【Golang 面试基础题】每日 5 题（七）

news2024/9/25 15:46:13

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📚专栏简介：在这个专栏中，我将会分享 Golang 面试中常见的面试题给大家~
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 31. Go Map 查找

在 Go 语言中，使用 map 查找一个键值对的过程可以通过 map[key] 来完成，返回值是对应的值和一个表示是否存在的布尔值。

具体来说，如果 map 中存在该键，则返回对应的值和布尔值 true；如果不存在该键，则返回值类型的零值和布尔值 false。例如：

m := make(map[string]int)
m["apple"] = 1
value, ok := m["apple"]
if ok {
    fmt.Println(value) // 输出 1
}

另外，也可以直接使用一个值来获取键值对中的值，但是如果键值对中不存在该键，会返回该值类型的零值。例如：

m := make(map[string]int)
m["apple"] = 1
value := m["banana"]
fmt.Println(value) // 输出 0

需要注意的是，map 的键类型必须支持相等运算，例如，数字、字符串、指针、通道、接口类型、结构体类型等都是支持的，但是数组、切片、函数类型等不支持。

底层实现

在 Golang 中，Map 的查找是通过哈希表实现的。当程序执行 map 查找操作时，会先根据哈希函数将 key 转换成一个哈希值，然后在哈希表中查找该哈希值对应的桶 (bucket)，再在桶中查找对应的键值对。

具体来说，当 Map 中的键值对数量超过一定阈值时，会触发自动扩容操作。扩容操作会重新分配更大的桶数组，并将原有的键值对重新哈希分布到新的桶中。

在查找时，Golang 的 Map 会先通过哈希值定位到对应的桶 (bucket)，然后在桶中遍历链表（每个桶可能对应多个键值对）查找对应的键值对。在遍历链表的过程中，如果发现某个键值对的 key 与要查找的 key 相等，则返回该键值对的 value。

需要注意的是，如果 Map 中的键值对过多，桶中的链表会很长，查找时效率会降低，因此需要根据实际情况合理设置 Map 的容量和哈希函数，以充分利用哈希表的优势。同时，当 Map 中的键值对类型为复杂类型（如结构体）时，需要重载对应的哈希函数和比较函数，以确保哈希表的正确性。

32. Go Ma p 如何查找？

Go 语言中读取 map 有两种语法：带 comma 和 不带 comma。当要查询的 key 不在 map 里，带 comma 的用法会返回一个 bool 型变量提示 key 是否在 map 中；而不带 comma 的语句则会返回一个 value 类型的零值。如果 value 是 int 型就会返回 0，如果 value 是 string 类型，就会返回空字符串。

// 不带 comma 用法
value := m["name"]
fmt.Printf("value:%s", value)

// 带 comma 用法
value, ok := m["name"]
if ok {
    fmt.Printf("value:%s", value)
}

map 的查找通过生成汇编码可以知道，根据 key 的不同类型/返回参数，编译器会将查找函数用更具体的函数替换，以优化效率：

key 类型查找
uint32mapaccess1_fast32(t maptype, h hmap, key uint32) unsafe.Pointer
uint32mapaccess2_fast32(t maptype, h hmap, key uint32) (unsafe.Pointer, bool)
uint64mapaccess1_fast64(t maptype, h hmap, key uint64) unsafe.Pointer
uint64mapaccess2_fast64(t maptype, h hmap, key uint64) (unsafe.Pointer, bool)
stringmapaccess1_faststr(t maptype, h hmap, ky string) unsafe.Pointer
stringmapaccess2_faststr(t maptype, h hmap, ky string) (unsafe.Pointer, bool)

查找流程

  

 1. 写保护监测

函数首先会检查 map 的标志位 flags。如果 flags 的写标志位此时被置 1 了，说明有其他协程在执行“写”操作，进而导致程序 panic，这也说明了 map 不是线程安全的。

if h.flags&hashWriting != 0 {
    throw("concurrent map read and map write")
}

2. 计 算 hash 值

hash := t.hasher(key, uintptr(h.hash0))

