1.数组array

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1.数组array

概述

数组是由相同类型元素的集合组成的数据结构，计算机会为数组分配一块连续的内存来保存其中的元素。

数组作为一种基本的数据类型，我们通常会从两个维度描述数组，也就是数组中存储的元素类型和数组最大能存储的元素个数，在 Go 语言中我们往往会使用如下所示的方式来表示数组类型：

[10]int
[200]interface{}

Go 语言数组在初始化之后大小就无法改变，存储元素类型相同、但是大小不同的数组类型在 Go 语言看来也是完全不同的，只有两个条件都相同才是同一类型。

func NewArray(elem *Type, bound int64) *Type {
	if bound < 0 {
		Fatalf("NewArray: invalid bound %v", bound)
	}
	t := New(TARRAY)
	t.Extra = &Array{Elem: elem, Bound: bound}
	t.SetNotInHeap(elem.NotInHeap())
	return t
}

编译期间的数组类型是由上述的函数生成的，该类型包含两个字段，分别是元素类型 Elem 和数组的大小 Bound，这两个字段共同构成了数组类型，而当前数组是否应该在堆栈中初始化也在编译期就确定了。

初始化

Go 语言的数组有两种不同的创建方式，一种是显式的指定数组大小，另一种是使用 [...]T 声明数组，Go 语言会在编译期间通过源代码推导数组的大小：

arr1 := [3]int{1, 2, 3}
arr2 := [...]int{1, 2, 3}

上述两种声明方式在运行期间得到的结果是完全相同的，后一种声明方式在编译期间就会被转换成前一种，这也就是编译器对数组大小的推导，下面我们来介绍编译器的推导过程。

上限推导

func typecheckcomplit(n *Node) (res *Node) {
	...
	if n.Right.Op == OTARRAY && n.Right.Left != nil && n.Right.Left.Op == ODDD {
		n.Right.Right = typecheck(n.Right.Right, ctxType)
		if n.Right.Right.Type == nil {
			n.Type = nil
			return n
		}
		elemType := n.Right.Right.Type

		length := typecheckarraylit(elemType, -1, n.List.Slice(), "array literal") // 这里通过遍历元素的方式来计算数组中元素的数量

		n.Op = OARRAYLIT
		n.Type = types.NewArray(elemType, length)
		n.Right = nil
		return n
	}
	...

	switch t.Etype {
	case TARRAY:
		typecheckarraylit(t.Elem(), t.NumElem(), n.List.Slice(), "array literal")
		n.Op = OARRAYLIT
		n.Right = nil
	}
}

所以我们可以看出 [...]T{1, 2, 3} 和 [3]T{1, 2, 3} 在运行时是完全等价的，[...]T 这种初始化方式也只是 Go 语言为我们提供的一种语法糖，当我们不想计算数组中的元素个数时可以通过这种方法减少一些工作量。

语句转换

当元素数量小于或者等于 4 个时，会直接将数组中的元素放置在栈上；
当元素数量大于 4 个时，会将数组中的元素放置到静态区并在运行时取出；

func anylit(n *Node, var_ *Node, init *Nodes) {
	t := n.Type
	switch n.Op {
	case OSTRUCTLIT, OARRAYLIT:
		if n.List.Len() > 4 {
			...
		}

		fixedlit(inInitFunction, initKindLocalCode, n, var_, init)
	...
	}
}

func fixedlit(ctxt initContext, kind initKind, n *Node, var_ *Node, init *Nodes) {
	var splitnode func(*Node) (a *Node, value *Node)
	...

	for _, r := range n.List.Slice() {
		a, value := splitnode(r)
		a = nod(OAS, a, value)
		a = typecheck(a, ctxStmt)
		switch kind {
		case initKindStatic:
			genAsStatic(a)
		case initKindLocalCode:
			a = orderStmtInPlace(a, map[string][]*Node{})
			a = walkstmt(a)
			init.Append(a)
		}
	}
}

var arr [3]int
arr[0] = 1
arr[1] = 2
arr[2] = 3

func anylit(n *Node, var_ *Node, init *Nodes) {
	t := n.Type
	switch n.Op {
	case OSTRUCTLIT, OARRAYLIT:
		if n.List.Len() > 4 {
			vstat := staticname(t)
			vstat.Name.SetReadonly(true)

			fixedlit(inNonInitFunction, initKindStatic, n, vstat, init)

			a := nod(OAS, var_, vstat)
			a = typecheck(a, ctxStmt)
			a = walkexpr(a, init)
			init.Append(a)
			break
		}

