Go 中切片（Slice）的长度与容量

切片长度与容量在 Go 中很常见。切片长度是切片中可用元素的数量，而切片容量是从切片中第一个元素开始计算的底层数组中的元素数量。

Go 中的开发者经常混淆切片长度和容量，或者对它们不够了解。理解这两个概念对于高效处理切片的核心操作，比如切片的初始化、使用 append 添加元素、复制或切片操作等，至关重要。对这些概念的误解可能导致切片的不合理使用，甚至造成内存泄漏。

在 Go 中，切片是由数组支持的。这意味着切片的数据以连续的方式存储在数组数据结构中。切片还负责在底层数组已满时添加元素，或在几乎为空时缩减底层数组。

在内部，切片包含指向底层数组的指针，以及长度和容量。长度表示切片包含的元素数量，而容量表示底层数组中的元素数量，从切片中的第一个元素开始计算。让我们通过一些示例来更清楚地了解这些概念。首先，让我们使用给定的长度和容量初始化一个切片：

s := make([]int, 3, 6) // Three-length, six-capacity slice

第一个参数，表示长度，是必须的。但是，第二个参数表示容量是可选的。图1展示了此代码在内存中的结果。

Figure 1 — 一个长度为3、容量为6的切片

在这种情况下，make 创建了一个包含六个元素的数组（容量）。但由于长度设置为3，Go 只初始化了前三个元素。另外，因为切片是 []int 类型，所以前三个元素被初始化为 int 类型的零值：0。灰色元素已经分配但尚未使用。

如果我们打印这个切片，会得到长度范围内的元素 [0 0 0]。如果我们将 s[1] 设为1，切片的第二个元素会更新，但不会影响其长度或容量。图2说明了这一点。

图2 — 更新切片的第二个元素：s[1] = 1

然而，访问超出长度范围之外的元素是被禁止的，即使它在内存中已经分配。例如，s[4] = 0 会导致以下 panic：

panic: runtime error: index out of range [4] with length 3

我们如何使用切片剩余的空间呢？通过使用内置函数 append：

s = append(s, 2)

这段代码向现有的 s 切片追加了一个新元素。它使用了第一个灰色元素（已分配但尚未使用）来存储元素2，正如图3所示。

图3 — 向 s 切片追加一个元素

切片的长度从3更新为4，因为现在切片包含了四个元素。现在，如果我们再添加三个元素以至于后台数组不够大，会发生什么？

s = append(s, 3, 4, 5)
fmt.Println(s)

如果我们运行这段代码，会看到切片能够满足我们的请求：

[0 1 0 2 3 4 5]

因为数组是一个固定大小的结构，在第4个元素之前，它能够存储新的元素。当我们想要插入第5个元素时，数组已经满了：Go 内部会创建另一个数组，将所有元素复制过去，然后再插入第5个元素。图4展示了这个过程。

图4 — 因为初始的后台数组已满，Go 创建了另一个数组并复制了所有元素。

现在切片引用了新的后台数组。之前的后台数组会怎样呢？如果它不再被引用，它最终会被垃圾收集器（GC）释放，如果它是在堆上分配的话（我们在错误＃95 “不理解堆栈与堆的区别”中讨论了堆内存，并在错误＃99 “不理解GC的工作原理”中讨论了GC的工作原理）。

对切片进行切片操作会发生什么？切片是对数组或切片进行的操作，提供了一个左闭右开的范围；第一个索引是包括的，而第二个索引是排除的。以下示例展示了影响，并在图5中显示了内存中的结果：

s1 := make([]int, 3, 6) // Three-length, six-capacity slice
s2 := s1[1:3] // Slicing from indices 1 to 3

图5 — 切片 s1 和 s2 引用相同的后台数组，但长度和容量不同

首先，s1 是一个长度为3、容量为6的切片。当通过对 s1 进行切片创建 s2 时，两个切片都引用同一个后台数组。但是，s2 从不同的索引开始，即索引1。因此，它的长度和容量（长度为2，容量为5）与 s1 不同。如果我们更新 s1[1] 或 s2[0]，则更改会作用于同一个数组，因此在两个切片中都是可见的，如图6所示。

图6 — 因为 s1 和 s2 共享同一个数组，更新共同的元素会使两个切片中的更改都可见

现在，如果我们向 s2 添加一个元素会发生什么？以下代码会同时改变 s1 吗？

s2 = append(s2, 2)

共享的后台数组被修改，但只有 s2 的长度发生了变化。图7展示了向 s2 添加元素的结果。

图7 — 向 s2 添加元素

s1 仍然是一个长度为3、容量为6的切片。因此，如果我们打印 s1 和 s2，添加的元素只会在 s2 中可见：

s1=[0 1 0], s2=[1 0 2]

很重要理解这种行为，这样我们在使用 append 时就不会形成错误的假设。

注意: 在这些示例中，后台数组是内部的，不直接对 Go 开发者可见。唯一的例外是从现有数组切片创建切片。

还有最后一件事需要注意：如果我们不断向 s2 中添加元素，直到后台数组满为止，内存状态会是怎样的？让我们再添加三个元素，以便后台数组没有足够的容量：

s2 = append(s2, 3)
s2 = append(s2, 4) // At this stage, the backing is already full
s2 = append(s2, 5)

这段代码导致创建了另一个后台数组。图 8 展示了内存中的结果。

图 8 — 向 s2 添加元素直到后台数组已满

s1 和 s2 现在引用两个不同的数组。由于 s1 仍然是一个三长度、六容量的切片，它仍然有一些可用缓冲区，因此它继续引用最初的数组。而且，新的后台数组是通过从 s2 的第一个索引复制初始数组而生成的。这就是为什么新数组从元素 1 开始，而不是 0。

结论

总结一下，切片长度 是切片中可用元素的数量，而 切片容量 是后台数组中的元素数量。向一个已满的切片（长度 == 容量）添加元素会导致创建一个新的后台数组，将之前数组中的所有元素复制到新数组中，并更新切片指向新数组。