golang面经——map模块和sync.Map模块
一、面试题相关
1.map 使用注意的点，是否是并发安全的?
分析：
考察map的线程安全，map在使用过程中主要是要注意并发读写不加锁会造成fatal error，让程序崩溃。并且这种错误是不能被recover捕获的
回答：
map 不是线程安全的。
如果某个任务正在对map进行写操作，那么其他任务就不能对该 字典执行并发操作(读、写、删除)，否则会导致进程崩溃。
在查找、赋值、遍历、删除的过程中都会检测写标志，一旦发现写标志等于1，则直接 fatal退出程序。赋值和删除函数在检测完写标志是0之后，先将写标志改成1，才会进行之后的操作。
2.map 循环是有序的还是无序的?
分析：
考察对map遍历的底层实现是否了解，map在每次遍历的时候都会选定一个随机桶号还有槽位，遍历从这个随机桶开始往后依次便利完所有的桶，在每个桶内，则是按照之前选定随机槽位开始遍历，回答的时候要突出随机桶号和槽位。
回答：
map的遍历是无序的，map每次遍历,都会从一个随机值序号的桶,在每个桶中，再从按照之前选定随机槽位开始遍历,所以是无序的。
补充问题:为什么go语言的map要这样设计，要随机选定桶号和槽位进行随机遍历?
分析：
因为map是可以动态扩容的，map 在扩容后，会发生 key 的搬迁，这样 key 的位置就会发生改变，那么如果顺序谝历key，在扩容前后顺序肯定会不一样，这道题回答一定要突出扩容会带来key的位置发生变化回顾一下双倍扩容，key的变化过程，双倍扩容，目标桶扩容后的位置可能在原位置也可能在原位置+偏移量处。
回答：
因为map 在扩容后，会发生 key 的搬迁，原来落在同一个 bucket 中的 key，搬迁后，有些 key 的位置就会发生改变。而遍历的过程，就是按顺序遍历 bucket，同时按顺序遍历 bucket 中的 key。搬迁后，key 的位置发生了重大的变化，这样，遍历 map 的结果就不可能按原来的顺序了。所以，go语言，强制每次遍历都随机开始。
3.map 如何顺序读取?
分析：
map本身的遍历是不能顺序执行的，所以我们要达到一个顺序遍历的目的就不能用原map的遍历方式，要想顺序遍历，显然需要对map的key进行排序，然后，我们按照这个排完序之后的key从map里面取出对应的数据即可。
回答：
如果想顺序遍历map,先把key放到切片排序,再按照key的顺序遍历map
4. map 中删除一个 key，它的内存会释放么?
分析：
考察map中key的删除原理，map删除key的时候是根据hash值找对对应的槽位，找对对应的key删除，将key置为空，并且将对应的tophash置为emptyOne，如果后面没有任何数据了，则再将emptyOne状态置为emptyReset，所以删除一个key，只是修改对应内存位置的值，并不会释放内存。
回答：
不会释放，删除一个key，可以认为是标记删除，只是修改key对应内存位置的值为空，并不会释放内存，只有在置空这个map的时候，整个map的空间才会被垃圾回后释放。
5.怎么处理对 map 进行并发访问?有没有其他方案? 区别是什么?
分析：
主要考察对加锁运用熟悉程度以及对go语言中内置的sync.map的了解，要使用线程安全的map，一般有这两种方式。
1.加锁；2.sync.map。
同时，要明确这两种方式的性能比较，sync.map在性能上要优于map加锁，因为sync.map在底层使用了两个map，read和dirty来提升性能，对read的操作时原子操作不用加锁，只有在对read操作不能满足要求时才会加锁操作dirty，这样就减少了加锁的场景，锁竞争频率会减小，所以性能会高于单纯的map加锁，在回答的时候要突出sync.map的read和dirty，以及锁竞争的频率。
回答：
对map进行加读写锁或者是使用sync.map。
和原始map+RWLock读写锁的实现并发的方式相比，sync.map减少了加锁对性能的影响。它做了一些优化：可以无锁访问readmap，而且会优先操作read map，倘若只操作read map就可以满足要求，那就不用去加锁操作write map(dirty)，所以在某些特定场景中它发生锁竞争的频率会远远小于map+RWLock的实现方式。
优点:
适合读多写少的场景
缺点:
写多的场景，会导致 read map 缓存失效，需要加锁，冲突变多，性能急剧下降。
6. nil map 和空 map 有何不同?
