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SparseArray与ArrayMap

大师的学徒 2022-04-16 阅读 92
Android数据结构

SparseArray

SparseArray核心代码

两个构造函数默认数组容量10
public SparseArray() {
   this(10);
}
public SparseArray(int initialCapacity) {
    if (initialCapacity == 0) {
        mKeys = EmptyArray.INT;
        mValues = EmptyArray.OBJECT;
    } else {
        mValues = ArrayUtils.newUnpaddedObjectArray(initialCapacity);
        mKeys = new int[mValues.length];
    }
    mSize = 0;
}

//通过 key 来返回对应的 value，前面在分析 put() 的时候已经分析过了二分查找。那么这里如果找到了，就会通过下标直接从 mValues[] 中返回。
public E get(int key, E valueIfKeyNotFound) {
    int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
    if (i < 0 || mValues[i] == DELETED) {
        return valueIfKeyNotFound;
    } else {
        return (E) mValues[i];
    }
}

//This is Arrays.binarySearch(), but doesn't do any argument validation.
public static int binarySearch(int[] array, int size, int value) {
    int lo = 0;
    int hi = size - 1;
    while (lo <= hi) {
        // 高位+低位之各除以 2，写成右移，即通过位运算替代除法以提高运算效率
        final int mid = (lo + hi) >>> 1;
        final int midVal = array[mid];
        if (midVal < value) {
            lo = mid + 1;
        } else if (midVal > value) {
            hi = mid - 1;
        } else {
            return mid;  // value found
        }
    }
    //若没找到，则lo是value应该插入的位置，是一个正数。对这个正数去反，返回负数回去
    return ~lo;  // value not present
}

public void put(int key, E value) {
    // 1.先进行二分查找
    int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
    // 2. 如果找到了，则 i 必大于等于 0
    if (i >= 0) {
        mValues[i] = value;
    } else {
    // 3. 没找到，则找一个正确的位置再插入
        i = ~i;
        if (i < mSize && mValues[i] == DELETED) {
            mKeys[i] = key;
            mValues[i] = value;
            return;
        }
        //可能value元素已经被删除了
        if (mGarbage && mSize >= mKeys.length) {
            gc();//执行一次压缩，此gc非jvm的gc
            // 重新搜索一遍
            i = ~ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
        }
        mKeys = GrowingArrayUtils.insert(mKeys, mSize, i, key);
        mValues = GrowingArrayUtils.insert(mValues, mSize, i, value);
        mSize++;
    }
}

public static int[] insert(int[] array, int currentSize, int index, int element) {
    //确认 当前集合长度 小于等于 array数组长度
    assert currentSize <= array.length;
    //不需要扩容
    if (currentSize + 1 <= array.length) {
        //将array数组内从 index 移到 index + 1，共移了 currentSize - index 个，即从index开始后移一位，那么就留出 index 的位置来插入新的值。
        System.arraycopy(array, index, array, index + 1, currentSize - index);
        //在index处插入新的值
        array[index] = element;
        return array;
    }
    //需要扩容，构建新的数组，新的数组大小由growSize() 计算得到
    int[] newArray = new int[growSize(currentSize)];
    //这里再分 3 阶段赋值。
    //1.将原数组中 index 之前的数据复制到新数组中
    System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, index);
    //2.在index处插入新的值
    newArray[index] = element;
    //3.将原数组中 index 及其之后的数据赋值到新数组中
    System.arraycopy(array, index, newArray, index + 1, array.length - index);
    return newArray;
}

public static int growSize(int currentSize) {
    //如果当前size 小于等于4，则返回8， 否则返回当前size的两倍
    return currentSize <= 4 ? 8 : currentSize * 2;
}

public void removeAt(int index) {
    if (index >= mSize && UtilConfig.sThrowExceptionForUpperArrayOutOfBounds) {
        throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
    }
    if (mValues[index] != DELETED) {
        mValues[index] = DELETED;
        mGarbage = true;
    }
}

