这篇文章主要讲 map 的赋值、删除、查询、扩容的具体执行过程，仍然是从底层的角度展开。结合源码，看完本文一定会彻底明白 map 底层原理。

我要说明的是，这里对 map 的基本用法涉及比较少，我相信可以通过阅读其他入门书籍了解。本文的内容比较深入，但是由于我画了各种图，我相信很容易看懂。

什么是 map

维基百科里这样定义 map：

In computer science, an associative array, map, symbol table, or dictionary is an abstract data type composed of a collection of (key, value) pairs, such that each possible key appears at most once in the collection.
key-valuekey

和 map 相关的操作主要是：

  1. 增加一个 k-v 对 —— Add or insert；
  2. 删除一个 k-v 对 —— Remove or delete；
  3. 修改某个 k 对应的 v —— Reassign；
  4. 查询某个 k 对应的 v —— Lookup；
增删查改
哈希查找表（Hash table）搜索树（Search tree）

哈希查找表用一个哈希函数将 key 分配到不同的桶（bucket，也就是数组的不同 index）。这样，开销主要在哈希函数的计算以及数组的常数访问时间。在很多场景下，哈希查找表的性能很高。

链表法开放地址法链表法开放地址法

搜索树法一般采用自平衡搜索树，包括：AVL 树，红黑树。面试时经常会被问到，甚至被要求手写红黑树代码，很多时候，面试官自己都写不上来，非常过分。

自平衡搜索树法的最差搜索效率是 O(logN)，而哈希查找表最差是 O(N)。当然，哈希查找表的平均查找效率是 O(1)，如果哈希函数设计的很好，最坏的情况基本不会出现。还有一点，遍历自平衡搜索树，返回的 key 序列，一般会按照从小到大的顺序；而哈希查找表则是乱序的。

为什么要用 map

从 Go 语言官方博客摘录一段话：

One of the most useful data structures in computer science is the hash table. Many hash table implementations exist with varying properties, but in general they offer fast lookups, adds, and deletes. Go provides a built-in map type that implements a hash table.

hash table 是计算机数据结构中一个最重要的设计。大部分 hash table 都实现了快速查找、添加、删除的功能。Go 语言内置的 map 实现了上述所有功能。

很难想象写一个程序不使用 map，以至于在回答为什么要用 map 这个问题上犯了难。

所以，到底为什么要用 map 呢？因为它太强大了，各种增删查改的操作效率非常高。

map 的底层如何实现

首先声明我用的 Go 版本：

go version go1.9.2 darwin/amd64

前面说了 map 实现的几种方案，Go 语言采用的是哈希查找表，并且使用链表解决哈希冲突。

接下来我们要探索 map 的核心原理，一窥它的内部结构。

map 内存模型

在源码中，表示 map 的结构体是 hmap，它是 hashmap 的“缩写”：

// A header for a Go map.
type hmap struct {
    // 元素个数，调用 len(map) 时，直接返回此值
    count     int
    flags     uint8
    // buckets 的对数 log_2
    B         uint8
    // overflow 的 bucket 近似数
    noverflow uint16
    // 计算 key 的哈希的时候会传入哈希函数
    hash0     uint32
    // 指向 buckets 数组，大小为 2^B
    // 如果元素个数为0，就为 nil
    buckets    unsafe.Pointer
    // 扩容的时候，buckets 长度会是 oldbuckets 的两倍
    oldbuckets unsafe.Pointer
    // 指示扩容进度，小于此地址的 buckets 迁移完成
    nevacuate  uintptr
    extra *mapextra // optional fields
}


B

buckets 是一个指针，最终它指向的是一个结构体：

type bmap struct {
    tophash [bucketCnt]uint8
}

但这只是表面(src/runtime/hashmap.go)的结构，编译期间会给它加料，动态地创建一个新的结构：

type bmap struct {
    topbits  [8]uint8
    keys     [8]keytype
    values   [8]valuetype
    pad      uintptr
    overflow uintptr
}


bmap

来一个整体的图：

hashmap bmap

当 map 的 key 和 value 都不是指针，并且 size 都小于 128 字节的情况下，会把 bmap 标记为不含指针，这样可以避免 gc 时扫描整个 hmap。但是，我们看 bmap 其实有一个 overflow 的字段，是指针类型的，破坏了 bmap 不含指针的设想，这时会把 overflow 移动到 extra 字段来。

type mapextra struct {
    // overflow[0] contains overflow buckets for hmap.buckets.
    // overflow[1] contains overflow buckets for hmap.oldbuckets.
    overflow [2]*[]*bmap

    // nextOverflow 包含空闲的 overflow bucket，这是预分配的 bucket
    nextOverflow *bmap
}

bmap 是存放 k-v 的地方，我们把视角拉近，仔细看 bmap 的内部组成。

bmap struct

HOB Hashkey/value/key/value/...

例如，有这样一个类型的 map：

map[int64]int8


key/value/key/value/...key/key/.../value/value/...
overflow

创建 map

从语法层面上来说，创建 map 很简单：

ageMp := make(map[string]int)
// 指定 map 长度
ageMp := make(map[string]int, 8)

// ageMp 为 nil，不能向其添加元素，会直接panic
var ageMp map[string]int


makemaphmap
func makemap(t *maptype, hint int64, h *hmap, bucket unsafe.Pointer) *hmap {
    // 省略各种条件检查...

    // 找到一个 B，使得 map 的装载因子在正常范围内
    B := uint8(0)
    for ; overLoadFactor(hint, B); B++ {
    }

    // 初始化 hash table
    // 如果 B 等于 0，那么 buckets 就会在赋值的时候再分配
    // 如果长度比较大，分配内存会花费长一点
    buckets := bucket
    var extra *mapextra
    if B != 0 {
        var nextOverflow *bmap
        buckets, nextOverflow = makeBucketArray(t, B)
        if nextOverflow != nil {
            extra = new(mapextra)
            extra.nextOverflow = nextOverflow
        }
    }

    // 初始化 hamp
    if h == nil {
        h = (*hmap)(newobject(t.hmap))
    }
    h.count = 0
    h.B = B
    h.extra = extra
    h.flags = 0
    h.hash0 = fastrand()
    h.buckets = buckets
    h.oldbuckets = nil
    h.nevacuate = 0
    h.noverflow = 0

    return h
}


*hmapmakesliceSlice
func makeslice(et *_type, len, cap int) slice

回顾一下 slice 的结构体定义：

// runtime/slice.go
type slice struct {
    array unsafe.Pointer // 元素指针
    len   int // 长度 
    cap   int // 容量
}

结构体内部包含底层的数据指针。

makemap 和 makeslice 的区别，带来一个不同点：当 map 和 slice 作为函数参数时，在函数参数内部对 map 的操作会影响 map 自身；而对 slice 却不会（之前讲 slice 的文章里有讲过）。

*hmapslice*hmap

哈希函数

alginit()src/runtime/alg.go