这篇文章主要介绍了Golang 语言map底层实现原理解析,本文给大家介绍的非常详细，对大家的学习或工作具有一定的参考借鉴价值，需要的朋友可以参考下
在开发过程中，map是必不可少的数据结构，在Golang中，使用map或多或少会遇到与其他语言不一样的体验，比如访问不存在的元素会返回其类型的空值、map的大小究竟是多少，为什么会报"cannot take the address of"错误，遍历map的随机性等等。
本文希望通过研究map的底层实现，以解答这些疑惑。基于Golang 1.8.3
1. 数据结构及内存管理
hashmap的定义位于 src/runtime/hashmap.go 中，首先我们看下hashmap和bucket的定义：
type hmap struct { count int // 元素的个数 flags uint8 // 状态标志 B uint8 // 可以最多容纳 6.5 * 2 ^ B 个元素，6.5为装载因子 noverflow uint16 // 溢出的个数 hash0 uint32 // 哈希种子 buckets unsafe.Pointer // 桶的地址 oldbuckets unsafe.Pointer // 旧桶的地址，用于扩容 nevacuate uintptr // 搬迁进度，小于nevacuate的已经搬迁 overflow *[2]*[]*bmap }其中，overflow是一个指针，指向一个元素个数为2的数组，数组的类型是一个指针，指向一个slice，slice的元素是桶(bmap)的地址，这些桶都是溢出桶；为什么有两个？因为Go map在hash冲突过多时，会发生扩容操作，为了不全量搬迁数据，使用了增量搬迁，[0]表示当前使用的溢出桶集合，[1]是在发生扩容时，保存了旧的溢出桶集合；overflow存在的意义在于防止溢出桶被gc。
// A bucket for a Go map. type bmap struct { // 每个元素hash值的高8位，如果tophash[0] tophash的存在是为了快速试错，毕竟只有8位，比较起来会快一点。
从定义可以看出，不同于STL中map以红黑树实现的方式，Golang采用了HashTable的实现，解决冲突采用的是链地址法。也就是说，使用数组+链表来实现map。特别的，对于一个key，几个比较重要的计算公式为:
| key | hash | hashtop | bucket index |
|---|---|---|---|
| key | hash := alg.hash(key, uintptr(h.hash0)) | top := uint8(hash >> (sys.PtrSize*8 - 8)) | bucket := hash & (uintptr(1)< |
例如，对于B = 3，当hash(key) = 4时， hashtop = 0， bucket = 4，当hash(key) = 20时，hashtop = 0， bucket = 4；这个例子我们在搬迁过程还会用到。
内存布局类似于这样：
hashmap-buckets
2. 创建 - makemap
map的创建比较简单，在参数校验之后，需要找到合适的B来申请桶的内存空间，接着便是穿件hmap这个结构，以及对它的初始化。
makemap
3. 访问 - mapaccess
对于给定的一个key，可以通过下面的操作找到它是否存在
image.png-600
方法定义为
// returns key, if not find, returns nil func mapaccess1(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer // returns key and exist. if not find, returns nil, false func mapaccess2(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, bool) // returns both key and value. if not find, returns nil, nil func mapaccessK(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, unsafe.Pointer)
可见在找不到对应key的情况下，会返回nil
4. 分配 - mapassign
为一个key分配空间的逻辑，大致与查找类似；但增加了写保护和扩容的操作；注意，分配过程和删除过程都没有在oldbuckets中查找，这是因为首先要进行扩容判断和操作；如下：
assign
扩容是整个hashmap的核心算法，我们放在第6部分重点研究。
新建一个溢出桶，并将其拼接在当前桶的尾部，实现了类似链表的操作：