删除了某个元素之后，被删除元素所占用的那个位置上的数据就标记成了垃圾数据，然后就会通过`gc`来去除这个位置上的元素，而本质上，对于数组而言，就是挪动位置覆盖掉这个位置咯，gc() 完之后，下标 i 可能会发生变化，因此需要重新查找一次，以得到一个新的下标 i。
private void gc() {
    int n = mSize;
    int o = 0;
    int[] keys = mKeys;
    Object[] values = mValues;

    for (int i = 0; i < n; i++) {
        Object val = values[i];
        if (val != DELETED) {
            if (i != o) {
                keys[o] = keys[i];
                values[o] = val;
                values[i] = null;
            }
            o++;
        }
    }
    mGarbage = false;
    mSize = o;
}

SparseArray总结：

  1. 其内部主要通过 2 个数组来存储 key 和 value，分别是 int[] 和 Object[]。这也限定了其 key 只能为 int 类型，且 key 不能重复，否则会发生覆盖。
  2. 一切操作都是基于二分查找算法，将 key 以升序的方法 “紧凑” 的排列在一起，从而提高内存的利用率以及访问的效率。相比较 HashMap 而言，这是典型的时间换空间的策略。
  3. 删除操作并不是真的删除，而只是标记为 DELETE，以便下次能够直接复用。

ArrayMap核心代码

构造函数
public ArrayMap() {
    this(0, false);
}
public ArrayMap(int capacity) {
    this(capacity, false);
}
/**
默认容量大小就是 0，需要等待到插入元素时才会进行扩容的动作。
构造方法中的另一个参数 identityHashCode 控制  hashCode 是由 System 类产生还是由 Object.hashCode() 返回。
这两者之间的实现其实没太大区别，因为 System 类最终也是通过  Object.hashCode() 来实现的。
其主要就是对 null 进行了特殊处理，比如一律为 0。而在 ArrayMap 的 put() 方法中，如果 key 为 null 也将其 hashCode 视为 0 了。所
以这里 identityHashCode 为 true 或者 false 都是一样的。
*/
public ArrayMap(int capacity, boolean identityHashCode) {
    mIdentityHashCode = identityHashCode;
    if (capacity < 0) {
        mHashes = EMPTY_IMMUTABLE_INTS;
        mArray = EmptyArray.OBJECT;
    } else if (capacity == 0) {
        mHashes = EmptyArray.INT;
        mArray = EmptyArray.OBJECT;
    } else {
        allocArrays(capacity);
    }
    mSize = 0;
}

插入元素
public V put(K key, V value) {
    final int osize = mSize;
    // 1.计算 hash code 并获取 index
    final int hash;
    int index;
    if (key == null) {
        // 为空直接取 0
        hash = 0;
        index = indexOfNull();
    } else {
        // 否则取 Object.hashCode()
        hash = mIdentityHashCode ? System.identityHashCode(key) : key.hashCode();
        index = indexOf(key, hash);
    }
    // 2.如果 index 大于等于 0 ，说明之前存在相同的 hash code 且 key 也相同，则直接覆盖
    if (index >= 0) {
        index = (index<<1) + 1;
        final V old = (V)mArray[index];
        mArray[index] = value;
        return old;
    }
    // 3.如果没有找到则上面的 indexOf() 或者  indexOfNull() 就会返回一个负数，而这个负数就是由将要插入的位置 index 取反得到的，所以这里再次取反就变成了将进行插入的位置
    index = ~index;
    // 4.判断是否需要扩容
    if (osize >= mHashes.length) {
        final int n = osize >= (BASE_SIZE*2) ? (osize+(osize>>1))
                : (osize >= BASE_SIZE ? (BASE_SIZE*2) : BASE_SIZE);

        final int[] ohashes = mHashes;
        final Object[] oarray = mArray;
        // 5.申请新的空间
        allocArrays(n);

        if (CONCURRENT_MODIFICATION_EXCEPTIONS && osize != mSize) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }

        if (mHashes.length > 0) {
            if (DEBUG) Log.d(TAG, "put: copy 0-" + osize + " to 0");
            // 将数据复制到新的数组中
            System.arraycopy(ohashes, 0, mHashes, 0, ohashes.length);
            System.arraycopy(oarray, 0, mArray, 0, oarray.length);
        }
        // 6.释放旧的数组
        freeArrays(ohashes, oarray, osize);
    }

    if (index < osize) {
        // 7.如果 index 在当前 size 之内，则需要将 index 开始的数据移到 index + 1 处，以腾出 index 的位置
        System.arraycopy(mHashes, index, mHashes, index + 1, osize - index);
        System.arraycopy(mArray, index << 1, mArray, (index + 1) << 1, (mSize - index) << 1);
    }

