再也不怕面试官拷打Go数据结构了！-Go语言map详解

news2024/11/25 13:16:22

map是Go语言中的哈希表，用来存储key/value键值对。可以在O(1)的时间复杂度内进行查找。map是Go语言在面试中经常会被问到的一个点，这篇文章就来细细梳理一下map的相关知识点，面试不再怕，offer顶呱呱。

哈希冲突

我们知道，哈希表是存储键值对的常用数据结构，而哈希表经常会遇到哈希冲突这一情况，指的是两个key/value键值对计算得出的hash值相同，会存储到同一个位置，就会发生撞车。解决方式有两种：拉链法或者开放寻址法。

拉链法：将数组中的元素换成指针，数组中的每个元素指向一个链表。遇到哈希冲突的情况就将冲突的元素连接到链表后面。拉点发处理冲突简单，但是当链表长度过长时，可以采用优化策略，例如采用红黑树代替链表。
开放地址法：简单来说就是当某个位置冲突时，就继续往后寻找空位，直到找到未使用的数据槽，将数据放入。

在Go语言中如何处理哈希冲突？小孩子才做选择，成年人当然全都要啦。

Go语言中map的底层结构

在Go语言中，map的底层结构是一个指向hmap的指针，占用8个字节。hmap中包含多个元素结构为bmap的bucket数组。bucket的底层采用链表将这些bmap连接起来。这里处理冲突用到了优化的拉链法，链表中的每个节点存储的不是一个键值对，而是8个键值对。
map的数据结构在源码结构中的关键字段如下，在src/runtime/map.go中

 type hmap struct {
     count     int     // 元素的个数
     flags     uint8   // 状态标志位，标记map的一些状态
     B         uint8   // buckets 数组的长度就是 2^B 个
     noverflow  uint16  // 溢出桶的数量 
     
     buckets    unsafe.Pointer  // 2^B个桶对应的数组指针，buckets数组的元素是bmap
     oldbuckets unsafe.Pointer  // 发生扩容时，记录扩容前的buckets数组指针
     
     extra *mapextra // 用于保存溢出桶的地址
 }
 
 type mapextra struct {
     overflow    *[]*bmap  // 溢出桶链表地址
     oldoverflow *[]*bmap  // 老的溢出桶链表地址
 
     nextOverflow *bmap  // 下一个空闲溢出桶地址
 }
 
 type bmap struct {
     tophash   [8]uint8  // 存储了bmap中8个k/v键值对的每个key根据哈希函数计算得出的hash值的高8位
     keys      [8]keytype // 存储了bmap中8个k/v键值对中的key
     values    [8]valuetype  // 存储了bmap中8个k/v键值对中的key
     overflow  uintptr // 指向溢出桶的指针
 }

在这里插入图片描述

map的访问原理

对map的访问两种方式：

v := map[key]     // 当map中没有对应的key时，会返回value对应类型的零值
v, ok := map[key] //当map中没有对应的key时，除了会返回value对应类型的零值，还会返回一个值存不存在的布尔值

map的访问步骤：

判断map是否为空或者无数据，若为空或者无数据返回对应的空值
map写检测，若正处于写状态，表示此时不能进行操作，报fatal error
计算hash值和掩码
通过最后的B位确定在哪号桶。
根据key对应的前8位快速确定是在这个桶的哪个位置
对比key完成的hash是否匹配，匹配则获取对应value
如果都没有找到，就去连接的下一个溢出桶去找。

这里也可以看出，tophash的作用是快速确定key是否正确，也可以理解成一种缓存措施，如果前8位都不对，那后面也没必要比较了。
在这里插入图片描述

map的赋值原理

map的赋值操作很简单：

map[key] = value

原map中存在key时，则更新对应的值为value，若map中不存在key时，则插入键值对key/value。

注意

对map赋值时，map一定先进行初始化。map初始化有：

m := map[key]value{}
m := make(map[key]value)

map是非线程安全的，不支持并发读写操作。当其他线程正在读写map时，执行map的赋值会报并发读写错误。
**

map的赋值步骤：

**
map写检测，如果当前正处于写状态，表示此时不能进行赋值。
计算hash值，将map置为写状态
通过key的hash值后B位确定是哪一个桶
遍历当前桶，通过key的tophash和hash值，防止key重复，然后找到第一个可以插入的位置，即空位置存储数据。
如果当前桶元素已满，则会通过overflow连接创建一个新的桶。
再次判断map的写状态
清除map的写状态

map的扩容

map在两种情况下会触发扩容：

map的负载因子（当前map中，每个桶中的平均元素个数）已经超过6.5

正常情况下，如果没有溢出桶，每一个桶中最多有8个元素，当平均每个桶中的数据超过6.5个，那就意味着当前容量不足了，要扩容。

溢出桶的数量过多

当B < 15时，如果overflow的bucket数量超过2^B
当B >= 15时，overflow的bucket数量超过2^15
简单来讲，新加入的key的hash后B位都一样，使得个别桶一直在插入新数据，进而导致它的溢出桶链条越来越长，如此一来，map在操作数据时就会变得很慢。及时扩容，可以重排数据，使元素在桶中的位置更加平均。
对应的，有两种不同的扩容策略：