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map 是Go语言中基础的数据结构,在日常的使用中经常被用到。但是它底层是如何实现的呢?
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总体来说golang的map是hashmap,是使用数组+链表的形式实现的,使用拉链法消除hash冲突。
golang的map由两种重要的结构,hmap和bmap(下文中都有解释),主要就是hmap中包含一个指向bmap数组的指针,key经过hash函数之后得到一个数,这个数低位用于选择bmap(当作bmap数组指针的下表),高位用于放在bmap的[8]uint8数组中,用于快速试错。然后一个bmap可以指向下一个bmap(拉链)。
Golang中map的底层实现是一个散列表,因此实现map的过程实际上就是实现散表的过程。在这个散列表中,主要出现的结构体有两个,一个叫 hmap (a header for a go map),一个叫 bmap (a bucket for a Go map,通常叫其bucket)。这两种结构的样子分别如下所示:
hmap :
图中有很多字段,但是便于理解map的架构,你只需要关心的只有一个,就是标红的字段: buckets数组 。Golang的map中用于存储的结构是bucket数组。而bucket(即bmap)的结构是怎样的呢?
bucket :
相比于hmap,bucket的结构显得简单一些,标红的字段依然是“核心”,我们使用的map中的key和value就存储在这里。“高位哈希值”数组记录的是当前bucket中key相关的“索引”,稍后会详细叙述。还有一个字段是一个指向扩容后的bucket的指针,使得bucket会形成一个链表结构。例如下图:
由此看出hmap和bucket的关系是这样的:
而bucket又是一个链表,所以,整体的结构应该是这样的:
哈希表的特点是会有一个哈希函数,对你传来的key进行哈希运算,得到唯一的值,一般情况下都是一个数值。Golang的map中也有这么一个哈希函数,也会算出唯一的值,对于这个值的使用,Golang也是很有意思。
Golang把求得的值按照用途一分为二:高位和低位。
如图所示,蓝色为高位,红色为低位。 然后低位用于寻找当前key属于hmap中的哪个bucket,而高位用于寻找bucket中的哪个key。上文中提到:bucket中有个属性字段是“高位哈希值”数组,这里存的就是蓝色的高位值,用来声明当前bucket中有哪些“key”,便于搜索查找。 需要特别指出的一点是:我们map中的key/value值都是存到同一个数组中的。数组中的顺序是这样的:
并不是key0/value0/key1/value1的形式,这样做的好处是:在key和value的长度不同的时候,可 以消除padding(内存对齐)带来的空间浪费 。
现在,我们可以得到Go语言map的整个的结构图了:(hash结果的低位用于选择把KV放在bmap数组中的哪一个bmap中,高位用于key的快速预览,用于快速试错)
map的扩容
当以上的哈希表增长的时候,Go语言会将bucket数组的数量扩充一倍,产生一个新的bucket数组,并将旧数组的数据迁移至新数组。
加载因子
判断扩充的条件,就是哈希表中的加载因子(即loadFactor)。
加载因子是一个阈值,一般表示为:散列包含的元素数 除以 位置总数。是一种“产生冲突机会”和“空间使用”的平衡与折中:加载因子越小,说明空间空置率高,空间使用率小,但是加载因子越大,说明空间利用率上去了,但是“产生冲突机会”高了。
每种哈希表的都会有一个加载因子,数值超过加载因子就会为哈希表扩容。
Golang的map的加载因子的公式是:map长度 / 2^B(这是代表bmap数组的长度,B是取的低位的位数)阈值是6.5。其中B可以理解为已扩容的次数。
当Go的map长度增长到大于加载因子所需的map长度时,Go语言就会将产生一个新的bucket数组,然后把旧的bucket数组移到一个属性字段oldbucket中。注意:并不是立刻把旧的数组中的元素转义到新的bucket当中,而是,只有当访问到具体的某个bucket的时候,会把bucket中的数据转移到新的bucket中。
如下图所示:当扩容的时候,Go的map结构体中,会保存旧的数据,和新生成的数组
上面部分代表旧的有数据的bucket,下面部分代表新生成的新的bucket。蓝色代表存有数据的bucket,橘黄色代表空的bucket。
扩容时map并不会立即把新数据做迁移,而是当访问原来旧bucket的数据的时候,才把旧数据做迁移,如下图:
注意:这里并不会直接删除旧的bucket,而是把原来的引用去掉,利用GC清除内存。
map中数据的删除
