SparseArray源码解析
Android官方推荐:当使用HashMap(K, V),如果K为整数类型时,使用SparseArray的效率更高.
我们通过分析SparseArray的源码,来看一下为什么当K为整数类型时,使用SparseArray的效率更高.
之前写过一篇Android SparseArray源码分析, 今天review时候,感觉只是大量的罗列了代码却没有具体分析,而且不是基于MarkDown语法,改起来很不方便,所以重写了这篇更加详细的分析.
构造函数
中文注释的源码如下:
/**
* 存储索引集合.
*/
private int[] mKeys;
/**
* 存储对象集合.
*/
private Object[] mValues;
/**
* 存储的键值对总数.
*/
private int mSize;
/**
* 采用默认的构造函数,则初始容量为10.
*/
public SparseArray() {
this(10);
}
/**
* 使用指定的初始容量构造SparseArray.
*
* @param initialCapacity 初始容量
*/
public SparseArray(int initialCapacity) {
if (initialCapacity == 0) {
// Effective Java中第43条:返回零长度的数组或者集合,而不是:null
mKeys = ContainerHelpers.EMPTY_INTS;
mValues = ContainerHelpers.EMPTY_OBJECTS;
} else {
// 构造initialCapacity大小的int数组和object数组
mKeys = new int[initialCapacity];
mValues = new Object[initialCapacity];
}
// 设置SparseArray存储的<key,value>键值对个数为0.
mSize = 0;
}
和HashMap的数据结构不同,HashMap是使用数组+链表的数据结构存储键值对,而SparseArray只是用了两个数组进行存储.
ContainerHelpers类
之所以SparseArray在存储key为整形的键值对的效率高于HashMap,很大一部分原因是整形key的查找过程中ContainerHelpers类提供了二分查找算法,从而降低了时间复杂度.
接下来,我们分析一下ContainerHelpers类的二分查找算法实现:
class ContainerHelpers {
// This is Arrays.binarySearch(), but doesn't do any argument validation.
static int binarySearch(int[] array, int size, int value) {
// 获取二分的起始和结束下标.
int lo = 0;
int hi = size - 1;
while (lo <= hi) {
// 获取中点的下标和值
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
}
}
return ~lo; // value not present
}
}
这个二分算法的精髓在于:当二分查找没有找到相应元素时,返回的是lo值取反.
因为正数取反为负数,binarySearch返回正数代表查找成功,返回负数代表查找失败.
同时,binarySearch查找失败后,lo代表了当前元素按照升序排序应该插入的下标,后续取反后可以直接获取插入位置.
put()函数
put函数的中文注释源码如下:
/**
* 在SparseArray中存储键值对.
*/
public void put(int key, E value) {
// 通过二分查找算法计算索引
int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
if (i >= 0) {
// key已经存在对应的value,则直接替换value.
mValues[i] = value;
} else {
i = ~i;
if (i < mSize && mValues[i] == DELETED) {
// 特殊的case,直接存储key-value即可
mKeys[i] = key;
mValues[i] = value;
return;
}
if (mGarbage && mSize >= mKeys.length) {
// 如果有元素被删除,并且目前容量不足,先进行一次gc
gc();
// Search again because indices may have changed.
i = ~ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
}
// 扩容
if (mSize >= mKeys.length) {
// 获取扩容的数组大小
int n = mSize + 1;
int[] nkeys = new int[n];
Object[] nvalues = new Object[n];
// 数组拷贝最好使用System.arraycopy,而不是自己重撸一遍
System.arraycopy(mKeys, 0, nkeys, 0, mKeys.length);
System.arraycopy(mValues, 0, nvalues, 0, mValues.length);
mKeys = nkeys;
mValues = nvalues;
}
// i为插入位置,如果i<mSize,则i之后的元素需要依次向后移动一位.
if (mSize - i != 0) {
System.arraycopy(mKeys, i, mKeys, i + 1, mSize - i);
System.arraycopy(mValues, i, mValues, i + 1, mSize - i);
}
// 设置值,存储数量+1
mKeys[i] = key;
mValues[i] = value;
mSize++;
}
}
通过源码,我们来总结一下put函数的步骤:
- 通过二分查找算法,计算key的索引值.
- 如果索引值大于0,说明有key对应的value存在,直接替换value即可.
- 如果索引值小于0,对索引值取反,获取key应该插入的坐标i.
- 判断是否需要扩容:1.需要扩容,则先扩容; 2.不需要扩容,则利用System.arraycopy移动相应的元素,进行(key,value)键值对插入.
get()函数
get函数就是利用二分查找获取key的下标,然后从object[] value数组中根据下标获取值.
之所以SparseArray号称比HashMap有更好的性能:
- SparseArray更加节约内存,一个int[]数组存储所有的key,一个object[] 数组存储所有的value.
- HashMap遇到冲突时,时间复杂度为O(n).而SparseArray不会有冲突,采用二分搜索算法,时间复杂度为O(lgn).
中文注释源码:
/**
* 根据指定的key获取value.
*/
public E get(int key) {
return get(key, null);
}
/**
* 利用二分查找算法根据key获取指定的value.
*/
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];
}
}
delete()函数
SparseArray中,remove函数最终也是调用delete函数进行(K,V)删除的.
而delete操作只是根据二分算法查找出key对应的下标,然后将object[] value中的对应下标值设置为DELETED.
源码如下:
/**
* 根据key删除指定的value.
*/
public void delete(int key) {
int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
if (i >= 0) {
if (mValues[i] != DELETED) {
// 标记i的值为private static final Object DELETED = new Object();
mValues[i] = DELETED;
// 设置gc标记为true.
mGarbage = true;
}
}
}
/**
* Alias for {@link #delete(int)}.
*/
public void remove(int key) {
delete(key);
}
gc()函数
delete()函数中将被删除的key对应的value设置为DELETED,并设置gc标志mGarbage为ture,那SparseArray是神马时候执行gc的呢?
如果仔细看了上面的文章,应该还是会有印象.SparseArray是在put函数的时候执行了gc:
if (mGarbage && mSize >= mKeys.length) {
// 如果有元素被删除,并且目前容量不足,先进行一次gc
gc();
// Search again because indices may have changed.
i = ~ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
}
gc的实现如下:
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;
}
gc函数的原理:遍历一遍数组,将非DELETED资源全部移动到数组前面.
小结
SparseArray vs HashMap:
- 首先,这是两种完全不同的数据结构.SparseArray是两个数组:int[]和Object[], HashMap是数组+链表.
- 查找效率上: 首先,SparseArray不需要对key进行hash运算,并且通过二分查找保证查询效率为O(lgn).而HashMap在未冲突的情况下是O(1),冲突的情况下是O(n).