特别提醒，本文所涉及的源码是go1.21.0 darwin/amd64

文件位置：runtime/map.go

哈希表作为一种非常常见的数据结构，在其它语言中也都会有出现，因此本文不对哈希表的概念、用法做解释，专注于go语言中的源码学习。

1 数据结构

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type hmap struct {
    count     int 		// 当前map中的元素数量
    flags     uint8		
    B         uint8 	
    noverflow uint16 	
    hash0     uint32 	// 哈希种子，在创建map时得到的一个随机数
    buckets    unsafe.Pointer 	// 桶数组
    oldbuckets unsafe.Pointer 	// 扩容过程中旧的桶数组
    nevacuate  uintptr        	
    extra *mapextra 	// 额外记录的信息
}
  • flags：标志位
    • iterator = 1：可能有迭代器在遍历buckets
    • oldIterator = 2：可能有迭代器在遍历oldbuckets，用于扩容期间
    • hashWriting = 4：标记一个g正在写map
    • sameSizeGrow = 8：等量扩容
  • B：桶数量的指数，即len(buckets)$=2^B$

  • noverflow：溢出同的数量，当其接近$2^{15}-1$时为近似值

  • nevacuate：扩容过程中的进度标识（index小于它的桶已经被转移到新桶中了）

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type mapextra struct {
    overflow    *[]*bmap
    oldoverflow *[]*bmap
    nextOverflow *bmap
}

当map中的kev和value不包含指针时，overflow和oldoverflow才被使用

  • overflow：hmap.buckets 使用的溢出桶
  • oldoverflow：hmap.oldbuckets使用的溢出桶
  • nextOverflow：下一个可以用的溢出桶
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type bmap struct {
    // bucketCnt=8
    tophash [bucketCnt]uint8
}
  • tophash： $\leq5$时存放的是状态。$\gt5$时存放的是高8位的hash值，用于快速判断key是否存在
    • emptyRest = 0： 此单元为空，且更高索引的单元也为空
    • emptyOne = 1： 此单元为空
    • evacuatedX = 2： 用于表示扩容迁移到新桶前半段区间，即索引没变
    • evacuatedY = 3： 用于表示扩容迁移到新桶后半段区间，即在新桶中的索引=旧桶索引+扩容前容量大小
    • evacuatedEmpty = 4： 用于表示此桶已迁移完成
    • minTopHash = 5： 最小的空桶标记值，小于其则是空桶标志

在runtime/map.go文件中bmap只包含了一个简单的tophash字段，但是在运行期间会根据key和value的类型对bmap的结构进行重建如下：

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type bmap struct {
    topbits  [8]uint8
    keys     [8]keytype
    elems    [8]elemype
    overflow uintptr
}

相关代码在：cmd/compile/internal/reflectdata/reflect.go: MapBucketType

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2 构造方法

创建map时，实际上会调用makemap()方法，该方法分析如下：

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func makemap(t *maptype, hint int, h *hmap) *hmap
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mem, overflow := math.MulUintptr(uintptr(hint), t.Bucket.Size_)
if overflow || mem > maxAlloc {
    hint = 0
}

hint是为map拟分配的容量，再分配前会对拟分配的内存大小进行判断，如果超过限制大小，则会将hint设置为零

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if h == nil {
    h = new(hmap)
}
h.hash0 = fastrand()

初始化h，并设置哈希种子

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B := uint8(0)
for overLoadFactor(hint, B) {
    B++
}
h.B = B

首先初始化B为0，然后根据$\frac{hint}{6}>2^B$如果成立则B+1，最后直到B不成立为止，即让$\frac{hint}{2^B}$负载因子小于等于6

map 预分配容量、桶数组长度指数、桶数组长度之间的关系如下表：

kv对数量 指数B 长度$2^B$
0~8 0 1
9~12 1 2
13~24 2 4
25~48 3 8
$2^{B-1}\times6+1$~$ 2^B \times 6$ B $2^B$ 
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if h.B != 0 {
    var nextOverflow *bmap
    h.buckets, nextOverflow = makeBucketArray(t, h.B, nil)
    if nextOverflow != nil {
        h.extra = new(mapextra)
        h.extra.nextOverflow = nextOverflow
    }
}

