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Golang 語言map底層實現(xiàn)原理解析

在開發(fā)過程中，map是必不可少的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在Golang中，使用map或多或少會遇到與其他語言不一樣的體驗，比如訪問不存在的元素會返回其類型的空值、map的大小究竟是多少，為什么會報"cannot take the address of"錯誤，遍歷map的隨機性等等。
本文希望通過研究map的底層實現(xiàn)，以解答這些疑惑。
基于Golang 1.8.3

1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)存管理

hashmap的定義位于 src/runtime/hashmap.go 中，首先我們看下hashmap和bucket的定義：

type hmap struct {
 count  int // 元素的個數(shù)
 flags  uint8 // 狀態(tài)標志
 B   uint8 // 可以最多容納 6.5 * 2 ^ B 個元素，6.5為裝載因子
 noverflow uint16 // 溢出的個數(shù)
 hash0  uint32 // 哈希種子
 
 buckets unsafe.Pointer // 桶的地址
 oldbuckets unsafe.Pointer // 舊桶的地址，用于擴容
 nevacuate uintptr  // 搬遷進度，小于nevacuate的已經(jīng)搬遷
 overflow *[2]*[]*bmap 
}

其中，overflow是一個指針，指向一個元素個數(shù)為2的數(shù)組，數(shù)組的類型是一個指針，指向一個slice，slice的元素是桶(bmap)的地址，這些桶都是溢出桶；為什么有兩個？因為Go map在hash沖突過多時，會發(fā)生擴容操作，為了不全量搬遷數(shù)據(jù)，使用了增量搬遷，[0]表示當前使用的溢出桶集合，[1]是在發(fā)生擴容時，保存了舊的溢出桶集合；overflow存在的意義在于防止溢出桶被gc。

// A bucket for a Go map.
type bmap struct {
 // 每個元素hash值的高8位，如果tophash[0]  minTopHash，表示這個桶的搬遷狀態(tài)
 tophash [bucketCnt]uint8
 // 接下來是8個key、8個value，但是我們不能直接看到；為了優(yōu)化對齊，go采用了key放在一起，value放在一起的存儲方式，
 // 再接下來是hash沖突發(fā)生時，下一個溢出桶的地址
}

tophash的存在是為了快速試錯，畢竟只有8位，比較起來會快一點。

從定義可以看出，不同于STL中map以紅黑樹實現(xiàn)的方式，Golang采用了HashTable的實現(xiàn)，解決沖突采用的是鏈地址法。也就是說，使用數(shù)組+鏈表來實現(xiàn)map。特別的，對于一個key，幾個比較重要的計算公式為:

key	hash	hashtop	bucket index
key	hash := alg.hash(key, uintptr(h.hash0))	top := uint8(hash >> (sys.PtrSize*8 - 8))	bucket := hash (uintptr(1)h.B - 1)，即 hash % 2^B

例如，對于B = 3，當hash(key) = 4時， hashtop = 0， bucket = 4，當hash(key) = 20時，hashtop = 0， bucket = 4；這個例子我們在搬遷過程還會用到。

內(nèi)存布局類似于這樣：

hashmap-buckets

2. 創(chuàng)建 - makemap

map的創(chuàng)建比較簡單，在參數(shù)校驗之后，需要找到合適的B來申請桶的內(nèi)存空間，接著便是穿件hmap這個結(jié)構(gòu)，以及對它的初始化。

makemap

3. 訪問 - mapaccess

對于給定的一個key，可以通過下面的操作找到它是否存在

image.png

方法定義為

// returns key, if not find, returns nil
func mapaccess1(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer 
 
// returns key and exist. if not find, returns nil, false
func mapaccess2(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, bool)
 
// returns both key and value. if not find, returns nil, nil
func mapaccessK(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, unsafe.Pointer)

可見在找不到對應key的情況下，會返回nil

4. 分配 - mapassign

為一個key分配空間的邏輯，大致與查找類似；但增加了寫保護和擴容的操作；注意，分配過程和刪除過程都沒有在oldbuckets中查找，這是因為首先要進行擴容判斷和操作；如下：

assign

擴容是整個hashmap的核心算法，我們放在第6部分重點研究。

新建一個溢出桶，并將其拼接在當前桶的尾部，實現(xiàn)了類似鏈表的操作：

// 獲取當前桶的溢出桶
func (b *bmap) overflow(t *maptype) *bmap {
 return *(**bmap)(add(unsafe.Pointer(b), uintptr(t.bucketsize)-sys.PtrSize))
}
 
