // \uFFFD, 对应 �
// 1 0 // 空字符
// 2 0 // 空字符
// 3 30028 // 界
// 6 97 // a
// 7 98 // b
// 8 99 // c
[]bytefor i, c := range []byte("世界abc") {
fmt.Println(i, c)
}
或者是采用传统的下标方式遍历字符串的字节数组：
const s = "\xe4\x00\x00\xe7\x95\x8cabc"
for i := 0; i < len(s); i++ {
fmt.Printf("%d %x\n", i, s[i])
}
for range[]runefmt.Printf("%#v\n", []rune("世界")) // []int32{19990, 30028}
fmt.Printf("%#v\n", string([]rune{'世', '界'})) // 世界
[]rune[]int32runeint32rune[]byte[]runeO(n)[]rune[]byte[]int32下面分别用伪代码简单模拟 Go 语言对字符串内置的一些操作，这样对每个操作的处理的时间复杂度和空间复杂度都会有较明确的认识。
for rangefunc forOnString(s string, forBody func(i int, r rune)) {
for i := 0; len(s) > 0; {
r, size := utf8.DecodeRuneInString(s)
forBody(i, r)
s = s[size:]
i += size
}
}
for rangefor[]byte(s)func str2bytes(s string) []byte {
p := make([]byte, len(s))
for i := 0; i < len(s); i++ {
c := s[i]
p[i] = c
}
return p
}
[]bytestring(bytes)func bytes2str(s []byte) (p string) {
data := make([]byte, len(s))
for i, c := range s {
data[i] = c
}
hdr := (*reflect.StringHeader)(unsafe.Pointer(&p))
hdr.Data = uintptr(unsafe.Pointer(&data[0]))
hdr.Len = len(s)
return p
}
unsafe[]byte[]byte[]rune(s)func str2runes(s string) []rune{
var p []int32
for len(s)>0 {
r,size:=utf8.DecodeRuneInString(s)
p=append(p,int32(r))
s=s[size:]
}
return []rune(p)
}
[]rune[]runestring(runes)func runes2string(s []int32) string {
var p []byte
buf := make([]byte, 3)
for _, r := range s {
n := utf8.EncodeRune(buf, r)
p = append(p, buf[:n]...)
}
return string(p)
}
[]rune1.3.3 切片(slice)
简单地说，切片就是一种简化版的动态数组。因为动态数组的长度是不固定，切片的长度自然也就不能是类型的组成部分了。数组虽然有适用它们的地方，但是数组的类型和操作都不够灵活，因此在 Go 代码中数组使用的并不多。而切片则使用得相当广泛，理解切片的原理和用法是一个 Go 程序员的必备技能。
reflect.SliceHeadertype SliceHeader struct {
Data uintptr
Len int
Cap int
}
Capx := []int{2,3,5,7,11}y := x[1:3]
图 1-10 切片布局
让我们看看切片有哪些定义方式：
var (
a []int // nil 切片, 和 nil 相等, 一般用来表示一个不存在的切片
b = []int{} // 空切片, 和 nil 不相等, 一般用来表示一个空的集合
c = []int{1, 2, 3} // 有 3 个元素的切片, len 和 cap 都为 3
d = c[:2] // 有 2 个元素的切片, len 为 2, cap 为 3
e = c[0:2:cap(c)] // 有 2 个元素的切片, len 为 2, cap 为 3
f = c[:0] // 有 0 个元素的切片, len 为 0, cap 为 3
g = make([]int, 3) // 有 3 个元素的切片, len 和 cap 都为 3
h = make([]int, 2, 3) // 有 2 个元素的切片, len 为 2, cap 为 3
i = make([]int, 0, 3) // 有 0 个元素的切片, len 为 0, cap 为 3
)
lencapreflect.SliceHeadernilnilreflect.SliceHeaderunsafe遍历切片的方式和遍历数组的方式类似：
for i := range a {
fmt.Printf("a[%d]: %d\n", i, a[i])
}
for i, v := range b {
fmt.Printf("b[%d]: %d\n", i, v)
}
for i := 0; i < len(c); i++ {
fmt.Printf("c[%d]: %d\n", i, c[i])
}
reflect.SliceHeader如前所说，切片是一种简化版的动态数组，这是切片类型的灵魂。除了构造切片和遍历切片之外，添加切片元素、删除切片元素都是切片处理中经常遇到的问题。
添加切片元素
appendNvar a []int
a = append(a, 1) // 追加 1 个元素
a = append(a, 1, 2, 3) // 追加多个元素, 手写解包方式
a = append(a, []int{1,2,3}...) // 追加 1 个切片, 切片需要解包
appendappend除了在切片的尾部追加，我们还可以在切片的开头添加元素：
var a = []int{1,2,3}
a = append([]int{0}, a...) // 在开头添加 1 个元素
a = append([]int{-3,-2,-1}, a...) // 在开头添加 1 个切片
在开头一般都会导致内存的重新分配，而且会导致已有的元素全部复制 1 次。因此，从切片的开头添加元素的性能一般要比从尾部追加元素的性能差很多。
