数组与切片

内容纲要

数组的基本概念

数组是具有相同 唯一类型 的一组以编号且长度固定的数据项序列(这是一种同构的数据结构);这种类型可以是任意的原始类型例如整型、字符串或者自定义类型。数组长度必须是一个常量表达式,并且必须是一个非负整数。数组长度也是数组类型的一部分,所以 [5] int 和 [10] int 是属于不同类型的。数组的编译时值初始化是按照数组顺序完成的(如下)。

注意事项 如果我们想让数组元素类型为任意类型的话可以使用空接口作为类型。当使用值时我们必须先做一个类型判断。

数组元素可以通过 索引(位置) 来读取(或者修改),索引从 0 开始,第一个元素索引为 0,第二个索引为 1,以此类推。(数组以 0 开始在所有类 C 语言中是相似的)。元素的数目,也称为长度或者数组大小必须是固定的并且在声明该数组时就给出(编译时需要知道数组长度以便分配内存);数组长度最大为 2Gb。

声明的格式是:

var identifier [len]type
var arr1 [5]int

在内存中的结构是:
图片

每个元素是一个整型值,当声明数组时所有的元素都会被自动初始化为默认值 0

arr1 的长度是 5,索引范围从 0 到 len(arr1)-1

第一个元素是 arr1[0],第三个元素是 arr1[2];总体来说索引 i 代表的元素是 arr1[i],最后一个元素是 arr1[len(arr1)-1]

对索引项为 i 的数组元素赋值可以这么操作:arr[i] = value,所以数组是 可变的

只有有效的索引可以被使用,当使用等于或者大于 len(arr1) 的索引时:如果编译器可以检测到,会给出索引超限的提示信息;如果检测不到的话编译会通过而运行时会 panic

runtime error: index out of range

由于索引的存在,遍历数组的方法自然就是使用 for 结构:

  • 通过 for 初始化数组项
  • 通过 for 打印数组元素
  • 通过 for 依次处理元素
package main
import "fmt"

func main() {
    var arr1 [5]int

    for i:=0; i < len(arr1); i++ {
        arr1[i] = i * 2
    }

    for i:=0; i < len(arr1); i++ {
        fmt.Printf("Array at index %d is %d\n", i, arr1[i])
    }
}

也可以使用 for-range 的方式生成:

a := [...]string{"a", "b", "c", "d"}
for i := range a {
    fmt.Println("Array item", i, "is", a[i])
}

Go 语言中的数组是一种 值类型(不像 C/C++ 中是指向首元素的指针),所以可以通过 new() 来创建: var arr1 = new([5]int)

那么这种方式和 var arr2 [5]int 的区别是什么呢?arr1 的类型是 *[5]int,而 arr2 的类型是 [5]int

这样的结果就是当把一个数组赋值给另一个时,需要再做一次数组内存的拷贝操作

arr2 := *arr1
arr2[2] = 100

这样两个数组就有了不同的值,在赋值后修改 arr2 不会对 arr1 生效。

数组常量

如果数组值已经提前知道了,那么可以通过 数组常量 的方法来初始化数组,而不用依次使用 []= 方法(所有的组成元素都有相同的常量语法)

package main
import "fmt"

func main() {
    var arrAge = [5]int{18, 20, 15, 22, 16}
    var arrLazy = [...]int{5, 6, 7, 8, 22}
    var arrLazy = []int{5, 6, 7, 8, 22}
    var arrKeyValue = [5]string{3: "Chris", 4: "Ron"}
    var arrKeyValue = []string{3: "Chris", 4: "Ron"}
}
var arrAge = [5]int{18, 20, 15, 22, 16}

注意 [5]int 可以从左边起开始忽略:[10]int {1, 2, 3} : 这是一个有 10 个元素的数组,除了前三个元素外其他元素都为 0。

var arrLazy = [...]int{5, 6, 7, 8, 22}

... 可同样可以忽略,从技术上说它们其实变化成了切片。

var arrKeyValue = [5]string{3: "Chris", 4: "Ron"}

只有索引 3 和 4 被赋予实际的值,其他元素都被设置为空的字符串

在这里数组长度同样可以写成 ... 或者直接忽略。

你可以取任意数组常量的地址来作为指向新实例的指针

package main
import "fmt"

func fp(a *[3]int) { fmt.Println(a) }

func main() {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        fp(&[3]int{i, i * i, i * i * i})
    }
}

