源码剖析Golang中map扩容底层的实现

之前的文章详细介绍过Go切片和map的基本使用，以及切片的扩容机制。本文针对map的扩容，会从源码的角度全面的剖析一下map扩容的底层实现，需要的可以参考一下

目录

• 前言
• map底层结构
• 扩容时机
• 条件1：超过负载
• 条件2：溢出桶太多
• 扩容方式
• 双倍扩容
• 等量扩容
• 扩容函数
• 总结

前言

之前的文章详细介绍过Go切片和map的基本使用，以及切片的扩容机制。本文针对map的扩容，会从源码的角度全面的剖析一下map扩容的底层实现。

map底层结构

主要包含两个核心结构体hmap和bmap

数据会先存储在正常桶hmap.buckets指向的bmap数组中，一个bmap只能存储8组键值对数据，超过则会将数据存储到溢出桶hmap.extra.overflow指向的bmap数组中

那么，当溢出桶也存储不下了，会怎么办呢，数据得存储到哪去呢？答案，肯定是扩容，那么扩容怎么实现的呢？接着往下看

扩容时机

在向 map 插入新 key 的时候，会进行条件检测，符合下面这 2 个条件，就会触发扩容

// If we hit the max load factor or we have too many overflow buckets,
// and we're not already in the middle of growing, start growing.
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
}

// growing reports whether h is growing. The growth may be to the same size or bigger.
func (h *hmap) growing() bool {
  return h.oldbuckets != nil
}

条件1：超过负载

map元素个数 > 6.5 * 桶个数

// overLoadFactor reports whether count items placed in 1<<B buckets is over loadFactor.
func overLoadFactor(count int, B uint8) bool {
  return count > bucketCnt && uintptr(count) > loadFactorNum*(bucketShift(B)/loadFactorDen)
}

其中

• bucketCnt = 8，一个桶可以装的最大元素个数
• loadFactor = 6.5，负载因子，平均每个桶的元素个数
• bucketShift(B): 桶的个数

条件2：溢出桶太多

当桶总数 < 2 ^ 15 时，如果溢出桶总数 >= 桶总数，则认为溢出桶过多。

当桶总数 >= 2 ^ 15 时，直接与 2 ^ 15 比较，当溢出桶总数 >= 2 ^ 15 时，即认为溢出桶太多了。

// tooManyOverflowBuckets reports whether noverflow buckets is too many for a map with 1<<B buckets.
// Note that most of these overflow buckets must be in sparse use;
// if use was dense, then we'd have already triggered regular map growth.
func tooManyOverflowBuckets(noverflow uint16, B uint8) bool {
  // If the threshold is too low, we do extraneous work.
  // If the threshold is too high, maps that grow and shrink can hold on to lots of unused memory.
  // "too many" means (approximately) as many overflow buckets as regular buckets.
  // See incrnoverflow for more details.
  if B > 15 {
    B = 15
  }
  // The compiler doesn't see here that B < 16; mask B to generate shorter shift code.
  return noverflow >= uint16(1)<<(B&15)
}

对于条件2，其实算是对条件1的补充。因为在负载因子比较小的情况下，有可能 map 的查找和插入效率也很低，而第 1 点识别不出来这种情况。

表面现象就是负载因子比较小，即 map 里元素总数少，但是桶数量多（真实分配的桶数量多，包括大量的溢出桶）。比如不断的增删，这样会造成overflow的bucket数量增多，但负载因子又不高，达不到第 1 点的临界值，就不能触发扩容来缓解这种情况。这样会造成桶的使用率不高，值存储得比较稀疏，查找插入效率会变得非常低，因此有了第 2 扩容条件。

扩容方式

双倍扩容

针对条件1，新建一个buckets数组，新的buckets大小是原来的2倍，然后旧buckets数据搬迁到新的buckets，该方法我们称之为双倍扩容

等量扩容

针对条件2，并不扩大容量，buckets数量维持不变，重新做一遍类似双倍扩容的搬迁动作，把松散的键值对重新排列一次，使得同一个 bucket 中的 key 排列地更紧密，节省空间，提高 bucket 利用率，进而保证更快的存取，该方法我们称之为等量扩容

扩容函数

上面说的 hashGrow() 函数实际上并没有真正地“搬迁”，它只是分配好了新的 buckets，并将老的 buckets 挂到了 oldbuckets 字段上。

真正搬迁 buckets 的动作在 growWork() 函数中，而调用 growWork() 函数的动作是在 mapassign 和 mapdelete 函数中。也就是插入或修改、删除 key 的时候，都会尝试进行搬迁 buckets 的工作。先检查 oldbuckets 是否搬迁完毕，具体来说就是检查 oldbuckets 是否为 nil

func hashGrow(t *maptype, h *hmap) {
  // If we've hit the load factor, get bigger.
  // Otherwise, there are too many overflow buckets,
  // so keep the same number of buckets and "grow" laterally.
  bigger := uint8(1)
  if !overLoadFactor(h.count+1, h.B) {
    bigger = 0
    h.flags |= sameSizeGrow
  }
  oldbuckets := h.buckets
  newbuckets, nextOverflow := makeBucketArray(t, h.B+bigger, nil)

  flags := h.flags &^ (iterator | oldIterator)
  if h.flags&iterator != 0 {
    flags |= oldIterator
  }
  // commit the grow (atomic wrt gc)
  h.B += bigger
  h.flags = flags
  h.oldbuckets = oldbuckets
  h.buckets = newbuckets
  h.nevacuate = 0
  h.noverflow = 0

  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
  }

  // the actual copying of the hash table data is done incrementally
  // by growWork() and evacuate().
}

由于 map 扩容需要将原有的 key/value 重新搬迁到新的内存地址，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，因此 Go map 的扩容采取了一种称为“渐进式”的方式，原有的 key 并不会一次性搬迁完毕，每次最多只会搬迁 2 个 bucket。

func growWork(t *maptype, h *hmap, bucket uintptr) {
  // make sure we evacuate the oldbucket corresponding
  // to the bucket we're about to use
  evacuate(t, h, bucket&h.oldbucketmask())

  // evacuate one more oldbucket to make progress on growing
  if h.growing() {
    evacuate(t, h, h.nevacuate)
  }
}

总结

要想掌握Go map扩容的底层实现，必须先掌握map的底层结构设计。基于底层结构，再从底层实现的源码，一步步分析。

到此这篇关于源码剖析Golang中map扩容底层的实现的文章就介绍到这了,更多相关Golang map扩容内容请搜索北冥有鱼以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持北冥有鱼！