appendappendvar a []int
a = append(a[:i], append([]int{x}, a[i:]...)...) // 在第 i 个位置插入 x
a = append(a[:i], append([]int{1,2,3}, a[i:]...)...) // 在第 i 个位置插入切片
appenda[i:]a[:i]copyappenda = append(a, 0) // 切片扩展 1 个空间
copy(a[i+1:], a[i:]) // a[i:] 向后移动 1 个位置
a[i] = x // 设置新添加的元素
appendcopycopyappenda = append(a, x...) // 为 x 切片扩展足够的空间
copy(a[i+len(x):], a[i:]) // a[i:] 向后移动 len(x) 个位置
copy(a[i:], x) // 复制新添加的切片
appendappend删除切片元素
根据要删除元素的位置有三种情况：从开头位置删除，从中间位置删除，从尾部删除。其中删除切片尾部的元素最快：
a = []int{1, 2, 3}
a = a[:len(a)-1] // 删除尾部 1 个元素
a = a[:len(a)-N] // 删除尾部 N 个元素
删除开头的元素可以直接移动数据指针：
a = []int{1, 2, 3}
a = a[1:] // 删除开头 1 个元素
a = a[N:] // 删除开头 N 个元素
appenda = []int{1, 2, 3}
a = append(a[:0], a[1:]...) // 删除开头 1 个元素
a = append(a[:0], a[N:]...) // 删除开头 N 个元素
copya = []int{1, 2, 3}
a = a[:copy(a, a[1:])] // 删除开头 1 个元素
a = a[:copy(a, a[N:])] // 删除开头 N 个元素
appendcopya = []int{1, 2, 3, ...}
a = append(a[:i], a[i+1:]...) // 删除中间 1 个元素
a = append(a[:i], a[i+N:]...) // 删除中间 N 个元素
a = a[:i+copy(a[i:], a[i+1:])] // 删除中间 1 个元素
a = a[:i+copy(a[i:], a[i+N:])] // 删除中间 N 个元素
删除开头的元素和删除尾部的元素都可以认为是删除中间元素操作的特殊情况。
切片内存技巧
[0]intlen0cap0lencap0nillennilTrimSpace[]bytefunc TrimSpace(s []byte) []byte {
b := s[:0]
for _, x := range s {
if x != ' ' {
b = append(b, x)
}
}
return b
}
其实类似的根据过滤条件原地删除切片元素的算法都可以采用类似的方式处理（因为是删除操作不会出现内存不足的情形）：
func Filter(s []byte, fn func(x byte) bool) []byte {
b := s[:0]
for _, x := range s {
if !fn(x) {
b = append(b, x)
}
}
return b
}
appendcap避免切片内存泄漏
如前面所说，切片操作并不会复制底层的数据。底层的数组会被保存在内存中，直到它不再被引用。但是有时候可能会因为一个小的内存引用而导致底层整个数组处于被使用的状态，这会延迟自动内存回收器对底层数组的回收。
FindPhoneNumberfunc FindPhoneNumber(filename string) []byte {
b, _ := ioutil.ReadFile(filename)
return regexp.MustCompile("[0-9]+").Find(b)
}
[]byte要修复这个问题，可以将感兴趣的数据复制到一个新的切片中（数据的传值是 Go 语言编程的一个哲学，虽然传值有一定的代价，但是换取的好处是切断了对原始数据的依赖）：
func FindPhoneNumber(filename string) []byte {
b, _ := ioutil.ReadFile(filename)
b = regexp.MustCompile("[0-9]+").Find(b)
return append([]byte{}, b...)
}
类似的问题，在删除切片元素时可能会遇到。假设切片里存放的是指针对象，那么下面删除末尾的元素后，被删除的元素依然被切片底层数组引用，从而导致不能及时被自动垃圾回收器回收（这要依赖回收器的实现方式）：
var a []*int{ ... }
a = a[:len(a)-1] // 被删除的最后一个元素依然被引用, 可能导致 GC 操作被阻碍
nilvar a []*int{ ... }
a[len(a)-1] = nil // GC 回收最后一个元素内存
a = a[:len(a)-1] // 从切片删除最后一个元素
当然，如果切片存在的周期很短的话，可以不用刻意处理这个问题。因为如果切片本身已经可以被 GC 回收的话，切片对应的每个元素自然也就是可以被回收的了。
切片类型强制转换
[]T[]Y[]float64[]intfloat64[]float64[]int// +build amd64 arm64
import "sort"
var a = []float64{4, 2, 5, 7, 2, 1, 88, 1}
func SortFloat64FastV1(a []float64) {
// 强制类型转换
var b []int = ((*[1 << 20]int)(unsafe.Pointer(&a[0])))[:len(a):cap(a)]
// 以 int 方式给 float64 排序
sort.Ints(b)
}
func SortFloat64FastV2(a []float64) {
// 通过 reflect.SliceHeader 更新切片头部信息实现转换
var c []int
aHdr := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&a))
cHdr := (*reflect.SliceHeader)(unsafe.Pointer(&c))
*cHdr = *aHdr
// 以 int 方式给 float64 排序
sort.Ints(c)
}
unsafe.Pointer[]uint8[]uint16[]struct{}reflect.SliceHeadera[]float64c[]intsort.Ints[]intsort.Float64s[]float64