		...
	}
}

假设代码需要初始化 [5]int{1, 2, 3, 4, 5}，那么我们可以将上述过程理解成以下的伪代码：

var arr [5]int
statictmp_0[0] = 1
statictmp_0[1] = 2
statictmp_0[2] = 3
statictmp_0[3] = 4
statictmp_0[4] = 5
arr = statictmp_0

访问和赋值

func typecheck1(n *Node, top int) (res *Node) {
	switch n.Op {
	case OINDEX:
		ok |= ctxExpr
		l := n.Left  // array
		r := n.Right // index
		switch n.Left.Type.Etype {
		case TSTRING, TARRAY, TSLICE:
			...
			if n.Right.Type != nil && !n.Right.Type.IsInteger() { // 下标非整数
				yyerror("non-integer array index %v", n.Right)
				break
			}
			if !n.Bounded() && Isconst(n.Right, CTINT) {
				x := n.Right.Int64()
				if x < 0 { // 下标为负数
					yyerror("invalid array index %v (index must be non-negative)", n.Right)
				} else if n.Left.Type.IsArray() && x >= n.Left.Type.NumElem() { // 下标越界
					yyerror("invalid array index %v (out of bounds for %d-element array)", n.Right, n.Left.Type.NumElem())
				}
			}
		}
	...
	}

数组和字符串的一些简单越界错误都会在编译期间发现，例如：直接使用整数或者常量访问数组。

但是如果使用变量去访问数组或者字符串时，编译器就无法提前发现错误，我们需要 Go 语言运行时阻止不合法的访问：

arr[4]: invalid array index 4 (out of bounds for 3-element array)
arr[i]: panic: runtime error: index out of range [4] with length 3

TEXT runtime·panicIndex(SB),NOSPLIT,$0-8
	MOVL	AX, x+0(FP)
	MOVL	CX, y+4(FP)
	JMP	runtime·goPanicIndex(SB)

func goPanicIndex(x int, y int) {
	panicCheck1(getcallerpc(), "index out of range")
	panic(boundsError{x: int64(x), signed: true, y: y, code: boundsIndex})
}

当数组的访问操作 OINDEX 成功通过编译器的检查后，会被转换成几个 SSA 指令。start 阶段生成的 SSA 代码就是优化之前的第一版中间代码，下面展示的部分是 elem := arr[i] 对应的中间代码，在这段中间代码中我们发现 Go 语言为数组的访问操作生成了判断数组上限的指令 IsInBounds 以及当条件不满足时触发程序崩溃的 PanicBounds 指令：

b1:
    ...
    v22 (6) = LocalAddr <*[3]int> {arr} v2 v20
    v23 (6) = IsInBounds <bool> v21 v11
If v23 → b2 b3 (likely) (6)

b2: ← b1- // 没有越界的分支
    v26 (6) = PtrIndex <*int> v22 v21
    v27 (6) = Copy <mem> v20
    v28 (6) = Load <int> v26 v27 (elem[int])
    ...
Ret v30 (+7)

b3: ← b1- // 越界分支
    v24 (6) = Copy <mem> v20
    v25 (6) = PanicBounds <mem> [0] v21 v11 v24
Exit v25 (6)

当然只有当编译器无法对数组下标是否越界无法做出判断时才会加入 PanicBounds 指令交给运行时进行判断，在使用字面量整数访问数组下标时会生成非常简单的中间代码，当我们将代码中的 arr[i] 改成 arr[2] 时，就会得到如下所示的代码：

b1:
    ...
    v21 (5) = LocalAddr <*[3]int> {arr} v2 v20
    v22 (5) = PtrIndex <*int> v21 v14
    v23 (5) = Load <int> v22 v20 (elem[int])
    ...

Go 语言对于数组的访问还是有着比较多的检查的，它不仅会在编译期间提前发现一些简单的越界错误并插入用于检测数组上限的函数调用，还会在运行期间通过插入的函数保证不会发生越界。

数组的赋值和更新操作 a[i] = 2 也会生成 SSA 生成期间计算出数组当前元素的内存地址，然后修改当前内存地址的内容，这些赋值语句会被转换成如下所示的 SSA 代码：

b1:
    ...
    v21 (5) = LocalAddr <*[3]int> {arr} v2 v19
    v22 (5) = PtrIndex <*int> v21 v13
    v23 (5) = Store <mem> {int} v22 v20 v19
    ...

赋值的过程中会先确定目标数组的地址，再通过 PtrIndex 获取目标元素的地址，最后使用 Store 指令将数据存入地址中，从上面的这些 SSA 代码中我们可以看出上述数组寻址和赋值都是在编译阶段完成的，没有运行时的参与。

小结

原文链接

https://draveness.me/golang/docs/part2-foundation/ch03-datastructure/golang-array/

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