Go面试题(三)：map的实现原理
大家好，我是小道哥。
今天为大家讲解的面试专题是: map的实现原理。
map定义
map是一种key-value键值对的存储结构，其中key是不能重复的，其底层实现采用的是hash表。
map的数据结构
首先我们先列出源码结构关键字段，实现在 src/runtime/map.go：
type hmap struct {
count int // 元素的个数
B uint8 // buckets 数组的长度就是 2^B 个
overflow uint16 // 溢出桶的数量
buckets unsafe.Pointer // 2^B个桶对应的数组指针
oldbuckets unsafe.Pointer // 发生扩容时，记录扩容前的buckets数组指针
extra *mapextra //用于保存溢出桶的地址
}
type mapextra struct {
overflow *[]*bmap
oldoverflow *[]*bmap
nextOverflow *bmap
}
type bmap struct {
tophash [bucketCnt]uint8
}
//在编译期间会产生新的结构体
type bmap struct {
tophash [8]uint8 //存储哈希值的高8位
data byte[1] //key value数据:key/key/key/.../value/value/value...
overflow *bmap //溢出bucket的地址
}
为了便于理解源码的结构，我们提炼关键字段并转换为图形模式：
在go的map实现中，它的底层结构体是hmap，hmap里维护着若干个bucket数组 (即桶数组)。
Bucket数组中每个元素都是bmap结构，也即每个bucket（桶）都是bmap结构，【ps：后文为了语义一致，和方便理解，就不再提bmap了，统一叫作桶】 每个桶中保存了8个kv对，如果8个满了，又来了一个key落在了这个桶里，会使用overflow连接下一个桶(溢出桶)。
map中数据操作
了解了map的数据结构后，下面让我们学习一下在map中存取数据的过程：
GET获取数据
假设当前 B=4 即桶数量为2^B=16个，要从map中获取k4对应的value
参考上图，k4的get流程可以归纳为如下几步：
①计算k4的hash值。[由于当前主流机都是64位操作系统，所以计算结果有64个比特位]
②通过最后的“B”位来确定在哪号桶，此时B为4，所以取k4对应哈希值的后4位，也就是0101，0101用十进制表示为5，所以在5号桶）
③根据k4对应的hash值前8位快速确定是在这个桶的哪个位置（额外说明一下，在bmap中存放了每个key对应的tophash，是key的哈希值前8位),一旦发现前8位一致，则会执行下一步
④对比key完整的hash是否匹配，如果匹配则获取对应value
⑤如果都没有找到，就去连接的下一个溢出桶中找
有很多同学会问这里为什么要多维护一个tophash，即hash前8位？
这是因为tophash可以快速确定key是否正确，也可以把它理解成一种缓存措施，如果前8位都不对了，后面就没有必要比较了。
PUT存放数据
map的赋值流程可总结位如下几步：
①通过key的hash值后“B”位确定是哪一个桶，图中示例为4号桶。
② 遍历当前桶，通过key的tophash和hash值，防止key重复，然后找到第一个可以插入的位置，即空位置处存储数据。
③如果当前桶元素已满，会通过overflow链接创建一个新的桶，来存储数据。
关于hash冲突：当两个不同的 key 落在同一个桶中，就是发生了哈希冲突。冲突的解决手段是采用链表法：在 桶 中，从前往后找到第一个空位进行插入。如果8个kv满了，那么当前桶就会连接到下一个溢出桶（bmap）。
扩容
扩容的方式
- 相同容量扩容
由于map中不断的put和delete key，桶中可能会出现很多断断续续的空位，这些空位会导致连接的bmap溢出桶很长，导致扫描时间边长。这种扩容实际上是一种整理，把后置位的数据整理到前面。这种情况下，元素会发生重排，但不会换桶。
- 2倍容量扩容
这种2倍扩容是由于当前桶数组确实不够用了，发生这种扩容时，元素会重排，可能会发生桶迁移。
如图中所示，扩容前B=2,扩容后B=3，假设一元素key的hash值后三位为101，那么由上文的介绍可知，在扩容前，由hash值的后两位来决定几号桶，即 01 所以元素在1号桶。 在扩容发生后，由hash值得后三位来决定几号桶，即101所以元素会迁移到5号桶。
扩容的条件
首先我们了解下**装载因子(loadFactor)**的概念