如果理解了map的整体结构,那么查找、更新、删除的基本步骤应该都很清楚了。这里不再赘述。
值得注意的是,找到了map中的数据之后,针对key和value分别做如下操作:
1
2
3
4
1、如果``key``是一个指针类型的,则直接将其置为空,等待GC清除;
2、如果是值类型的,则清除相关内存。
3、同理,对``value``做相同的操作。
4、最后把key对应的高位值对应的数组index置为空。
在前一小节中介绍了点亮第一个LED灯,这里我们准备进阶尝试下,输出第一段PWM波形。(PWM也就是脉宽调制,一种可调占空比的技术,得到的效果就是:如果用示波器测量引脚会发现有方波输出,而且高电平、低电平的时间是可调的。)
这里爪爪熊准备写成一个golang的库,并开源到github上,后续更新将直接更新到github中,如果你有兴趣可以和我联系。 github.com/dpawsbear/bear_rpi_go
我在很多的教程中都看到说树莓派的PWM(硬件)只有一个GPIO能够输出,就是 GPIO1 。这可是不小的打击,因为我想使用至少四个 PWM ,还是不死心,想通过硬件手册上找寻蛛丝马迹,看看究竟怎么回事。
手册上找寻东西稍等下讲述,这里先提供一种方法测试 树莓派3B 的 PWM 方法:用指令控制硬件PWM。
这里通过指令的方式掌握了基本的pwm设置技巧,决定去翻一下手册看看到底PWM怎么回事,这里因为没有 BCM2837 的手册,根据之前文章引用官网所说, BCM2835 和 BCM2837 应该是一样的。这里我们直接翻阅 BCM2835 的手册,直接找到 PWM 章节。找到了如下图:
图中可以看到在博通的命名规则中 GPIO 12、13、18、19、40、41、45、52、53 均可以作为PWM输出。但是只有两路PWM0 PWM1。根据我之前所学知识,不出意外应该是PWM0 和 PWM1可以输出不一样的占空比,但是频率应该是一样的。因为没有示波器,暂时不好测试。先找到下面对应图:
根据以上两个图对比可以发现如下规律:
对照上面的表可以看出从 BCM2837 中印出来的能够使用在PWM上的就这几个了。
为了验证个人猜想是否正确,这里先直接使用指令的模式,模拟配置下是否能够正常输出。
通过上面一系列指令模拟发现,(GPIO1、GPIO26)、(GPIO23、GPIO24)是绑定在一起的,调节任意一个,另外一个也会发生变化。也即是PWM0、PWM1虽然输出了两路,可以理解成两路其实都是连在一个输出口上。这里由于没有示波器或者逻辑分析仪这类设备(仅有一个LED灯),所以测试很简陋,下一步是使用示波器这类东西对频率以及信号稳定性进行下测试。
小节:树莓派具有四路硬件输出PWM能力,但是四路中只能输出两个独立(占空比独立)的PWM,同时四路输出的频率均是恒定的。
上面大概了解清楚了树莓派3B的PWM结构,接下来就是探究如何使用Go语言进行设置。
因为拿到了手册,这里我想直接操作寄存器的方式进行设置,也是顺便学习下Go语言处理寄存器的过程。首先需要拿到pwm 系列寄存器的基地址,但是翻了一圈手册,发现只有偏移,没有找到基地址。
经过了一段时间的努力后,决定写一个 树莓派3B golang包开源放在github上,只需要写相关程序进行调用就可以了,以下是相关demo(pwm)(在GPIO.12 上输出PWM波,放上LED灯会有呼吸灯的效果,具体多少频率还没有进行测试)
以下是demo(pwm) 源码
作为C语言家族的一员,go和c一样也支持结构体。可以类比于java的一个POJO。
在学习定义结构体之前,先学习下定义一个新类型。
新类型 T1 是基于 Go 原生类型 int 定义的新自定义类型,而新类型 T2 则是 基于刚刚定义的类型 T1,定义的新类型。
这里要引入一个底层类型的概念。
如果一个新类型是基于某个 Go 原生类型定义的, 那么我们就叫 Go 原生类型为新类型的底层类型
在上面的例子中,int就是T1的底层类型。
但是T1不是T2的底层类型,只有原生类型才可以作为底层类型,所以T2的底层类型还是int
底层类型是很重要的,因为对两个变量进行显式的类型转换,只有底层类型相同的变量间才能相互转换。底层类型是判断两个类型本质上是否相同的根本。
这种类型定义方式通常用在 项目的渐进式重构,还有对已有包的二次封装方面
类型别名表示新类型和原类型完全等价,实际上就是同一种类型。只不过名字不同而已。
一般我们都是定义一个有名的结构体。
字段名的大小写决定了字段是否包外可用。只有大写的字段可以被包外引用。
还有一个点提一下
如果换行来写
Age: 66,后面这个都好不能省略
还有一个点,观察e3的赋值
new返回的是一个指针。然后指针可以直接点号赋值。这说明go默认进行了取值操作
e3.Age 等价于 (*e3).Age
如上定义了一个空的结构体Empty。打印了元素e的内存大小是0。
有什么用呢?
