12 Go语言map底层浅析
Go语言map底层浅析
[TOC]
笼统的来说，go的map底层是一个hash表，通过键值对进行映射。 键通过哈希函数生成哈希值，然后go底层的map数据结构就存储相应的hash值，进行索引，最终是在底层使用的数组存储key,和value。稍微详细的说，就设计到go map 的结构。hmap 和bmap。
1、Hash函数
哈希表就不得不说hash函数。hash函数，有加密型和非加密型。加密型的一般用于加密数据、数字摘要等，典型代表就是md5、sha1、sha256、aes256这种；非加密型的一般就是查找。在map的应用场景中，用的是查找。选择hash函数主要考察的是两点：性能、碰撞概率。golang使用的hash算法根据硬件选择，如果cpu支持aes，那么使用aes hash，否则使用memhash，memhash是参考xxhash、cityhash实现的，性能非常好。
具体hash函数的性能比较可以看：http://aras-p.info/blog/2016/...
哈希函数会将传入的key值进行哈希运算，得到一个唯一的值。go语言把生成的哈希值一分为二，比如一个key经过哈希函数，生成的哈希值为：8423452987653321，go语言会这它拆分为84234529，和87653321。那么，前半部分就叫做高位哈希值，后半部分就叫做低位哈希值。后面会说高位哈希值和低位哈希值是做什么用的。
高位哈希值：是用来确定当前的bucket（桶）有没有所存储的数据的。
低位哈希值：是用来确定，当前的数据存在了哪个bucket（桶）
2、map 源码
2.1hmap(a header of map)
// Go map的一个header结构
type hmap struct {
count int // map的大小. len()函数就取的这个值
flags uint8 //map状态标识
B uint8 // 可以最多容纳 6.5 * 2 ^ B 个元素，6.5为装载因子即:map长度=6.5*2^B
//B可以理解为已扩容的次数
noverflow uint16 // 溢出buckets的数量
hash0 uint32 // hash 种子
buckets unsafe.Pointer //指向最大2^B个Buckets数组的指针. count==0时为nil.
oldbuckets unsafe.Pointer //指向扩容之前的buckets数组，并且容量是现在一半.不增长就为nil
nevacuate uintptr // 搬迁进度，小于nevacuate的已经搬迁
extra *mapextra // 可选字段，额外信息
}hmap是map的最外层的一个数据结构，包括了map的各种基础信息、如大小、bucket。首先说一下，buckets这个参数，它存储的是指向buckets数组的一个指针，当bucket(桶为0时)为nil。我们可以理解为，hmap指向了一个bucket数组，并且当bucket数组需要扩容时，它会开辟一倍的内存空间，并且hi渐进式的把原数组拷贝，即用到旧数组的时候就拷贝到新数组。
2.2 bmap(a bucket of map)
// Go map 的 buckets结构
type bmap struct {
// 每个元素hash值的高8位，如果tophash[0] < minTopHash，表示这个桶的搬迁状态
tophash [bucketCnt]uint8
// 第二个是8个key、8个value，但是我们不能直接看到；为了优化对齐，go采用了key放在一起，value放在一起的存储方式，
// 第三个是hash冲突发生时，下一个溢出桶的地址
}bucket（桶），每一个bucket最多放8个key和value，最后由一个overflow字段指向下一个bmap，注意key、value、overflow字段都不显示定义，而是通过maptype计算偏移获取的。
bucket这三部分内容决定了它是怎么工作的：
- 它的tophash 存储的是哈希函数算出的哈希值的高八位。是用来加快索引的。因为把高八位存储起来，这样不用完整比较key就能过滤掉不符合的key，加快查询速度当一个哈希值的高8位和存储的高8位相符合，再去比较完整的key值，进而取出value。
- 第二部分，存储的是key 和value，就是我们传入的key和value，注意，它的底层排列方式是，key全部放在一起，value全部放在一起。当key大于128字节时，bucket的key字段存储的会是指针，指向key的实际内容；value也是一样。
- 这样排列好处是在key和value的长度不同的时候，可以消除padding带来的空间浪费。并且每个bucket最多存放8个键值对。
- 第三部分，存储的是当bucket溢出时，指向的下一个bucket的指针
bucket的设计细节：
在golang map中出现冲突时，不是每一个key都申请一个结构通过链表串起来，而是以bmap为最小粒度挂载，一个bmap可以放8个key和value。这样减少对象数量，减轻管理内存的负担，利于gc。
如果插入时，bmap中key超过8，那么就会申请一个新的bmap（overflow bucket）挂在这个bmap的后面形成链表，优先用预分配的overflow bucket，如果预分配的用完了，那么就malloc一个挂上去。注意golang的map不会shrink，内存只会越用越多，overflow bucket中的key全删了也不会释放
3、hmap和bmap结构图
如图所示：
- hmap存储了一个指向底层bucket数组的指针。
- 我们存入的key和value是存储在bucket里面中，如果key和value大于128字节，那么bucket里面存储的是指向我们key和value的指针，如果不是则存储的是值。
- 每个bucket 存储8个key和value，如果超过就重新创建一个bucket挂在在元bucket上，持续挂接形成链表。
- 高位哈希值：是用来确定当前的bucket（桶）有没有所存储的数据的。
- 低位哈希值：是用来确定，当前的数据存在了哪个bucket（桶）
简单结构为图：
工作流程：
查找或者操作map时，首先key经过hash函数生成hash值，通过哈希值的低8位来判断当前数据属于哪个桶(bucket)，找到bucket以后，通过哈希值的高八位与bucket存储的高位哈希值循环比对，如果相同就将完整的哈希值和刚才找到的底层数组的key值进行比对，如果相同，取出value。
4、map的扩容
- 当链表越来越长，bucket的扩容次数达到一定值，其实是bmap扩容的加载因数达到6.5，bmap就会进行扩容，将原来bucket数组数量扩充一倍，产生一个新的bucket数组，也就是bmap的buckets属性指向的数组。这样bmap中的oldbuckets属性指向的就是旧bucket数组。
- 这里的加载因子LoadFactor是一个阈值，计算方式为（map长度/2^B ）如果超过6.5，将会进行扩容，这个是经过测试才得出的合理的一个阈值。因为，加载因子越小，空间利用率就小，加载因子越大，产生冲突的几率就大。所以6.5是一个平衡的值。
- map的扩容不会立马全部复制，而是渐进式扩容，即首先开辟2倍的内存空间，创建一个新的bucket数组。只有当访问原来就的bucket数组时，才会将就得bucket拷贝到新的bucket数组，进行渐进式的扩容。当然旧的数据不会删除，而是去掉引用，等待gc回收。
5、结语
这篇文章，只是对map底层的结构进行了说明，具体创建、查找、删除等的流程是差不多，但是具体的细节还是有很多。所以，我就不一一写出了，贴一下其他博主写的文章，很详细。
5.1 剖析golang map的实现
地址：https://www.jianshu.com/p/092...
5.2 Golang map 的底层实现
地址：https://www.jianshu.com/p/aa0...
参考：
https://www.jianshu.com/p/092...
https://www.jianshu.com/p/aa0...