Go map底层实现与扩容规则和特性分类详细讲解

2023-03-28 11:27:44 作者：Mengo_x

这篇文章主要介绍了Go map底层实现与扩容规则和特性，文中通过示例代码介绍的非常详细，对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，需要的朋友们下面随着小编来一起学习吧

1、哈希表

哈希表用来存储键值对，通过 hash 函数把键值对散列到一个个桶（bucket）中。

Go 使用与运算，桶个数 m，则编号 [0, m-1]，把键的 hash 值与 m-1 与运算。为保证所有桶都会被选中，m 一定为 2 的整数次幂。这样 m 的二进制表示一定只有一位为 1，m-1 的二进制表示一定是低于这一位的所有位均为 1。下文扩容规则有详细样例。

m=4 （00000100）
m-1 （00000011）

如果桶的个数不是2的整数次幂，就有可能出现有些桶绝对不会被选中的情况：

m=5 （00000101）
m-1 （00000100）

则 [1, 3] 注定是空桶。

负载因子 = count / bucket数量

2、Go map底层实现

hmap

Golang的map就是使用哈希表作为底层实现，map 实际上就是一个指针，指向hmap结构体。

type hmap struct {
  count     int              // 存储的键值对数目
  flags     uint8            // 状态标志（是否处于正在写入的状态等）
  B         uint8            // 桶的数目 2^B
  noverflow uint16           // 使用的溢出桶的数量
  hash0     uint32           // 生成hash的随机数种子
  buckets    unsafe.Pointer  // bucket数组指针，数组的大小为2^B（桶）
  oldbuckets unsafe.Pointer  // 扩容阶段用于记录旧桶用到的那些溢出桶的地址
  nevacuate  uintptr         // 记录渐进式扩容阶段下一个要迁移的旧桶编号
  extra *mapextra            // 指向mapextra结构体里边记录的都是溢出桶相关的信息
}

bmap

buckets 则是指向哈希表节点 bmap 即 bucket 的指针，Go 中一个桶里面会最多装 8 个 key。

hash 值低8位用来定位 bucket，高8位定位 tophash。

type bmap struct {
    tophash [bucketCnt]uint8        
    // len为8的数组，用来快速定位key是否在这个bmap中
    // 一个桶最多8个槽位，如果key所在的tophash值在tophash中，则代表该key在这个桶中
}

上面bmap结构是静态结构，在编译过程中runtime.bmap会拓展成以下结构体：

type bmap struct{
    topbits  [8]uint8
    keys     [8]keytype
    values   [8]valuetype
    pad      uintptr        // 内存对齐使用，可能不需要
    overflow uintptr        // 当bucket 的8个key 存满了之后
    // overflow 指向下一个溢出桶 bmap，
    // overflow是uintptr而不是*bmap类型，保证bmap完全不含指针，是为了减少gc，溢出桶存储到extra字段中
}

tophash：是个长度为8的数组，哈希值低位相同的键存入当前bucket时会将哈希值的高 8 位存储在该数组中，以方便后续匹配。

tophash字段不仅存储key哈希值的高8位，还会存储一些状态值，用来表明当前桶单元状态，这些状态值都是小于minTopHash的。为了避免key哈希值的高8位值和这些状态值相等，产生混淆情况，所以当key哈希值高8位若小于minTopHash时候，自动将其值加上minTopHash作为该key的tophash。

emptyRest      = 0 // 表明此桶单元为空，且更高索引的单元也是空
emptyOne       = 1 // 表明此桶单元为空
evacuatedX     = 2 // 用于表示扩容迁移到新桶前半段区间
evacuatedY     = 3 // 用于表示扩容迁移到新桶后半段区间
evacuatedEmpty = 4 // 用于表示此单元已迁移
minTopHash     = 5 // key的tophash值与桶状态值分割线值，小于此值的一定代表着桶单元的状态，大于此值的一定是key对应的tophash值
func tophash(hash uintptr) uint8 {
    top := uint8(hash >> (goarch.PtrSize*8 - 8))
    if top < minTopHash {
        top += minTopHash
    }
    return top
}

一个桶里边可以放8个键值对，但是为了让内存排列更加紧凑，8个key放一起，8个value放一起，在8个key前面是8个tophash，每个tophash都是对应哈希值的高8位。

当key和value类型不一样的时候，key和value占用字节大小不一样，使用key/value这种形式可能会因为内存对齐导致内存空间浪费。

overflow：指向一个溢出桶，溢出桶的布局与常规的桶布局相同，是为了减少扩容次数引入的（即哈希冲突的拉链法）。当一个桶存满了，还有可用的溢出桶时，就会在桶后边链一个溢出桶继续往里面存。

mapextra与溢出桶

如果哈希表要分配的桶的数目大与 **** 2 4 2^4 24**次方，就认为使用到溢出桶的几率较大，就会预分配 2 ( B − 4 ) 2^{(B-4)} 2(B−4) 个溢出桶备用**，这些溢出桶与常规桶在内存中是连续的，只是前 2 B 2^B 2B 个用作常规桶。

hmap 中最后有 extra 字段，它是指向mapextra结构体，里边记录的都是溢出桶相关的信息。

type mapextra struct {
  overflow *[]*bmap     // 记录已使用的溢出桶的地址
  oldoverflow *[]*bmap  // 扩容阶段旧桶使用的溢出桶地址
  nextOverflow *bmap    // 指向下一个空闲溢出桶地址
}

