你不知道的Golang map
在开发过程中，map是必不可少的数据结构，在Golang中，使用map或多或少会遇到与其他语言不一样的体验，比如访问不存在的元素会返回其类型的空值、map的大小究竟是多少，为什么会报"cannot take the address of"错误，遍历map的随机性等等。
本文希望通过研究map的底层实现，以解答这些疑惑。
基于Golang 1.8.3
1. 数据结构及内存管理
hashmap的定义位于 src/runtime/hashmap.go 中，首先我们看下hashmap和bucket的定义：
type hmap struct {
count int // 元素的个数
flags uint8 // 状态标志
B uint8 // 可以最多容纳 6.5 * 2 ^ B 个元素，6.5为装载因子
noverflow uint16 // 溢出的个数
hash0 uint32 // 哈希种子
buckets unsafe.Pointer // 桶的地址
oldbuckets unsafe.Pointer // 旧桶的地址，用于扩容
nevacuate uintptr // 搬迁进度，小于nevacuate的已经搬迁
overflow *[2]*[]*bmap
}
其中，overflow是一个指针，指向一个元素个数为2的数组，数组的类型是一个指针，指向一个slice，slice的元素是桶(bmap)的地址，这些桶都是溢出桶；为什么有两个？因为Go map在hash冲突过多时，会发生扩容操作，为了不全量搬迁数据，使用了增量搬迁，[0]表示当前使用的溢出桶集合，[1]是在发生扩容时，保存了旧的溢出桶集合；overflow存在的意义在于防止溢出桶被gc。
// A bucket for a Go map.
type bmap struct {
// 每个元素hash值的高8位，如果tophash[0] < minTopHash，表示这个桶的搬迁状态
tophash [bucketCnt]uint8
// 接下来是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，
// 再接下来是hash冲突发生时，下一个溢出桶的地址
}
tophash的存在是为了快速试错，毕竟只有8位，比较起来会快一点。
从定义可以看出，不同于STL中map以红黑树实现的方式，Golang采用了HashTable的实现，解决冲突采用的是链地址法。也就是说，使用数组+链表来实现map。特别的，对于一个key，几个比较重要的计算公式为:
| key | hash | hashtop | bucket index |
|---|---|---|---|
| key | hash := alg.hash(key, uintptr(h.hash0)) | top := uint8(hash >> (sys.PtrSize*8 - 8)) | bucket := hash & (uintptr(1)<<h.B - 1)，即 hash % 2^B |
例如，对于B = 3，当hash(key) = 4时， hashtop = 0， bucket = 4，当hash(key) = 20时，hashtop = 0， bucket = 4；这个例子我们在搬迁过程还会用到。
内存布局类似于这样：
2. 创建 - makemap
map的创建比较简单，在参数校验之后，需要找到合适的B来申请桶的内存空间，接着便是穿件hmap这个结构，以及对它的初始化。
3. 访问 - mapaccess
对于给定的一个key，可以通过下面的操作找到它是否存在
方法定义为
// returns key, if not find, returns nil
func mapaccess1(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer
// returns key and exist. if not find, returns nil, false
func mapaccess2(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, bool)
// returns both key and value. if not find, returns nil, nil
func mapaccessK(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, unsafe.Pointer)
可见在找不到对应key的情况下，会返回nil
4. 分配 - mapassign
为一个key分配空间的逻辑，大致与查找类似；但增加了写保护和扩容的操作；注意，分配过程和删除过程都没有在oldbuckets中查找，这是因为首先要进行扩容判断和操作；如下：
扩容是整个hashmap的核心算法，我们放在第6部分重点研究。
新建一个溢出桶，并将其拼接在当前桶的尾部，实现了类似链表的操作：
// 获取当前桶的溢出桶
func (b *bmap) overflow(t *maptype) *bmap {
return *(**bmap)(add(unsafe.Pointer(b), uintptr(t.bucketsize)-sys.PtrSize))
}
// 设置当前桶的溢出桶
func (h *hmap) setoverflow(t *maptype, b, ovf *bmap) {
h.incrnoverflow()
if t.bucket.kind&kindNoPointers != 0 {
h.createOverflow()
//重点，这里讲溢出桶append到overflow[0]的后面
*h.overflow[0] = append(*h.overflow[0], ovf)
}
*(**bmap)(add(unsafe.Pointer(b), uintptr(t.bucketsize)-sys.PtrSize)) = ovf
}
5. 删除 - mapdelete
删除某个key的操作与分配类似，由于hashmap的存储结构是数组+链表，所以真正删除key仅仅是将对应的slot设置为empty，并没有减少内存；如下：
6. 扩容 - growWork
首先，判断是否需要扩容的逻辑是
func (h *hmap) growing() bool {