key 经过哈希函数计算后，得到的哈希值如下（主流 64 位机下共 64 个 bit 位），不同类型的 key 会有不同的 hash 函数。

 10010111 | 000011110110110010001111001010100010010110010101010 │ 01010

3. 找 到 hash 对应的 bucket

bucket 定位：哈希值的低 B 个 bit 位，用来定位 key 所存放的 bucket。

如果当前正在扩容中，并且定位到的旧 bucket 数据还未完成迁移，则使用旧的 bucket（扩容前的 bucket）。

hash := t.hasher(key, uintptr(h.hash0))
// 桶的个数m-1，即 1<<B-1,B=5时，则有0~31号桶
m := bucketMask(h.B)
// 计算哈希值对应的bucket
// t.bucketsize为一个bmap的大小，通过对哈希值和桶个数取模得到桶编号，通过对桶编号和buckets起始地址进行运算，获取哈希值对应的bucket
b := (*bmap)(add(h.buckets, (hash&m)*uintptr(t.bucketsize)))
// 是否在扩容
if c := h.oldbuckets; c != nil {
  // 桶个数已经发生增长一倍，则旧bucket的桶个数为当前桶个数的一半
    if !h.sameSizeGrow() {
        // There used to be half as many buckets; mask down one more power of two.
        m >>= 1
    }
    // 计算哈希值对应的旧bucket
    oldb := (*bmap)(add(c, (hash&m)*uintptr(t.bucketsize)))
    // 如果旧bucket的数据没有完成迁移，则使用旧bucket查找
    if !evacuated(oldb) {
        b = oldb
    }
}

4. 遍 历 bucket 查找

tophash 值定位：哈希值的高 8 个 bit 位，用来快速判断 key 是否已在当前 bucket 中（如果不在的话，需要去 bucket 的 overflow 中查找）。

用步骤 2 中的 hash 值，得到高 8 个 bit 位，也就是 10010111，转化为十进制，也就是 151。

top := tophash(hash)
func tophash(hash uintptr) uint8 {
    top := uint8(hash >> (goarch.PtrSize*8 - 8))
    if top < minTopHash {
        top += minTopHash
    }
    return top
}

上面函数中 hash 是 64 位的，sys.PtrSize 值是 8，所以 top := uint8(hash >> (sys.PtrSize*8 - 8)) 等效 top = uint8(hash >> 56)，最后 top 取出来的值就是 hash 的高 8 位值。

在 bucket 及 bucket 的 overflow 中寻找 tophash 值（HOB hash）为 151* 的 槽位，即为 key 所在位置，找到了空槽位或者 2 号槽位，这样整个查找过程就结束了，其中找到空槽位代表没找到。

for ; b != nil; b = b.overflow(t) {
        for i := uintptr(0); i < bucketCnt; i++ {
            if b.tophash[i] != top {
              // 未被使用的槽位，插入
                if b.tophash[i] == emptyRest {
                    break bucketloop
                }
                continue
            }
            // 找到tophash值对应的的key
            k := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+i*uintptr(t.keysize))
            if t.key.equal(key, k) {
                e := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.keysize)+i*uintptr(t.elemsize))
                return e
            }
        }
    }

  

5. 返回 key 对应的指针

如果通过上面的步骤找到了 key 对应的槽位下标 i，我们再详细分析下 key/value 值是如何获取的：

// keys的偏移量
dataOffset = unsafe.Offsetof(struct{
  b bmap
  v int64
}{}.v)

// 一个bucket的元素个数
bucketCnt = 8

// key 定位公式
k :=add(unsafe.Pointer(b),dataOffset+i*uintptr(t.keysize))

// value 定位公式
v:= add(unsafe.Pointer(b),dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.keysize)+i*uintptr(t.valuesize))

bucket 里 keys 的起始地址就是 unsafe.Pointer(b)+dataOffset。

第 i 个下标 key 的地址就要在此基础上跨过 i 个 key 的大小；

而我们又知道，value 的地址是在所有 key 之后，因此第 i 个下标 value 的地址还需要加上所有 key 的偏移。

33. Go Map 冲突的解决方式？

比较常用的 Hash 冲突解决方案有链地址法和开放寻址法：

1. 链地址法

当哈希冲突发生时，创建新单元，并将新单元添加到冲突单元所在链表的尾部。

2. 开放寻址法

当哈希冲突发生时，从发生冲突的那个单元起，按照一定的次序，从哈希表中寻找一个空闲的单元，然后把发生冲突的元素存入到该单元。开放寻址法需要的表长度要大于等于所需要存放的元素数量。

开放寻址法有多种方式：线性探测法、平方探测法、随机探测法和双重哈希法。这里以线性探测法来帮助读者理解开放寻址法思想。

线性探测法

设 Hash(key) 表示关键字 key 的哈希值， 表示哈希表的槽位数（哈希表的大小）。

线性探测法则可以表示为：

如果 Hash(x) % M 已经有数据，则尝试 (Hash(x) + 1) % M ;

如果 (Hash(x) + 1) % M 也有数据了，则尝试 (Hash(x) + 2) % M ;

如果 (Hash(x) + 2) % M 也有数据了，则尝试 (Hash(x) + 3) % M ;

