append扩容机制

最近有读者在讨论切片扩容，有人举了以下例子，并想得到一个合理的回答。

package main

func main() {
    s := []int{1,2}
    s = append(s, 3,4,5)
    println(cap(s))
}

// output: 6

为什么结果不是5，不是8，而是6呢？由于小菜刀在该文中关于扩容的描述不够准确，让读者产生了疑惑。因此本文想借此机会细致分析一下append函数及其背后的扩容机制。

我们知道，append是一种用户在使用时，并不需要引入相关包而可直接调用的函数。它是内置函数，其定义位于源码包 builtin 的builtin.go。

// The append built-in function appends elements to the end of a slice. If
 // it has sufficient capacity, the destination is resliced to accommodate the
 // new elements. If it does not, a new underlying array will be allocated.
 // Append returns the updated slice. It is therefore necessary to store the
 // result of append, often in the variable holding the slice itself:
 //    slice = append(slice, elem1, elem2)
 //    slice = append(slice, anotherSlice...)
 // As a special case, it is legal to append a string to a byte slice, like this:
 //    slice = append([]byte("hello "), "world"...)
func append(slice []Type, elems ...Type) []Type

append 会追加一个或多个数据至 slice 中，这些数据会存储至 slice 的底层数组。其中，底层数组长度是固定的，如果数组的剩余空间足以容纳追加的数据，则可以正常地将数据存入该数组。一旦追加数据后总长度超过原数组长度，原数组就无法满足存储追加数据的要求。此时会怎么处理呢？

同时我们发现，该文件中仅仅定义了函数签名，并没有包含函数实现的任何代码。这里我们不免好奇，append究竟是如何实现的呢？

编译过程

为了回答上述问题，我们不妨从编译入手。Go编译可分为四个阶段：词法与语法分析、类型检查与抽象语法树（AST）转换、中间代码生成和生成最后的机器码。

我们主要需要关注的是第二和第三阶段的代码，分别是位于src/cmd/compile/internal/gc/typecheck.go下的类型检查逻辑

func typecheck1(n *Node, top int) (res *Node) {
    ...
    switch n.Op {
    case OAPPEND:
    ...
}

位于src/cmd/compile/internal/gc/walk.go下的抽象语法树转换逻辑

func walkexpr(n *Node, init *Nodes) *Node {
     ...
     case OAPPEND:
             // x = append(...)
             r := n.Right
             if r.Type.Elem().NotInHeap() {
                 yyerror("%v can't be allocated in Go; it is incomplete (or unallocatable)", r.Type.Elem())
             }
             switch {
            case isAppendOfMake(r):
                // x = append(y, make([]T, y)...)
                r = extendslice(r, init)
            case r.IsDDD():
                r = appendslice(r, init) // also works for append(slice, string).
            default:
                r = walkappend(r, init, n)
            }
    ...
}  

和位于src/cmd/compile/internal/gc/ssa.go下的中间代码生成逻辑

// append converts an OAPPEND node to SSA.
// If inplace is false, it converts the OAPPEND expression n to an ssa.Value,
// adds it to s, and returns the Value.
// If inplace is true, it writes the result of the OAPPEND expression n
// back to the slice being appended to, and returns nil.
// inplace MUST be set to false if the slice can be SSA'd.
func (s *state) append(n *Node, inplace bool) *ssa.Value {
    ...
}

其中，中间代码生成阶段的state.append方法，是我们重点关注的地方。入参 inplace 代表返回值是否覆盖原变量。如果为false，展开逻辑如下（注意：以下代码只是为了方便理解的伪代码，并不是 state.append 中实际的代码）。同时，小菜刀注意到如果写成 append(s, e1, e2, e3) 不带接收者的形式，并不能通过编译，所以暂未明白它的场景在哪。

// If inplace is false, process as expression "append(s, e1, e2, e3)": 
    ptr, len, cap := s
      newlen := len + 3
      if newlen > cap {
          ptr, len, cap = growslice(s, newlen)
          newlen = len + 3 // recalculate to avoid a spill
      }
      // with write barriers, if needed:
      *(ptr+len) = e1
     *(ptr+len+1) = e2
     *(ptr+len+2) = e3
     return makeslice(ptr, newlen, cap)

