go中map的数据结构理解

这篇文章想说一下go中map的数据结构和我对它的理解,感兴趣的可以往下接着看哈

Golang的map使用哈希表作为底层实现，一个哈希表里可以有多个哈希表节点,也即bucket，而每个bucket就保存了map中的一个或一组键值对,看过map的底层数据结构应该知道它在runtime/map.go/hmap 定义:

type hmap struct {
    count int
    ...
    B uint8
    ...
    buckets unsafe.Pointer
    ...
}

给大家看一下拥有4个bucket的map：

上图中,hmap(B=2),hmap.buckets长度是2^B为4. 元素经过哈希运算后会落到某个bucket中进行存储。查找过程类似。

bucket数据结构由 runtime/map.go/bmap 定义,每个bucket可以存储8个键值对：

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是个长度为8的数组，哈希值相同的键（准确的说是哈希值低位相同的键）存入当前bucket时会将哈希值的高位存储在该数组中，以方便后续匹配。
data区存放的是key-value数据,存放顺序是key/key/key/…value/value/value,如此存放是为了节省字节对齐带来的空间浪费。
overflow 指针指向的是下一个bucket,据此将所有冲突的键连接起来。
上面程序中的data和overflow并不是在结构体中显示定义的,而是直接通过指针运算进行访问的。

下图的bucket存放8个key-value对：

来了解一下map中什么是哈希冲突

当有两个或以上数量的键被哈希到了同一个bucket时，我们称这些键发生了冲突。Go使用链地址法来解决键冲突。由于每个bucket可以存放8个键值对，所以同一个bucket存放超过8个键值对时就会再创建一个键值对，用类似链表的方式将bucket连接起来。

来看看发生冲突后的map是怎样的,看下图：

bucket数据结构指示下一个bucket的指针称为overflow bucket，意为当前bucket装不下而溢出的部分。事实上
哈希冲突并不是好事情，它降低了存取效率，好的哈希算法可以保证哈希值的随机性，但冲突过多也是要控制的

了解了什么是哈希冲突,接着一起了解下什么是负载因子

负载因子用于衡量一个哈希表冲突情况，公式为：
负载因子 = 键数量/bucket数量
对于一个bucket数量为4，包含4个键值对的哈希表来说，这个哈希表的负载因子为1
哈希表需要将负载因子控制在合适的大小，超过其阀值需要进行rehash，也即键值对重新组织：
1. 哈希因子过小，说明空间利用率低
2. 哈希因子过大，说明冲突严重，存取效率低
每个哈希表的实现对负载因子容忍程度不同，比如Redis实现中负载因子大于1时就会触发rehash，而Go则在在负载因子达到6.5时才会触发rehash，因为Redis的每个bucket只能存1个键值对，而Go的bucket可能存8个键值对，所以Go可以容忍更高的负载因子。

了解完负载因子后接着一起map是怎么扩容的吧

为了保证访问效率，当新元素将要添加进map时，都会检查是否需要扩容，扩容实际上是以空间换时间的手段。触发扩容的条件有二个：
1. 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。
2. overflow数量>2^15时,也即overflow数量超过32768时。
当负载因子过大时，就新建一个bucket，新的bucket长度是原来的2倍，然后旧bucket数据搬迁到新的bucket。考虑到如果map存储了数以亿计的key-value，一次性搬迁将会造成比较大的延时，Go采用逐步搬迁策略，即每次访问map时都会触发一次搬迁，每次搬迁2个键值对
下图展示了包含一个bucket满载的map:

上图可以看出map存储了7个键值对，只有1个bucket。时地负载因子为7。再次插入数据时将会触发扩容操作，扩容之后再将新插入键写入新的bucket。当第8个键值对插入时，将会触发扩容，扩容后示意图如下：

hmap数据结构中oldbuckets成员指身原bucket，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，搬迁完成后的示意图如下：