调用makeBucketArray初始化桶数组buckets，如果map容量过大，会提前申请溢出桶

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func makeBucketArray(t *maptype, b uint8, dirtyalloc unsafe.Pointer) (buckets unsafe.Pointer, nextOverflow *bmap) {
    base := bucketShift(b)
    nbuckets := base
    if b >= 4 {
        nbuckets += bucketShift(b - 4)
        sz := t.Bucket.Size_ * nbuckets
        up := roundupsize(sz)
        if up != sz {
            nbuckets = up / t.Bucket.Size_
        }
    }
    if dirtyalloc == nil {
        buckets = newarray(t.Bucket, int(nbuckets))
    } else {
        buckets = dirtyalloc
        size := t.Bucket.Size_ * nbuckets
        if t.Bucket.PtrBytes != 0 {
            memclrHasPointers(buckets, size)
        } else {
            memclrNoHeapPointers(buckets, size)
        }
    }
    if base != nbuckets {
        nextOverflow = (*bmap)(add(buckets, base*uintptr(t.BucketSize)))
        last := (*bmap)(add(buckets, (nbuckets-1)*uintptr(t.BucketSize)))
        last.setoverflow(t, (*bmap)(buckets))
    }
    return buckets, nextOverflow
}

如果B大于4的话，会额外多创建$2^{B-4}$个溢出桶（内存对齐），并将h.nextOverflow指向第一个溢出桶的地址，最后一个溢出桶的地址设置为h.buckets(方便判断溢出桶已经用完)

3 读操作

map的读操作一般是通过下标或者遍历进行的：

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value = hash[key]

for k,v := range hash {

}

这两种方式都能够读取，但是所使用到的函数和底层的原理是不同的

3.1 通过key来读取

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value := hash[key]			// => v     := mapaccess1(maptype, hash, &key)
value,ok := hash[key]		// => v, ok := mapaccess2(maptype, hash, &key)
  • 当只需要一个返回值时，会调用mapaccess1()函数
  • 当需要两个返回值时，会调用mapaccess2()函数
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if h == nil || h.count == 0 {
    if t.HashMightPanic() {
        t.Hasher(key, 0) // see issue 23734
    }
    return unsafe.Pointer(&zeroVal[0])
}

1 如果h未初始化或者map中的k-v对为0，则会直接返回一个零值对象

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

2 如果此时有其它的g在对map进行写操作，则直接返回fatal

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hash := t.Hasher(key, uintptr(h.hash0))
m := bucketMask(h.B)
b := (*bmap)(add(h.buckets, (hash&m)*uintptr(t.BucketSize)))

3 通过MapType.Hasher()方法得到key对应的hash值并对桶数量取模，获取对应桶的索引

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if c := h.oldbuckets; c != nil {
    if !h.sameSizeGrow() {
        // There used to be half as many buckets; mask down one more power of two.
        m >>= 1
    }
    oldb := (*bmap)(add(c, (hash&m)*uintptr(t.BucketSize)))
    if !evacuated(oldb) {
        b = oldb
    }
}

4 判断map是否正在扩容，首先判断是否进行增量扩容，倘若是的话，需要将m除以2，因为旧桶的长度只是新桶的一半，然后通过evacuated判断要找的桶是否在旧的桶数组里面，如果是则需要去旧的桶数组当中去找。

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top := tophash(hash)

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

5 获取hash值的高八位，如果该值小于5，会加上5，以避开0~4这个区间

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bucketloop:
    for ; b != nil; b = b.overflow(t) {
        for i := uintptr(0); i < bucketCnt; i++ {
            if b.tophash[i] != top {
                if b.tophash[i] == emptyRest {
                    break bucketloop
                }
                continue
            }
            k := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+i*uintptr(t.KeySize))
            if t.IndirectKey() {
                k = *((*unsafe.Pointer)(k))
            }
            if t.Key.Equal(key, k) {
                e := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.KeySize)+i*uintptr(t.ValueSize))
                if t.IndirectElem() {
                    e = *((*unsafe.Pointer)(e))
                }
                return e
            }
        }
    }
    return unsafe.Pointer(&zeroVal[0])

6 外层for循环会遍历要查找的那个桶及其后续的溢出桶，里层for循环遍历桶内的key-value对。遍历时首先查询高8位的tophash值，如果和key的对应不上，并且当前位置的tophash为0，则后面没有元素，直接结束这个桶的遍历。倘若找到了相等的key，则通过地址偏移的方式取到 value 并返回，如果遍历了所有桶都没找到，则返回一个零值。

