Golang map实现原理及源码分析

本文涉及到的源码版本为Go SDK 1.16.1 

1、map的基本结构

        map是Golang中的一种常用数据结构，其本质上是一种哈希表，类似于 java 的 HashMap以及Python的字典(dict)，是一种存储键值对(Key-Value)的数据结构。一般的Map会包含两个主要结构：

• 数组：数组里的值指向一个链表
• 链表：目的解决hash冲突的问题，并存放键值

        而在Golang中，解决hash冲突的不是链表，而是数组（既内存中的连续空间），而且使用了两个数组分别存放键和值，如下图所示。其中提到了map中的两个核心的结构体：hmap和bmap，每个map的底层数据结构是hmap，而每个hamp是有若干个bmap组成的bucker数组。hmap的结构体定义如下（src/runtime/map.go）： 

type hmap struct {
	count     int //元素个数
	flags     uint8
	B         uint8  // 扩容相关字段, B是buckets数组的长度的对数2^B
	noverflow uint16 // 溢出的bucket个数，一个bmap中最多存8组键值对，存满了就往指向的这个bmap里存
	hash0     uint32 // hash因子

	buckets    unsafe.Pointer // buckets 数组指针
	oldbuckets unsafe.Pointer // 扩容时，存放之前的buckets(Map扩容相关字段)
	nevacuate  uintptr        // 分流次数，成倍扩容分流操作计数的字段(Map扩容相关字段)

	extra *mapextra // 用于扩容的指针
}

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

  而bmap 就是我们常说的“桶”，桶里面会最多装 8 个 key，这些 key 之所以会落入同一个桶，是因为它们经过哈希计算后，哈希结果是相同的。哈希函数相同的情况下又会根据 key 计算出来的 hash 值的高 8 位来决定 key 到底落入桶内的哪个位置（一个桶内最多有8个位置)。 bmap在map.go中的代码定义如下，值得一提的的是，在编译时会动态创建一个新的bmap结构：

// A bucket for a Go map.
type bmap struct {
	tophash [bucketCnt]uint8 //长度为8的数组
}

//编译时创建的新bamp结构
type bmap struct {
  topbits  [8]uint8 //长度为8的数组，[]uint8，存储的是key获取的hash的高8位，遍历时对比使用，提高性能。
  keys     [8]keytype //长度为8的数组，存储具体的key值。
  values   [8]valuetype //长度为8的数组，存储具体的value值
  pad      uintptr //指向的hmap.extra.overflow溢出桶里的bmap，上面的字段topbits、keys、elems长度为8，最多存8组键值对，存满了就往指向的这个bmap里存
  overflow uintptr //对齐内存使用的，不是每个bmap都有会这个字段，需要满足一定条件
}

       在了解了hmap和bmap的基本结构后，就可以就得到如下的Map结构图：

  

 2、负载因子

        负载因子是衡量Hash表中空间利用率的指标，负载因子= hash表中已存储的键值对的总数量/hash桶的个数（即hmap结构中buckets数组的个数）。我们知道负载因子决定了Hash表的存储效率：负载因子过小会导致空间利用率较低；而负载因子较大则会导致Hash表的插入和查找频繁发生碰撞，导致Hash表退化成链表，触发扩容。在Golang中负载因子被设定为6.5，为什么设置为6.5而不是其他的数值呢，Golang官方给出了一组测试数据：

        从表中我们能够看到当负载因子设置为6.5时，溢出率（%overflow），每个键值对占用字节比（bytes/entry）和查找次数取得一定平衡 。当在Golang中调用make(map[k]v,hint)初始化map时，会根据初始化元素个数以及负载因子来决定创建的buckets个数，核心代码如下所示：

func makemap(t *maptype, hint int, h *hmap) *hmap {
	mem, overflow