loadFactor:=count / (2^B) 即 装载因子 = map中元素的个数 / map中当前桶的个数
通过计算公式我们可以得知，装载因子是指当前map中，每个桶中的平均元素个数。
扩容条件1：**装载因子 > 6.5 **(源码中定义的)
这个也非常容易理解，正常情况下，如果没有溢出桶，那么一个桶中最多有8个元素，当平均每个桶中的数据超过了6.5个，那就意味着当前容量要不足了，发生扩容。
扩容条件2: 溢出桶的数量过多
当 B < 15 时，如果overflow的bucket数量超过 2^B。
当 B >= 15 时，overflow的bucket数量超过 2^15。
简单来讲，新加入key的hash值后B位都一样，使得个别桶一直在插入新数据，进而导致它的溢出桶链条越来越长。如此一来，当map在操作数据时，扫描速度就会变得很慢。及时的扩容，可以对这些元素进行重排，使元素在桶的位置更平均一些。
扩容时的细节
- 在我们的hmap结构中有一个oldbuckets吗，扩容刚发生时，会先将老数据存到这个里面。
- 每次对map进行删改操作时，会触发从oldbucket中迁移到bucket的操作【非一次性，分多次】
- 在扩容没有完全迁移完成之前，每次get或者put遍历数据时，都会先遍历oldbuckets，然后再遍历buckets。
注意事项
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对map数据进行操作时不可取地址。常见的错误用例如下：
type Student struct { Name string Age int } func f1() { m := map[int]Student{ 1: Student{Age: 15, Name: "jack"}, 2: Student{Age: 16, Name: "danny"}, 3: Student{Age: 17, Name: "andy"}, } m[1].Name = "JACK" }这种情况会发生编译错误，因为map元素是无法取址的，也就是说，你可以得到m[1]，但是无法对它的值作出任何修改。如果你想修改value，可以使用带指针的value，如下：
func f2() { m := map[int]*Student{ 1: &Student{Age: 15, Name: "jack"}, 2: &Student{Age: 16, Name: "danny"}, 3: &Student{Age: 17, Name: "andy"}, } m[1].Name = "JACK" }不知道各位道友有没有疑惑，为什么go中要禁止对map的元素进行取址呢？这是因为map 会随着元素数量的增长而重新分配更大的内存空间，会导致之前的地址无效。
-
map是线程不安全的
在同一时间点，两个 goroutine 对同一个map进行读写操作是不安全的。举个栗子：
某map桶数量为4，即B=2。此时 goroutine1来插入key1， goroutine2来读取 key2. 可能会发生如下过程：
① goroutine2 计算key2的hash值,B=2，并确定桶号为1。
② goroutine1添加key1，触发扩容条件。
③ B=B+1=3, buckets数据迁移到oldbuckets。
④ goroutine2从桶1中遍历，获取数据失败。
在工作中，当我们涉及到对一个map进行并发读写时，一般采用的做法是采用golang中自带的mutex锁
type Resource struct { sync.RWMutex m map[string]int } func main() { r := Resource{m: make(map[string]int)} go func() { //开一个goroutine写map for j := 0; j < 100; j++ { r.Lock() r.m[fmt.Sprintf("resource_%d", j)] = j r.Unlock() } }() go func() { //开一个goroutine读map for j := 0; j < 100; j++ { r.RLock() fmt.Println(r.m[fmt.Sprintf("resource_%d", j)]) r.RUnlock() } }() }面试点总结
-
map的底层数据结构
-
map的GET操作和PUT操作过程
-
map的扩容条件
-
map的注意事项：不可对元素取址、线程不安全
后语
如果大家对本文提到的面试技术点有任何问题，都可以在评论区进行回复哈，我们共同学习，一起进步！
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