Go map如何扩容?

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扩容时机:

向 map 插入新 key 的时候,会进行条件检测,符合下面这 2 个条件,就会触发扩容

if !h.growing() && (overLoadFactor(h.count+1, h.B) || tooManyOverflowBuckets(h.noverflow, h.B)) {
hashGrow(t, h)
goto again // Growing the table invalidates everything, so try again
}

// 判断是否在扩容
func (h *hmap) growing() bool {
return h.oldbuckets != nil
}

扩容条件:

条件1:超过负载

map元素个数 > 6.5 * 桶个数

func overLoadFactor(count int, B uint8) bool {
return count > bucketCnt && uintptr(count) > loadFactor*bucketShift(B)
}

其中 

bucketCnt = 8,一个桶可以装的最大元素个数
loadFactor = 6.5,负载因子,平均每个桶的元素个数
bucketShift(B): 桶的个数

条件2:溢出桶太多

当桶总数 < 2 ^ 15 时,如果溢出桶总数 >= 桶总数,则认为溢出桶过多。

当桶总数 >= 2 ^ 15 时,直接与 2 ^ 15 比较,当溢出桶总数 >= 2 ^ 15 时,即认为溢出桶太多了。

func tooManyOverflowBuckets(noverflow uint16, B uint8) bool {
// If the threshold is too low, we do extraneous work.
// If the threshold is too high, maps that grow and shrink can hold on to lots of unused memory.
// "too many" means (approximately) as many overflow buckets as regular buckets.
// See incrnoverflow for more details.
if B > 15 {
B = 15
}
// The compiler does not see here that B < 16; mask B to generate shorter shift code.
return noverflow >= uint16(1)<<(B&15)
}

对于条件2,其实算是对条件1的补充。因为在负载因子比较小的情况下,有可能 map 的查找和插入效率也很低,而第 1 点识别不出来这种情况。

表面现象就是负载因子比较小比较小,即 map 里元素总数少,但是桶数量多(真实分配的桶数量多,包括大量的溢出桶)。比如不断的增删,这样会造成overflow的bucket数量增多,但负载因子又不高,达不到第 1 点的临界值,就不能触发扩容来缓解这种情况。这样会造成桶的使用率不高,值存储得比较稀疏,查找插入效率会变得非常低,因此有了第 2 扩容条件。

扩容机制:

双倍扩容:针对条件1,新建一个buckets数组,新的buckets大小是原来的2倍,然后旧buckets数据搬迁到新的buckets。该方法我们称之为双倍扩容

等量扩容:针对条件2,并不扩大容量,buckets数量维持不变,重新做一遍类似双倍扩容的搬迁动作,把松散的键值对重新排列一次,使得同一个 bucket 中的 key 排列地更紧密,节省空间,提高 bucket 利用率,进而保证更快的存取。该方法我们称之为等量扩容

扩容函数:

上面说的 hashGrow() 函数实际上并没有真正地“搬迁”,它只是分配好了新的 buckets,并将老的 buckets 挂到了 oldbuckets 字段上。真正搬迁 buckets 的动作在 growWork() 函数中,而调用 growWork() 函数的动作是在 mapassign 和 mapdelete 函数中。也就是插入或修改、删除 key 的时候,都会尝试进行搬迁 buckets 的工作。先检查 oldbuckets 是否搬迁完毕,具体来说就是检查 oldbuckets 是否为 nil

1  func hashGrow(t *maptype, h *hmap) {
2  // 如果达到条件 1,那么将B值加1,相当于是原来的2倍
3  // 否则对应条件 2,进行等量扩容,所以 B 不变
4    bigger := uint8(1)
5    if !overLoadFactor(h.count+1, h.B) {
6        bigger = 0
7        h.flags |= sameSizeGrow
8    }
9  // 记录老的buckets
10    oldbuckets := h.buckets
11  // 申请新的buckets空间
12    newbuckets, nextOverflow := makeBucketArray(t, h.B+bigger, nil)
13  // 注意&^ 运算符,这块代码的逻辑是转移标志位
14    flags := h.flags &^ (iterator | oldIterator)
15    if h.flags&iterator != 0 {
16        flags |= oldIterator
17    }
18    // 提交grow (atomic wrt gc)
19    h.B += bigger
20    h.flags = flags
21    h.oldbuckets = oldbuckets
22    h.buckets = newbuckets
23  // 搬迁进度为0
24    h.nevacuate = 0
25  // overflow buckets 数为0
26    h.noverflow = 0
27
28  // 如果发现hmap是通过extra字段 来存储 overflow buckets时
29    if h.extra != nil && h.extra.overflow != nil {
30        if h.extra.oldoverflow != nil {
31            throw("oldoverflow is not nil")
32        }
33        h.extra.oldoverflow = h.extra.overflow
34        h.extra.overflow = nil
35    }
36    if nextOverflow != nil {
37        if h.extra == nil {
38            h.extra = new(mapextra)
39        }
40        h.extra.nextOverflow = nextOverflow
41    }
42}

由于 map 扩容需要将原有的 key/value 重新搬迁到新的内存地址,如果map存储了数以亿计的key-value,一次性搬迁将会造成比较大的延时,因此 Go map 的扩容采取了一种称为“渐进式”的方式,原有的 key 并不会一次性搬迁完毕,每次最多只会搬迁 2 个 bucket。

func growWork(t *maptype, h *hmap, bucket uintptr) {
// 为了确认搬迁的 bucket 是我们正在使用的 bucket
// 即如果当前key映射到老的bucket1,那么就搬迁该bucket1。
evacuate(t, h, bucket&h.oldbucketmask())
// 如果还未完成扩容工作,则再搬迁一个bucket。
if h.growing() {
evacuate(t, h, h.nevacuate)
}
}
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