return h.oldbuckets != nil
}
何时h.oldbuckets不为nil呢？在分配assign逻辑中，当没有位置给key使用，而且满足测试条件(装载因子>6.5或有太多溢出通)时，会触发hashGrow逻辑：
func hashGrow(t *maptype, h *hmap) {
//判断是否需要sameSizeGrow，否则"真"扩
bigger := uint8(1)
if !overLoadFactor(int64(h.count), h.B) {
bigger = 0
h.flags |= sameSizeGrow
}
// 下面将buckets复制给oldbuckets
oldbuckets := h.buckets
newbuckets := newarray(t.bucket, 1<<(h.B+bigger))
flags := h.flags &^ (iterator | oldIterator)
if h.flags&iterator != 0 {
flags |= oldIterator
}
// 更新hmap的变量
h.B += bigger
h.flags = flags
h.oldbuckets = oldbuckets
h.buckets = newbuckets
h.nevacuate = 0
h.noverflow = 0
// 设置溢出桶
if h.overflow != nil {
if h.overflow[1] != nil {
throw("overflow is not nil")
}
// 交换溢出桶
h.overflow[1] = h.overflow[0]
h.overflow[0] = nil
}
}
OK，下面正式进入重点，扩容阶段；在assign和delete操作中，都会触发扩容growWork：
func growWork(t *maptype, h *hmap, bucket uintptr) {
// 搬迁旧桶，这样assign和delete都直接在新桶集合中进行
evacuate(t, h, bucket&h.oldbucketmask())
//再搬迁一次搬迁过程中的桶
if h.growing() {
evacuate(t, h, h.nevacuate)
}
}
6.1 搬迁过程
一般来说，新桶数组大小是原来的2倍(在!sameSizeGrow()条件下)，新桶数组前半段可以"类比"为旧桶，对于一个key，搬迁后落入哪一个索引中呢？
假设旧桶数组大小为2^B， 新桶数组大小为2*2^B，对于某个hash值X
若 X & (2^B) == 0，说明 X < 2^B，那么它将落入与旧桶集合相同的索引xi中；
否则，它将落入xi + 2^B中。
例如，对于旧B = 3时，hash1 = 4，hash2 = 20，其搬迁结果类似这样。
源码中有些变量的命名比较简单，容易扰乱思路，我们注明一下便于理解。
| 变量 | 释义 |
|---|---|
| x *bmap | 桶x表示与在旧桶时相同的位置，即位于新桶前半段 |
| y *bmap | 桶y表示与在旧桶时相同的位置+旧桶数组大小，即位于新桶后半段 |
| xi int | 桶x的slot索引 |
| yi int | 桶y的slot索引 |
| xk unsafe.Pointer | 索引xi对应的key地址 |
| yk unsafe.Pointer | 索引yi对应的key地址 |
| xv unsafe.Pointer | 索引xi对应的value地址 |
| yv unsafe.Pointer | 索引yi对应的value地址 |
搬迁过程如下：
6.2 扩容
和 slice 一样，在 map 的元素持续增长时，每个bucket极端情况下会有很多overflow，退化成链表，需要 rehash。一般扩容是在 h.count > loadFactor(2^B)。 负载因子一般是：容量 / bucket数量，golang 的负载因子 loadFactorNum / loadFactorDen = 6.5，为什么不选择1呢，像 Redis 的 dictentry，只能保存一组键值对，golang的话，一个bucket正常情况下可以保存8组键值对； 那为什么选择6.5这个值呢，作者给出了一组数据。
| loadFactor | %overflow | bytes/entry | hitprobe | missprobe |
|---|---|---|---|---|
| 4.00 | 2.13 | 20.77 | 3.00 | 4.00 |
| 4.50 | 4.05 | 17.30 | 3.25 | 4.50 |
| 5.00 | 6.85 | 14.77 | 3.50 | 5.00 |
| 5.50 | 10.55 | 12.94 | 3.75 | 5.50 |
| 6.00 | 15.27 | 11.67 | 4.00 | 6.00 |
| 6.50 | 20.90 | 10.79 | 4.25 | 6.50 |
| 7.00 | 27.14 | 10.15 | 4.50 | 7.00 |
| 7.50 | 34.03 | 9.73 | 4.75 | 7.50 |
| 8.00 | 41.10 | 9.40 | 5.00 | 8.00 |
loadFactor：负载因子；
%overflow：溢出率，有溢出 bucket 的占比；
bytes/entry：每个 key/value 对占用字节比；
hitprobe：找到一个存在的key平均查找个数；
missprobe：找到一个不存在的key平均查找个数；
通常在负载因子 > 6.5时，就是平均每个bucket存储的键值对
超过6.5个或者是overflow的数量 > 2 ^ 15时会发生扩容（迁移）。它分为两种情况：
第一种：由于map在不断的insert 和 delete 中，bucket中的键值存储不够均匀，内存利用率很低，需要进行迁移。（注：bucket数量不做增加）
第二种：真正的，因为负载因子过大引起的扩容，bucket 增加为原 bucket 的两倍
不论上述哪一种 rehash，都是调用 hashGrow 方法：
- 定义原 hmap 中指向 buckets 数组的指针
- 创建 bucket 数组并设置为 hmap 的 bucket 字段
- 将 extra 中的 oldoverflow 指向 overflow，overflow 指向 nil
