哈希表原理以及go map原理

最新推荐文章于 2025-07-13 00:27:25 发布

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本文深入探讨了 Go 语言中的 map 数据结构，详细解释了其底层实现机制，包括哈希表的工作原理、bucket 的组织方式以及 key 的哈希值计算等。此外，还介绍了 map 在面对哈希碰撞时的处理策略，以及 map 扩容和增量扩容的过程。

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哈希表原理

其实map是一种HashMap，表面上看它只有键值对结构，实际上在存储键值对的过程中涉及到了数组和链表。HashMap之所以高效，是因为其结合了顺序存储(数组)和链式存储(链表)两种存储结构。数组是HashMap的主干，在数组下有有一个类型为链表的元素。

在这里插入图片描述
当我们存储一个键值对时，HashMap会首先通过一个哈希函数将key转换为数组下标，真正的key-value是存储在该数组对应的链表里。

当发生哈希碰撞时，键值对就会存储在该数组对应链表的下一个节点上。

HashMap的操作效率也是很高的。当不存在哈希碰撞时查找复杂度为O(1)，存在哈希碰撞时复杂度为O(N)。

计算key的哈希值

哈希函数的选取应尽可能使新增的键值对均匀地分布在数组里。

golang map

go中map结构

map的底层结构是hmap（即hashmap的缩写），核心元素是一个由若干个桶（bucket，结构为bmap）组成的数组，每个bucket可以存放若干元素（通常是8个），key通过哈希算法被归入不同的bucket中。当超过8个元素需要存入某个bucket时，hmap会使用extra中的overflow来拓展该bucket。

hmap的结构体如下：

type hmap struct {
	count     int // # 元素个数
	flags     uint8
	B         uint8  // 说明包含2^B个bucket
	noverflow uint16 // 溢出的bucket的个数
	hash0     uint32 // hash种子
 
	buckets    unsafe.Pointer // buckets的数组指针
	oldbuckets unsafe.Pointer // 结构扩容的时候用于复制的buckets数组
	nevacuate  uintptr        // 搬迁进度（已经搬迁的buckets数量）
 
	extra *mapextra
}

bucket（bmap）的结构如下

type bmap struct {
	tophash [bucketCnt]uint8
}

tophash用于记录8个key哈希值的高8位，这样在寻找对应key的时候可以更快，不必每次都对key做全等判断。
bucket并非只有一个tophash，而是后面紧跟8组kv对和一个overflow的指针，这样才能使overflow成为一个链表的结构。但是这两个结构体并不是显示定义的，而是直接通过指针运算进行访问的。
kv的存储形式为key0key1key2key3…key7val1val2val3…val7，这样做的好处是：在key和value的长度不同的时候，节省padding空间。如上面的例子，在map[int64]int8中，4个相邻的int8可以存储在同一个内存单元中。如果使用kv交错存储的话，每个int8都会被padding占用单独的内存单元（为了提高寻址速度）。

在这里插入图片描述

map存储值

首先用key的hash值低8位找到bucket，然后在bucket内部比对tophash和高8位与其对应的key值与入参key是否相等，若找到则更新这个值。若key不存在，则key优先存入在查找的过程中遇到的空的tophash数组位置。若当前的bucket已满则需要另外分配空间给这个key，新分配的bucket将挂在overflow链表后。

map的增长

随着元素的增加，在一个bucket链中寻找特定的key会变得效率低下，所以在插入的元素个数/bucket个数达到某个阈值（当前设置为6.5，实验得来的值）时，map会进行扩容，代码中详见 hashGrow函数。首先创建bucket数组，长度为原长度的两倍

newbuckets, nextOverflow := makeBucketArray(t, h.B+bigger)

，然后替换原有的bucket，原有的bucket被移动到oldbucket指针下。

扩容完成后，每个hash对应两个bucket（一个新的一个旧的）。oldbucket不会立即被转移到新的bucket下，而是当访问到该bucket时，会调用growWork方法进行迁移，growWork方法会将oldbucket下的元素rehash到新的bucket中。随着访问的进行，所有oldbucket会被逐渐移动到bucket中。

但是这里有个问题：如果需要进行扩容的时候，上一次扩容后的迁移还没结束，怎么办？在代码中我们可以看到很多again标记，会不断进行迁移，知道迁移完成后才会进行下一次扩容。

但这个迁移并没有在扩容之后一次性完成，而是逐步完成的，每一次insert或remove时迁移1到2个pair，即增量扩容。增量扩容的原因主要是缩短map容器的响应时间。若hashmap很大扩容时很容易导致系统停顿无响应。增量扩容本质上就是将总的扩容时间分摊到了每一次hash操作上。由于这个工作是逐渐完成的，导致数据一部分在old table中一部分在new table中。old的bucket不会删除，只是加上一个已删除的标记。只有当所有的bucket都从old table里迁移后才会将其释放掉。

map中注意点

删除掉map中的元素是否会释放内存？

不会，删除操作仅仅将对应的tophash[i]设置为empty，并非释放内存。若要释放内存只能等待指针无引用后被系统gc

如何并发地使用map?

map不是goroutine安全的，所以在有多个gorountine对map进行写操作是会panic。多gorountine读写map是应加锁（RWMutex），或使用sync.Map

map的iterator是否安全？

map的delete并非真的delete，所以对迭代器是没有影响的，是安全的。

转自：<https://blog.yiz96.com/golang-map/>