golang的引⽤类型(slice,map,channel)底层实现
Slice
切⽚即动态数组,可以动态扩容改变数组的容量. golang 的 slice 底层结构如下所⽰,它是⼀个结构体,⾥⾯包含了指向数组的地址,并通过 len、cap 保存数组的元素数、容量:
type slice struct {
array unsafe.Pointer // 指向数组的指针
len int// 切⽚中元素的数量
cap int// array 数组的总容量
}
切⽚拷贝:
考虑到切⽚ slice 的结构,对于切⽚直接⽤ = 拷贝,实际上是浅拷贝,只是改变了指针的指向,并没有改变数组中元素的值. 对于深度拷贝的需求,可以借助 copy 内置函数完成. 两种拷贝的⽅式如下:
深度拷贝: copy(sliceA, sliceB)
浅拷贝: sliceA = sliceB
切⽚之间的复制会拷贝数组指针、cap、len 值,但数组指针指向的是同⼀个地址. 如果想做深度拷贝,即将指针指向的数组内容⽽不是指针值进⾏拷贝. 可以使⽤内置的 copy 函数进⾏切⽚拷贝. 如下所⽰,使⽤ copy 进⾏复制,会改变 s2 地址的内存内的数组值.
var s1 = []int{1, 2} // 初始化⼀个切⽚
var s2 = make([]int, 2) // 初始化⼀个空的切⽚,cap为2
copy(s2, s1) // 将s1拷贝给s2
s2[0] = 99// 改变s2[0]
fmt.Println(s1[0]) // 打印 1 ⽽不是 99
切⽚ slice 函数传递
在切⽚进⾏复制时,会将切⽚的值(指针、cap、len)复制了⼀份. 在函数内部可以改变原切⽚的值.
但是,当涉及到 append 触发扩容时,原来的指针指向的地址会发⽣变化,之后再对数组值进⾏更改,原切⽚将不受影响.
//定义⼀个函数,给切⽚添加⼀个元素
func addOne(s []int) {
s[0] = 4// 可以改变原切⽚值
s = append(s, 1) // 扩容后分配了,原切⽚将不再受影响
s[0] = 8
}
var s1 = []int{2} // 初始化⼀个切⽚
addOne(s1) // 调⽤函数添加⼀个切⽚
fmt.Println(s1) // 输出⼀个值 [4]
切⽚ slice 的扩容
当使⽤ append(slice,data) 时候,Golang 会检查底层的数组的长度是否已经不够,如果长度不够,Golang 则会新建⼀个数组,把原数组的数据拷贝过去,再将 slice 中的指向数组的指针指向新的数组。
其中新数组的长度⼀般是⽼数组的俩倍,当然,如果⼀直是俩倍增加,那也会极⼤的浪费内存. 所以在⽼数组长度⼤于 1024 时候,将每次按照不⼩于 25% 的涨幅扩容.
slice 增加长度的源码在 src/ 的 growslice 函数中
Map
m ap 字典是 golang 中⾼级类型之⼀,它提供键值对形式的存储. 它也是引⽤类型,参数传递时其内部的指针被复制,指向的还是同⼀个内存地址. 当对赋值后的左值进⾏修改时,是会影响到原 map 值的.
go 字符串转数组map 的底层本质上是实现散列表,它解决碰撞的⽅式是拉链法. map 在进⾏扩容时不会⽴即替换原内存,⽽是慢慢的通过 GC ⽅式释放. hmap 结构
以下是 map 的底层结构,其源码位于 src/ 中,结构体主要是 hmap .
// A header for a Go map.
type hmap struct {
// Note: the format of the hmap is also encoded in cmd/compile/internal/
// Make sure this stays in sync with the compiler's definition.
count int// # live cells == size of map. Must be first (used by len() builtin)
B uint8 // log_2 of # of buckets (can hold up to loadFactor * 2^B items)
noverflow uint16 // approximate number of overflow buckets; see incrnoverflow for details
hash0 uint32 // hash seed
buckets unsafe.Pointer // array of 2^B Buckets. may be nil if count==0.
oldbuckets unsafe.Pointer // previous bucket array of half the size, non-nil only when growing
nevacuate uintptr // progress counter for evacuation (buckets less than this have been evacuated)
extra *mapextra // optional fields
}
上述代码中 buckets、oldbuckets 是指向存储键值的内存地址, 其中 oldbuckets ⽤于在扩容时候,指向旧的 bucket 地址,再下次访问时不断的将 oldbuckets 值转移到 buckets 中. oldbuckets 并不直接释放内存,⽽是通过不引⽤,交由 gc 释放内存.
散列表和 bucket ( a bucket for a go map)
hmap 中核⼼的结构是 buckets,它是 bucket 数组,其中每个 bucket 是⼀个链表. 这个结构其实就是散列表的实现,通过拉链法消除 hash 冲突. 使得散列表能够存储更多的元素,同时避免过⼤的连续内存申请. 如下图 1,是 golang buckets 数组在内存中的形式,buckets 数组的每个元素是链表的头节点.
在哈希表结构中有⼀个加载因⼦(即 loadFactor), 它⼀般是散列包含的元素数除以位置总数. 加载因⼦越⾼,冲突产⽣的概率越⾼. 当达到⼀定阈值时,就该为哈希表进⾏扩容了,否则查询效率将会很低.
当 golang map 的加载因⼦⼤于阈值时,len(map) / 2 ^ B > 6.5 时,就会对 map 对象进⾏扩容. 扩容不会⽴刻释放掉原来的 bucket 内存,⽽是由 oldbucket 指向,并产⽣新的 buckets 数组并由指针 buckets 指向. 在再次访问原数据时,再依次将⽼的 bucket 移到新的 buckets 数组中. 同时解除对⽼的 bucket 的引⽤,GC 会统⼀释放掉这些内存.
哈希函数
哈希函数是哈希表的特点之⼀,通过 key 值计算哈希,快速映射到数据的地址. golang 的 map 进⾏哈希计算后,将结果分为⾼位值和低位值,其中低位值⽤于定位 buckets 数组中的具体 bucket,⽽⾼位值⽤于定位这个 bucket 链表中具体的 key .
channel
hchan 结构
chan 源码位于 src/ 中,其结构体为 hchan,其中主要包括 buf、sendx、recvx、sendq、recvq 等.
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
}
主要结构的作⽤:
buf: 有缓冲通道⽤于存储缓存数据的空间, 它是⼀个循环链表.
sendx 和 recvx: ⽤于记录循环链表 buf 中的发送或者接受的 index.
sendq 和 recvq: 是俩个双向队列,分别是发送、接受的 goroutine 抽象出来的 sudog 结构体的队列.
lock: 互斥锁. 在 send 和 recv 操作时锁住 hchan.
make 创建通道
使⽤ make 可以创建通道,如下⽰例:
ch0 := make(chan int) // ⽆缓冲通道
ch1 := make(chan int, 3) // 有缓冲通道
创建通道实际上是创建了⼀个 hchan 结构体,返回指针 ch0 . chan 在 go 语⾔中是引⽤类型, 在参数传递过程是复制的是这个指针值. send 和 recv
⾸先会使⽤ lock 锁住 hchan. 然后以 sendx 或 recvx 序号,在循环链表 buf 指定的位置上到数据,将数据 copy 到 goroutine 或者时从goroutine copy 的 buf 上. 然后释放锁.
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