Golang Map實現賦值和擴容的示例程式碼
golang map 操作，是map 實現中較複雜的邏輯。因為當賦值時，為了減少hash 衝突鏈的長度過長問題，會做map 的擴容以及資料的遷移。而map 的擴容以及資料的遷移也是關注的重點。
資料結構
首先，我們需要重新學習下map實現的資料結構：
type hmap struct {
count int
flags uint8
B uint8
noverflow uint16
hash0 uint32
buckets unsafe.Pointer
oldbuckets unsafe.Pointer
nevacuate uintptr
extra *mapextra
}
type mapextra struct {
overflow *[]*bmap
oldoverflow *[]*bmap
nextOverflow *bmap
}hmap 是 map 實現的結構體。大部分欄位在 第一節中已經學習過了。剩餘的就是nevacuate 和extra 了。
首先需要了解搬遷的概念：當hash 中資料鏈太長，或者空的bucket 太多時，會操作資料搬遷，將資料挪到一個新的bucket 上，就的bucket陣列成為了oldbuckets。bucket的搬遷不是一次就搬完的，是訪問到對應的bucket時才可能會觸發搬遷操作。（這一點是不是和redis 的擴容比較類似，將擴容放在多個訪問上，減少了單次訪問的延遲壓力）
- nevactuate 標識的是搬遷的位置(也可以考慮為搬遷的進度）。標識目前 oldbuckets 中 （一個 array）bucket 搬遷到哪裡了。
- extra 是一個map 的結構體，nextOverflow 標識的是申請的空的bucket，用於之後解決衝突時使用；overflow 和 oldoverflow 標識溢位的連結串列中正在使用的bucket 資料。old 和非old 的區別是，old 是為搬遷的資料。
理解了大概的資料結構，我們可以學習map的 賦值操作了。
map 賦值操作
map 的賦值操作寫法如下：
data := mapExample["hello"]
賦值的實現，golang 為了對不同型別k做了優化，下面時一些實現方法：
func mapassign(t *maptype,h *hmap,key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {}
func mapassign_fast32(t *maptype,key uint32) unsafe.Pointer {}
func mapassign_fast32ptr(t *maptype,key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {}
func mapassign_fast64(t *maptype,key uint64) unsafe.Pointer {}
func mapassign_fast64ptr(t *maptype,key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer{}
func mapassign_faststr(t *maptype,s string) unsafe.Pointer {}內容大同小異，我們主要學習mapassign 的實現。
mapassign 方法的實現是查詢一個空的bucket，把key賦值到bucket上，然後把val的地址返回,然後直接通過彙編做記憶體拷貝。
那我們一步步看是如何找空閒bucket的：
① 在查詢key之前，會做異常檢測，校驗map是否未初始化，或正在併發寫操作，如果存在，則丟擲異常：（這就是為什麼map 併發寫回panic的原因）
if h == nil {
panic(plainError("assignment to entry in nil map"))
}
// 竟態檢查 和 記憶體掃描
if h.flags&hashWriting != 0 {
throw("concurrent map writes")
}
② 需要計算key 對應的hash 值，如果buckets 為空（初始化的時候小於一定長度的map 不會初始化資料）還需要初始化一個bucket
alg := t.key.alg
hash := alg.hash(key,uintptr(h.hash0))
// 為什麼需要在hash 後設置flags，因為 alg.hash可能會panic
h.flags ^= hashWriting
if h.buckets == nil {
h.buckets = newobject(t.bucket) // newarray(t.bucket,1)
}
③ 通過hash 值，獲取對應的bucket。如果map 還在遷移資料，還需要在oldbuckets中找對應的bucket，並搬遷到新的bucket。
// 通過hash 計算bucket的位置偏移
bucket := hash & bucketMask(h.B)
// 此處是搬遷邏輯，我們後續詳解
if h.growing() {
growWork(t,h,bucket)
}
// 計算對應的bucket 位置，和top hash 值
b := (*bmap)(unsafe.Pointer(uintptr(h.buckets) + bucket*uintptr(t.bucketsize)))
top := tophash(hash)
④ 拿到bucket之後，還需要按照連結串列方式一個一個查，找到對應的key， 可能是已經存在的key，也可能需要新增。
for {
for i := uintptr(0); i < bucketCnt; i++ {
// 若 tophash 就不相等，那就取tophash 中的下一個
if b.tophash[i] != top {