- 如果正在 growing 的话，开始渐进式的迁移，在
growWork方法里是 bucket 中 key/value 的迁移 - 在全部迁移完成后，释放内存
7.建议
做两组试验，第一组是：提前分配好 map 的总容量后追加k/v；另一组是：初始化 0 容量的 map 后做追加
package main import "testing" var count int = 100_000 func addition(m map[int]int) map[int]int { for i := 0; i < count; i++ { m[i] = i } return m } func BenchmarkGrows(b *testing.B) { b.ResetTimer() for i := 0; i < b.N; i++ { m := make(map[int]int) addition(m) } } func BenchmarkNoGrows(b *testing.B) { b.ResetTimer() for i := 0; i < b.N; i++ { m := make(map[int]int, count) addition(m) } }
sh: go test -bench=. -run=none map_grow_test.go
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkGrows-4 80 15825209 ns/op
BenchmarkNoGrows-4 160 7235485 ns/op
PASS
ok command-line-arguments 3.944s
提前定义容量的case平均执行时间比未定义容量的快了100% --- 扩容时的数据拷贝和重新哈希成本很高！
再看看内存的分配次数：
sh: go test -bench=. -benchmem -run=none map_grow_test.go
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkGrows-4 98 11200304 ns/op 5766531 B/op 4004 allocs/op
BenchmarkNoGrows-4 172 9005691 ns/op 2829246 B/op 1679 allocs/op
PASS
ok command-line-arguments 3.366s
提前定义容量的case的内存操作次数要少1倍多。
两个方法执行相同的次数，GC的次数也会多出一倍
package main var count int = 100_000 func addition(m map[int]int) map[int]int { for i := 0; i < count; i++ { m[i] = i } return m } func main() { for i := 0; i < 4; i++ { println("round ",i ) n := make(map[int]int, count) addition(n) println("0 size map\n") m := make(map[int]int) addition(m) } }
go build -o growth map_grow.go && GODEBUG=gctrace=1 ./growth round 0 0 size map gc 1 @0.009s 0%: 0.008+0.11+0.014 ms clock, 0.035+0.041/0.012/0.11+0.056 ms cpu, 4->4->0 MB, 5 MB goal, 4 P scvg: 0 MB released scvg: inuse: 3, idle: 59, sys: 63, released: 59, consumed: 4 (MB) scvg: 0 MB released scvg: inuse: 2, idle: 61, sys: 63, released: 59, consumed: 4 (MB) scvg: inuse: 5, idle: 58, sys: 63, released: 58, consumed: 5 (MB) scvg: inuse: 5, idle: 58, sys: 63, released: 58, consumed: 5 (MB) scvg: inuse: 5, idle: 58, sys: 63, released: 58, consumed: 5 (MB) scvg: inuse: 5, idle: 58, sys: 63, released: 58, consumed: 5 (MB) gc 2 @0.014s 0%: 0.002+0.16+0.026 ms clock, 0.009+0.051/0.009/0.093+0.10 ms cpu, 5->5->3 MB, 6 MB goal, 4 P round 1 0 size map gc 3 @0.028s 0%: 0.002+0.10+0.017 ms clock, 0.011+0/0.015/0.10+0.070 ms cpu, 7->7->0 MB, 8 MB goal, 4 P scvg: 0 MB released scvg: inuse: 7, idle: 56, sys: 63, released: 55, consumed: 7 (MB) scvg: 0 MB released scvg: inuse: 2, idle: 61, sys: 63, released: 55, consumed: 7 (MB) scvg: 0 MB released scvg: inuse: 2, idle: 60, sys: 63, released: 55, consumed: 7 (MB) gc 4 @0.033s 0%: 0.002+0.18+0.011 ms clock, 0.011+0.074/0.011/0.15+0.046 ms cpu, 5->5->3 MB, 6 MB goal, 4 P round 2 0 size map gc 5 @0.047s 0%: 0.002+0.21+0.011 ms clock, 0.011+0.032/0.016/0.079+0.045 