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go-map系统学习

article 2024/11/20 7:09:40

map底层结构

Goland的map的底层结构使用hash实现，一个hash表里有多个hash表节点，即bucket，每个bucket保存了map中的一个或者一组键值对。

map结构定义：

runtime/map.go:hmap
type hmap struct {
	// Note: the format of the hmap is also encoded in cmd/compile/internal/reflectdata/reflect.go.
	// Make sure this stays in sync with the compiler's definition.
	count     int // # live cells == size of map.  Must be first (used by len() builtin)
	flags     uint8
	B         uint8  // log_2 of # of buckets (can hold up to loadFactor * 2^B items)
	noverflow uint16 // approximate number of overflow buckets; see incrnoverflow for details
	hash0     uint32 // hash seed

	buckets    unsafe.Pointer // array of 2^B Buckets. may be nil if count==0.
	oldbuckets unsafe.Pointer // previous bucket array of half the size, non-nil only when growing
	nevacuate  uintptr        // progress counter for evacuation (buckets less than this have been evacuated)

	extra *mapextra // optional fields
}

其中 buckets为 bucket数组指针，数组的大小为2^B

若B=2则，buckets数量是2^2=4

hash结果示意图

bucket是桶，通常用来表示一类数据的集合。hash表里的bucket称之为哈希桶，通常是求余后结果相同的落入一个桶中。

根据key值计算出哈希值，取hash值的低8位与2^hmap.B取模确定存放数据到哪个bucket

bucket结构

bucket结构定义，逻辑上是如下的结果：

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
}

tophash 是长度为8的数组，哈希值高位相同的分到同一个bucket中的键，存入当前bucket时候，会将哈希值的高位存在在该数组中，以方便后续匹配。
data这块其实是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。
overflow表示hash冲突发生时，下一个溢出桶的地址

上述中data和overflow并不是在结构体中显示定义的，实际包代码中定义也看不到，但是有这个逻辑存在。

实际源码定义可参考：https://cs.opensource.google/go/go/+/refs/tags/go1.23.0:src/runtime/map.go

这样的定义实现了：若某个哈希对应的bucket空间已满，则需要创建一个新的bmap存储键值对，无数个bmap通过overflow指针进行关联。buckets链条是类似于这样的结构：

bucket链条结构

hmap和bmap结构

结合以上hmap和bmap的结构，我们可以总结一个map基本结构：

负载因子

负载因子用来衡量一个哈希表冲突情况，公式为：

负载因子=键的数量/bucket数量

对于上图的负载因子：6/3=2

哈希表需要将负载因子控制在合适的大小，超过阈值需要进行rehash，也即键值对重新组织：

哈希因子过小，说明空间利用率低
哈希因子过大，说明冲突严重，存取效率低

Go语言负载因子达到6.5时就会触发rehash

hash扩容

新元素添加时候，会检查是否需要扩容，扩容条件：

负载因子 > 6.5时，也即平均每个bucket存储的键值对达到6.5个。
overflow数量 > 2^15时，也即overflow数量超过32768时。

增量式扩容

当负载因子过大，新建bucket，新的bucket长度是原2倍，旧bucket数据搬迁至新的bucket。搬迁过程采样逐步搬迁策略，即每次访问map都会触发一次搬迁，每次搬迁2个键值对。

渐进式扩容中，oldbuckets指向原来的桶。而buckets指向了新申请的bucket。新的键值对被插入新的bucket中。后续对map的访问操作会触发迁移，将oldbuckets中的键值对逐步的搬迁过来。当oldbuckets中的键值对全部搬迁完毕后，删除oldbuckets。

如上，bucket0已经有7个值，此时负载因子是7，超过6.5，当再存入一个key时，就会触发扩容。新建了bucket1,但是新建的bucket是buckets指向的，且在新的空间给bucket0留出位置，待一点点的将oldbuckets指向的空间数据迁移至新的bucket0空间，然后删除就得oldbuckets指向的空间。搬迁完成的空间示意图：