分析：
主要考察细节对各种情况下的map的读写情况。
回答：
1.未初始化的map为nil map：
a.往值为nil的map添加值，会触发panic；
b.读取值为nil的map，不会报错；
c.删除值为nil的map，不会报错。
2.已经初始化，没有任何元素的map为空map，对空map增删改查不会报错。
7.map 的数据结构是什么?是怎么实现扩容?
分析：
map的底层实现其实是一个hmap的结构，其中包括一个buckets指针，指向一个bmap的数组，bmap数组每个元素是一个bmap结构，称之为桶，每个桶内存储着8个tophash和8个key-value的键值对，以及指向下一个溢出桶的指针。回答要突出hmap，bmap，tophash，以溢出指针overflow。
回答：
Map的底层实现数据结构实际上是一个哈希表。在运行时表现为一个指向hmap结构的指针，hmap中有记录了桶数组指针buckets，溢出桶指针以及元素个数等字段。每个桶是一个bmap的数据结构，可以存储8个键值对和8个tophash以及指向下一个溢出桶的指针overflow。为了内存紧凑，采用的是先存8个key过后再存value。
map怎么实现扩容？
分析：
这个问题作为上一个问题的补充，其实在回答的时候也要参考map的底层结构，回答扩容一定要涵盖扩容策略，扩容时机，扩容方式(渐进式扩容)
回答：
扩容时机:向 map 插入新 key 的时候，会进行条件检测，符合下面这 2 个条件，就会触发扩容。
扩容条件:
i.超过负载 map元素个数 >6.5(负载因子)*桶个数，触发双倍扩容；
ii.溢出桶太多，触发等量扩容；当桶总数<2^15时，如果溢出桶总数>=桶总数，则认为溢出桶过多；当桶总数>2^15时，如果溢出桶总数>=2^15，则认为溢出桶过多。
扩容机制:
双倍扩容：新建一个buckets数组，新的buckets数量大小是原来的2倍，然后旧buckets数据搬迁到新的buckets。
等量扩容：并不扩大容量，buckets数量维持不变，重新做一遍类似双倍扩容的搬迁动作，把松散的键值对重新挂列一次，使得同一个 bucket 中的 key 排列地更紧密，节省空间，提高 bucket 利用率，进而保证更快的存取。
扩容方式：
扩容过程并不是一次性进行的，而是采用的渐进式扩容，在插入修改删除key的时候，都会尝试进行搬迁桶的工作，每次都会检查oldbucket是否nil，如果不是nil则每次搬迁2个桶，蚂蚁搬家一样渐进式扩容。
8.map 的 key 为什么得是可比较类型的?
