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：

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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。

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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。

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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。在golang1.18版本更新之前网上大多数的文章都是这样描述slice的扩容策略的：

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。

在1.18版本更新之后，slice的扩容策略变为了：

当原slice容量(oldcap)小于256的时候，新slice(newcap)容量为原来的2倍；原slice容量超过256，新slice容量newcap = oldcap+(oldcap+3*256)/4

为了说明上面的规律，我写了一小段玩具代码：

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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(1.18版本之前)：

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[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

运行结果(1.18版本)：

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[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

根据上面的结果我们可以看出在1.18版本之前：

在原来的slice容量oldcap小于1024的时候，新 slice 的容量newcap的确是oldcap的2倍。

但是，当oldcap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，原来的slice 的容量为 1280，之后newcap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 1696 的 1.25 倍。

在1.18版本之后：

在原来的slice 容量oldcap小于256的时候，新 slice 的容量newcap的确是oldcap 的2倍。

但是，当oldcap容量大于等于 256 的时候，情况就有变化了。当向 slice 中添加元素 512 的时候，老 slice 的容量为 512，之后变成了 848，两者并没有符合newcap = oldcap+(oldcap+3*256)/4 的策略（512+（512+3*256）/4）=832。添加完 848 后，新的容量 1280 当然也不是按照之前策略所计算出的的1252。

难道现在网上各种文章中的扩容策略并不是正确的吗。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。

golang版本1.9.5

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// 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)
}

golang版本1.18

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// go 1.18 src/runtime/slice.go:178
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 {
			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
			}
			if newcap <= 0 {
				newcap = cap
			}
		}
	}
	// ……
    
	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 按照前半部分生成的newcap。

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

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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：

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[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。

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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：

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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：

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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：

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// 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，len 和 cap 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：

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// 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：

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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 slice。class_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。

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var size_to_class8 = [smallSizeMax/smallSizeDiv + 1]uint8{0, 1, 2, 3, 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, 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, 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, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32, 32}

var class_to_size = [_NumSizeClasses]uint16{0, 8, 16, 24, 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 5；获取 class_to_size 中索引为 5 的元素为 48。

最终，新的 slice 的容量为 6：

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