// 获取当前桶的溢出桶 func (b *bmap) overflow(t *maptype) *bmap { return *(**bmap)(add(unsafe.Pointer(b), uintptr(t.bucketsize)-sys.PtrSize)) } // 设置当前桶的溢出桶 func (h *hmap) setoverflow(t *maptype, b, ovf *bmap) { h.incrnoverflow() if t.bucket.kind&kindNoPointers != 0 { h.createOverflow() //重点，这里讲溢出桶append到overflow[0]的后面 *h.overflow[0] = append(*h.overflow[0], ovf) } *(**bmap)(add(unsafe.Pointer(b), uintptr(t.bucketsize)-sys.PtrSize)) = ovf }5. 删除 - mapdelete
删除某个key的操作与分配类似，由于hashmap的存储结构是数组+链表，所以真正删除key仅仅是将对应的slot设置为empty，并没有减少内存；如下：
mapdelete
6. 扩容 - growWork
首先，判断是否需要扩容的逻辑是
func (h *hmap) growing() bool { return h.oldbuckets != nil }何时h.oldbuckets不为nil呢？在分配assign逻辑中，当没有位置给key使用，而且满足测试条件(装载因子>6.5或有太多溢出通)时，会触发hashGrow逻辑：
func hashGrow(t *maptype, h *hmap) { //判断是否需要sameSizeGrow，否则"真"扩 bigger := uint8(1) if !overLoadFactor(int64(h.count), h.B) { bigger = 0 h.flags |= sameSizeGrow } // 下面将buckets复制给oldbuckets oldbuckets := h.buckets newbuckets := newarray(t.bucket, 1<<(h.B+bigger)) flags := h.flags &^ (iterator | oldIterator) if h.flags&iterator != 0 { flags |= oldIterator } // 更新hmap的变量 h.B += bigger h.flags = flags h.oldbuckets = oldbuckets h.buckets = newbuckets h.nevacuate = 0 h.noverflow = 0 // 设置溢出桶 if h.overflow != nil { if h.overflow[1] != nil { throw("overflow is not nil") } // 交换溢出桶 h.overflow[1] = h.overflow[0] h.overflow[0] = nil } }OK，下面正式进入重点，扩容阶段；在assign和delete操作中，都会触发扩容growWork：
func growWork(t *maptype, h *hmap, bucket uintptr) { // 搬迁旧桶，这样assign和delete都直接在新桶集合中进行 evacuate(t, h, bucket&h.oldbucketmask()) //再搬迁一次搬迁过程中的桶 if h.growing() { evacuate(t, h, h.nevacuate) } }6.1 搬迁过程
一般来说，新桶数组大小是原来的2倍(在!sameSizeGrow()条件下)，新桶数组前半段可以"类比"为旧桶，对于一个key，搬迁后落入哪一个索引中呢？
假设旧桶数组大小为2^B， 新桶数组大小为2*2^B，对于某个hash值X
若 X & (2^B) == 0，说明 X <2^B，那么它将落入与旧桶集合相同的索引xi中；
否则，它将落入xi + 2^B中。
例如，对于旧B = 3时，hash1 = 4，hash2 = 20，其搬迁结果类似这样。
example.png-600
源码中有些变量的命名比较简单，容易扰乱思路，我们注明一下便于理解。
| 变量 | 释义 |
|---|---|
| x *bmap | 桶x表示与在旧桶时相同的位置，即位于新桶前半段 |
| y *bmap | 桶y表示与在旧桶时相同的位置+旧桶数组大小，即位于新桶后半段 |
| xi int | 桶x的slot索引 |
| yi int | 桶y的slot索引 |
| xk unsafe.Pointer | 索引xi对应的key地址 |
| yk unsafe.Pointer | 索引yi对应的key地址 |
| xv unsafe.Pointer | 索引xi对应的value地址 |
| yv unsafe.Pointer | 索引yi对应的value地址 |
搬迁过程如下：
evacuate
总结
到目前为止，Golang的map实现细节已经分析完毕，但不包含迭代器相关操作。通过分析，我们了解了map是由数组+链表实现的HashTable，其大小和B息息相关，同时也了解了map的创建、查询、分配、删除以及扩容搬迁原理。总的来说，Golang通过hashtop快速试错加快了查找过程，利用空间换时间的思想解决了扩容的问题，利用将8个key(8个value)依次放置减少了padding空间等等。
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