Golang Map实现赋值和扩容的示例代码

本篇文章主要是结合我之前面试的各种经历和实战开发中遇到的问题解决经验整理的，希望这篇《Golang Map实现赋值和扩容的示例代码》对你有很大帮助！欢迎收藏，分享给更多的需要的朋友学习~

golang map 操作，是map 实现中较复杂的逻辑。因为当赋值时，为了减少hash 冲突链的长度过长问题，会做map 的扩容以及数据的迁移。而map 的扩容以及数据的迁移也是关注的重点。

数据结构

首先，我们需要重新学习下map实现的数据结构：

type hmap struct {
 count   int
 flags   uint8 
 B     uint8
 noverflow uint16
 hash0   uint32
 buckets  unsafe.Pointer
 oldbuckets unsafe.Pointer
 nevacuate uintptr
 extra *mapextra
}

type mapextra struct {
 overflow  *[]*bmap
 oldoverflow *[]*bmap
 nextOverflow *bmap
}

hmap 是 map 实现的结构体。大部分字段在 第一节中已经学习过了。剩余的就是nevacuate 和extra 了。

首先需要了解搬迁的概念：当hash 中数据链太长，或者空的bucket 太多时，会操作数据搬迁，将数据挪到一个新的bucket 上，就的bucket数组成为了oldbuckets。bucket的搬迁不是一次就搬完的，是访问到对应的bucket时才可能会触发搬迁操作。（这一点是不是和redis 的扩容比较类似，将扩容放在多个访问上，减少了单次访问的延迟压力）

• nevactuate 标识的是搬迁的位置(也可以考虑为搬迁的进度）。标识目前 oldbuckets 中 （一个 array）bucket 搬迁到哪里了。
• extra 是一个map 的结构体，nextOverflow 标识的是申请的空的bucket，用于之后解决冲突时使用；overflow 和 oldoverflow 标识溢出的链表中正在使用的bucket 数据。old 和非old 的区别是，old 是为搬迁的数据。

理解了大概的数据结构，我们可以学习map的 赋值操作了。

map 赋值操作

map 的赋值操作写法如下：

data := mapExample["hello"]

赋值的实现，golang 为了对不同类型k做了优化，下面时一些实现方法：

func mapassign(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {}
func mapassign_fast32(t *maptype, h *hmap, key uint32) unsafe.Pointer {}
func mapassign_fast32ptr(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {}
func mapassign_fast64(t *maptype, h *hmap, key uint64) unsafe.Pointer {}
func mapassign_fast64ptr(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer{}
func mapassign_faststr(t *maptype, h *hmap, s string) unsafe.Pointer {}

内容大同小异，我们主要学习mapassign 的实现。

mapassign 方法的实现是查找一个空的bucket，把key赋值到bucket上，然后把val的地址返回,然后直接通过汇编做内存拷贝。
那我们一步步看是如何找空闲bucket的：

① 在查找key之前，会做异常检测，校验map是否未初始化，或正在并发写操作，如果存在，则抛出异常：（这就是为什么map 并发写回panic的原因）

if h == nil {
 panic(plainError("assignment to entry in nil map"))
}
// 竟态检查 和 内存扫描

if h.flags&hashWriting != 0 {
 throw("concurrent map writes")
}

② 需要计算key 对应的hash 值，如果buckets 为空（初始化的时候小于一定长度的map 不会初始化数据）还需要初始化一个bucket

alg := t.key.alg
hash := alg.hash(key, uintptr(h.hash0))

// 为什么需要在hash 后设置flags，因为 alg.hash可能会panic
h.flags ^= hashWriting

if h.buckets == nil {
 h.buckets = newobject(t.bucket) // newarray(t.bucket, 1)
}

③ 通过hash 值，获取对应的bucket。如果map 还在迁移数据，还需要在oldbuckets中找对应的bucket，并搬迁到新的bucket。

// 通过hash 计算bucket的位置偏移
bucket := hash & bucketMask(h.B)

// 此处是搬迁逻辑，我们后续详解
if h.growing() {
 growWork(t, h, bucket)
}

// 计算对应的bucket 位置，和top hash 值
b := (*bmap)(unsafe.Pointer(uintptr(h.buckets) + bucket*uintptr(t.bucketsize)))
top := tophash(hash)

