Go map

       Map是一种常见的数据结构，用于表示键值对之间的映射关系。它采用哈希算法来实现快速的插入、查找和删除操作。哈希表的底层通常由一个数组和一组哈希函数组成。通过将键映射到数组的索引位置，并使用哈希函数处理冲突，使得元素可以快速定位和访问。Map在Go语言中是一种内置的数据结构，提供了方便的操作方法。

       Go 语言同时使用了多个数据结构组合表示哈希表,其中 runtime.hmap 是最核心的结构体，让我们一起试着阅读go的源码。

哈希表

       我们先简单了解一下哈希表：

1. 哈希函数：哈希函数将键映射到数组的索引位置。好的哈希函数应该具有均匀分布性和高效性，以避免冲突和提高访问效率。
2. 冲突解决：由于不同的键可能映射到相同的索引位置，冲突是哈希表中的常见问题。常用的冲突解决方法包括链表法（使用链表存储冲突的键值对）和开放地址法（通过探测空槽的方式解决冲突）。
3. 插入操作：通过哈希函数计算键的索引位置，将键值对存储到对应的索引位置。
4. 查找操作：通过哈希函数计算键的索引位置，查找对应位置的值。
5. 删除操作：通过哈希函数计算键的索引位置，删除对应位置的键值对。
6. 负载因子：表示哈希表中已存储键值对数量与数组容量之比，用于衡量哈希表的装填程度。过高的负载因子可能导致冲突增加，影响性能。
7. 哈希表的优势：哈希表具有高效的插入、查找和删除操作，平均时间复杂度为O(1)。它适用于需要快速访问和查找元素的场景，例如索引、缓存和唯一标识等。

数据结构

       一般的Map会包含两个主要结构数组和链表，链表的目的是为了使用链表法来解决hash冲突。Go语言解决hash冲突不是链表，实际主要用的数组(内存上的连续空间)。

       Go map有两个重要的结构体hmap和bmap。我们先来看源码。

1. hmap

// A header for a Go map.
type hmap struct {
    // Note: the format of the hmap is also encoded in cmd/compile/internal/reflectdata/reflect.go.
    // Make sure this stays in sync with the compiler's definition.
    count     int // # live cells == size of map.  Must be first (used by len() builtin)
    flags     uint8
    B         uint8  // log_2 of # of buckets (can hold up to loadFactor * 2^B items)
    noverflow uint16 // approximate number of overflow buckets; see incrnoverflow for details
    hash0     uint32 // hash seed

    buckets    unsafe.Pointer // array of 2^B Buckets. may be nil if count==0.
    oldbuckets unsafe.Pointer // previous bucket array of half the size, non-nil only when growing
    nevacuate  uintptr        // progress counter for evacuation (buckets less than this have been evacuated)

    extra *mapextra // optional fields
}

我们大致看一下他们的作用

• count int：记录当前 map 中的存活元素数量。这个字段在执行 len() 内建函数时使用。
• flags uint8：用于记录 map 的当前状态和标志位信息。
• B uint8：桶（bucket）数量的对数，即 2^B。决定了哈希表中桶数组的大小。
• noverflow uint16：近似的溢出桶（overflow bucket）数量。这个值用于估计溢出桶的个数。
• hash0 uint32：哈希种子（hash seed），用于哈希函数的初始种子值。
• buckets unsafe.Pointer：指向桶数组的指针，数组的大小为 2^B。如果 count 为0，则这个指针可能为 nil。
• oldbuckets unsafe.Pointer：扩容时用于放置先前的桶数组，大小为当前桶数组的一半。只有在进行扩容操作时才会非空。
• nevacuate uintptr：用于记录迁移进度的计数器，值小于此计数器的桶索引表示已完成迁移的桶。
• extra *mapextra：可选的附加字段，保存了 map 的一些额外数据。

2. bmap

// A bucket for a Go map.
type bmap struct {
    // tophash generally contains the top byte of the hash value
    // for each key in this bucket. If tophash[0] < minTopHash,
    // tophash[0] is a bucket evacuation state instead.
    tophash [bucketCnt]uint8
    // Followed by bucketCnt keys and then bucketCnt elems.
    // NOTE: packing all the keys together and then all the elems together makes the
    // code a bit more complicated than alternating key/elem/key/elem/... but it allows
    // us to eliminate padding which would be needed for, e.g., map[int64]int8.
    // Followed by an overflow pointer.
}

       然后是bmap，当第一次看这个结构体时我很疑惑。既然是一个bucket的底层实现，为什么结构体中没有存key和value的地方。bmap 这个结构并没有将字段定义出来，而在后面的赋值、访问等逻辑中，我们能看到 map 是通过计算偏移量来定位 key/value 的。这些详细的注释就像是定义了一个协议，我们可以抽象出一个新的结构体。        bucket并没有明确的定义，而是通过偏移量来操作，bmap是bucket的底层实现。在bmap中，key和value是分开存放的，形式为k1/k2/...v1/v2...（键值对紧密排列），而不是key/value/key/value/...（键值对交替排列）。这样做是为了节省空间。举个例子，如果有一个map[int64]int8，其中key占据8个字节，value占据1个字节，如果采用键值对交替排列的形式，需要考虑value对齐占用8个字节的空间，这样就会浪费7个字节的存储空间。

哈希函数

       哈希函数用于计算哈希值，使用哈希函数对键进行运算，将键的内容转换为一个整数，即哈希值。Go的哈希函数的选择取决于CPU的支持情况。如果CPU支持AES指令集，Go语言将使用AES哈希算法。否则，将使用MemHash算法。        tophash用于快速查找key是否在bucket中。在实现过程中，使用key的哈希值的高8位作为tophash值，并将其存储在bmap的tophash字段中。tophash字段不仅存储key哈希值的高8位，还存储一些状态值，用于表示当前桶单元的状态。

哈希冲突

       Go map当面临哈希冲突时，即不同的key放入了相同的桶，所采用的方法是链表法。每个bucket设计成最多只能放8个key-value对，如果有第9个 key-value落入当前的bucket，那就需要再构建一个bucket，通过overflow指针连接起来。

       每个bucket最多只能容纳8个键值对。如果有第9个键值对要放入当前的bucket，就需要创建一个新的bucket，并通过overflow指针将它们连接起来。