基于空结构体类型内存零开销这样的特性,我们在日常 Go 开发中会经常使用空 结构体类型元素,作为一种“事件”信息进行 Goroutine 之间的通信
这种以空结构体为元素类建立的 channel,是目前能实现的、内存占用最小的 Goroutine 间通信方式。
这种形式需要说的是几个语法糖。
语法糖1:
对于结构体字段,可以省略字段名,只写结构体名。默认字段名就是结构体名
这种方式称为 嵌入字段
语法糖2:
如果是以嵌入字段形式写的结构体
可以省略嵌入的Reader字段,而直接访问ReaderName
此时book是一个各个属性全是对应类型零值的一个实例。不是nil。这种情况在Go中称为零值可用。不像java会导致npe
结构体定义时可以在字段后面追加标签说明。
tag的格式为反单引号
tag的作用是可以使用[反射]来检视字段的标签信息。
具体的作用还要看使用的场景。
比如这里的tag是为了帮助 encoding/json 标准包在解析对象时可以利用的规则。比如omitempty表示该字段没有值就不打印出来。
1、反射可以在运行时 动态获取变量的各种信息 ,比如变量的类型、类别;
2、如果是结构体变量,还可以获取到结构体本身的信息(包括结构体的字段、方法);
3、通过反射,可以修改 变量的值 ,可以调用关联的方法;
4、使用反射,需要import " reflect ".
5、示意图:
1、不知道接口调用哪个函数,根据传入参数在运行时确定调用的具体接口,这种需要对函数或方法反射。
例如以下这种桥接模式:
示例第一个参数funcPtr以接口的形式传入函数指针,函数参数args以可变参数的形式传入,bridge函数中可以用反射来动态执行funcPtr函数。
1、reflect.TypeOf(变量名),获取变量的类型,返回reflect.Type类型。
2、reflect.ValueOf(变量名),获取变量的值,返回reflect.Value类型reflect.Value是一个结构体类型。
3、变量、interface{}和reflect.Value是可以互相转换的,这点在实际开发中,会经常使用到。
1、reflect.Value.Kind,获取变量的 类别(Kind) ,返回的是一个 常量 。在go语言文档中:
示例如下所示:
输出如下:
Kind的范畴要比Type大。比如有Student和Consumer两个结构体,他们的 Type 分别是 Student 和 Consumer ,但是它们的 Kind 都是 struct 。
2、Type是类型,Kind是类别,Type和Kind可能是相同的,也可能是不同的。
3、通过反射可以在让 变量 在 interface{} 和 Reflect.Value 之间相互转换,这点在前面画过示意图。
4、使用反射的方式来获取变量的值(并返回对应的类型),要求数据类型匹配,比如x是int,那么久应该使用reflect.Value(x).Int(),而不能使用其它的,否则报panic。
如果是x是float类型的话,也是要用reflect.Value(x).Float()。但是如果是struct类型的话,由于type并不确定,所以没有相应的方法,只能 断言。
5、通过反射的来修改变量,注意当使用SetXxx方法来设置需要通过对应的指针类型来完成,这样才能改变传入的变量的值,同时需要使用到reflect.Value.Elem()方法。
输出num=20,即成功使用反射来修改传进来变量的值。
6、reflect.Value.Elem()应该如何理解?
GO是编译性语言,所以函数的顺序是无关紧要的,为了方便阅读,建议入口函数 main 写在最前面,其余函数按照功能需要进行排列
GO的函数 不支持嵌套,重载和默认参数
GO的函数 支持 无需声明变量,可变长度,多返回值,匿名,闭包等
GO的函数用 func 来声明,且左大括号 { 不能另起一行
一个简单的示例:
输出为:
参数:可以传0个或多个值来供自己用
返回:通过用 return 来进行返回
输出为:
上面就是一个典型的多参数传递与多返回值
对例子的说明:
按值传递:是对某个变量进行复制,不能更改原变量的值
引用传递:相当于按指针传递,可以同时改变原来的值,并且消耗的内存会更少,只有4或8个字节的消耗
在上例中,返回值 (d int, e int, f int) { 是进行了命名,如果不想命名可以写成 (int,int,int){ ,返回的结果都是一样的,但要注意:
当返回了多个值,我们某些变量不想要,或实际用不到,我们可以使用 _ 来补位,例如上例的返回我们可以写成 d,_,f := test(a,b,c) ,我们不想要中间的返回值,可以以这种形式来舍弃掉
在参数后面以 变量 ... type 这种形式的,我们就要以判断出这是一个可变长度的参数
输出为:
在上例中, strs ...string 中, strs 的实际值是b,c,d,e,这就是一个最简单的传递可变长度的参数的例子,更多一些演变的形式,都非常类似
在GO中 defer 关键字非常重要,相当于面相对像中的析构函数,也就是在某个函数执行完成后,GO会自动这个;
如果在多层循环中函数里,都定义了 defer ,那么它的执行顺序是先进后出;
当某个函数出现严重错误时, defer 也会被调用
输出为
这是一个最简单的测试了,当然还有更复杂的调用,比如调试程序时,判断是哪个函数出了问题,完全可以根据 defer 打印出来的内容来进行判断,非常快速,这种留给你们去实现
一个函数在函数体内自己调用自己我们称之为递归函数,在做递归调用时,经常会将内存给占满,这是非常要注意的,常用的比如,快速排序就是用的递归调用
本篇重点介绍了GO函数(func)的声明与使用,下一篇将介绍GO的结构 struct