面试题：Go语言中数组与切片在内存分配上的主要区别

Question

在Go语言里，数组与切片在内存分配机制上存在明显差异，请阐述它们各自的内存分配方式，以及这种分配方式对其性能产生怎样的影响？

Answer 1

数组内存分配方式

1. 固定大小分配：Go语言中数组的大小在声明时就确定且不可改变。例如 var arr [5]int，在内存中会为这5个 int 类型的元素连续分配固定大小的内存空间。这个空间的大小取决于数组元素的类型和数量，一旦分配完成，其大小不会再变化。
2. 栈或堆分配：如果数组是局部变量（在函数内部声明），并且大小在编译期可确定，通常会在栈上分配内存。如果数组是全局变量或者其大小在编译期无法确定（例如使用变量来指定数组大小，虽然Go语言不支持这种声明方式，但类似情况可能出现在结构体中的数组字段），则可能在堆上分配内存。

切片内存分配方式

1. 动态分配：切片本身是一个轻量级的数据结构，它包含三个部分：指向底层数组的指针、切片的长度（len）和容量（cap）。切片的内存分配是基于其底层数组的。当使用 make 函数创建切片时，例如 s := make([]int, 5, 10)，会先在堆上分配一个容量为10的底层数组，然后切片 s 指向这个数组的前5个元素（长度为5）。
2. 自动扩容：当切片的容量不足以容纳新的元素时，会触发自动扩容机制。扩容时，Go语言会分配一个新的更大的底层数组，将原数组的内容复制到新数组，然后让切片指向新数组。新容量一般是原容量的2倍（如果原容量小于1024）；如果原容量大于等于1024，则新容量会增加原容量的1/4。

对性能的影响

1. 数组性能影响
   • 优点：由于数组大小固定且内存连续，对于已知固定大小的数据集合，访问和遍历数组元素的性能较高。因为内存连续，在CPU缓存中可以更好地命中，减少内存访问次数，提高访问效率。例如在频繁访问数组元素的循环操作中，数组性能表现出色。
   • 缺点：数组大小不可变，如果需要存储的数据量动态变化，可能会导致空间浪费（分配过大）或不够用（分配过小），这在一定程度上限制了其灵活性，并且如果在堆上分配大数组，可能会增加垃圾回收的负担。
2. 切片性能影响
   • 优点：切片的动态特性使其在处理大小不确定的数据集合时非常灵活。自动扩容机制使得开发者无需手动管理内存大小，降低了编程复杂度。在需要频繁追加元素的场景下，虽然扩容时会有复制操作带来一定性能开销，但整体上能较好地适应数据动态增长的需求。
   • 缺点：由于切片的扩容机制涉及内存分配和数据复制，在高并发场景下频繁扩容可能会导致性能问题，同时也会增加内存碎片的产生，影响垃圾回收效率。另外，相比数组直接访问元素，切片通过指针间接访问底层数组元素，会稍微增加一些访问开销。