分析：
本题主要考察go语言map中如何通过一个key计算得到它在桶中的位置。
第一步:根据key来计算出一个hash值(64位的，当然与机器位数挂钩)。
第二步:然后根据hash值的低B位锁定桶号(找到对应的bucket)。
第三步:接着在桶中找到对应的槽位(找到对应的一个cell)。
但是这里会存在一个hash冲突的问题，并不是找到了这个槽位就是当前key的位置，因为可能有其他的key和这个key计算出的hash值相同，那么显然槽位也就一样，
所以还有第四步:进而比较key本身，来获取当前key的位置，所以key一定要是可比较的所以在回答时，一定要重点突出会存在hash冲突，然后会比较key本身
回答
首先map 的 key、value 是存在 buckets 数组里的，而每个 bucket 又可以容纳8个 key 和 8个 value。.p眍骗戴沺赿嚢赑忪珗鸼颤挾漱瘛当要插入一个新的 key- value 时，会对 key 进行 hash 运算得到一个 hash 值，然后根据 hash 值 的低B位(取几位取决于桶的数量，比如一开始桶的数量是4，则取低2位)来决定命中哪个 bucket。
在命中某个 bucket 后，又会根据 hash 值的高8位来决定是8个key 里的哪个位置。如果不巧，发生了 hash冲突，即该位置上已经有其他 key 存在了，则会去其他空位置寻找插入。如果全都满了，则使用 overflow 指针指向一个新的 bucket，重复刚刚的寻找步骤。
以上面的流程可以看出，在判断 hash 冲突，即该位置是否已有其他 key 时，肯定是要进行比较的，所以 key 必须得是可比较类型的。像 slice、map、function 就不能作为 key。
9.sync.Map的底层原理
分析:
对于sync.Map的底层原理，我们回答的核心点围绕，sync.Map如何保证并发安全，并减少锁操作的原理。
回答：
空间换时间、数据的动态流转、entry状态的设计
sync.Map采用 空间换取时间的取舍策略 以及 实时动态的数据流转策略，期望使用read map来尽量将读、更新、删除操作的流量用无锁化的操作挡下来，避免去加锁去访问拥有全量数据的dirty map
sync.Map对于k-v对里面的v，还设计了两种删除状态，一种是为nil的软删除态，一种是为expunged的硬删除态
nil态可以拦截删除操作在read map这一层
expunged态可以正确标识dirty map中有没有对应的逻辑删除的key-entry
10.read map和dirty map之间的关联?
分析:
read map和dirty map作为sync.Map中的两个最重要的结构，他们互帮互助，read map为dirty map尽量用轻便的原子操作挡住读、更新、删的流量，而dirty map也为read map提供最终的兜底手段同时 read map和dirty map数据有互相流转的过程。
回答：
read 可以当做 dirty的保护层map，尽量用轻便的原子操作将流量拦截在read，防止加锁访问dirtydirty 当做read的兜底层map，如果在read 中没有完成的操作，最终需要加锁，然后尝试在dirty 完成兜底当因为miss read而访问dirty的次数等于dirty的长度时，需要将dirty map提升到read map，并置dirty为nil当dirty map为nil，会在Store里面触发dirtyLocked流程，这个流程会遍历read map，将所有非删除状态的kentry对写入到新dirty 里面去。
11.为什么要设计nil和expunged状态?
分析:
dirty map用于最终数据兜底，如果每次我们删除操作，直接删除dirty中对应k-entey对，但后面又对这个k进行写操作，那就导致多次加锁操作。
设计nil状态来标记k-entry对已经被逻辑删除了，但是k-entry还存在于read map和dirty map中，如果想对一个删除的key，再进行写，那么也可以通过在read map中解决。
而设计expunged状态是为了正确标识出key-entry对是否存在于dirty map中nil状态是软删除状态，代表逻辑上k-v被删除了，但是k-entry对还存在与read map和dirty map中expunged态是硬删除态，也是逻辑上k-v删除了，但是k-entey对只存在read map中。
回答:
nil态是软删除态，可以让删除操作的流量在read map层挡住，防止加锁，去删除dirty map中的数据expunged态是硬删除态，也是逻辑上k-v删除了，但是k-entey对只存在read map中，能正确标识出key-entry对是否存在于dirty map中。
12.sync.Map 适用的场景?
分析:
因为我们期望将更多的流量在read map这一层进行拦截，从而避免加锁访问dirty map对于更新，删除，读取，read map可以尽量通过一些原子操作，让整个操作变得无锁化，这样就可以避免进一步加锁访问dirty map倘若写操作过多，sync.Map 基本等价于一把互斥锁 + map，所以我们要尽可能避免写多的场景，场景应用贴合读多，更新多，删多。
回答:
sync.Map 是适用于读多、更新多、删多、写少的场景。
13.你认为sync.Map有啥不足吗?
