【GoLang那点事】深入Go的Map使用和实现原理

开篇语

Map是一种常用的kv数据结构,程序设计中经常使用,且作为一种最基础的数据结构,很多编程语言本身提供的api都会有实现,Go也不例外,今天我们将从一下三个方面为大家分析Go中的Map。

  • 什么是Map?
  • Go中如何使用Map?
  • 以及Go的Map实现机制是什么样?

希望通过这几个方面的讲解,让大家真正理解Go的Map使用和实现。

什么是Map

key,value存储

最通俗的话说Map是一种通过key来获取value的一个数据结构,其底层存储方式为数组,在存储时key不能重复,当key重复时,value进行覆盖,我们通过key进行hash运算(可以简单理解为把key转化为一个整形数字)然后对数组的长度取余,得到key存储在数组的哪个下标位置,最后将key和value组装为一个结构体,放入数组下标处,看下图:

length = len(array) = 4
hashkey1 = hash(xiaoming) = 4
index1  = hashkey1% length= 0
hashkey2 = hash(xiaoli) = 6
index2  = hashkey2% length= 2

hash冲突

如上图所示,数组一个下标处只能存储一个元素,也就是说一个数组下标只能存储一对key,value, hashkey(xiaoming)=4占用了下标0的位置,假设我们遇到另一个key,hashkey(xiaowang)也是4,这就是hash冲突(不同的key经过hash之后得到的值一样),那么key=xiaowang的怎么存储?

hash冲突的常见解决方法
  • 开放定址法

  • 也就是说当我们存储一个key,value时,发现hashkey(key)的下标已经被别key占用,那我们在这个数组中空间中重新找一个没被占用的存储这个冲突的key,那么没被占用的有很多,找哪个好呢?常见的有线性探测法,线性补偿探测法,随机探测法,这里我们主要说一下线性探测法
  • 线性探测,字面意思就是按照顺序来,从冲突的下标处开始往后探测,到达数组末尾时,从数组开始处探测,直到找到一个空位置存储这个key,当数组都找不到的情况下回扩容(事实上当数组容量快满的时候就会扩容了);查找某一个key的时候,找到key对应的下标,比较key是否相等,如果相等直接取出来,否则按照顺寻探测直到碰到一个空位置,说明key不存在。如下图:
  • 首先存储key=xiaoming在下标0处,当存储key=xiaowang时,hash冲突了,按照线性探测,存储在下标1处,(红色的线是冲突或者下标已经被占用了) 再者key=xiaozhao存储在下标4处,当存储key=xiaoliu是,hash冲突了,按照线性探测,从头开始,存储在下标2处 (黄色的是冲突或者下标已经被占用了)

  • 拉链法

  • 何为拉链,简单理解为链表,当key的hash冲突时,我们在冲突位置的元素上形成一个链表,通过指针互连接,当查找时,发现key冲突,顺着链表一直往下找,直到链表的尾节点,找不到则返回空,如下图:

  • 开放定址(线性探测)和拉链的优缺点
    1. 由上面可以看出拉链法比线性探测处理简单
    2. 线性探测查找是会被拉链法会更消耗时间
    3. 线性探测会更加容易导致扩容,而拉链不会
    4. 拉链存储了指针,所以空间上会比线性探测占用多一点
    5. 拉链是动态申请存储空间的,所以更适合链长不确定的

Go中Map的使用

  • 直接用代码描述,直观,简单,易理解

//直接创建初始化一个mao
var mapInit = map[string]string {"xiaoli":"湖南", "xiaoliu":"天津"}
//声明一个map类型变量,
//map的key的类型是string,value的类型是string
var mapTemp map[string]string
//使用make函数初始化这个变量,并指定大小(也可以不指定)
mapTemp = make(map[string]string,10)
//存储key ,value
mapTemp["xiaoming"] = "北京"
mapTemp["xiaowang"]= "河北"
//根据key获取value,
//如果key存在,则ok是true,否则是flase
//v1用来接收key对应的value,当ok是false时,v1是nil
v1,ok := mapTemp["xiaoming"]
fmt.Println(ok,v1)
//当key=xiaowang存在时打印value
if v2,ok := mapTemp["xiaowang"]; ok{
    fmt.Println(v2)
}
//遍历map,打印key和value
for k,v := range mapTemp{
    fmt.Println(k,v)
}
//删除map中的key
delete(mapTemp,"xiaoming")
//获取map的大小
l := len(mapTemp)
fmt.Println(l)
  • 看了上面的map创建,初始化,增删改查等操作,我们发现go的api其实挺简单易学的

Go中Map的实现原理

  • 知其然,更得知其所以然,会使用map了,多问问为什么,go底层map到底怎么存储呢?接下来我们一探究竟。
  • map的源码位于 src/runtime/map.go中 笔者go的版本是1.12
  • 在go中,map同样也是数组存储的的,每个数组下标处存储的是一个bucket,这个bucket的类型见下面代码,每个bucket中可以存储8个kv键值对,当每个bucket存储的kv对到达8个之后,会通过overflow指针指向一个新的bucket,从而形成一个链表,看bmap的结构,我想大家应该很纳闷,没看见kv的结构和overflow指针啊,事实上,这两个结构体并没有显示定义,是通过指针运算进行访问的。