两种解决方案比较

对于链地址法，基于数组 + 链表进行存储，链表节点可以在需要时再创建，不必像开放寻址法那样事先申请好足够内存，因此链地址法对于内存的利用率会比开方寻址法高。链地址法对装载因子的容忍度会更高，并且适合存储大对象、大数据量的哈希表。而且相较于开放寻址法，它更加灵活，支持更多的优化策略，比如可采用红黑树代替链表。但是链地址法需要额外的空间来存储指针。

对于开放寻址法，它只有数组一种数据结构就可完成存储，继承了数组的优点，对 CPU 缓存友好，易于序列化操作。但是它对内存的利用率不如链地址法，且发生冲突时代价更高。当数据量明确、装载因子小，适合采用开放寻址法。

总结

在发生哈希冲突时，Python 中 dict 采用的开放寻址法，Java 的 HashMap 采用的是链地址法，而 Go map 也采用链地址法解决冲突，具体就是插入 key 到 map 中时，当 key 定位的桶填满 8 个元素后（这里的单元就是桶，不是元素），将会创建一个溢出桶，并且将溢出桶插入当前桶所在链表尾部。

if inserti == nil {
    // all current buckets are full, allocate a new one.
    newb := h.newoverflow(t, b)
    // 创建一个新的溢出桶
    inserti = &newb.tophash[0]
    insertk = add(unsafe.Pointer(newb), dataOffset)
    elem = add(insertk, bucketCnt*uintptr(t.keysize))
}

34. Go Map 的负载因子为什么是 6.5？

什么是负载因子?

负载因子（load factor），用于衡量当前哈希表中空间占用率的核心指标，也就是每个 bucket 桶存储的平均元素个数。

负载因子 = 哈希表存储的元素个数/桶个数

另外负载因子与扩容、迁移等重新散列（rehash）行为有直接关系：

  • 在程序运行时，会不断地进行插入、删除等，会导致 bucket 不均，内存利用率低，需要迁移。

  • 在程序运行时，出现负载因子过大，需要做扩容，解决 bucket 过大的问题。

负载因子是哈希表中的一个重要指标，在各种版本的哈希表实现中都有类似的东西，主要目的是为了平衡 buckets 的存储空间大小和查找元素时的性能高低。

在接触各种哈希表时都可以关注一下，做不同的对比，看看各家的考量。

为什么是 6.5?

为什么 Go 语言中哈希表的负载因子是 6.5，为什么不是 8 ，也不是 1。这里面有可靠的数据支撑吗？

测试报告

实际上这是 Go 官方的经过认真的测试得出的数字，一起来看看官方的这份测试报告。

报告中共包含 4 个关键指标，如下：

loadFactor%overflowbytes/entryhitprobemissprobe
42.1320.7734
4.54.0517.33.254.5
56.8514.773.55
5.510.5512.943.755.5
615.2711.6746
6.520.910.794.256.5
727.1410.154.57
7.534.039.734.757.5
841.19.458

  • loadFactor：负载因子，也有叫装载因子。

  • %overflow：溢出率，有溢出 bukcet 的百分比。

  • bytes/entry：平均每对 key/value 的开销字节数.

  • hitprobe：查找一个存在的 key 时，要查找的平均个数。

  • missprobe：查找一个不存在的 key 时，要查找的平均个数。

选择数值

Go 官方发现：装载因子越大，填入的元素越多，空间利用率就越高，但发生哈希冲突的几率就变大。反之，装载因子越小，填入的元素越少，冲突发生的几率减小，但空间浪费也会变得更多，而且还会提高扩容操作的次数。

根据这份测试结果和讨论，Go 官方取了一个相对适中的值，把 Go 中的 map 的负载因子硬编码为 6.5，这就是 6.5 的选择缘由。

这意味着在 Go 语言中，当 map存储的元素个数大于或等于 6.5 * 桶个数 时，就会触发扩容行为。

35. Go Map 的底层实现原理

Go 中的 map 是一个指针，占用 8 个字节，指向 hmap 结构体。

源码包中 src/runtime/map.go 定义了 hmap 的数据结构：

hmap 包含若干个结构为 bmap 的数组，每个 bmap 底层都采用链表结构，bmap 通常叫其 bucket。

  