输出结果:

&[0 0 0]
&[1 1 1]
&[2 4 8]

多维数组

数组通常是一维的,但是可以用来组装成多维数组,例如:[3][5]int[2][2][2]float64

内部数组总是长度相同的。Go 语言的多维数组是矩形式的(唯一的例外是切片的数组)

package main
const (
    WIDTH  = 1920
    HEIGHT = 1080
)

type pixel int
var screen [WIDTH][HEIGHT]pixel

func main() {
    for y := 0; y < HEIGHT; y++ {
        for x := 0; x < WIDTH; x++ {
            screen[x][y] = 0
        }
    }
}

将数组传给函数

把一个大数组传递给函数会消耗很多内存。有两种方法可以避免这种现象:

  • 传递数组的指针
  • 使用数组的切片
package main
import "fmt"

func main() {
    array := [3]float64{7.0, 8.5, 9.1}
    x := Sum(&array) // Note the explicit address-of operator
    // to pass a pointer to the array
    fmt.Printf("The sum of the array is: %f", x)
}

func Sum(a *[3]float64) (sum float64) {
    for _, v := range *a { // derefencing *a to get back to the array is not necessary!
        sum += v
    }
    return
}

切片

切片(slice)是对数组一个连续片段的引用(该数组我们称之为相关数组,通常是匿名的),所以切片是一个引用类型(因此更类似于 C/C++ 中的数组类型,或者 Python 中的 list 类型)。这个片段可以是整个数组,或者是由起始和终止索引标识的一些项的子集。需要注意的是,终止索引标识的项不包括在切片内。切片提供了一个相关数组的动态窗口。

切片是可索引的,并且可以由 len() 函数获取长度。

给定项的切片索引可能比相关数组的相同元素的索引小。和数组不同的是,切片的长度可以在运行时修改,最小为 0 最大为相关数组的长度:切片是一个 长度可变的数组。

切片提供了计算容量的函数 cap() 可以测量切片最长可以达到多少:它等于切片从第一个元素开始,到相关数组末尾的元素个数。如果 s 是一个切片,cap(s) 就是从 s[0] 到数组末尾的数组长度。切片的长度永远不会超过它的容量,所以对于 切片 s 来说该不等式永远成立:0 <= len(s) <= cap(s)。

多个切片如果表示同一个数组的片段,它们可以共享数据;因此一个切片和相关数组的其他切片是共享存储的,相反,不同的数组总是代表不同的存储。数组实际上是切片的构建块。

优点 因为切片是引用,所以它们不需要使用额外的内存并且比使用数组更有效率,所以在 Go 代码中 切片比数组更常用。

声明切片的格式是: var identifier []type(不需要说明长度)。

一个切片在未初始化之前默认为 nil,长度为 0。

切片的初始化格式是:var slice1 []type = arr1[start:end]。

这表示 slice1 是由数组 arr1 从 start 索引到 end-1 索引之间的元素构成的子集(切分数组,start:end 被称为 slice 表达式)。所以 slice1[0] 就等于 arr1[start]。这可以在 arr1 被填充前就定义好。

如果某个人写:var slice1 []type = arr1[:] 那么 slice1 就等于完整的 arr1 数组(所以这种表示方式是 arr1[0:len(arr1)] 的一种缩写)。另外一种表述方式是:slice1 = &arr1。

arr1[2:] 和 arr1[2:len(arr1)] 相同,都包含了数组从第三个到最后的所有元素。

arr1[:3] 和 arr1[0:3] 相同,包含了从第一个到第三个元素(不包括第四个 / 不包含下标为三的元素)。

如果你想去掉 slice1 的最后一个元素,只要 slice1 = slice1[:len(slice1)-1]。

一个由数字 1、2、3 组成的切片可以这么生成:s := [3]int{1,2,3}[:] 甚至更简单的 s := []int{1,2,3}。

s2 := s[:] 是用切片组成的切片,拥有相同的元素,但是仍然指向相同的相关数组。

一个切片 s 可以这样扩展到它的大小上限:s = s[:cap(s)],如果再扩大的话就会导致运行时错误

切片也可以用类似数组的方式初始化:var x = []int{2, 3, 5, 7, 11}。这样就创建了一个长度为 5 的数组并且创建了一个相关切片。

切片在内存中的组织方式实际上是一个有 3 个域的结构体:指向相关数组的指针,切片长度以及切片容量。下图给出了一个长度为 2,容量为 4 的切片 y。

  • y[0] = 3 且 y[1] = 5。
  • 切片 y[0:4] 由 元素 3,5,7, 11 组成。

图片

用 make() 创建一个切片

当相关数组还没有定义时,我们可以使用 make () 函数来创建一个切片 同时创建好相关数组:var slice1 []type = make([]type, len)。