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4 写操作

写操作的实现由mapassign函数实现

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// 返回待更新的value地址
func mapassign(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {
    hash := t.hasher(key, uintptr(h.hash0))
    // 桶为空，则分配一个桶
    if h.buckets == nil {
        h.buckets = newobject(t.bucket) // newarray(t.bucket, 1)
    }
again:
    bucket := hash & bucketMask(h.B)	//获取目标桶序号
    // 如果还处于扩容中，我们要让这个key对应的旧桶立马迁移到新桶
    if h.growing() {
        growWork(t, h, bucket)			//见扩容
    }
    // b就是目标桶
    b := (*bmap)(add(h.buckets, bucket*uintptr(t.bucketsize)))
  top := tophash(hash)				//hash高8位
    var inserti *uint8				//tophash
    var insertk unsafe.Pointer		//key
    var elem unsafe.Pointer			//value
bucketloop:
    // 外循环是遍历桶，内循环是遍历每个桶的8个kv对
    for {
        for i := uintptr(0); i < bucketCnt; i++ {
            if b.tophash[i] != top {
                // 找到了第一个空的存放地址
                if isEmpty(b.tophash[i]) && inserti == nil {
                    inserti = &b.tophash[i]
                    insertk = add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+i*uintptr(t.keysize))
                    elem = add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.keysize)+i*uintptr(t.elemsize))
                }
                // 如果后续的所有cell都是空的了，没必要再查询
                if b.tophash[i] == emptyRest {
                    break bucketloop
                }
                continue
            }
            k := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+i*uintptr(t.keysize))
            // tophash相同后，再比较key进行确认
            if !t.key.equal(key, k) {
                continue
            }

            //并将待更新的value地址返回
            elem = add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.keysize)+i*uintptr(t.elemsize))
            goto done
        }
        //取下一个溢出桶
        ovf := b.overflow(t)
        if ovf == nil {
            break
        }
        b = ovf
    }

    //下面就是map没有存key的情况

    //当不处于扩容时，超过负载因子或者太多溢出桶，即溢出桶个数大于等于1<< min(h.B,15)
    if !h.growing() && (overLoadFactor(h.count+1, h.B) || tooManyOverflowBuckets(h.noverflow, h.B)) {
        hashGrow(t, h)			// 分配新桶，但还不迁移旧桶，见扩容部分
        goto again 
    }
    // 没找到任何空位
    if inserti == nil {
        // 从溢出桶池拿或者分配溢出桶内存，见下文
        newb := h.newoverflow(t, b)
        inserti = &newb.tophash[0]
        insertk = add(unsafe.Pointer(newb), dataOffset)
        elem = add(insertk, bucketCnt*uintptr(t.keysize))
    }
    *inserti = top	// 设置tophash
    h.count++		// map元素数量+1
done:
    return elem	//将存取value的地址返回
}

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5 删除操作

map相关的删除操作在mapdelete()函数下面，与更新操作类似，多了一个修改当前tophash状态的步骤

首先会将当前的tophash[i]更新为emptyOne，这个不仅仅是操作自己的tophash[i]还要判断它的下一个是不是emptyRest，如果下一个为emptyRest，那么就可以将tophash[i]进一步更新为emptyRest，并且还需要判断之前的tophash如果之前的为emptyOne则要修改为emptyRest

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func mapdelete(t *maptype, h *hmap, key unsafe.Pointer) {
  // h为空，则直接返回
    if h == nil || h.count == 0 {
        if t.HashMightPanic() {
            t.Hasher(key, 0) // see issue 23734
        }
        return
    }
  // 当前有goroutine在写，则返回fatal
    if h.flags&hashWriting != 0 {
        fatal("concurrent map writes")
    }
    hash := t.Hasher(key, uintptr(h.hash0))
    h.flags ^= hashWriting
    // 找到对应的桶
    bucket := hash & bucketMask(h.B)
  // 正在扩容，先协助迁移，再删除
    if h.growing() {
        growWork(t, h, bucket)
    }
    b := (*bmap)(add(h.buckets, bucket*uintptr(t.BucketSize)))
    bOrig := b
    top := tophash(hash)
search:
    for ; b != nil; b = b.overflow(t) {
        for i := uintptr(0); i < bucketCnt; i++ {
            if b.tophash[i] != top {
                if b.tophash[i] == emptyRest {
                    break search
                }
                continue
            }
            k := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+i*uintptr(t.KeySize))
            k2 := k
            if t.IndirectKey() {
                k2 = *((*unsafe.Pointer)(k2))
            }
            if !t.Key.Equal(key, k2) {
                continue
            }
            // Only clear key if there are pointers in it.
            if t.IndirectKey() {
                *(*unsafe.Pointer)(k) = nil
            } else if t.Key.PtrBytes != 0 {
                memclrHasPointers(k, t.Key.Size_)
            }
            e := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset+bucketCnt*uintptr(t.KeySize)+i*uintptr(t.ValueSize))
            if t.IndirectElem() {
                *(*unsafe.Pointer)(e) = nil
            } else if t.Elem.PtrBytes != 0 {
                memclrHasPointers(e, t.Elem.Size_)
            } else {
                memclrNoHeapPointers(e, t.Elem.Size_)
            }
      // 更新状态
            b.tophash[i] = emptyOne
      // 没有后一个kv对或者后一个kv对是emptyOne状态，不需要进一步更新状态
            if i == bucketCnt-1 {
                if b.overflow(t) != nil && b.overflow(t).tophash[0] != emptyRest {
                    goto notLast
                }
            } else {
                if b.tophash[i+1] != emptyRest {
                    goto notLast
                }
            }
            for { // 从后往前，将之前的emptyOne都改为emptyRest
                b.tophash[i] = emptyRest
                if i == 0 {
                    if b == bOrig {
                        break // beginning of initial bucket, we're done.
                    }
                    c := b
                    for b = bOrig; b.overflow(t) != c; b = b.overflow(t) {
                    }
                    i = bucketCnt - 1
                } else {
                    i--
                }
                if b.tophash[i] != emptyOne {
                    break
                }
            }
        notLast:
            h.count--
            if h.count == 0 {
                h.hash0 = fastrand()
            }
            break search
        }
    }
    if h.flags&hashWriting == 0 {
        fatal("concurrent map writes")
    }
    h.flags &^= hashWriting
}