    if (CONCURRENT_MODIFICATION_EXCEPTIONS) {
        if (osize != mSize || index >= mHashes.length) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
        // 8.然后根据计算得到的 index 分别插入 hash，key，key和value存在同一个数组上
        mHashes[index] = hash;
        mArray[index<<1] = key;
        mArray[(index<<1)+1] = value;
        mSize++;
        return null;
    }
}

int indexOf(Object key, int hash) {
    final int N = mSize;
    // 如果当前为空表，则直接返回 ~0，注意不是 0 ，而是最大的负数。
    if (N == 0) {
        return ~0;
    }
    //在 mHashs 数组中进行二分查找，找到 hash 的 index。
    int index = binarySearchHashes(mHashes, N, hash);
    //如果 index < 0，说明没有找到。
    if (index < 0) {
        return index;
    }
    //如果 index >= 0，且在 mArray 中对应的 index<<1 处的 key 与要找的 key 又相同，则认为是同一个 key，说明找到了。
    if (key.equals(mArray[index<<1])) {
        return index;
    }
    // 如果 key 不相同，说明只是 hash code 相同，那么分别向后和向前进行搜索，如果找到了就返回。如果没找到，那么对 end 取反就是当前需要插入的 index 位置
    int end;
    for (end = index + 1; end < N && mHashes[end] == hash; end++) {
        if (key.equals(mArray[end << 1])) return end;
    }
    for (int i = index - 1; i >= 0 && mHashes[i] == hash; i--) {
        if (key.equals(mArray[i << 1])) return i;
    }
    return ~end;
}

public V removeAt(int index) {
    final Object old = mArray[(index << 1) + 1];
    final int osize = mSize;
    final int nsize;
    // 如果 size 小于等于1 ，移除后数组长度将为 0。为了压缩内存，这里直接将mHashs 以及 mArray 置为了空数组
    if (osize <= 1) {
        // Now empty.
        if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: shrink from " + mHashes.length + " to 0");
        final int[] ohashes = mHashes;
        final Object[] oarray = mArray;
        mHashes = EmptyArray.INT;
        mArray = EmptyArray.OBJECT;
        freeArrays(ohashes, oarray, osize);
        nsize = 0;
    } else {
        // size > 1 的情况，则先将 size - 1
        nsize = osize - 1;
        if (mHashes.length > (BASE_SIZE*2) && mSize < mHashes.length/3) {
            // 如果上面的条件符合，那么就要进行数据的压缩。 
            // Shrunk enough to reduce size of arrays.  We don't allow it to
            // shrink smaller than (BASE_SIZE*2) to avoid flapping between
            // that and BASE_SIZE.
            final int n = osize > (BASE_SIZE*2) ? (osize + (osize>>1)) : (BASE_SIZE*2);

            if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: shrink from " + mHashes.length + " to " + n);

            final int[] ohashes = mHashes;
            final Object[] oarray = mArray;
            allocArrays(n);

            if (CONCURRENT_MODIFICATION_EXCEPTIONS && osize != mSize) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }

            if (index > 0) {
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: copy from 0-" + index + " to 0");
                System.arraycopy(ohashes, 0, mHashes, 0, index);
                System.arraycopy(oarray, 0, mArray, 0, index << 1);
            }
            if (index < nsize) {
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: copy from " + (index+1) + "-" + nsize
                        + " to " + index);
                System.arraycopy(ohashes, index + 1, mHashes, index, nsize - index);
                System.arraycopy(oarray, (index + 1) << 1, mArray, index << 1,
                        (nsize - index) << 1);
            }
        } else {
            if (index < nsize) {
                // 如果 index 在 size 内，则将数据往前移一位
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: move " + (index+1) + "-" + nsize
                        + " to " + index);
                System.arraycopy(mHashes, index + 1, mHashes, index, nsize - index);
                System.arraycopy(mArray, (index + 1) << 1, mArray, index << 1,
                        (nsize - index) << 1);
            }
            // 然后将最后一位数据置 null
            mArray[nsize << 1] = null;
            mArray[(nsize << 1) + 1] = null;
        }
    }
    if (CONCURRENT_MODIFICATION_EXCEPTIONS && osize != mSize) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
    mSize = nsize;
    return (V)old;
}

