面試題：讓你捉摸不透的 Go reslice

面試題：

package main

func a() []int {
	a1 := []int{3}
	a2 := a1[1:]
	return a2
}

func main() {
	a()
}
           

看到這個題, 你的第一反應是啥?

(A) 編譯失敗
(B) panic: runtime error: index out of range [1] with length 1
(C) []
(D) 其他
           

第一感覺: 肯定能編譯過, 但是運作時一定會panic的. 但事與願違竟然能夠正常運作, 結果是:[]

疑問

a1 := []int{3}
a2 := a1[1:]
fmt.Println("a[1:]", a2)
           

a1 和 a2 共享同樣的底層數組, len(a1) = 1, a1[1]絕對會panic, 但是a[1:]卻能正常輸出, 這是為何?

從表面入手

整體上看下整體的情況

a1 := []int{3}
fmt.Printf("len:%d, cap:%d", len(a1), cap(a1))
fmt.Println("a[0:]", a1[0:])
fmt.Println("a[1:]", a1[1:])
fmt.Println("a[2:]", a1[2:])
           

結果:

len:1, cap:1
a[0:]: [1]
a[1:] []
panic: runtime error: slice bounds out of range [2:1]
           

從表面來看, 從a[2:]才開始panic, 到底是誰一手造成這樣的結果呢?

彙編上看一目了然

"".a STEXT size=87 args=0x18 locals=0x18
	// 省略...
	0x0028 00040 (main.go:6)	CALL	runtime.newobject(SB)
	0x002d 00045 (main.go:6)	MOVQ	8(SP), AX  // 将slice的資料首位址加載到AX寄存器
	0x0032 00050 (main.go:6)	MOVQ	$3, (AX)   // 把3放入到AX寄存器中, 也就是a1[0]
	0x0039 00057 (main.go:8)	MOVQ	AX, "".~r0+32(SP)
	0x003e 00062 (main.go:8)	XORPS	X0, X0     // 初始化 X0 寄存器
	0x0041 00065 (main.go:8)	MOVUPS	X0, "".~r0+40(SP) // 将X0放入傳回值
	0x0046 00070 (main.go:8)	MOVQ	16(SP), BP
	0x004b 00075 (main.go:8)	ADDQ	$24, SP
	0x004f 00079 (main.go:8)	RET
	// 省略....
           

其實主要關心這兩行即可.

0x003e 00062 (main.go:8)	XORPS	X0, X0     // 初始化 X0 寄存器
0x0041 00065 (main.go:8)	MOVUPS	X0, "".~r0+40(SP) // 将X0放入傳回值
           

是不是很神奇, a[1:] 沒有調用

runtime.panicSliceB(SB)

, 而是傳回的是一個空的slice. 這是為何呢?

持着懷疑态度, 去 github 提上一枚 issue. https://github.com/golang/go/issues/42069

結論: 這是故意的, 單純為了保持reslice對稱而已. 這也就解釋了傳回一個空的slice的原因.

reslice 原理

上面的問題已經解釋清楚了, 回過頭來看正常 reslice 的例子

func a() []int {
	a1 := []int{3, 4, 5, 6, 7, 8}
	a2 := a1[2:]
	return a2
}
           

用簡單的圖來描述這段代碼裡, a1 和 a2 之間的reslice 關系. 可以看到 a1 和 a2 是共享底層數組的.

如果你知道這些, 那麼 slice 的使用基本上不會出現問題.

下面這些問題你考慮過嗎 ?

1. a1, a2 是如何共享底層數組的?
2. a1[low:high]是如何實作的?

繼續來看這段代碼的彙編:

"".a STEXT size=117 args=0x18 locals=0x18
	// 省略...
	0x0028 00040 (main.go:4)	CALL	runtime.newobject(SB)
	0x002d 00045 (main.go:4)	MOVQ	8(SP), AX
	0x0032 00050 (main.go:4)	MOVQ	$3, (AX)
	0x0039 00057 (main.go:4)	MOVQ	$4, 8(AX)
	0x0041 00065 (main.go:4)	MOVQ	$5, 16(AX)
	0x0049 00073 (main.go:4)	MOVQ	$6, 24(AX)
	0x0051 00081 (main.go:4)	MOVQ	$7, 32(AX)
	0x0059 00089 (main.go:4)	MOVQ	$8, 40(AX)
	0x0061 00097 (main.go:5)	ADDQ	$16, AX
	0x0065 00101 (main.go:6)	MOVQ	AX, "".~r0+32(SP)
	0x006a 00106 (main.go:6)	MOVQ	$4, "".~r0+40(SP)
	0x0073 00115 (main.go:6)	MOVQ	$4, "".~r0+48(SP)
	0x007c 00124 (main.go:6)	MOVQ	16(SP), BP
	0x0081 00129 (main.go:6)	ADDQ	$24, SP
	0x0085 00133 (main.go:6)	RET
	// 省略....
           

• 第4行: 将 AX 棧頂指針下移 8 位元組, 指向了 a1 的 data 指向的位址空間裡
• 第5-10行: 将 [3,4,5,6,7,8] 放入到 a1 的 data 指向的位址空間裡
• 第11行: AX 指針後移 16 個位元組. 也就是指向元素 5 的位置
• 第12行: 将 SP 指針下移 32 位元組指向即将傳回的 slice (其實就是 a2 ), 同時将 AX 放入到 SP. 注意 AX 放入 SP 裡的是一個指針, 也就造成了a1, a2是共享同一塊記憶體空間的
• 第13行: 将 SP 指針下移 40 位元組指向了 a2 的 len, 同時 把 4 放入到 SP, 也就是 len(a2) = 4
• 第14行: 将 SP 指針下移 48 位元組指向了 a2 的 cap, 同時 把 4 放入到 SP, 也就是 cap(a2) = 4

下圖是 slice 的 棧圖, 可以配合着上面的彙編一塊看.

看到這裡是不是一目了然了. 于是有了下面的這些結論:

1. reslice 完全是利用彙編實作的
2. reslice 時, slice 的 data 通過指針的移動完成, 造成了共享相同的底層資料, 同時将新的 len, cap 放入對應的位置

至此, golang reslice的原理基本已經闡述清楚了.

參考資料

1. 深入Go的底層，帶你走近一群有追求的人
2. 彙編角度看 Slice，一個新的世界
3. Why slice not painc
4. Slice expressions
5. A Quick Guide to Go's Assembler
6. plan9 assembly 完全解析