Как на самом деле устроен тип Map в Golang? | Golang под капотом

Подробное объяснение раскрывает внутреннюю работу fg, уделяя особое внимание ее уникальным стратегиям управления памятью. В статье рассказывается о преимуществах предварительного выделения памяти на карте и стратегического использования скрытых, рандомизированных кодов. В нем дополнительно разъясняются технические ограничения, которые не позволяют использовать указатели на элементы карты, что дает четкое представление об этих вариантах дизайна.

Инженеры изучают абстрактную структуру данных, которая выполняет три основные операции: вставку, удаление и поиск по ключу. Дизайн предусматривает, что каждая операция выполняется за определенное время, что повышает эффективность. Задача заключается в обеспечении баланса между простотой и производительностью при эффективном управлении данными.

Описан подход, при котором функция поиска реализуется путем определения типа записи с помощью полей ключа и значения. Функция выполняет итерацию по коллекции, сравнивая ключ каждой записи с требуемым ключом и возвращая соответствующее значение, если найдено совпадение, или значение по умолчанию, если нет. Хотя этот метод работает, его производительность линейно зависит от количества элементов, что не соответствует требованиям к постоянному времени работы.

Данные делятся на небольшие группы (сегменты) на основе выбранного атрибута, сохраняя для каждого сегмента фиксированный размер, чтобы обеспечить постоянное время поиска независимо от общего набора данных. Например, группировка имен людей с указанием возраста в группы, содержащие не более четырех записей, обеспечивает эффективный поиск за счет минимизации количества элементов для проверки. Однако, когда атрибут группировки не отличается разнообразием, например, схожие начальные символы в URL-адресах веб-сайтов, этот метод приводит к линейному времени поиска. Метод группового поиска предлагает практичное решение для поддержания фиксированной производительности поиска при обработке больших объемов данных.

Эффективное преобразование ключей для сбалансированного распределения данных Хэш-функция преобразует ключ в номер ячейки, обеспечивая равномерное распределение записей по хранилищам. В конструкции особое внимание уделяется равномерному распределению и быстрому отображению, что обеспечивает оптимальную загрузку каждой ячейки. Скорость и согласованность имеют решающее значение, позволяя системе быстро распределять каждый ввод в соответствующую ячейку при сохранении общей производительности.

Обеспечение целостности данных с помощью защиты от столкновений Детерминизм в функции подтверждает, что один и тот же ключ всегда приводит к одному и тому же набору данных, гарантируя надежность поиска данных. В функцию встроены надежные меры для предотвращения преднамеренных манипуляций, которые могут привести к концентрации данных в одном наборе. Сложность преобразования укрепляет систему, поддерживая безопасную и эффективную структуру хэш-таблицы.

Динамический поиск по карте Без обобщений Map реализован без использования обобщенных методов путем разработки функции поиска во время выполнения, которая принимает контейнер и ключ для динамического извлечения значений. Стратегия работает с неизвестными типами данных во время компиляции, оперируя необработанными указателями, которые ссылаются на произвольные ячейки памяти. Такая конструкция гарантирует, что такие операции, как поиск значений, сравнение и копирование, выполняются с помощью гибких механизмов указателей, сохраняя целостность во время выполнения. Такой подход позволяет обрабатывать данные без использования сложных универсальных конструкций.

Использование дескрипторов типов для универсальных операций с данными Основная информация о типах инкапсулирована в дескрипторы, которые хранят такие метаданные, как размер значения, равенство и хэш-функции, необходимые для управления произвольными типами. Специальная структура типов четко определяет взаимосвязи между ключами и значениями, обеспечивая согласованность операций с различными типами данных. Специальное поле в этих дескрипторах содержит хэш-функцию, необходимую для различения типов и проведения сравнений. Этот механизм поддерживает надежную обработку и копирование данных, гарантируя, что все необходимые операции выполняются без формальной поддержки.

Процесс компиляции включает в себя извлечение указателя на ключ внутри карты и преобразование его в требуемый тип для дальнейших операций. Используемая функция принимает три компонента — тип карты, элемент заголовка и ключ поиска — и возвращает указатель на соответствующее значение. Перед обработкой возвращаемого указателя необходимо выполнить тщательное приведение типов и манипуляции с указателями, чтобы обеспечить правильное извлечение значения и безопасное использование.