ms cpu, 7->7->0 MB, 8 MB goal, 4 P scvg: 0 MB released scvg: inuse: 7, idle: 56, sys: 63, released: 55, consumed: 8 (MB) scvg: 0 MB released scvg: inuse: 2, idle: 61, sys: 63, released: 55, consumed: 8 (MB) scvg: 0 MB released scvg: inuse: 5, idle: 58, sys: 63, released: 55, consumed: 8 (MB) gc 6 @0.052s 0%: 0.004+0.11+0.003 ms clock, 0.016+0.062/0.008/0.10+0.015 ms cpu, 5->5->3 MB, 6 MB goal, 4 P round 3 gc 7 @0.066s 0%: 0.002+0.12+0.033 ms clock, 0.011+0.047/0.043/0.052+0.13 ms cpu, 6->6->2 MB, 7 MB goal, 4 P scvg: 0 MB released scvg: inuse: 6, idle: 56, sys: 63, released: 55, consumed: 8 (MB) 0 size map scvg: 0 MB released scvg: inuse: 4, idle: 59, sys: 63, released: 55, consumed: 8 (MB) gc 8 @0.070s 0%: 0.002+0.075+0.004 ms clock, 0.010+0.060/0.007/0.061+0.019 ms cpu, 5->5->1 MB, 6 MB goal, 4 P scvg: 0 MB released scvg: inuse: 2, idle: 61, sys: 63, released: 55, consumed: 8 (MB) scvg: 0 MB released scvg: inuse: 2, idle: 61, sys: 63, released: 55, consumed: 7 (MB) scvg: inuse: 4, idle: 58, sys: 63, released: 55, consumed: 7 (MB) gc 9 @0.075s 0%: 0.003+0.16+0.004 ms clock, 0.012+0.11/0.009/0.10+0.019 ms cpu, 4->4->3 MB, 5 MB goal, 4 P
0长度的map每次都触发gc, 但定长的不会gc.
有个1千万kv的 map，测试在什么情况下会回收内存
package main import "runtime/debug" var count = 10_000_000 var dict = make(map[int]int, count) func addition() { for i := 0; i < count; i++ { dict[i] = i } } func clear() { for k := range dict { delete(dict, k) } } func main() { addition() println("delete map item") clear() debug.FreeOSMemory() println("delete map") dict = nil debug.FreeOSMemory() }
go build -o growth big_map.go && GODEBUG=gctrace=1 ./growth gc 1 @0.005s 0%: 0.007+0.12+0.012 ms clock, 0.028+0.039/0.014/0.23+0.048 ms cpu, 306->306->306 MB, 307 MB goal, 4 P gc 2 @1.469s 0%: 0.004+1.1+0.009 ms clock, 0.018+0/0.99/0.76+0.036 ms cpu, 307->307->306 MB, 612 MB goal, 4 P delete map item gc 3 @2.101s 0%: 0.003+0.18+0.037 ms clock, 0.012+0/0.077/0.068+0.14 ms cpu, 309->309->306 MB, 612 MB goal, 4 P (forced) forced scvg: 4 MB released forced scvg: inuse: 306, idle: 77, sys: 383, released: 77, consumed: 306 (MB) delete map gc 4 @2.102s 0%: 0.001+0.14+0.002 ms clock, 0.007+0/0.12/0.002+0.011 ms cpu, 306->306->0 MB, 612 MB goal, 4 P (forced) scvg: inuse: 306, idle: 77, sys: 383, released: 77, consumed: 306 (MB) forced scvg: 306 MB released forced scvg: inuse: 0, idle: 383, sys: 383, released: 383, consumed: 0 (MB)
删除了所有kv，堆大小（goal）并无变化
设置为nil，才会真正释放map内存。（本身每2分钟强制 runtime.GC()，每5分钟 scavenge 释放内存，其实不必太过纠结是否真正释放，未真正释放也是为了后面有可能的重用， 但有时需要真实释放时，清楚怎么做才能解决问题）
总结
通过分析，我们了解了map是由数组+链表实现的HashTable，其大小和B息息相关，同时也了解了map的创建、查询、分配、删除以及扩容搬迁原理。总的来说，Golang通过hashtop快速试错加快了查找过程，利用空间换时间的思想解决了扩容的问题，利用将8个key(8个value)依次放置减少了padding空间等等。
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