等量式扩容

所谓等量扩容，实际上并不是扩大容量。buckets数量不变，重新做一遍类似增量扩容的搬迁动作，把松散的键值对重新排列一次，以使bucket的使用率更高，进而保证更快的存取

map查找数据

首先根据key值计算出哈希值
取哈希值的低八位与2^hmap.B取模确定bucket位置
取高八位在桶数组中进行查找
如果tophash[i]中存储值也哈希值相等，则去找到该bucket中的key值进行比较
当前bucket没有找到，则继续从下个overflow的bucket中查找。
如果当前处于扩容搬迁过程，则优先从oldbuckets查找

map插入过程

根据key值算出哈希值
取哈希值低位与hmap.B取模确定bucket位置
查找该key是否已经存在，如果存在则直接更新值
如果没找到将key，将key插入

map操作

操作包括初始化、键的判断、遍历、作为函数参数使用

map声明与初始化

map是一种引用类型，有几种声明方法：

声明空的map

   var myMap map[string]int

这样声明的map是nil值，对它操作之前，必须使用make来初始化。

注意，struct结构中成员是map变量的话，在实际使用中必须再make初始化空间。

使用make直接声明+初始化

stringMap := make(map[string]string, n)

n表示长度，但是使用中是可以扩容的，相当于建议的长度。

使用字面量初始化

    myMap := map[string]int{  
       "one":   1,  
       "two":   2,  
       "three": 3,  
   }

:= 是一个特殊的赋值操作符，被称为“短变量声明”或“短变量赋值”。它主要用于在函数内部声明并初始化新的局部变量。使用 := 可以同时完成变量的声明和初始化，使得代码更加简洁。在全局作用域（即函数外部）不能使用 := 来声明变量，因为 := 会隐式地声明变量，而全局变量需要显式声明。

4，使用var关键字结合字面量来初始化

   var myMap = map[string]int{  
       "one":   1,  
       "two":   2,  
       "three": 3,  
   }

5，显示声明类型+初始化

   var myMap map[string]int = map[string]int{      "one":   1,      "two":   2,      "three": 3,   }

对于全局变量或需要在多个地方引用的变量，显式声明类型可能更加合适。

判断键是否存在

value, ok := sliceMap[key]

判断ok来判断值是否存在

  key := "小明"
   value, ok := deleMap[key]
   if ok {
   	fmt.Println("key:", key, "value:", value)
   } else {
   	fmt.Println("key:", key, "不存在")
   }

删除键值对

delete(mapName,key)

删除mapName map中的key值键值对

deleMap := make(map[string]int)
  deleMap["张三"] = 90

  deleMap["小明"] = 100

  deleMap["王五"] = 60



  fmt.Println("map:", deleMap)

  delete(deleMap, "小明")

  fmt.Println("map after delete:", deleMap)

delete是安全的操作，即使删除不存在的key也不报错。delete中如果查找删除失败将返回value类型对应的零值

	m1 := map[int]string{1: "sss", 2: "fff", 3: "zzz"}
	delete(m1, 5)

	for k, v := range m1 {
		fmt.Printf("%d ----> %s\n", k, v)
	}
//1 ----> sss
//2 ----> fff
//3 ----> zzz

遍历map

使用for range遍历map，第一个参数是key，第二是value

	for key, value := range scoreMap {
		fmt.Println(key, value)
	}

第二种遍历方法,只返回key,省略value

	for k := range scoreMap {
		fmt.Printf("%s----> %v\n", k, scoreMap[k])
	}

map长度

可以使用len函数获取map中键值对的个数：

 fmt.Println("len is:", len(stringMap))

map作为函数参数与返回值

map作为函数参数是引用传递

map作为函数返回值也是引用传递

	m1 := map[int]string{1: "sss", 2: "fff", 3: "zzz"}
	m2 := getAndChangeMap(m1)
	fmt.Println("map m2:", m2)
	fmt.Println("map m1:", m1)
	m2[4] = "yiyi"
	fmt.Println("change m2")
	fmt.Println("map m2:", m2)
	fmt.Println("map m1:", m1)

func getAndChangeMap(m map[int]string) map[int]string {
	m[23] = "lili"
	return m
}

打印内容

map m2: map[1:sss 2:fff 3:zzz 23:lili]
map m1: map[1:sss 2:fff 3:zzz 23:lili]
change m2
map m2: map[1:sss 2:fff 3:zzz 4:yiyi 23:lili]
map m1: map[1:sss 2:fff 3:zzz 4:yiyi 23:lili]

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