④ 拿到bucket之后，还需要按照链表方式一个一个查，找到对应的key， 可能是已经存在的key，也可能需要新增。

for {
 for i := uintptr(0); i 

总结下这段程序，主要有几个部分：
a. map hash 不匹配的情况，会看是否是空kv 。如果调用了delete，会出现空kv的情况，那先把地址留下，如果后面也没找到对应的k（也就是说之前map 里面没有对应的Key），那就直接用空kv的位置即可。

b. 如果 map hash 是匹配的，需要判定key 的字面值是否匹配。如果不匹配，还需要查找。如果匹配了，那直接把key 更新（因为可能有引用），v的地址返回即可。

c. 如果上面都没有，那就看下一个bucket
⑤ 插入数据前，会先检查数据太多了，需要扩容，如果需要扩容，那就从第③开始拿到新的bucket，并查找对应的位置。

if !h.growing() && (overLoadFactor(h.count+1, h.B) || tooManyOverflowBuckets(h.noverflow, h.B)) {
 hashGrow(t, h)
 goto again // Growing the table invalidates everything, so try again
}


⑥ 如果刚才看没有有空的位置，那就需要在链表后追加一个bucket，拿到kv。

if inserti == nil {
 // all current buckets are full, allocate a new one.
 newb := h.newoverflow(t, b)
 inserti = &newb.tophash[0]
 insertk = add(unsafe.Pointer(newb), dataOffset)
 val = add(insertk, bucketCnt*uintptr(t.keysize))
}


⑦ 最后更新tophash 和 key 的字面值, 并解除hashWriting 约束

// 如果非指针数据（也就是直接赋值的数据），还需要申请内存和拷贝
if t.indirectkey() {
 kmem := newobject(t.key)
 *(*unsafe.Pointer)(insertk) = kmem
 insertk = kmem
}
if t.indirectvalue() {
 vmem := newobject(t.elem)
 *(*unsafe.Pointer)(val) = vmem
}
// 更新tophash, k
typedmemmove(t.key, insertk, key)
*inserti = top

done:
if h.flags&hashWriting == 0 {
  throw("concurrent map writes")
 }
 h.flags &^= hashWriting
 if t.indirectvalue() {
  val = *((*unsafe.Pointer)(val))
 }
 return val



到这里，map的赋值基本就介绍完了。下面学习下步骤⑤中的map的扩容。
Map 的扩容

有两种情况下，需要做扩容。一种是存的kv数据太多了，已经超过了当前map的负载。还有一种是overflow的bucket过多了。这个阈值是一个定值，经验得出的结论，所以我们这里不考究。
当满足条件后，将开始扩容。如果满足条件二，扩容后的buckets 的数量和原来是一样的，说明可能是空kv占据的坑太多了，通过map扩容做内存整理。如果是因为kv 量多导致map负载过高，那就扩一倍的量。

func hashGrow(t *maptype, h *hmap) {
 bigger := uint8(1)
 // 如果是第二种情况，扩容大小为0
 if !overLoadFactor(h.count+1, h.B) {
  bigger = 0
  h.flags |= sameSizeGrow
 }
 oldbuckets := h.buckets

 // 申请一个大数组，作为新的buckets
 newbuckets, nextOverflow := makeBucketArray(t, h.B+bigger, nil)

 flags := h.flags &^ (iterator | oldIterator)
 if h.flags&iterator != 0 {
  flags |= oldIterator
 }
 
 // 然后重新赋值map的结构体，oldbuckets 被填充。之后将做搬迁操作
 h.B += bigger
 h.flags = flags
 h.oldbuckets = oldbuckets
 h.buckets = newbuckets
 h.nevacuate = 0
 h.noverflow = 0

 // extra 结构体做赋值
 if h.extra != nil && h.extra.overflow != nil {
  // Promote current overflow buckets to the old generation.
  if h.extra.oldoverflow != nil {
   throw("oldoverflow is not nil")
  }
  h.extra.oldoverflow = h.extra.overflow
  h.extra.overflow = nil
 }
 if nextOverflow != nil {
  if h.extra == nil {
   h.extra = new(mapextra)
  }
  h.extra.nextOverflow = nextOverflow
 }
}

总结下map的扩容操作。首先拿到扩容的大小，然后申请大数组，然后做些初始化的操作，把老的buckets，以及overflow做切换即可。
map 数据的迁移

扩容完成后，需要做数据的迁移。数据的迁移不是一次完成的，是使用时才会做对应bucket的迁移。也就是逐步做到的数据迁移。下面我们来学习。
在数据赋值的第③步，会看需要操作的bucket是不是在旧的buckets里面，如果在就搬迁。下面是搬迁的具体操作：

func growWork(t *maptype, h *hmap, bucket uintptr) {
 // 首先把需要操作的bucket 搬迁
 evacuate(t, h, bucket&h.oldbucketmask())
 