如果是true，例如 slice = append(slice, 1, 2, 3) 语句，那么返回值会覆盖原变量。展开方式逻辑如下

// If inplace is true, process as statement "s = append(s, e1, e2, e3)":
 
      a := &s
      ptr, len, cap := s
      newlen := len + 3
      if uint(newlen) > uint(cap) {
         newptr, len, newcap = growslice(ptr, len, cap, newlen)
         vardef(a)       // if necessary, advise liveness we are writing a new a
         *a.cap = newcap // write before ptr to avoid a spill
        *a.ptr = newptr // with write barrier
     }
     newlen = len + 3 // recalculate to avoid a spill
     *a.len = newlen
     // with write barriers, if needed:
     *(ptr+len) = e1
     *(ptr+len+1) = e2
     *(ptr+len+2) = e3

不管 inpalce 是否为true，我们均会获取切片的数组指针、大小和容量，如果在追加元素后，切片新的大小大于原始容量，就会调用 runtime.growslice 对切片进行扩容，并将新的元素依次加入切片。

因此，通过append向元素类型为 int 的切片（已包含元素 1，2，3）追加元素 1， slice=append(slice,1)可分为两种情况。

情况1，切片的底层数组还有可容纳追加元素的空间。

情况2，切片的底层数组已无可容纳追加元素的空间，需调用扩容函数，进行扩容。

扩容函数

前面我们提到，追加操作时，当切片底层数组的剩余空间不足以容纳追加的元素，就会调用 growslice，其调用的入参 cap 为追加元素后切片的总长度。

growslice 的代码较长，我们可以根据逻辑分为三个部分。

1、初步确定切片容量

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 {
            // 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
            }
        }
    }
  ...
}  

在该环节中，如果需要的容量 cap 超过原切片容量的两倍 doublecap，会直接使用需要的容量作为新容量newcap。否则，当原切片长度小于1024时，新切片的容量会直接翻倍。而当原切片的容量大于等于1024时，会反复地增加25%，直到新容量超过所需要的容量。

2、计算容量所需内存大小

var overflow bool
     var lenmem, newlenmem, capmem uintptr
 
     switch {
     case et.size == 1:
         lenmem = uintptr(old.len)
         newlenmem = uintptr(cap)
         capmem = roundupsize(uintptr(newcap))
         overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc
        newcap = int(capmem)
    case et.size == sys.PtrSize:
        lenmem = uintptr(old.len) * sys.PtrSize
        newlenmem = uintptr(cap) * sys.PtrSize
        capmem = roundupsize(uintptr(newcap) * sys.PtrSize)
        overflow = uintptr(newcap) > maxAlloc/sys.PtrSize
        newcap = int(capmem / sys.PtrSize)
    case isPowerOfTwo(et.size):
        var shift uintptr
        if sys.PtrSize == 8 {
            // Mask shift for better code generation.
            shift = uintptr(sys.Ctz64(uint64(et.size))) & 63
        } else {
            shift = uintptr(sys.Ctz32(uint32(et.size))) & 31
        }
        lenmem = uintptr(old.len) << shift
        newlenmem = uintptr(cap) << shift
        capmem = roundupsize(uintptr(newcap) << shift)
        overflow = uintptr(newcap) > (maxAlloc >> shift)
        newcap = int(capmem >> shift)
    default:
        lenmem = uintptr(old.len) * et.size
        newlenmem = uintptr(cap) * et.size
        capmem, overflow = math.MulUintptr(et.size, uintptr(newcap))
        capmem = roundupsize(capmem)
        newcap = int(capmem / et.size)
    }

在该环节，通过判断切片元素的字节大小是否为1，系统指针大小（32位为4，64位为8）或2的倍数，进入相应所需内存大小的计算逻辑。

这里需要注意的是 roundupsize 函数，它根据输入期望大小 size ，返回 mallocgc 实际将分配的内存块的大小。

func roundupsize(size uintptr) uintptr {
     if size < _MaxSmallSize {
         if size <= smallSizeMax-8 {
             return uintptr(class_to_size[size_to_class8[divRoundUp(size, smallSizeDiv)]])
         } else {
             return uintptr(class_to_size[size_to_class128[divRoundUp(size-smallSizeMax, largeSizeDiv)]])
         }
     }
 
  // Go的内存管理虚拟地址页大小为 8k（_PageSize）
  // 当size的大小即将溢出时，就不采用向上取整的做法，直接用当前期望size值。
    if size+_PageSize < size {
        return size
    }
    return alignUp(size, _PageSize)
}

根据内存分配中的大小对象原则，如果期望分配内存非大对象 (<_MaxSmallSize)，即小于32k，则需要根据 divRoundUp 函数将待申请的内存向上取整，取整时会使用 class_to_size 以及 size_to_class8 和 size_to_class128 数组。这些数组方便于内存分配器进行分配，以提高分配效率并减少内存碎片。