// 若是個空位置，把kv的指標拿到。
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))
}
// 若後續無資料，那就不用再找坑了
if b.tophash[i] == emptyRest {
break bucketloop
}
continue
}
// 若tophash匹配時
k := add(unsafe.Pointer(b),dataOffset+i*uintptr(t.keysize))
if t.indirectkey() {
k = *((*unsafe.Pointer)(k))
}
// 比較k不等，還需要繼續找
if !alg.equal(key,k) {
continue
}
// 如果key 也相等，說明之前有資料，直接更新k，並拿到v的地址就可以了
if t.needkeyupdate() {
typedmemmove(t.key,k,key)
}
val = add(unsafe.Pointer(b),dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.keysize)+i*uintptr(t.valuesize))
goto done
}
// 取下一個overflow （連結串列指標）
ovf := b.overflow(t)
if ovf == nil {
break
}
b = ovf
}
總結下這段程式，主要有幾個部分：
a. map hash 不匹配的情況，會看是否是空kv 。如果呼叫了delete，會出現空kv的情況，那先把地址留下，如果後面也沒找到對應的k（也就是說之前map 裡面沒有對應的Key），那就直接用空kv的位置即可。
b. 如果 map hash 是匹配的，需要判定key 的字面值是否匹配。如果不匹配，還需要查詢。如果匹配了，那直接把key 更新（因為可能有引用），v的地址返回即可。
c. 如果上面都沒有，那就看下一個bucket
⑤ 插入資料前，會先檢查資料太多了，需要擴容，如果需要擴容，那就從第③開始拿到新的bucket，並查詢對應的位置。
if !h.growing() && (overLoadFactor(h.count+1,h.B) || tooManyOverflowBuckets(h.noverflow,h.B)) {
hashGrow(t,h)
goto again // Growing the table invalidates everything,so try again
}
⑥ 如果剛才看沒有有空的位置，那就需要在連結串列後追加一個bucket，拿到kv。
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))
}
⑦ 最後更新tophash 和 key 的字面值,並解除hashWriting 約束
// 如果非指標資料（也就是直接賦值的資料），還需要申請記憶體和拷貝
if t.indirectkey() {
kmem := newobject(t.key)
*(*unsafe.Pointer)(insertk) = kmem
insertk = kmem
}
if t.indirectvalue() {
vmem := newobject(t.elem)
*(*unsafe.Pointer)(val) = vmem
}
// 更新tophash,k
typedmemmove(t.key,insertk,key)
*inserti = top
done:
if h.flags&hashWriting == 0 {
throw("concurrent map writes")
}
h.flags &^= hashWriting
if t.indirectvalue() {
val = *((*unsafe.Pointer)(val))
}
return val
到這裡，map的賦值基本就介紹完了。下面學習下步驟⑤中的map的擴容。
Map 的擴容
有兩種情況下，需要做擴容。一種是存的kv資料太多了，已經超過了當前map的負載。還有一種是overflow的bucket過多了。這個閾值是一個定值，經驗得出的結論，所以我們這裡不考究。
當滿足條件後，將開始擴容。如果滿足條件二，擴容後的buckets 的數量和原來是一樣的，說明可能是空kv佔據的坑太多了，通過map擴容做記憶體整理。如果是因為kv 量多導致map負載過高，那就擴一倍的量。
func hashGrow(t *maptype,h *hmap) {
bigger := uint8(1)
// 如果是第二種情況，擴容大小為0
if !overLoadFactor(h.count+1,h.B) {
bigger = 0
h.flags |= sameSizeGrow
}
oldbuckets := h.buckets
// 申請一個大陣列，作為新的buckets
newbuckets,nextOverflow := makeBucketArray(t,h.B+bigger,nil)
flags := h.flags &^ (iterator | oldIterator)
if h.flags&iterator != 0 {
flags |= oldIterator
}
// 然後重新賦值map的結構體，oldbuckets 被填充。之後將做搬遷操作
h.B += bigger
h.flags = flags
h.oldbuckets = oldbuckets
h.buckets = newbuckets
h.nevacuate = 0
h.noverflow = 0
// extra 結構體做賦值
if h.extra != nil && h.extra.overflow != nil {
// Promote current overflow buckets to the old generation.