分析:
对于sync.map，在dirtyLocked流程中，需要遍历整个read map，完成两步工作更新read map中的删除状态，将软删除态(nil)变成 硬删除态(expunged)’将read map中非删除态的key-entry对 写入到 dirty map中。dirtyLocked这整个流程是加锁的，如果在sync.map数据量比较大情况下，会引发性能抖动问题，因为这个时候其他goroutine想要访问dirty map拿锁就只能阻塞起来，存在很大的隐患也是因为这个原因，我们的雅哥九哥 开源项目htps://github.com/HDT3213/godis 在实现并发安全map的时候没有采用sync.map，最终选择的是分段锁map。
回答:
sync.Map不适用于写多的场景，因为写操作足够多的话，sync.Map就相当于一把Mutex+Map而且sync.Map中存在一个将read map数据流转到 dirty map的过程，这个过程是线性时间复杂度，当map中k-V数量较多的时候，容易导致程序性能抖动比如想要访问sync.Map拿锁操作的goroutine一直等待这个线性时间复杂度的过程完成。
14.补充知识--分段锁map是什么？
保证map的并非安全，最简单的做法就是直接用锁来进行保护，比如加读写锁保护，但是这样锁的粒度比较大，加锁直接锁住了整个map，性能很差
分段锁的核心思想:
1.数据分片:将整个Map划分为多个段，每个段包含独立的子Map和锁。
2.锁粒度细化:操作时仅锁定目标数据所在的段，其他段仍可并发访问，减少锁竞争。
适用写多或Key分布均匀的场景，在选择syncMap和分段锁map，优先考虑的就是应用场景下读写流量的比例，像svnc,Map只适用了读多写少的场景，如果读写流量中写流量占比较大 或者 无法在使用之初确定读写流量比例，那就可以直接选择使用分段锁map。
二、知识点总结
1、map中的桶和槽位是什么？和key、value是什么关系？
1） 桶（Bucket）
桶是map底层哈希表的基本存储单元，每个桶包含一组键值对（通常是8个槽位）。
当发生哈希冲突时（不同key哈希到同一位置），Go采用链地址法，将冲突的键值对存放在同一个桶内（或溢出桶中）。
2）槽位（Slot）
槽位是桶内的最小存储单元，每个槽位存储一个键值对（key-value）。
桶内的槽位按顺序排列，通过线性探测方式管理。
3）与Key-Value的关系
键值对（key-value） 是逻辑上的数据，而桶和槽位是物理存储结构。
例如：一个map的底层可能包含多个桶，每个桶有8个槽位，每个槽位存放一个key-value对。
// 逻辑上的map
map[string]int{"apple": 1, "banana": 2}// 底层存储可能的结构（简化）：
Bucket0: [slot1: ("apple", 1), slot2: ("banana", 2), ...]
