Go语言中预分配并填充指针切片的惯用方法

本文探讨了go语言中预分配并填充指针切片的两种惯用方法。针对 make([]*t, n) 后直接使用 append 导致切片中出现 nil 元素的问题，文章提供了两种解决方案：一是通过 make([]*t, n) 创建指定长度切片后，利用索引循环直接初始化每个元素；二是通过 make([]*t, 0, n) 创建零长度但预设容量的切片，然后使用 append 填充。这两种方法都能有效避免不必要的 nil 元素并提高性能。

理解问题：make 与 append 的误用

在Go语言中，当我们需要一个特定类型的指针切片时，常见的做法是使用 make 函数进行预分配。然而，如果不正确地结合 make 和 append，可能会导致切片中出现意料之外的 nil 元素。

考虑以下示例，我们尝试预分配一个包含5个 UselessStruct 指针的切片：

package main

import "fmt"

type UselessStruct struct {
    a int
    b int
}

func main() {
    mySlice := make([]*UselessStruct, 5) // 创建一个长度为5的指针切片
    for i := 0; i != 5; i++ {
        mySlice = append(mySlice, &UselessStruct{}) // 尝试追加新元素
    }
    fmt.Println(mySlice)
}

上述代码的输出将是：[<nil> <nil> <nil> <nil> <nil> 0xc0... 0xc0... 0xc0... 0xc0... 0xc0...]。 这是因为 mySlice := make([]*UselessStruct, 5) 创建了一个长度为5的切片，其中所有元素都被初始化为零值。对于指针类型 *UselessStruct，其零值是 nil。此时切片的长度（len）为5，容量（cap）也为5。

随后，循环中的 append 操作并不会替换已有的 nil 元素，而是会在切片的末尾追加新的元素。由于切片的长度已经达到其容量，append 会导致底层数组重新分配，并将新元素添加到新的内存区域。最终，切片会包含最初的5个 nil 指针，以及后续追加的5个新结构体指针，总长度变为10。

类似地，如果切片存储的是结构体值而非指针，也会出现类似问题：

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package main

import "fmt"

type UselessStruct struct {
    a int
    b int
}

func main() {
    mySlice := make([]UselessStruct, 5) // 创建一个长度为5的结构体切片
    for i := 0; i != 5; i++ {
        mySlice = append(mySlice, UselessStruct{}) // 尝试追加新元素
    }
    fmt.Println(mySlice)
}

输出将是：[{0 0} {0 0} {0 0} {0 0} {0 0} {0 0} {0 0} {0 0} {0 0} {0 0}]。这里，最初的5个元素是 UselessStruct 的零值 {0 0}，后续追加的也是新的 {0 0} 结构体。

惯用方法一：直接通过索引填充预分配的切片

当您已知切片的最终长度，并且希望在创建时就填充所有元素时，最直接且惯用的方法是使用 make 创建指定长度的切片，然后通过索引来访问并初始化每个元素。

package main

import "fmt"

type UselessStruct struct {
    a int
    b int
}

func main() {
    // 创建一个长度为5的指针切片，所有元素初始化为nil
    mySlice := make([]*UselessStruct, 5)

    // 遍历切片并为每个索引位置分配新的UselessStruct实例
    for i := range mySlice {
        mySlice[i] = new(UselessStruct) // 或者 mySlice[i] = &UselessStruct{}
    }

    fmt.Println(mySlice)
    // 预期输出：[0xc0... 0xc0... 0xc0... 0xc0... 0xc0...] (5个不同的指针地址)
}

在这个方法中：

1. mySlice := make([]*UselessStruct, 5) 创建了一个长度为5的切片，其中包含5个 nil 指针。
2. for i := range mySlice 循环遍历了切片的每个索引。
3. mySlice[i] = new(UselessStruct) 或 mySlice[i] = &UselessStruct{} 在每个索引位置上创建了一个新的 UselessStruct 实例，并将其地址赋值给切片中的相应元素。这有效地替换了原始的 nil 值。

这种方法简洁明了，适用于切片长度固定且所有元素都需要在创建后立即初始化的场景。

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惯用方法二：预设容量并使用 append 填充

如果切片的最终长度在创建时未知，或者您希望逐步向切片中添加元素，同时又想避免频繁的内存重新分配以提高性能，那么可以使用 make 函数预设容量（capacity），并将切片初始长度设置为0。

package main

import "fmt"

type UselessStruct struct {
    a int
    b int
}

func main() {
    // 创建一个长度为0，但容量为5的指针切片
    mySlice := make([]*UselessStruct, 0, 5)

    // 使用append追加元素，会利用预设的容量
    for i := 0; i != 5; i++ {
        mySlice = append(mySlice, &UselessStruct{})
    }

    fmt.Println(mySlice)
    // 预期输出：[0xc0... 0xc0... 0xc0... 0xc0... 0xc0...] (5个不同的指针地址)
}

在这个方法中：

1. mySlice := make([]*UselessStruct, 0, 5) 创建了一个切片，其初始长度为0，但底层数组的容量为5。这意味着它可以容纳5个元素而无需重新分配内存。
2. append 操作会在切片的末尾添加新元素。由于切片的长度小于容量，append 会直接使用预分配的内存空间，将新元素放置在下一个可用位置，并增加切片的长度。
3. 当切片长度达到容量（例如，添加了5个元素后），如果继续 append，Go运行时才会进行新的内存分配。

这种方法适用于以下场景：

• 您知道大致的元素数量，希望预分配内存以优化性能。
• 您需要动态地向切片中添加元素，并且 append 的语义更符合您的逻辑。

总结与注意事项

选择哪种方法取决于您的具体需求：

• *直接索引填充 (`make([]T, N)+for i := range`)**：

  • 优点：当您确切知道切片最终长度，并且所有元素都需要被初始化时，此方法最直接、最清晰。它确保了切片在创建后立即达到期望的长度，并填充了有效的指针。
  • 适用场景：例如，从一个固定大小的数组或已知长度的数据源转换生成切片。

• *预设容量与 append (`make([]T, 0, N)+append`)**：

  • 优点：当您需要动态地向切片中添加元素，但又希望避免频繁的内存重新分配时，此方法非常有效。它提供了 append 的灵活性，同时利用了预分配带来的性能优势。
  • 适用场景：例如，从数据库查询结果、文件读取等不确定数量的数据源中收集元素。

注意事项：

• new(T) 与 &T{}：在Go语言中，new(UselessStruct) 和 &UselessStruct{} 都用于创建结构体实例并返回其指针。new(T) 返回一个指向零值 T 的指针，而 &T{} 创建一个 T 的零值并返回其指针（也可以 &T{field: value} 初始化）。在大多数情况下，它们是等效的，选择哪个更多是风格偏好。
• 性能考量：预分配切片容量是Go语言中常见的性能优化手段。通过避免多次底层数组的重新分配和数据拷贝，可以显著提高程序的运行效率，尤其是在处理大量数据时。

掌握这两种Go语言惯用的切片预分配和填充方法，将帮助您编写出更高效、更健壮的代码。

以上就是Go语言中预分配并填充指针切片的惯用方法的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！