hmap 结构体

// A header for a Go map.
type hmap struct {
    count     int 
    // 代表哈希表中的元素个数，调用len(map)时，返回的就是该字段值。
    flags     uint8 
    // 状态标志（是否处于正在写入的状态等）
    B         uint8  
    // buckets（桶）的对数
    // 如果B=5，则buckets数组的长度 = 2^B=32，意味着有32个桶
    noverflow uint16 
    // 溢出桶的数量
    hash0     uint32 
    // 生成hash的随机数种子
    buckets    unsafe.Pointer 
    // 指向buckets数组的指针，数组大小为2^B，如果元素个数为0，它为nil。
    oldbuckets unsafe.Pointer 
    // 如果发生扩容，oldbuckets是指向老的buckets数组的指针，老的buckets数组大小是新的buckets的1/2;非扩容状态下，它为nil。
    nevacuate  uintptr        
    // 表示扩容进度，小于此地址的buckets代表已搬迁完成。
    extra *mapextra 
    // 存储溢出桶，这个字段是为了优化GC扫描而设计的，下面详细介绍
 }

bmap 结构体

bmap 就是我们常说的 “桶”，一个桶里面会最多装 8 个 key，这些 key 之所以会落入同一个桶，是因为它们经过哈希计算后，哈希结果的低 B 位是相同的，关于 key 的定位我们在 map 的查询中详细说明。在桶内，又会根据 key 计算出来的 hash 值的高 8 位来决定 key 到底落入桶内的哪个位置（一个桶内最多有 8 个位置)。

// A bucket for a Go map.
type bmap struct {
    tophash [bucketCnt]uint8        
    // len为8的数组
    // 用来快速定位key是否在这个bmap中
    // 一个桶最多8个槽位，如果key所在的tophash值在tophash中，则代表该key在这个桶中
}

上面 bmap 结构是静态结构，在编译过程中 runtime.bmap 会拓展成以下结构体：

type bmap struct{
    tophash [8]uint8
    keys [8]keytype 
    // keytype 由编译器编译时候确定
    values [8]elemtype 
    // elemtype 由编译器编译时候确定
    overflow uintptr 
    // overflow指向下一个bmap，overflow是uintptr而不是*bmap类型，保证bmap完全不含指针，是为了减少gc，溢出桶存储到extra字段中
}

tophash 就是用于实现快速定位 key 的位置，在实现过程中会使用 key 的 hash 值的高 8 位作为 tophash 值，存放在 bmap 的 tophash 字段中。

tophash 字段不仅存储 key 哈希值的高 8 位，还会存储一些状态值，用来表明当前桶单元状态，这些状态值都是小于 minTopHash 的。

为了避免 key 哈希值的高 8 位值和这些状态值相等，产生混淆情况，所以当 key 哈希值高 8 位若小于 minTopHash 时候，自动将其值加上 minTopHash 作为该 key 的 tophash。桶单元的状态值如下：

emptyRest      = 0 // 表明此桶单元为空，且更高索引的单元也是空
emptyOne       = 1 // 表明此桶单元为空
evacuatedX     = 2 // 用于表示扩容迁移到新桶前半段区间
evacuatedY     = 3 // 用于表示扩容迁移到新桶后半段区间
evacuatedEmpty = 4 // 用于表示此单元已迁移
minTopHash     = 5 // key的tophash值与桶状态值分割线值，小于此值的一定代表着桶单元的状态，大于此值的一定是key对应的tophash值

func tophash(hash uintptr) uint8 {
    top := uint8(hash >> (goarch.PtrSize*8 - 8))
    if top < minTopHash {
        top += minTopHash
    }
    return top
}

mapextra 结构体

当 map 的 key 和 value 都不是指针类型时候，bmap 将完全不包含指针，那么 gc 时候就不用扫描 bmap。bmap 指向溢出桶的字段 overflow 是 uintptr 类型，为了防止这些 overflow 桶被 gc 掉，所以需要 mapextra.overflow 将它保存起来。如果 bmap 的 overflow 是 *bmap 类型，那么 gc 扫描的是一个个拉链表，效率明显不如直接扫描一段内存 (hmap.mapextra.overflow)。

type mapextra struct {
    overflow    *[]*bmap
    // overflow 包含的是 hmap.buckets 的 overflow 的 buckets
    oldoverflow *[]*bma
   // oldoverflow 包含扩容时 hmap.oldbuckets 的 overflow 的 bucket
    nextOverflow *bmap 
     // 指向空闲的 overflow bucket 的指针
}

总结

bmap（bucket）内存数据结构可视化如下:

注意到 key 和 value 是各自放在一起的，并不是 key/value/key/value/... 这样的形式，当 key 和 value 类型不一样的时候，key 和 value 占用字节大小不一样，使用 key/value 这种形式可能会因为内存对齐导致内存空间浪费，所以 Go 采用 key 和 value 分开存储的设计，更节省内存空间。

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