if h.extra.oldoverflow != nil {
throw("oldoverflow is not nil")
}
h.extra.oldoverflow = h.extra.overflow
h.extra.overflow = nil
}
if nextOverflow != nil {
if h.extra == nil {
h.extra = new(mapextra)
}
h.extra.nextOverflow = nextOverflow
}
}
總結下map的擴容操作。首先拿到擴容的大小，然後申請大陣列，然後做些初始化的操作，把老的buckets，以及overflow做切換即可。
map 資料的遷移
擴容完成後，需要做資料的遷移。資料的遷移不是一次完成的，是使用時才會做對應bucket的遷移。也就是逐步做到的資料遷移。下面我們來學習。
在資料賦值的第③步，會看需要操作的bucket是不是在舊的buckets裡面，如果在就搬遷。下面是搬遷的具體操作：
func growWork(t *maptype,bucket uintptr) {
// 首先把需要操作的bucket 搬遷
evacuate(t,bucket&h.oldbucketmask())
// 再順帶搬遷一個bucket
if h.growing() {
evacuate(t,h.nevacuate)
}
}
nevacuate 標識的是當前的進度，如果都搬遷完，應該和2^B的長度是一樣的（這裡說的B是oldbuckets 裡面的B，畢竟新的buckets長度可能是2^(B+1))。
在evacuate 方法實現是把這個位置對應的bucket，以及其衝突鏈上的資料都轉移到新的buckets上。
① 先要判斷當前bucket是不是已經轉移。 (oldbucket 標識需要搬遷的bucket 對應的位置)
b := (*bmap)(add(h.oldbuckets,oldbucket*uintptr(t.bucketsize)))
// 判斷
if !evacuated(b) {
// 做轉移操作
}
轉移的判斷直接通過tophash 就可以，判斷tophash中第一個hash值即可 （tophash的作用可以參考第三講）
func evacuated(b *bmap) bool {
h := b.tophash[0]
// 這個區間的flag 均是已被轉移
return h > emptyOne && h < minTopHash
}
② 如果沒有被轉移，那就要遷移資料了。資料遷移時，可能是遷移到大小相同的buckets上，也可能遷移到2倍大的buckets上。這裡xy 都是標記目標遷移位置的標記：x 標識的是遷移到相同的位置，y 標識的是遷移到2倍大的位置上。我們先看下目標位置的確定：
var xy [2]evacDst
x := &xy[0]
x.b = (*bmap)(add(h.buckets,oldbucket*uintptr(t.bucketsize)))
x.k = add(unsafe.Pointer(x.b),dataOffset)
x.v = add(x.k,bucketCnt*uintptr(t.keysize))
if !h.sameSizeGrow() {
// 如果是2倍的大小，就得算一次 y 的值
y := &xy[1]
y.b = (*bmap)(add(h.buckets,(oldbucket+newbit)*uintptr(t.bucketsize)))
y.k = add(unsafe.Pointer(y.b),dataOffset)
y.v = add(y.k,bucketCnt*uintptr(t.keysize))
}
③ 確定bucket位置後，需要按照kv 一條一條做遷移。（目的就是清除空閒的kv）
// 遍歷每個bucket
for ; b != nil; b = b.overflow(t) {
k := add(unsafe.Pointer(b),dataOffset)
v := add(k,bucketCnt*uintptr(t.keysize))
// 遍歷bucket 裡面的每個kv
for i := 0; i < bucketCnt; i,v = i+1,add(k,uintptr(t.keysize)),add(v,uintptr(t.valuesize)) {
top := b.tophash[i]
// 空的不做遷移
if isEmpty(top) {
b.tophash[i] = evacuatedEmpty
continue
}
if top < minTopHash {
throw("bad map state")
}
k2 := k
if t.indirectkey() {
k2 = *((*unsafe.Pointer)(k2))
}
var useY uint8
if !h.sameSizeGrow() {