如下图所示，分配桶数目为 2 5 = 32 2^5 = 32 25=32，则备用溢出桶数目为 2 ( 5 − 4 ) = 2 2^{(5-4)} = 2 2(5−4)=2。

此时编号为 2 的 bmap 桶存满了，overflow 指向下一个溢出桶地址，这里指向 32 号。
hmap 中 noverflow 表示使用溢出桶数量，这里为 1。extra 字段指向记录溢出桶的mapextra结构体。
mapextra 中的 nextOverflow 指向下一个空闲溢出桶 33 号。

3、扩容规则

map扩容时使用渐进式扩容。

由于 map 扩容需要将原有的 key/value 重新搬迁到新的内存地址，如果map存储了数以亿计的key-value，一次性搬迁将会造成比较大的延时，因此 Go map 的扩容采取了一种称为**“渐进式”的方式，原有的 key 并不会一次性搬迁完毕，每次最多只会搬迁 2 个 bucket。只有在插入或修改、删除 key 的时候，都会尝试进行搬迁 buckets 的工作**。先检查 oldbuckets 是否搬迁完毕，具体来说就是检查 oldbuckets 是否为 nil。

翻倍扩容

count/(2^B) > 6.5：当负载因子超过6.5时就会触发翻倍扩容。

如下图，原来 B = 0，只有一个桶，装满后触发翻倍扩容，B = 1，buckets 指向两个新桶，oldbuckets 指向旧桶，nevacuate 表示接下来要迁移编号为 0 的旧桶。旧桶的键值对会渐进式分流到两个新桶中。直到旧桶中的键值对全部搬迁完毕后，删除oldbuckets。

迁移过程中使用与运算法hash & (m-1)，把旧桶迁移到新桶上，用这个旧桶的hash值跟扩容后的桶的个数 m-1 的值相与(&)，得几就在哪个位置上。

如果旧桶数量为4，那么新桶的数量就为 8。如果一个哈希值选择 0 号旧桶，那么哈希值的二进制低两位一定为 0。

旧桶 m-1 = 3 = 00000011，选择 0 号旧桶说明哈希值为 xxxxxx00，00000011 & xxxxxx00 = 0

所以选择新桶的结果只有两种，取决于哈希值的第三位是 0还是 1。

新桶 m-1 = 7 = 00000111，与原哈希值与运算，若第三位是 0 则为 0，第三位为 1 则为 00000100 = 4。

等量扩容

虽然没有超过负载因子限制，但是使用溢出桶过多，就会触发等量扩容，创建和旧桶数目一样多的新桶，然后把原来的键值对迁移到新桶中。

如果常规桶的数目小于等于 2 15 2^{15} 215 , 使用的溢出桶大于常规桶数目 2 B 2^B 2B就是多了。

B <= 15，noverflow >= 2^B

如果常规桶的数目大于 2 15 2^{15} 215 , 使用的溢出桶大于 2 15 2^{15} 215就是多了。

B > 15， noverflow >= 2^15

一般发生在很多键值对被删除的情况下，这样会造成overflow的bucket数量增多，但负载因子又不高。同样数目的键值对，迁移到新桶中会把松散的键值对重新排列一次，使其排列的更加紧凑，进而保证更快的存取，这就是等量扩容的意义所在。

4、其他特性

map遍历无序

使用 range 多次遍历 map 时输出的 key 和 value 的顺序可能不同。这是 Go 语言的设计者们有意为之，旨在提示开发者们，Go 底层实现并不保证 map 遍历顺序稳定，请大家不要依赖 range 遍历结果顺序。

主要原因有2点：

map在遍历时，并不是从固定的0号bucket开始遍历的，每次遍历，都会从一个随机值序号的bucket，再从其中随机的cell开始遍历
map遍历时，是按序遍历bucket，同时按需遍历bucket中和其overflow bucket中的cell。但是map在扩容后，会发生key的搬迁，这造成原来落在一个bucket中的key，搬迁后，有可能会落到其他bucket中了，从这个角度看，遍历map的结果就不可能是按照原来的顺序了

map 本身是无序的，且遍历时顺序还会被随机化，如果想顺序遍历 map，需要对 map key 先排序，再按照 key 的顺序遍历 map。

map非线程安全

Go 官方认为 Go map 更应适配典型使用场景（不需要从多个 goroutine 中进行安全访问），而不是为了小部分情况（并发访问），导致大部分程序付出加锁代价（性能），决定了不支持，若并发读写 map 直接报错。

官方推荐对 map 上读写锁，一个匿名结构（struct）体，包含一个原生和一个嵌入读写锁 sync.RWMutex：

var counter = struct{
    sync.RWMutex
    m map[string]int
}{m: make(map[string]int)}
counter.RLock()
n := counter.m["煎鱼"]
counter.RUnlock()
counter.Lock()
counter.m["煎鱼"]++
counter.Unlock()

map 的数据量非常大时，只有一把锁会效率低下，分区见上锁又逻辑复杂。Go1.9 起支持的 sync.Map，其支持并发读写 map。采取了 “空间换时间” 的机制，冗余了两个数据结构，分别是：read 和 dirty，减少加锁对性能的影响。

type Map struct {
   mu Mutex
   read atomic.Value // readOnly
   dirty map[interface{}]*entry
   misses int
}

其是专门为 append-only 场景设计的，也就是适合读多写少的场景。如果写多性能会急剧下降。

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