//bucket结构体定义 b就是bucket
type bmap{
    // tophash generally contains the top byte of the hash value// for each key  in this bucket. If tophash[0] < minTopHash,// tophash[0] is a bucket               evacuation state instead.
    //翻译:top hash通常包含该bucket中每个键的hash值的高八位。如果tophash[0]小于mintophash,则tophash[0]为桶疏散状态
    //bucketCnt 的初始值是8
    tophash [bucketCnt]uint8
    // Followed by bucketCnt keys and then bucketCnt values.// NOTE: packing all the keys together and then all the values together makes the// code a bit more complicated than alternating key/value/key/value/... but it allows// us to eliminate padding which would be needed for, e.g., map[int64]int8.// Followed by an overflow pointer.
    //翻译:接下来是bucketcnt键,然后是bucketcnt值。注意:将所有键打包在一起,然后将所有值打包在一起,使得//代码比交替键/值/键/值/更复杂。但它允许//我们消除可能需要的填充,例如map[int64]int8./后面跟一个溢出指针
}
  • 看上面代码以及注释,我们能得到bucket中存储的kv是这样的,tophash用来快速查找key值是否在该bucket中,而不同每次都通过真值进行比较;还有kv的存放,为什么不是k1v1,k2v2..... 而是k1k2...v1v2...,我们看上面的注释说的 map[int64]int8,key是int64(8个字节),value是int8(一个字节),kv的长度不同,如果按照kv格式存放,则考虑内存对齐v也会占用int64,而按照后者存储时,8个v刚好占用一个int64,从这个就可以看出go的map设计之巧妙。

  • 最后我们分析一下go的整体内存结构,阅读一下map存储的源码,如下图所示,当往map中存储一个kv对时,通过k获取hash值,hash值的低八位和bucket数组长度取余,定位到在数组中的那个下标,hash值的高八位存储在bucket中的tophash中,用来快速判断key是否存在,key和value的具体值则通过指针运算存储,当一个bucket满时,通过overfolw指针链接到下一个bucket。

go的map存储源码如下,省略了一些无关紧要的代码

func mapassign(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {
    //获取hash算法
    alg := t.key.alg
    //计算hash值
    hash := alg.hash(key, uintptr(h.hash0))
    //如果bucket数组一开始为空,则初始化
    if h.buckets == nil {
        h.buckets = newobject(t.bucket) // newarray(t.bucket, 1)
    }
again:
    // 定位存储在哪一个bucket中
    bucket := hash & bucketMask(h.B)
    //得到bucket的结构体
    b := (*bmap)(unsafe.Pointer(uintptr(h.buckets) +bucket*uintptr(t.bucketsize)))
    //获取高八位hash值
    top := tophash(hash)
    var inserti *uint8
    var insertk unsafe.Pointer
    var val unsafe.Pointer
bucketloop:
    //死循环
    for {
        //循环bucket中的tophash数组
        for i := uintptr(0); i < bucketCnt; i++ {
            //如果hash不相等
            if b.tophash[i] != top {
             //判断是否为空,为空则插入
                if isEmpty(b.tophash[i]) && inserti == nil {
                    inserti = &b.tophash[i]
                    insertk = add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+i*uintptr(t.keysize))
                    val = add( unsafe.Pointer(b), 
                    dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.keysize)+i*uintptr(t.valuesize) )
                }
              //插入成功,终止最外层循环
                if b.tophash[i] == emptyRest {
                    break bucketloop
                }
                continue
            }
            //到这里说明高八位hash一样,获取已存在的key
            k := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+i*uintptr(t.keysize))
            if t.indirectkey() {
                k = *((*unsafe.Pointer)(k))
            }
            //判断两个key是否相等,不相等就循环下一个
            if !alg.equal(key, k) {
                continue
            }
            // 如果相等则更新
            if t.needkeyupdate() {
                typedmemmove(t.key, k, key)
            }
            //获取已存在的value
            val = add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.keysize)+i*uintptr(t.valuesize))
            goto done
        }
        //如果上一个bucket没能插入,则通过overflow获取链表上的下一个bucket
        ovf := b.overflow(t)
        if ovf == nil {
            break
        }
        b = ovf
    }

    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))
    }

    // store new key/value at insert position
    if t.indirectkey() {
        kmem := newobject(t.key)
        *(*unsafe.Pointer)(insertk) = kmem
        insertk = kmem
    }
    if t.indirectvalue() {
        vmem := newobject(t.elem)
        *(*unsafe.Pointer)(val) = vmem
    }
    typedmemmove(t.key, insertk, key)
    //将高八位hash值存储
    *inserti = top
    h.count++
    return val
}

欢迎大家关注微信公众号:“golang那点事”,更多精彩期待你的到来

0 个评论

要回复文章请先登录注册