// 2倍擴容的需要重新計算hash，
hash := t.key.alg.hash(k2,uintptr(h.hash0))
if h.flags&iterator != 0 && !t.reflexivekey() && !t.key.alg.equal(k2,k2) {
useY = top & 1
top = tophash(hash)
} else {
if hash&newbit != 0 {
useY = 1
}
}
}
// 這些是固定值的校驗，可以忽略
if evacuatedX+1 != evacuatedY || evacuatedX^1 != evacuatedY {
throw("bad evacuatedN")
}
// 設定oldbucket 的tophash 為已搬遷
b.tophash[i] = evacuatedX + useY // evacuatedX + 1 == evacuatedY
dst := &xy[useY] // evacuation destination
if dst.i == bucketCnt {
// 如果dst是bucket 裡面的最後一個kv，則需要新增一個overflow
dst.b = h.newoverflow(t,dst.b)
dst.i = 0
dst.k = add(unsafe.Pointer(dst.b),dataOffset)
dst.v = add(dst.k,bucketCnt*uintptr(t.keysize))
}
// 填充tophash值， kv 資料
dst.b.tophash[dst.i&(bucketCnt-1)] = top
if t.indirectkey() {
*(*unsafe.Pointer)(dst.k) = k2
} else {
typedmemmove(t.key,dst.k,k)
}
if t.indirectvalue() {
*(*unsafe.Pointer)(dst.v) = *(*unsafe.Pointer)(v)
} else {
typedmemmove(t.elem,dst.v,v)
}
// 更新目標的bucket
dst.i++
dst.k = add(dst.k,uintptr(t.keysize))
dst.v = add(dst.v,uintptr(t.valuesize))
}
}
對於key 非間接使用的資料（即非指標資料），做記憶體回收
if h.flags&oldIterator == 0 && t.bucket.kind&kindNoPointers == 0 {
b := add(h.oldbuckets,oldbucket*uintptr(t.bucketsize))
ptr := add(b,dataOffset)
n := uintptr(t.bucketsize) - dataOffset
// ptr 是kv的位置， 前面的topmap 保留，做遷移前的校驗使用
memclrHasPointers(ptr,n)
}
④ 如果當前搬遷的bucket 和 總體搬遷的bucket的位置是一樣的，我們需要更新總體進度的標記 nevacuate
// newbit 是oldbuckets 的長度，也是nevacuate 的重點
func advanceEvacuationMark(h *hmap,t *maptype,newbit uintptr) {
// 首先更新標記
h.nevacuate++
// 最多檢視2^10 個bucket
stop := h.nevacuate + 1024
if stop > newbit {
stop = newbit
}
// 如果沒有搬遷就停止了，等下次搬遷
for h.nevacuate != stop && bucketEvacuated(t,h.nevacuate) {
h.nevacuate++
}
// 如果都已經搬遷完了，oldbukets 完全搬遷成功，清空oldbuckets
if h.nevacuate == newbit {
h.oldbuckets = nil
if h.extra != nil {
h.extra.oldoverflow = nil
}
h.flags &^= sameSizeGrow
}
}
總結
- Map 的賦值難點在於資料的擴容和資料的搬遷操作。
- bucket 搬遷是逐步進行的，每進行一次賦值，會做至少一次搬遷工作。
- 擴容不是一定會新增空間，也有可能是隻是做了記憶體整理。
- tophash 的標誌即可以判斷是否為空，還會判斷是否搬遷，以及搬遷的位置為X or Y。
- delete map 中的key，有可能出現很多空的kv，會導致搬遷操作。如果可以避免，儘量避免。
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