// 設(shè)置當前桶的溢出桶
func (h *hmap) setoverflow(t *maptype, b, ovf *bmap) {
 h.incrnoverflow()
 if t.bucket.kindkindNoPointers != 0 {
  h.createOverflow()
  //重點，這里講溢出桶append到overflow[0]的后面
  *h.overflow[0] = append(*h.overflow[0], ovf)
 }
 *(**bmap)(add(unsafe.Pointer(b), uintptr(t.bucketsize)-sys.PtrSize)) = ovf
}

5. 刪除 - mapdelete

刪除某個key的操作與分配類似，由于hashmap的存儲結(jié)構(gòu)是數(shù)組+鏈表，所以真正刪除key僅僅是將對應的slot設(shè)置為empty，并沒有減少內(nèi)存；如下：

mapdelete

6. 擴容 - growWork

首先，判斷是否需要擴容的邏輯是

func (h *hmap) growing() bool {
 return h.oldbuckets != nil
}

何時h.oldbuckets不為nil呢？在分配assign邏輯中，當沒有位置給key使用，而且滿足測試條件(裝載因子>6.5或有太多溢出通)時，會觸發(fā)hashGrow邏輯：

func hashGrow(t *maptype, h *hmap) {
 //判斷是否需要sameSizeGrow，否則"真"擴
 bigger := uint8(1)
 if !overLoadFactor(int64(h.count), h.B) {
  bigger = 0
  h.flags |= sameSizeGrow
 }
  // 下面將buckets復制給oldbuckets
 oldbuckets := h.buckets
 newbuckets := newarray(t.bucket, 1(h.B+bigger))
 flags := h.flags ^ (iterator | oldIterator)
 if h.flagsiterator != 0 {
  flags |= oldIterator
 }
 // 更新hmap的變量
 h.B += bigger
 h.flags = flags
 h.oldbuckets = oldbuckets
 h.buckets = newbuckets
 h.nevacuate = 0
 h.noverflow = 0
  // 設(shè)置溢出桶
 if h.overflow != nil {
  if h.overflow[1] != nil {
   throw("overflow is not nil")
  }
// 交換溢出桶
  h.overflow[1] = h.overflow[0]
  h.overflow[0] = nil
 }
}

OK，下面正式進入重點，擴容階段；在assign和delete操作中，都會觸發(fā)擴容growWork：

func growWork(t *maptype, h *hmap, bucket uintptr) {
 // 搬遷舊桶，這樣assign和delete都直接在新桶集合中進行
 evacuate(t, h, bucketh.oldbucketmask())
  //再搬遷一次搬遷過程中的桶
 if h.growing() {
  evacuate(t, h, h.nevacuate)
 }
}

6.1 搬遷過程

一般來說，新桶數(shù)組大小是原來的2倍(在!sameSizeGrow()條件下)，新桶數(shù)組前半段可以"類比"為舊桶，對于一個key，搬遷后落入哪一個索引中呢？

假設(shè)舊桶數(shù)組大小為2^B，新桶數(shù)組大小為2*2^B，對于某個hash值X
若 X (2^B) == 0，說明 X 2^B，那么它將落入與舊桶集合相同的索引xi中；
否則，它將落入xi + 2^B中。

例如，對于舊B = 3時，hash1 = 4，hash2 = 20，其搬遷結(jié)果類似這樣。

example.png

源碼中有些變量的命名比較簡單，容易擾亂思路，我們注明一下便于理解。

變量	釋義
x *bmap	桶x表示與在舊桶時相同的位置，即位于新桶前半段
y *bmap	桶y表示與在舊桶時相同的位置+舊桶數(shù)組大小，即位于新桶后半段
xi int	桶x的slot索引
yi int	桶y的slot索引
xk unsafe.Pointer	索引xi對應的key地址
yk unsafe.Pointer	索引yi對應的key地址
xv unsafe.Pointer	索引xi對應的value地址
yv unsafe.Pointer	索引yi對應的value地址

搬遷過程如下：

evacuate

總結(jié)

到目前為止，Golang的map實現(xiàn)細節(jié)已經(jīng)分析完畢，但不包含迭代器相關(guān)操作。通過分析，我們了解了map是由數(shù)組+鏈表實現(xiàn)的HashTable，其大小和B息息相關(guān)，同時也了解了map的創(chuàng)建、查詢、分配、刪除以及擴容搬遷原理?？偟膩碚f，Golang通過hashtop快速試錯加快了查找過程，利用空間換時間的思想解決了擴容的問題，利用將8個key(8個value)依次放置減少了padding空間等等。

到此這篇關(guān)于Golang 語言map底層實現(xiàn)原理解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Golang map底層實現(xiàn)原理內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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