// _NumSizeClasses = 67 代表67种特定大小的对象类型
var class_to_size = [_NumSizeClasses]uint16{0, 8, 16, 32, 48, 64, 80, 96, 112,...}

当期望分配内存为大对象时，会通过 alignUp 将该 size 的大小向上取值为虚拟页大小（_PageSize）的倍数。

3、内存分配

if overflow || capmem > maxAlloc {
         panic(errorString("growslice: cap out of range"))
     }
 
     var p unsafe.Pointer
     if et.ptrdata == 0 {
         p = mallocgc(capmem, nil, false)
         memclrNoHeapPointers(add(p, newlenmem), capmem-newlenmem)
     } else {
        p = mallocgc(capmem, et, true)
        if lenmem > 0 && writeBarrier.enabled {
            bulkBarrierPreWriteSrcOnly(uintptr(p), uintptr(old.array), lenmem-et.size+et.ptrdata)
        }
    }
    memmove(p, old.array, lenmem)

    return slice{p, old.len, newcap}

如果在第二个环节中，造成了溢出或者期望分配的内存超过最大分配限制，会引起 panic。

mallocgc 分配一个大小为前面计算得到的 capmem 对象。如果是小对象，则直接从当前G所在P的缓存空闲列表中分配；如果是大对象，则从堆上进行分配。同时，如果切片中的元素不是指针类型，那么会调用 memclrNoHeapPointers将超出切片当前长度的位置清空；如果是元素是指针类型，且原有切片元素个数不为0 并可以打开写屏障时，需要调用 bulkBarrierPreWriteSrcOnly 将旧切片指针标记隐藏，在新切片中保存为nil指针。

在最后使用memmove将原数组内存中的内容拷贝到新申请的内存中，并将新的内存指向指针p 和旧的长度值，新的容量值赋值给新的 slice 并返回。

注意，在 growslice 完成后，只是把旧有数据拷贝到了新的内存中去，且计算得到新的 slice 容量大小，并没有完成最终追加数据的操作。如果 slice 当前 len =3，cap=3，slice=append(slice,1)，那它完成的工作如下图所示。

growslice之后，此时新的slice已经拷贝了旧的slice数据，并且其底层数组有充足的剩余空间追加数据。后续只需拷贝追加数据至剩余空间，并修改len值即可，这一部分就不再深究了。

总结

这里回到文章开头中的例子

package main

func main() {
    s := []int{1,2}
    s = append(s, 3,4,5)
    println(cap(s))
}

由于初始 s 的容量是2，现需要追加3个元素，所以通过append一定会触发扩容，并调用 growslice 函数，此时他的入参cap大小为2+3=5。通过翻倍原有容量得到 doublecap = 2+2，doublecap 小于 cap 值，所以在第一阶段计算出的期望容量值 newcap=5。在第二阶段中，元素类型大小int和sys.PtrSize相等，通过 roundupsize 向上取整内存的大小到 capmem = 48 字节，所以新切片的容量newcap 为 48 / 8 = 6 ，成功解释！

在切片 append 操作时，如果底层数组已无可容纳追加元素的空间，则需扩容。扩容并不是在原有底层数组的基础上增加内存空间，而是新分配一块内存空间作为切片的底层数组，并将原有数据和追加数据拷贝至新的内存空间中。

在扩容的容量确定上，相对比较复杂，它与CPU位数、元素大小、是否包含指针、追加个数等都有关系。当我们看完扩容源码逻辑后，发现去纠结它的扩容确切值并没什么必要。

在实际使用中，如果能够确定切片的容量范围，比较合适的做法是：切片初始化时就分配足够的容量空间，在append追加操作时，就不用再考虑扩容带来的性能损耗问题。

func BenchmarkAppendFixCap(b *testing.B) {
     for i := 0; i < b.N; i++ {
         a := make([]int, 0, 1000)
         for i := 0; i < 1000; i++ {
             a = append(a, i)
         }
     }
 }
 
func BenchmarkAppend(b *testing.B) {
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        a := make([]int, 0)
        for i := 0; i < 1000; i++ {
            a = append(a, i)
        }
    }
}

它们的压测结果如下，孰优孰劣，一目了然。

 $ go test -bench=. -benchmem
3BenchmarkAppendFixCap-8          1953373               617 ns/op               0 B/op          0 allocs/op
4BenchmarkAppend-8                 426882              2832 ns/op           16376 B/op         11 allocs/op

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/73rbXvVzmn3NQOn2mrQEhw

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