ArrayMap.put()总结

  • (1) mHashs 数组以升序的方式保存了所有的 hash code。
  • (2) 通过 hash code 在 mHashs 数组里的 index 值来确定 key 以及 value 在 mArrays 数组中的存储位置。一般来说分别就是 index << 1 以及 index << 1 + 1。再简单点说就是 index * 2 以及 index * 2 + 1。
  • (3) hashCode 必然可能存在冲突，这里是怎么解决的呢？这个是由上面的第 3 步和第 7 步所决定。第 3 步是得出应该插入的 index 的位置，而第 7 步则是如果 index < osize ，则说明原来 mArrays 中必然已经存在相同 hashCode 的值了，那么就把数据全部往后移一位，从而在 mHashs 中插入多个相同的 hash code 并且一定是连接在一起的，而在 mArrays 中插入新的 key 和 value，最终得以解决 hash 冲突。
    ArrayMap.indexOf()总结
  • (1) 如果当前为空表，则直接返回 ~0，注意不是 0 ，而是最大的负数。
  • (2) 在 mHashs 数组中进行二分查找，找到 hash 的 index。
  • (3) 如果 index < 0，说明没有找到。
  • (4) 如果 index >= 0，且在 mArray 中对应的 index<<1 处的 key 与要找的 key 又相同，则认为是同一个 key，说明找到了。
  • (5) 如果 key 不相同，说明只是 hash code 相同，那么分别向后和向前进行搜索，如果找到了就返回。如果没找到，那么对 end 取反就是当前需要插入的 index 位置。
    image.png
    image.png
    ArrayMap.removeAt()总结
    一般情况下删除一个数据，只需要将 index 后面的数据都往 index 方向移一位，然后删除末位数即可。而如果当前的数组中的条件达到 mHashs 的长度大于 BASE_SIZE2 且实际大小又小于其长度的 1/3，那么就要进行数据的压缩。而压缩后的空间至少也是 BASE_SIZE2 的大小。

对比总结

SparseArray相对于HashMap

  • 使用int数组作为map的key容器，Object数组作为value容器，使用索引对应的形式组成key-value这使得SparseArray可以不按照像数组索引那样的顺序来添加元素。可看成增强型的数组或者ArrayList。
  • 使用二分查找法查找key在数组中的位置,然后根据这个数组位置得到对应value数组中的value值。
  • 相对于HashMap，合理使用SparseArray可以节省大量创建Entry节点时产生的内存，不需要拆箱装箱操作，提高性能，但是因为基于数组，插入和删除操作需要挪动数组，已经使用了时间复杂度为O(logN)的二分查找算法，相对HashMap来说，非常消耗性能，当数据有几百条时，性能会比HashMap低近50%，因此SparseArray适用于数据量很小的场景。

ArrayMap和HashMap的区别？

  • ArrayMap的存在是为了解决HashMap占用内存大的问题，它内部使用了一个int数组用来存储元素的hashcode，使用了一个Object数组用来存储元素，两者根据索引对应形成key-value结构，这样就不用像HashMap那样需要额外的创建Entry对象来存储，减少了内存占用。但是在数据量比较大时，ArrayMap的性能就会远低于HashMap，因为 ArrayMap基于二分查找算法来查找元素的，并且数组的插入操作如果不是末尾的话需要挪动数组元素，效率较低。
  • 而HashMap内部基于数组+单向链表+红黑树实现，也是key-value结构， 正如刚才提到的，HashMap每put一个元素都需要创建一个Entry来存放元素，导致它的内存占用会比较大，但是在大数据量的时候，因为HashMap中当出现冲突时，冲突的数据量大于8，就会从单向链表转换成红黑树，而红黑树的插入、删除、查找的时间复杂度为O(logn),相对于ArrayMap的数组而言在插入和删除操作上要快不少，所以数据量上百的情况下，使用HashMap会有更高的效率。
    如何解决冲突问题？
  • 在ArrayMap中，假设存在冲突的话，并不会像HashMap那样使用单向链表或红黑树来保留这些冲突的元素，而是全部key、value都存储到一个数组当中，然后查找的话通过二分查找进行，这也就是当数据量大时不宜用ArrayMap的原因了。
    性能对比统计参考：https://bbs.huaweicloud.com/blogs/detail/249692

参考：https://juejin.cn/post/6844903762470060045

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