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go語言中slice,map,channl底層原理

更新時間：2022年06月02日 16:30:09 作者：? 樹獺叔叔? ?

這篇文章主要介紹了go語言中slice,map,channl底層原理,slice,map,channl是我們Go語言中最最常用的幾個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),對于其更多相關(guān)內(nèi)容需要的小伙伴可以參考下面文章詳細內(nèi)容

0. 前序

slice,map,channl是我們Go語言中最最常用的幾個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于這些做到知根知底，對于我們建立知識體系以及優(yōu)化代碼都有著很重要的意義，所以本文，我們深入這三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的底層，剖析其設(shè)計思想。

1. slice

1.1 slice的創(chuàng)建

slice的創(chuàng)建主要有兩種方式，第一種方式是直接創(chuàng)建

var sli []int
sli = make([]int, len, cap) // cap可以省略

//或者
sli := make([]int, len, cap) // cap可以省略

另一種方式是借助array創(chuàng)建：

arr := []int{1,2,3,4,5}
sli := arr[sta:end:cap] // :cap可以省略，以這種方式創(chuàng)建的sli，其cap為sta到arr的最后一位

1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

slice底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

type {
    array unsafe.Pointer // 指針
    len int // 現(xiàn)有長度
    cap int // 容量 
}

在Go語言中，所有的參數(shù)傳遞都是值傳遞，slice也是如此，不過由于其底層的指針，在其傳遞到另一個函數(shù)后，仍能對其地址對應(yīng)位置的值做修改，然而，當(dāng)發(fā)生擴容操作時，由于會重新分配地址，就會導(dǎo)致問題的發(fā)生，下面我們就來介紹slice的擴容機制。

1.3 擴容機制

在進行append()并且cap不夠用的時候，會觸發(fā)擴容操作(copy()操作不會觸發(fā)擴容)。

容量的確定:

如果期望容量大于當(dāng)前容量的兩倍就會使用期望容量；
如果當(dāng)前切片的長度小于 1024 就會將容量翻倍；
如果當(dāng)前切片的長度大于 1024 就會每次增加 25% 的容量，直到新容量大于期望容量；

上面所說的是一個容量的初步確定步驟，當(dāng)數(shù)據(jù)類型size為1字節(jié)，8字節(jié)，或者2的倍數(shù)時，會根據(jù)內(nèi)存大小進行向上取整，進行內(nèi)存對齊，之后返回新的擴容大小。

內(nèi)存對齊的一個重要原因是因為Go進行內(nèi)存分配時是類似于伙伴系統(tǒng)的固定的內(nèi)存塊，對齊這個內(nèi)存可以最大化的人利用分配到的空間。

2. map

2.1 map創(chuàng)建

m = make(map[int]int) // 需要注意 make(map)返回的是一個指針

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

type hmap {
    count int
    flags uint8 // map當(dāng)前是否處于寫入狀態(tài)等
    B     uint8 // 2的B次冪表示當(dāng)前map中桶的數(shù)量（buckets的長度）
    noverlow uint16 // map中溢出桶的數(shù)量，當(dāng)溢出桶太多時，map會進行等量擴容
    hash0 uint32 //生成hash的隨機數(shù)種子
    
    buckets unsafe.Pointer //當(dāng)前map對應(yīng)的桶的指針
    oldbuckets unsafe.Pointer // 擴容時的舊桶
    nevacuate uintptr //擴容時，用于標(biāo)記當(dāng)前舊桶中小于nevacute的數(shù)據(jù)都已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了新桶
    
    extra *mapextra //存儲map的溢出桶
}

Go中的map的數(shù)據(jù)都是存在bmap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的，最多放8個kv對，溢出桶的設(shè)計與GC有關(guān)系，如果map為內(nèi)聯(lián)數(shù)據(jù)類型時，map數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里的指針就只有溢出桶了，這個時候就可以避免遍歷map。

2.3 擴容機制

當(dāng)我們插入一個k-v對時，需要確定他應(yīng)該插入到bucket數(shù)組的哪一個槽中。bucket數(shù)組的長度為2^B，即2的次冪數(shù)，而2^B-1轉(zhuǎn)換成二進制后一定是低位全1，高位全0的形式，因此在進行按位與操作后，一定能求得一個在[0,2^B-1]區(qū)間上的任意一個數(shù)，也就是數(shù)組中的下標(biāo)位置，相較之下，能獲得比取模更加優(yōu)秀的執(zhí)行效率。

涉及到擴容，每一次bucket數(shù)組都會變?yōu)楝F(xiàn)在的兩倍，方便我們進行hash遷移。

map觸發(fā)擴容的條件有兩種：

負載因子大于6.5時（負載因子 = 鍵數(shù)量 / bucket數(shù)量）
overflow的數(shù)量達到2^min(15,B)

等量擴容 所謂等量擴容，并不是擴大容量，而是bucket數(shù)量不變，重新做一遍類似增量擴容的搬遷動作，把松散的鍵值對重新排列一次，以使bucket的使用率更高，從而保證更快的存取速度。

3. channl

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

type hchan struct {
    qcount   uint           // total data in the queue
    dataqsiz uint           // size of the circular queue
    buf      unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elements
    elemsize uint16
    closed   uint32
    elemtype *_type // element type
    sendx    uint   // send index
    recvx    uint   // receive index
    recvq    waitq  // list of recv waiters
    sendq    waitq  // list of send waiters

    // lock protects all fields in hchan, as well as several
    // fields in sudogs blocked on this channel.
    //
    // Do not change another G's status while holding this lock
    // (in particular, do not ready a G), as this can deadlock
    // with stack shrinking.
    lock mutex
}