也可以简写为 slice1 := make([]type, len),这里 len 是数组的长度并且也是 slice 的初始长度。

所以定义 s2 := make([]int, 10),那么 cap(s2) == len(s2) == 10。

make 接受 2 个参数:元素的类型以及切片的元素个数。

如果你想创建一个 slice1,它不占用整个数组,而只是占用以 len 为个数个项,那么只要:slice1 := make([]type, len, cap)。

make 的使用方式是:func make([]T, len, cap),其中 cap 是可选参数

图片

new () 和 make () 的区别

看起来二者没有什么区别,都在堆上分配内存,但是它们的行为不同,适用于不同的类型。

  • new (T) 为每个新的类型 T 分配一片内存,初始化为 0 并且返回类型为 * T 的内存地址:这种方法 返回一个指向类型为 T,值为 0 的地址的指针,它适用于值类型如数组和结构体;它相当于 &T{}。
  • make(T) 返回一个类型为 T 的初始值,它只适用于 3 种内建的引用类型:切片、map 和 channel

换言之,new 函数分配内存,make 函数初始化;下图给出了区别

图片

在图 7.3 的第一幅图中:

var p *[]int = new([]int) // *p == nil; with len and cap 0
p := new([]int)

bytes 包

类型 []byte 的切片十分常见,Go 语言有一个 bytes 包专门用来解决这种类型的操作方法。

bytes 包和字符串包十分类似。而且它还包含一个十分有用的类型 Buffer

import "bytes"

type Buffer struct {
    ...
}

这是一个长度可变的 bytes 的 buffer,提供 Read 和 Write 方法,读写长度未知的 bytes 最好使用 buffer。

Buffer 可以这样定义:var buffer bytes.Buffer

或者使用 new 获得一个指针:var r *bytes.Buffer = new(bytes.Buffer)

或者通过函数:func NewBuffer(buf []byte) *Buffer,创建一个 Buffer 对象并且用 buf 初始化好;NewBuffer 最好用在从 buf 读取的时候使用。

通过 buffer 串联字符串

类似于 Java 的 StringBuilder 类。

在下面的代码段中,我们创建一个 buffer,通过 buffer.WriteString(s) 方法将字符串 s 追加到后面,最后再通过 buffer.String() 方法转换为 string

var buffer bytes.Buffer
for {
    if s, ok := getNextString(); ok { //method getNextString() not shown here
        buffer.WriteString(s)
    } else {
        break
    }
}
fmt.Print(buffer.String(), "\n")

这种实现方式比使用 += 要更节省内存和 CPU,尤其是要串联的字符串数目特别多的时候

For-range 结构

这种构建方法可以应用于数组和切片:

for ix, value := range slice1 {
    ...
}

第一个返回值 ix 是数组或者切片的索引,第二个是在该索引位置的值;他们都是仅在 for 循环内部可见的局部变量。value 只是 slice1 某个索引位置的值的一个拷贝,不能用来修改 slice1 该索引位置的值。

切片重组

我们已经知道切片创建的时候通常比相关数组小,例如

slice1 := make([]type, start_length, capacity)

其中 start_length 作为切片初始长度而 capacity 作为相关数组的长度。

这么做的好处是我们的切片在达到容量上限后可以扩容。改变切片长度的过程称之为切片重组 reslicing,做法如下:slice1 = slice1[0:end],其中 end 是新的末尾索引(即长度)。

将切片扩展 1 位可以这么做:

sl = sl[0:len(sl)+1]

