Go map底层实现与扩容规则和特性分类详细讲解

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
}

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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
}

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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。
  • hmapnoverflow 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。

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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。

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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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