Go 數組比切片好在哪？
本文轉載自微信公眾號「腦子進煎魚了」，作者陳煎魚。轉載本文請聯系腦子進煎魚了公眾號。
大家好，我是煎魚。
前段時間有播放一條快訊，就是 Go1.17 會正式支持切片(Slice)轉換到數據(Array)，不再需要用以前那種騷辦法了，安全了許多。
但是也有同學提出了新的疑惑，在 Go 語言中，數組其實是用的相對較少的，甚至會有同學認為在 Go 里可以把數組給去掉。
數組相較切片到底有什么優勢，我們又應該在什么場景下使用呢?
這是一個我們需要深究的問題，因此今天就跟大家一起來一探究竟，本文會先簡單介紹數組和切片是什么，再進一步對數組的使用場景剖析。
一起愉快地開始吸魚之路。
數組是什么
Go 語言中有一種基本數據類型，叫數組。其格式為：[n]T。是一個包含 N 個類型 T 的值的數組。
基本聲明格式為：
- var a [10]int
代表的是聲明了一個變量 a 是一個包含 10 個整數的數組。數組的長度是其類型的一部分，所以數組不能被隨意調整大小。
在使用例子上：
- func main() {
- var a [2]string
- a[0] = "腦子進"
- a[1] = "煎魚了"
- fmt.Println(a[0], a[1])
- fmt.Println(a)
- primes := [6]int{2, 3, 5, 7, 11, 13}
- fmt.Println(primes)
- }
輸出結果：
- 腦子進 煎魚了
- [腦子進 煎魚了]
- [2 3 5 7 11 13]
在賦值和訪問上，數組可以針對不同的索引，進行單獨操作。在內存布局上，數組的索引 0 和 1...是會在相鄰區域，可直接訪問。
切片是什么
為什么數組在業務代碼似乎用的很少。因為 Go 語言有一個切片的數據類型：
基本聲明格式為：
- var a []T
代表的是變量 a 是帶有類型元素的切片T。通過指定兩個索引(下限和上限)并用冒號隔開來形成切片：
- a[low : high]
在使用例子上：
- func main() {
- primes := [3]string{"煎魚", "搞", "Go"}
- var s []string = primes[1:3]
- fmt.Println(s)
- }
輸出結果：
- [搞 Go]
切片支持動態的擴縮容，不需要用戶側去關注，非常便利。更重要的一點是，切片的底層數據結構中本身就包含了數組：
- type slice struct {
- array unsafe.Pointer
- len int
- cap int
- }
也就很多人笑稱：在 Go 語言中數組已經可以下崗了，用切片就完事了...
你怎么看待這個說法的呢，快速思考你心中的答案。
數組的優勢
在風塵仆仆介紹完數組和切片的基本場景后，在數組的優勢方面，先了解一下官方的自述：
Arrays are useful when planning the detailed layout of memory and sometimes can help avoid allocation, but primarily they are a building block for slices.
非常粗暴間接：在規劃內存的詳細布局時，數組是很有用的，有時可以幫助避免分配，但主要是它們是分片的構建塊。
我們再進一步解讀，看看官方這股 “密文” 具體指的是什么，我們將該密文解讀為以下內容進行講解：
- 可比較。
- 編譯安全。
- 長度是類型。
- 規劃內存布局。
- 訪問速度。
可比較
數組是固定長度的，它們之間是可以進行比較的，數組是值對象(不是引用或指針類型)，你不會遇到 interface 等比較的誤判：
- func main() {
- a1 := [3]string{"腦子", "進", "煎魚了"}
- a2 := [3]string{"煎魚", "進", "腦子了"}
- a3 := [3]string{"腦子", "進", "煎魚了"}
- fmt.Println(a1 == a2, a1 == a3)
- }
輸出結果：
- false true
另一方面，切片不可以直接比較，也不能用于判斷：
- func main() {
- a1 := []string{"腦子", "進", "煎魚了"}
- a2 := []string{"煎魚", "進", "腦子了"}
- a3 := []string{"腦子", "進", "煎魚了"}
- fmt.Println(a1 == a2, a1 == a3)
- }
輸出結果：
- # command-line-arguments
- ./main.go:10:17: invalid operation: a1 == a2 (slice can only be compared to nil)
- ./main.go:10:27: invalid operation: a1 == a3 (slice can only be compared to nil)
同時數組可以作為 map 的 k(鍵)，而切片不行，切片并沒有實現平等運算符(equality operator)，需要考慮的問題有非常多，例如：
- 涉及淺層與深層比較。
- 指針與值比較。
- 如何處理遞歸類型。
平等是為結構體和數組定義的，所以這類類型可以作為 map 鍵使用。切片沒有平等的定義，有著非常根本的差距。
數組的可比較和平等，切片做不到。
編譯安全
數組可以提供更高的編譯時安全，可以在編譯時檢查索引范圍。如下：
- s := make([]int, 3)
- s[3] = 3 // "Only" a runtime panic: runtime error: index out of range
- a := [3]int{}
- a[3] = 3 // Compile-time error: invalid array index 3 (out of bounds for 3-element array)
這個編譯檢查的幫助雖 “小”，但其實非常有意義。我是日常看到各大切片越界的告警，感覺都能背下來了...