切片的复制与追加

如果想增加切片的容量,我们必须创建一个新的更大的切片并把原分片的内容都拷贝过来。下面的代码描述了从拷贝切片的 copy 函数和向切片追加新元素的 append 函数

package main
import "fmt"

func main() {
    sl_from := []int{1, 2, 3}
    sl_to := make([]int, 10)

    n := copy(sl_to, sl_from)
    fmt.Println(sl_to)
    fmt.Printf("Copied %d elements\n", n) // n == 3

    sl3 := []int{1, 2, 3}
    sl3 = append(sl3, 4, 5, 6)
    fmt.Println(sl3)
}

func append(s[]T, x ...T) []T 其中 append 方法将 0 个或多个具有相同类型 s 的元素追加到切片后面并且返回新的切片;追加的元素必须和原切片的元素同类型。如果 s 的容量不足以存储新增元素,append 会分配新的切片来保证已有切片元素和新增元素的存储。因此,返回的切片可能已经指向一个不同的相关数组了。append 方法总是返回成功,除非系统内存耗尽了。

如果你想将切片 y 追加到切片 x 后面,只要将第二个参数扩展成一个列表即可:x = append(x, y...)

注意: append 在大多数情况下很好用,但是如果你想完全掌控整个追加过程,你可以实现一个这样的 AppendByte 方法:

func AppendByte(slice []byte, data ...byte) []byte {
    m := len(slice)
    n := m + len(data)
    if n > cap(slice) { // if necessary, reallocate
        // allocate double what's needed, for future growth.
        newSlice := make([]byte, (n+1)*2)
        copy(newSlice, slice)
        slice = newSlice
    }
    slice = slice[0:n]
    copy(slice[m:n], data)
    return slice
}

从字符串生成字节切片

假设 s 是一个字符串(本质上是一个字节数组),那么就可以直接通过 c := []byte(s) 来获取一个字节数组的切片 c。另外,您还可以通过 copy 函数来达到相同的目的:copy(dst []byte, src string)

同样的,还可以使用 for-range 来获得每个元素:

package main

import "fmt"

func main() {
    s := "\u00ff\u754c"
    for i, c := range s {
        fmt.Printf("%d:%c ", i, c)
    }
}

我们知道,Unicode 字符会占用 2 个字节,有些甚至需要 3 个或者 4 个字节来进行表示。如果发现错误的 UTF8 字符,则该字符会被设置为 U+FFFD 并且索引向前移动一个字节。和字符串转换一样,您同样可以使用 c := []int32(s) 语法,这样切片中的每个 int 都会包含对应的 Unicode 代码,因为字符串中的每次字符都会对应一个整数。类似的,您也可以将字符串转换为元素类型为 rune 的切片:r := []rune(s)

获取字符串的某一部分

使用 substr := str[start:end] 可以从字符串 str 获取到从索引 start 开始到 end-1 位置的子字符串。同样的,str[start:] 则表示获取从 start 开始到 len(str)-1 位置的子字符串。而 str[:end] 表示获取从 0 开始到 end-1 的子字符串

append 函数常见操作

它能够用于各种方面的操作:

  1. 将切片 b 的元素追加到切片 a 之后:a = append(a, b...)

  2. 复制切片 a 的元素到新的切片 b 上:

    b = make([]T, len(a))
    copy(b, a)
  3. 删除位于索引 i 的元素:a = append(a[:i], a[i+1:]...)

  4. 切除切片 a 中从索引 i 至 j 位置的元素:a = append(a[:i], a[j:]...)

  5. 为切片 a 扩展 j 个元素长度:a = append(a, make([]T, j)...)

  6. 在索引 i 的位置插入元素 x:a = append(a[:i], append([]T{x}, a[i:]...)...)

  7. 在索引 i 的位置插入长度为 j 的新切片:a = append(a[:i], append(make([]T, j), a[i:]...)...)

  8. 在索引 i 的位置插入切片 b 的所有元素:a = append(a[:i], append(b, a[i:]...)...)

  9. 取出位于切片 a 最末尾的元素 x:x, a = a[len(a)-1:], a[:len(a)-1]

  10. 将元素 x 追加到切片 a:a = append(a, x)

因此,您可以使用切片和 append 操作来表示任意可变长度的序列。

从数学的角度来看,切片相当于向量,如果需要的话可以定义一个向量作为切片的别名来进行操作。

如果您需要更加完整的方案,可以学习一下 Eleanor McHugh 编写的几个包:slices、chain 和 lists。

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THE END
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