6 扩容操作

  • 等量扩容：负载因子没超过6，但是溢出桶的数量大于等于$1<<min(B,15)$，新桶数组的长度跟旧的一样，相当于是将k-v对重新hash
  • 增量扩容：负载因子超过6，新桶数组的长度是旧的两倍
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func hashGrow(t *maptype, h *hmap) {
    bigger := uint8(1)
    // 如果是等量扩容
    if !overLoadFactor(h.count+1, h.B) {
        bigger = 0
        h.flags |= sameSizeGrow
    }
    oldbuckets := h.buckets
    // 增量扩容中新桶变为旧桶两倍，等量扩容是数量不变
    newbuckets, nextOverflow := makeBucketArray(t, h.B+bigger, nil)
    flags := h.flags &^ (iterator | oldIterator)
    if h.flags&iterator != 0 {
        flags |= oldIterator
    }
    h.B += bigger
    h.flags = flags
    h.oldbuckets = oldbuckets
    h.buckets = newbuckets
    h.nevacuate = 0
    h.noverflow = 0

    if h.extra != nil && h.extra.overflow != nil {
        if h.extra.oldoverflow != nil {
            throw("oldoverflow is not nil")
        }
        h.extra.oldoverflow = h.extra.overflow
        h.extra.overflow = nil
    }
    if nextOverflow != nil {
        if h.extra == nil {
            h.extra = new(mapextra)
        }
        h.extra.nextOverflow = nextOverflow
    }
}

该函数的逻辑还是比较简单，并且hashGrow只在mapassign中出现，就是说只有在新值插入的时候才可能触发扩容。

下面来分析growWork()函数：

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func growWork(t *maptype, h *hmap, bucket uintptr) {
  // 迁移指定的旧桶
    evacuate(t, h, bucket&h.oldbucketmask())
    if h.growing() {
    // 额外再迁移一个桶
    // nevacuate就是记录迁移的进度，所有序号小于这个的桶都已经迁移
        evacuate(t, h, h.nevacuate)
    }
}

因为使用的是渐进式扩容，因此在插入和删除操作中，如果此时map正在扩容，则每一个操作都会利用growWork()函数迁移最多两个桶，一个是当时操作的桶，还有一个就是nevacuate指向的桶，另外要注意的是这里的一个桶是包括它所指向的溢出桶的。具体的迁移逻辑在evacuate()函数中

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// 代表了kv对的迁移目的地
type evacDst struct {
    b *bmap          // 迁移到的目的桶
    i int            // 迁移到的kv对在桶内的序号
    k unsafe.Pointer // 迁移到的kv对的key位置
    e unsafe.Pointer // 迁移到的kv对的value位置
}