萬一這個越界是在 hot path 上，影響大量用戶，分分鐘背個事故，再來個 3.25，豈不夢中驚醒?
數組的編譯安全，切片做不到。
長度是類型
數組的長度是數組類型聲明的一部分，因此長度不同的數組是不同的類型，兩個就不是一個 “東西”。
當然，這是一把雙刃劍。其優勢在于：可用于顯式指定所需數組的長度。
例如：你在業務代碼中想編寫一個使用 IPv4 地址的函數。可以聲明 type [4]byte。使用數組有以下意識：
有了編譯時的保證，也就是達到傳遞給你的函數的值將恰好具有4個字節，不多也不少的效果。
如果長度不對，也就可以認為是無效的 IPv4 地址，非常方便。
同時數組的長度，也可以用做記錄目的：
MD5 類型，在 crypto/md5包中，md5.Sum 方法返回類型為的值，[Size]byte 其中 md5.Size 一個常量為16：MD5 校驗和的長度。
IPv4 類型，所聲明的 [4]byte 正確記錄了有 4 個字節。
RGB 類型，所聲明的 [3]byte 告訴有對每個顏色成分 1 個字節。
在特定業務場景上，使用數組更好。
規劃內存布局
數組可以更好地控制內存布局，因為不能直接在帶有切片的結構中分配空間，所以可以使用數組來解決。
例如：
- type Foo struct {
- buf [64]byte
- }
不知道你是否有在一些 Go 圖形庫上見過這種不明所以的操作，例子如下：
- type TGIHeader struct {
- _ uint16 // Reserved
- _ uint16 // Reserved
- Width uint32
- Height uint32
- _ [15]uint32 // 15 "don't care" dwords
- SaveTime int64
- }
因為業務需求，我們需要實現一個格式，其中格式是 "TGI"(理論上的Go Image)，頭包含這樣的字段：
- 有 2 個保留字(每個16位)。
- 有 1 個字的圖像寬度。
- 有 1 個字的圖像高度。
- 有 15 個業務 "不在乎 "的字節。
- 有 1 個保存時間，圖像的保存時間為8字節，是自1970年1月1日UTC以來的納秒數。
這么一看，也就不難理解數組的在這個場景下的優勢了。定長，可控的內存，在計劃內存布局時非常有用。
訪問速度
使用數組時，其訪問(單個)數組元素比訪問切片元素更高效，時間復雜度是 O(1)。例如：
- var a [2]string
- a[0] = "腦子進"
- a[1] = "煎魚了"
- fmt.Println(a[0], a[1])
切片就沒那么方便了，訪問某個位置上的索引值，需要：
- var a []int{0, 1, 2, 3, 4, 5}
- number := numbers[1:3]
相對復雜些的，刪除指定索引位上的值，可能還有小伙伴糾結半天，甚至在找第三方開源庫想快速實現。
無論在訪問速度和開發效率上，數組都占一定的優勢，這是切片所無法直接對比的。
總結
經過一輪的探討，我們對 Go 語言的數組有了更深入的理解。總結如下：
數組是值對象，可以進行比較，可以將數組用作 map 的映射鍵。而這些，切片都不可以，不能比較，無法作為 map 的映射鍵。
數組有編譯安全的檢查，可以在早起就避免越界行為。切片是在運行時會出現越界的 panic，階段不同。
數組可以更好地控制內存布局，若拿切片替換，會發現不能直接在帶有切片的結構中分配空間，數組可以。
數組在訪問單個元素時，性能比切片好。
數組的長度，是類型的一部分。在特定場景下具有一定的意義。
數組是切片的基礎，每個數組都可以是一個切片，但并非每個切片都可以是一個數組。如果值是固定大小，可以通過使用數組來獲得較小的性能提升(至少節省 slice 頭占用的空間)。
與你心目中的數組的優勢是否一致呢，歡迎大家在評論區進行討論和交流。
我是煎魚，咱們下期再見：)
參考
In GO programming language what are the benefits of using Arrays over Slices?
Why have arrays in Go?