Bucket1: [slot1: empty, slot2: empty, ...]关于链地址法的解释：
1) 一个桶（Bucket）本身就是一个小型数组，可以容纳 8 个键值对（即 8 个槽位）。
2) 当键值对要存入 map 时，首先根据 key 的哈希值低几位确定它属于哪个桶。
3)桶内冲突解决：如果要插入的桶还有空槽位，就直接放入。
4)桶溢出解决：如果要插入的桶已经满了（8 个槽位都占了），就链上一个新的 溢出桶（Overflow Bucket），继续往这个新的溢出桶里存放。
Go map 通过 “桶内数组 + 溢出桶链表” 的混合模式解决哈希冲突。它先尝试在桶内部的连续空间解决问题，这对于性能至关重要；只有在必要时才使用链表，这是一种在内存效率和查找性能之间取得的优秀平衡。
2、map的数据结构详解
map底层实现是一个哈希表
1）hmap结构（Map的头部）
type hmap struct {count int // 当前存储的键值对数量flags uint8 // 状态标志（如是否正在写入）B uint8 // 桶数量的对数（桶数量 = 2^B）noverflow uint16 // 溢出桶的大概数量hash0 uint32 // 哈希种子（用于防御Hash-DoS攻击）buckets unsafe.Pointer // 指向桶数组的指针oldbuckets unsafe.Pointer // 扩容时指向旧桶数组nevacuate uintptr // 搬迁进度计数器extra *mapextra // 可选字段，用于优化小对象存储
}2）bmap结构（桶结构）
每个桶可以存储最多8个键值对：
type bmap struct {tophash [8]uint8 // 8个哈希值高8位（用于快速比较）// 后面跟着8个key和8个value（内存中连续存储）// 最后是一个指向溢出桶的指针
}实际的内存布局：
3）完整的map结构示意图：
tophash的作用
存储每个键哈希值的高8位
用于快速比较，避免直接比较可能很大的key
特殊值：
0=空槽位（emptyRest）：该槽位为空，且后面所有槽位都为空
1=已删除槽位（emptyOne）：仅该槽位为空，后面可能有非空槽位
溢出桶机制
当单个桶存储超过8个元素时，会创建溢出桶：
主桶 → 溢出桶1 → 溢出桶2 → ...
每个溢出桶也是bmap结构，可以继续存储8个元素。
3、sync.Map如何使用
sync.Map 提供了一套线程安全的方法来操作键值对，以下是其主要方法：
基础用法：
// 存储键值对
func (m *Map) Store(key, value interface{})// 根据键读取值，返回值和是否存在标志
func (m *Map) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool)// 删除指定键
func (m *Map) Delete(key interface{})// 遍历所有键值对
func (m *Map) Range(f func(key, value interface{}) bool)高级用法：
// 如果键存在则返回对应的值，否则存储给定的值
func (m *Map) LoadOrStore(key, value interface{}) (actual interface{}, loaded bool)// 删除键并返回之前的值（如果存在）
func (m *Map) LoadAndDelete(key interface{}) (value interface{}, loaded bool)
package mainimport ("fmt""sync""time"
)// Session 表示用户会话
type Session struct {UserID stringLoginTime time.TimeExpiresAt time.Time
}// 创建全局的会话存储（线程安全）
var sessionStore sync.Mapfunc main() {// 1. 存储会话（写操作）storeSessions()// 2. 并发读取会话（读操作）concurrentReadSessions()// 3. 更新会话updateSession()// 4. 删除会话deleteSession()// 5. 使用 LoadOrStoreloadOrStoreExample()// 6. 遍历所有会话rangeSessions()
}// 存储会话示例
func storeSessions() {fmt.Println("=== 存储会话 ===")// 存储几个用户会话session1 := &Session{UserID: "user123",LoginTime: time.Now(),ExpiresAt: time.Now().Add(2 * time.Hour),}session2 := &Session{UserID: "user456",LoginTime: time.Now(),ExpiresAt: time.Now().Add(1 * time.Hour),}// 使用 Store 方法存储sessionStore.Store("session_token_abc", session1)sessionStore.Store("session_token_xyz", session2)fmt.Println("会话存储完成")
}// 并发读取会话示例
func concurrentReadSessions() {fmt.Println("\n=== 并发读取会话 ===")var wg sync.WaitGroup// 启动多个 goroutine 并发读取for i := 0; i < 3; i++ {wg.Add(1)go func(workerID int) {defer wg.Done()// 尝试读取不同的会话tokens := []string{"session_token_abc", "session_token_xyz", "session_token_unknown"}for _, token := range tokens {if value, ok := sessionStore.Load(token); ok {session := value.(*Session) // 类型断言fmt.Printf("Worker %d: 找到会话 %s -> 用户 %s\n", workerID, token, session.UserID)} else {fmt.Printf("Worker %d: 会话 %s 不存在\n", workerID, token)}}}(i)}wg.Wait()