// oldbucket表示要迁移的桶序号
func evacuate(t *maptype, h *hmap, oldbucket uintptr) {
    b := (*bmap)(add(h.oldbuckets, oldbucket*uintptr(t.BucketSize)))
    newbit := h.noldbuckets()	// 旧桶个数
    if !evacuated(b) {
        var xy [2]evacDst	// 新桶的前一半和后一半
        x := &xy[0]
        x.b = (*bmap)(add(h.buckets, oldbucket*uintptr(t.BucketSize)))
        x.k = add(unsafe.Pointer(x.b), dataOffset)
        x.e = add(x.k, bucketCnt*uintptr(t.KeySize))
        // 增量扩容，有后一半
        if !h.sameSizeGrow() {
            y := &xy[1]
            y.b = (*bmap)(add(h.buckets, (oldbucket+newbit)*uintptr(t.BucketSize)))
            y.k = add(unsafe.Pointer(y.b), dataOffset)
            y.e = add(y.k, bucketCnt*uintptr(t.KeySize))
        }
        // 前面已经将要迁移到的位置记录下来
        // 将这个桶及其溢出桶都迁移
        for ; b != nil; b = b.overflow(t) {
            k := add(unsafe.Pointer(b), dataOffset)
            e := add(k, bucketCnt*uintptr(t.KeySize))
            for i := 0; i < bucketCnt; i, k, e = i+1, add(k, uintptr(t.KeySize)), add(e, uintptr(t.ValueSize)) {
                top := b.tophash[i]
                // 当前位置已完成迁移，状态置为evacuatedEmpty
                if isEmpty(top) {
                    b.tophash[i] = evacuatedEmpty
                    continue
                }
                if top < minTopHash {
                    throw("bad map state")
                }
                k2 := k
                if t.IndirectKey() {
                    k2 = *((*unsafe.Pointer)(k2))
                }
                var useY uint8
                if !h.sameSizeGrow() {
                    hash := t.Hasher(k2, uintptr(h.hash0))
                    if h.flags&iterator != 0 && !t.ReflexiveKey() && !t.Key.Equal(k2, k2) {
                        useY = top & 1
                        top = tophash(hash)
                    } else {
            // 判断第n+1位是否等于1，后面n位跟旧桶一样
                        if hash&newbit != 0 {
                            useY = 1
                        }
                    }
                }

                if evacuatedX+1 != evacuatedY || evacuatedX^1 != evacuatedY {
                    throw("bad evacuatedN")
                }

                b.tophash[i] = evacuatedX + useY // evacuatedX + 1 == evacuatedY
                dst := &xy[useY]                 // 迁移目的地
                // 目的桶8个kv对满了
                if dst.i == bucketCnt {
          // 生成一个新的溢出桶
                    dst.b = h.newoverflow(t, dst.b)
                    dst.i = 0
                    dst.k = add(unsafe.Pointer(dst.b), dataOffset)
                    dst.e = add(dst.k, bucketCnt*uintptr(t.KeySize))
                }
                dst.b.tophash[dst.i&(bucketCnt-1)] = top // mask dst.i as an optimization, to avoid a bounds check
                if t.IndirectKey() {
                    *(*unsafe.Pointer)(dst.k) = k2 // copy pointer
                } else {
                    typedmemmove(t.Key, dst.k, k) // copy elem
                }
                if t.IndirectElem() {
                    *(*unsafe.Pointer)(dst.e) = *(*unsafe.Pointer)(e)
                } else {
                    typedmemmove(t.Elem, dst.e, e)
                }
                dst.i++
                dst.k = add(dst.k, uintptr(t.KeySize))
                dst.e = add(dst.e, uintptr(t.ValueSize))
            }
        }
        if h.flags&oldIterator == 0 && t.Bucket.PtrBytes != 0 {
            b := add(h.oldbuckets, oldbucket*uintptr(t.BucketSize))
            ptr := add(b, dataOffset)
            n := uintptr(t.BucketSize) - dataOffset
            memclrHasPointers(ptr, n)
        }
    }

    if oldbucket == h.nevacuate {
        advanceEvacuationMark(h, t, newbit)
    }
}

解释一下为什么增量扩容，旧桶只会出现在新桶的两个位置

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迁移完nevacuate桶后，它会+1，这个时候可能+1的这个桶之前被迁移过了，所以需要继续往后找到一个还未没迁移的桶，该逻辑在advanceEvacuationMark函数中：

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func advanceEvacuationMark(h *hmap, t *maptype, newbit uintptr) {
    h.nevacuate++
    // 往后最多看1024个桶
    stop := h.nevacuate + 1024
    // newbit是旧桶的数量
    if stop > newbit {
        stop = newbit
    }
    // 将nevacuate指向第一个未迁移的桶
    for h.nevacuate != stop && bucketEvacuated(t, h, h.nevacuate) {
        h.nevacuate++
    }
    // 如果所有旧桶全部迁移完
    if h.nevacuate == newbit { // newbit == # of oldbuckets
    // 释放旧桶
        h.oldbuckets = nil
        if h.extra != nil {
            h.extra.oldoverflow = nil
        }
    // 将迁移标志清除，结束扩容状态
        h.flags &^= sameSizeGrow
    }
}