Преобразования карты в конечном итоге приводят к целевому значению путем выполнения функции преобразования, которая поддерживает два варианта ключа. Один вариант возвращает единственное значение, сохраненное на карте, в то время как другой предлагает как значение, так и флаг, указывающий на наличие этого значения. Эта схема распространяется на назначение и удаление, где используются три базовые функции, а хранение и удаление обрабатываются различными функциональными группами.

Дизайн карты включает заголовок с основными метаданными и раздел "Сегмент", в котором количество сегментов кодируется логарифмически. В заголовке хранится общая информация и количество элементов, что обеспечивает компактное представление. Логарифмическое хранение сегментов минимизирует использование памяти и ускоряет операции на уровне битов. Параметр безопасности обеспечивает сбалансированное распределение ключей, а указатель ссылается на простой список записей пакета для эффективного управления данными.

Сопоставление значений хэша с блоками с помощью битов младшего порядка Хэш-функция преобразует ключ в большое целое число, которое должно быть сопоставлено с одним из фиксированного числа сегментов. Сопоставление достигается путем вычисления оставшейся части хэш-номера при делении на количество сегментов с использованием побитовых операций. Биты младшего порядка из двоичного представления числа определяют правильный сегмент. Этот подход упрощает выбор сегмента за счет прямого сопоставления указанных битов с назначенным сегментом.

Вычисление остатков с помощью побитовых операций и логарифмов При вычислениях используется тот факт, что количество сегментов равно степени двойки, что позволяет использовать операцию вычисления по побитовому модулю. Логарифм по второму основанию количества сегментов, хранящийся в системном заголовке, определяет, сколько младших разрядов требуется для вычисления остатка. Например, двух младших разрядов достаточно для четырех блоков, в то время как три необходимы для восьми. Такая схема эффективно сопоставляет значения хэша с блоками с помощью простой арифметики и манипуляций на уровне битов.

Структура ячейки разделена на две части, причем первые 8 ячеек предназначены для старших разрядов, которые позволяют быстро проверить наличие ключа. Такая конструкция позволяет быстро выполнить сканирование, чтобы решить, требуется ли полное сравнение, минуя сложные операции, когда совпадение не найдено. Ключи расположены последовательно в начале простого списка, при этом значения располагаются в последующих ячейках, если присутствует менее 8 записей. Порядок отражает осознанный выбор, связанный с выравниванием типов, - концепция, которая будет более подробно рассмотрена позже.

Код заголовка для map (hmap) оптимизирован для экономии памяти и использует традиционную структуру, которая содержит значения как для элементов, так и для сегментов. В нем используются встроенные комментарии для объяснения алгоритма, основанного на логарифмической функции с основанием 2, а не на традиционных именах параметров. Такой подход эффективно сочетает производительность с эффективным использованием памяти. Также упоминается специальный компонент, называемый "khasid", который добавляет уникальный аспект к его реализации.

Первоначальная проверка карты и подготовка хэша Функция начинает с подтверждения того, что карта не пуста и содержит элементы, и немедленно завершает работу, если какое-либо из условий не выполняется. Она извлекает кэш на основе предоставленного ключа и устанавливает этап поиска. Затем побитовая операция подготавливает единичное значение, которое помогает вычислить индекс сегмента.

Побитовая маскировка для точной индексации сегмента Специализированная программа использует сдвиг битов для извлечения основных младших битов хэша. Эта операция включает в себя сдвиг двоичной единицы и вычитание единицы для получения точной маски. Результирующая маска эффективно выделяет необходимый фрагмент хэша для дальнейшего вычисления.

Арифметика указателей для точной навигации по сегменту Процедура вычисляет указатель на начало массива сегментов и использует вычисленные индексы для перехода непосредственно к соответствующему сегменту. Арифметика указателей в сочетании с побитовым маскированием гарантирует, что выбран точный адрес в памяти. Этот подход позволяет легко выровнять указатель с сегментом, который может содержать нужный ключ.

Итеративная проверка ключа и извлечение значения После размещения в корзине алгоритм извлекает верхние хеш-биты и перебирает записи в корзине для проверки соответствия. Быстрое сравнение на уровне битов подтверждает, соответствует ли текущая запись искомому ключу. При обнаружении совпадения возвращается соответствующее значение; если такового не существует, то указывается нулевое значение.