 // 再顺带搬迁一个bucket
 if h.growing() {
  evacuate(t, h, h.nevacuate)
 }
}

nevacuate 标识的是当前的进度，如果都搬迁完，应该和2^B的长度是一样的（这里说的B是oldbuckets 里面的B，毕竟新的buckets长度可能是2^(B+1))。
在evacuate 方法实现是把这个位置对应的bucket，以及其冲突链上的数据都转移到新的buckets上。
① 先要判断当前bucket是不是已经转移。 (oldbucket 标识需要搬迁的bucket 对应的位置)

b := (*bmap)(add(h.oldbuckets, oldbucket*uintptr(t.bucketsize)))
// 判断
if !evacuated(b) {
 // 做转移操作
}


转移的判断直接通过tophash 就可以，判断tophash中第一个hash值即可 （tophash的作用可以参考第三讲）

func evacuated(b *bmap) bool {
 h := b.tophash[0]
 // 这个区间的flag 均是已被转移
 return h > emptyOne && h 

② 如果没有被转移，那就要迁移数据了。数据迁移时，可能是迁移到大小相同的buckets上，也可能迁移到2倍大的buckets上。这里xy 都是标记目标迁移位置的标记：x 标识的是迁移到相同的位置，y 标识的是迁移到2倍大的位置上。我们先看下目标位置的确定：

var xy [2]evacDst
x := &xy[0]
x.b = (*bmap)(add(h.buckets, oldbucket*uintptr(t.bucketsize)))
x.k = add(unsafe.Pointer(x.b), dataOffset)
x.v = add(x.k, bucketCnt*uintptr(t.keysize))
if !h.sameSizeGrow() {
 // 如果是2倍的大小，就得算一次 y 的值
 y := &xy[1]
 y.b = (*bmap)(add(h.buckets, (oldbucket+newbit)*uintptr(t.bucketsize)))
 y.k = add(unsafe.Pointer(y.b), dataOffset)
 y.v = add(y.k, bucketCnt*uintptr(t.keysize))
}


③ 确定bucket位置后，需要按照kv 一条一条做迁移。（目的就是清除空闲的kv）

// 遍历每个bucket
for ; b != nil; b = b.overflow(t) {
 k := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset)
 v := add(k, bucketCnt*uintptr(t.keysize))

 // 遍历bucket 里面的每个kv
 for i := 0; i 

对于key 非间接使用的数据（即非指针数据），做内存回收

if h.flags&oldIterator == 0 && t.bucket.kind&kindNoPointers == 0 {
 b := add(h.oldbuckets, oldbucket*uintptr(t.bucketsize))
 ptr := add(b, dataOffset)
 n := uintptr(t.bucketsize) - dataOffset

 // ptr 是kv的位置， 前面的topmap 保留，做迁移前的校验使用
 memclrHasPointers(ptr, n)
}



④ 如果当前搬迁的bucket 和 总体搬迁的bucket的位置是一样的，我们需要更新总体进度的标记 nevacuate

// newbit 是oldbuckets 的长度，也是nevacuate 的重点
func advanceEvacuationMark(h *hmap, t *maptype, newbit uintptr) {
 // 首先更新标记
 h.nevacuate++

 // 最多查看2^10 个bucket
 stop := h.nevacuate + 1024
 if stop > newbit {
  stop = newbit
 }

 // 如果没有搬迁就停止了，等下次搬迁
 for h.nevacuate != stop && bucketEvacuated(t, h, h.nevacuate) {
  h.nevacuate++
 }

 // 如果都已经搬迁完了，oldbukets 完全搬迁成功，清空oldbuckets
 if h.nevacuate == newbit {
  h.oldbuckets = nil
  if h.extra != nil {
   h.extra.oldoverflow = nil
  }
  h.flags &^= sameSizeGrow
 }
}

总结
Map 的赋值难点在于数据的扩容和数据的搬迁操作。
  
bucket 搬迁是逐步进行的，每进行一次赋值，会做至少一次搬迁工作。
  
扩容不是一定会新增空间，也有可能是只是做了内存整理。
  
tophash 的标志即可以判断是否为空，还会判断是否搬迁，以及搬迁的位置为X or Y。
  
delete map 中的key，有可能出现很多空的kv，会导致搬迁操作。如果可以避免，尽量避免。

理论要掌握，实操不能落！以上关于《Golang Map实现赋值和扩容的示例代码》的详细介绍，大家都掌握了吧！如果想要继续提升自己的能力，那么就来关注golang学习网公众号吧！