}// 更新会话示例
func updateSession() {fmt.Println("\n=== 更新会话 ===")// 更新 user123 的会话过期时间if value, ok := sessionStore.Load("session_token_abc"); ok {session := value.(*Session)session.ExpiresAt = time.Now().Add(3 * time.Hour) // 延长过期时间sessionStore.Store("session_token_abc", session) // 重新存储fmt.Printf("已更新会话过期时间: %v\n", session.ExpiresAt)}
}// 删除会话示例
func deleteSession() {fmt.Println("\n=== 删除会话 ===")// 方法1: 使用 DeletesessionStore.Delete("session_token_xyz")fmt.Println("已删除 session_token_xyz")// 方法2: 使用 LoadAndDelete（同时获取被删除的值）if value, loaded := sessionStore.LoadAndDelete("session_token_abc"); loaded {session := value.(*Session)fmt.Printf("删除并获取会话: 用户 %s\n", session.UserID)}
}// LoadOrStore 示例
func loadOrStoreExample() {fmt.Println("\n=== LoadOrStore 示例 ===")// 如果键存在则返回现有值，否则存储新值newSession := &Session{UserID: "user789",LoginTime: time.Now(),ExpiresAt: time.Now().Add(1 * time.Hour),}// 第一次调用：键不存在，会存储新值actual, loaded := sessionStore.LoadOrStore("new_token_123", newSession)if loaded {fmt.Println("键已存在，返回现有值")} else {fmt.Println("键不存在，已存储新值")}session := actual.(*Session)fmt.Printf("实际存储的会话用户: %s\n", session.UserID)// 第二次调用：键已存在，返回现有值actual, loaded = sessionStore.LoadOrStore("new_token_123", newSession)if loaded {fmt.Println("键已存在，返回现有值")} else {fmt.Println("键不存在，已存储新值")}
}// 遍历所有会话示例
func rangeSessions() {fmt.Println("\n=== 遍历所有会话 ===")// 重新存储一些会话用于演示sessionStore.Store("token1", &Session{UserID: "user1", LoginTime: time.Now()})sessionStore.Store("token2", &Session{UserID: "user2", LoginTime: time.Now()})sessionStore.Store("token3", &Session{UserID: "user3", LoginTime: time.Now()})fmt.Println("当前所有会话:")count := 0sessionStore.Range(func(key, value interface{}) bool {session := value.(*Session)fmt.Printf(" Token: %s -> 用户: %s\n", key, session.UserID)count++// 返回 true 继续遍历，返回 false 停止遍历return count < 5 // 限制最多显示5个，防止无限循环})fmt.Printf("总共遍历了 %d 个会话\n", count)
}/*执行结果：=== 存储会话 ===
会话存储完成=== 并发读取会话 ===
Worker 0: 找到会话 session_token_abc -> 用户 user123
Worker 0: 找到会话 session_token_xyz -> 用户 user456
Worker 0: 会话 session_token_unknown 不存在
Worker 1: 找到会话 session_token_abc -> 用户 user123
Worker 1: 找到会话 session_token_xyz -> 用户 user456
Worker 1: 会话 session_token_unknown 不存在
Worker 2: 找到会话 session_token_abc -> 用户 user123
Worker 2: 找到会话 session_token_xyz -> 用户 user456
Worker 2: 会话 session_token_unknown 不存在=== 更新会话 ===
已更新会话过期时间: 2023-10-01 14:30:00 +0800 CST=== 删除会话 ===
已删除 session_token_xyz
删除并获取会话: 用户 user123=== LoadOrStore 示例 ===
键不存在，已存储新值
实际存储的会话用户: user789
键已存在，返回现有值=== 遍历所有会话 ===
当前所有会话:Token: token1 -> 用户: user1Token: token2 -> 用户: user2Token: token3 -> 用户: user3
总共遍历了 3 个会话*/