Каждая ячейка жестко ограничена восемью значениями, что обеспечивает постоянную скорость выполнения. Когда необходимо добавить девятое значение, создается новая ячейка, которая связывается с исходной, сохраняя фиксированную емкость. Этот механизм переполнения сохраняет эффективность в обычных условиях, хотя чрезмерное переполнение приводит к линейному переходу по времени.

Рост карты, вызванный заполнением корзин Расширение карты инициируется, когда при вставке обнаруживается, что текущие ячейки полностью заполнены, что приводит к выделению памяти для нового хранилища. Выделение происходит из-за того, что элементы превышают текущую емкость, что приводит к инициализации реорганизации. Этот процесс замедляет работу из-за неравномерного распределения по ячейкам.

Коэффициент заполнения Определяет эффективность использования Памяти Балансировка коэффициента заполнения имеет решающее значение, поскольку высокий коэффициент приводит к многочисленным переполненным ячейкам и частому выделению памяти, в то время как низкий коэффициент приводит к потере памяти. Простая программа вычисляет, что перераспределение происходит, когда каждая ячейка содержит в среднем шесть половинных значений. Подробные комментарии и исходный код в файле среды выполнения документируют выбор этих параметров.

При достижении порогового значения загрузки запускается процесс удаления данных, в результате чего создается новый список блоков, размер которого в два раза превышает исходный. Данные из старых блоков копируются в новые поэтапно, чтобы избежать резкого снижения производительности. Операция переноса интегрирована с задачами сохранения и удаления, обеспечивая равномерное распределение данных, хотя во время эвакуации эти операции выполняются медленнее.

Предварительное выделение памяти на основе ожидаемого количества элементов предотвращает удаление данных и ускоряет выполнение программы. Например, если ожидается, что карта будет содержать 1000 записей, компилятору будет дано указание выделить именно ту емкость, которая требуется. Этот подход, аналогичный инициализации массива с заданным размером, оптимизирует использование памяти и повышает производительность вставки.

Язык запрещает получение указателей на элементы карты, чтобы предотвратить проблемы, возникающие при перемещении данных. Компилятор запрещает прямую ссылку на значение карты через указатель, чтобы избежать недействительных ссылок при перемещении базовых данных. Это ограничение защищает от потенциальных ошибок во время выполнения, которые могут возникнуть при непреднамеренном использовании устаревших указателей.

Хорошо известная функция отображения возвращает указатель на ячейку памяти, содержащую определенное значение на карте, независимо от ее местоположения в сегменте. Указатель немедленно разыменовывается для извлечения значения, а затем удаляется. Эта упорядоченная последовательность надежно выполняется перед любым удалением данных из памяти, обеспечивая безопасный и эффективный доступ к данным.

Порядок прохождения карты по своей сути непредсказуем, поскольку он зависит от сложных внутренних механизмов, а не от истинной случайности. Быстрый генератор случайных чисел определяет начальную точку для итерации по карте, и это сочетается с такими факторами, как используемая хэш-функция, размер карты и динамические изменения, такие как события изменения размера. Эта спроектированная непредсказуемость гарантирует, что на каждой итерации будет создаваться другой порядок ключей. Дизайн намеренно избегает фиксированной последовательности, чтобы сохранить эффективность и не дать разработчикам полагаться на какой-либо конкретный порядок.

Наблюдаемый фиксированный результат fmt.Функция Println() является результатом внутренней операции сортировки, а не случайной итерации карты. В демонстрации показано, что после присвоения значений карте функция сортирует ключи и связанные с ними значения в порядке возрастания перед печатью. Повторное выполнение подтверждает, что, несмотря на различия в вводимых данных, порядок печати остается неизменным благодаря этому встроенному механизму сортировки.

Основные функции, включая функции принтера, были созданы в качестве основы для полного решения. В ходе обсуждения выяснилось, что память для предварительной сортировки ускоряет выполнение кода, и была объяснена внутренняя случайность в порядке итераций отображения. Наблюдения подтвердили это поведение, детализировав точный момент создания карты и роль классов данных в последующей обработке.

В заключении разъясняется, что указывать на элемент карты запрещено. Возможности поддержать развитие канала предоставляются через ссылки на Patreon и Boosty, а также дополнительные бонусы. Также выделен отдельный канал с игровым контентом и онлайн-чатом для обсуждения предстоящих видеороликов и других интересных тем. Выражаем благодарность зрителям и приглашаем к сотрудничеству в будущем.