深入理解 Go map：初始化和访问元素

在这里我们留意到，存储 k 和 v 的载体并不是用 k/v/k/v/k/v/k/v 的模式，而是 k/k/k/k/v/v/v/v 的形式去存储。这是为什么呢？

map[int64]int8

在这个例子中，如果按照 k/v/k/v/k/v/k/v 的形式存放的话，虽然每个键值对的值都只占用 1 个字节。但是却需要 7 个填充字节来补齐内存空间。最终就会造成大量的内存 “浪费”

但是如果以 k/k/k/k/v/v/v/v 的形式存放的话，就能够解决因对齐所 "浪费" 的内存空间

因此这部分的拆分主要是考虑到内存对齐的问题，虽然相对会复杂一点，但依然值得如此设计

可能会有同学疑惑为什么会有溢出桶这个东西？实际上在不存在哈希冲突的情况下，去掉溢出桶，也就是只需要桶、哈希因子、哈希算法。也能实现一个简单的 hash table。但是哈希冲突（碰撞）是不可避免的...

而在 Go map 中当 hmap.buckets 满了后，就会使用溢出桶接着存储。我们结合分析可确定 Go 采用的是数组 + 链地址法解决哈希冲突

m := make(map[int32]int32)

通过阅读源码可得知，初始化方法有好几种。函数原型如下：

func makemap_small() *hmap
func makemap64(t *maptype, hint int64, h *hmap) *hmap
func makemap(t *maptype, hint int, h *hmap) *hmap

makemap_small：当 hint 小于 8 时，会调用 makemap_small 来初始化 hmap。主要差异在于是否会马上初始化 hash table

makemap64：当 hint 类型为 int64 时的特殊转换及校验处理，后续实质调用 makemap

makemap：实现了标准的 map 初始化动作

func makemap(t *maptype, hint int, h *hmap) *hmap {
    if hint < 0 || hint > int(maxSliceCap(t.bucket.size)) {
        hint = 0
    }

    if h == nil {
        h = new(hmap)
    }
    h.hash0 = fastrand()

    B := uint8(0)
    for overLoadFactor(hint, B) {
        B++
    }
    h.B = B

    if h.B != 0 {
        var nextOverflow *bmap
        h.buckets, nextOverflow = makeBucketArray(t, h.B, nil)
        if nextOverflow != nil {
            h.extra = new(mapextra)
            h.extra.nextOverflow = nextOverflow
        }
    }

    return h
}

根据传入的 bucket 类型，获取其类型能够申请的最大容量大小。并对其长度 make(map[k]v, hint) 进行边界值检验

初始化 hmap

初始化哈希因子

根据传入的 hint，计算一个可以放下 hint 个元素的桶 B 的最小值

分配并初始化 hash table。如果 B 为 0 将在后续懒惰分配桶，大于 0 则会马上进行分配

返回初始化完毕的 hmap

在这里可以注意到，（当 hint 大于等于 8 ）第一次初始化 map 时，就会通过调用 makeBucketArray 对 buckets 进行分配。因此我们常常会说，在初始化时指定一个适当大小的容量。能够提升性能。

若该容量过少，而新增的键值对又很多。就会导致频繁的分配 buckets，进行扩容迁移等 rehash 动作。最终结果就是性能直接的下降（敲黑板）

而当 hint 小于 8 时，这种问题相对就不会凸显的太明显，如下：

func makemap_small() *hmap {
    h := new(hmap)
    h.hash0 = fastrand()
    return h
}

v := m[i]
v, ok := m[i]

在实现 map 元素访问上有好几种方法，主要是包含针对 32/64 位、string 类型的特殊处理，总的函数原型如下：

mapaccess1(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer
mapaccess2(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, bool)

mapaccessK(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, unsafe.Pointer)

mapaccess1_fat(t *maptype, h *hmap, key, zero unsafe.Pointer) unsafe.Pointer
mapaccess2_fat(t *maptype, h *hmap, key, zero unsafe.Pointer) (unsafe.Pointer, bool)

mapaccess1_fast32(t *maptype, h *hmap, key uint32) unsafe.Pointer
mapaccess2_fast32(t *maptype, h *hmap, key uint32) (unsafe.Pointer, bool)
mapassign_fast32(t *maptype, h *hmap, key uint32) unsafe.Pointer
mapassign_fast32ptr(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer

mapaccess1_fast64(t *maptype, h *hmap, key uint64) unsafe.Pointer
...

mapaccess1_faststr(t *maptype, h *hmap, ky string) unsafe.Pointer
...

mapaccess1：返回 h[key] 的指针地址，如果键不在 map 中，将返回对应类型的零值

mapaccess2：返回 h[key] 的指针地址，如果键不在 map 中，将返回零值和布尔值用于判断

func mapaccess1(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {
    ...
    if h == nil || h.count == 0 {
        return unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
    }
    if h.flags&hashWriting != 0 {
        throw("concurrent map read and map write")
    }
    alg := t.key.alg
    hash := alg.hash(key, uintptr(h.hash0))
    m := bucketMask(h.B)
    b := (*bmap)(add(h.buckets, (hash&m)*uintptr(t.bucketsize)))
    if c := h.oldbuckets; c != nil {
        if !h.sameSizeGrow() {
            // There used to be half as many buckets; mask down one more power of two.
            m >>= 1
        }
        oldb := (*bmap)(add(c, (hash&m)*uintptr(t.bucketsize)))
        if !evacuated(oldb) {
            b = oldb
        }
    }
    top := tophash(hash)
    for ; b != nil; b = b.overflow(t) {
        for i := uintptr(0); i < bucketCnt; i++ {
            if b.tophash[i] != top {
                continue
            }
            k := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+i*uintptr(t.keysize))
            if t.indirectkey {
                k = *((*unsafe.Pointer)(k))
            }
            if alg.equal(key, k) {
                v := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.keysize)+i*uintptr(t.valuesize))
                if t.indirectvalue {
                    v = *((*unsafe.Pointer)(v))
                }
                return v
            }
        }
    }
    return unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
}

判断 map 是否为 nil，长度是否为 0。若是则返回零值

判断当前是否并发读写 map，若是则抛出异常

根据 key 的不同类型调用不同的 hash 方法计算得出 hash 值

确定 key 在哪一个 bucket 中，并得到其位置

判断是否正在发生扩容（h.oldbuckets 是否为 nil），若正在扩容，则到老的 buckets 中查找（因为 buckets 中可能还没有值，搬迁未完成），若该 bucket 已经搬迁完毕。则到 buckets 中继续查找

计算 hash 的 tophash 值（高八位）

根据计算出来的 tophash，依次循环对比 buckets 的 tophash 值（快速试错）

如果 tophash 匹配成功，则计算 key 的所在位置，正式完整的对比两个 key 是否一致

若查找成功并返回，若不存在，则返回零值

在上述步骤三中，提到了根据不同的类型计算出 hash 值，另外会计算出 hash 值的高八位和低八位。低八位会作为 bucket index，作用是用于找到 key 所在的 bucket。而高八位会存储在 bmap tophash 中

其主要作用是在上述步骤七中进行迭代快速定位。这样子可以提高性能，而不是一开始就直接用 key 进行一致性对比

在本章节，我们介绍了 map 类型的以下知识点：

map 的基础数据结构

初始化 map

访问 map

从阅读源码中，得知 Go 本身对于一些不同大小、不同类型的属性，包括哈希方法都有编写特定方法去运行。总的来说，这块的设计隐含较多的思路，有不少点值得细细品尝 :)

注：本文基于 Go 1.11.5