ArrayMapySparseArray源码学习

Posted 2022-12-05 流云易采

ArrayMap和SparseArray是android中提供用来替代HashMap实现内存优化的集合类，来具体看下其源码实现：
一、ArrayMap简单分析
1）存储原理：
HashMap是使用一个table数组来存储；发生冲突时采用链地址法以链表或者红黑树的形式进行存储；
而ArrayMap使用的是两个数组，mHash数组用来存储hash值（顺序存储）；mArray在对应位置存储（比如mHash存储位置为index），偶数位（index<<1）存储key;奇数位(index<<+1)存储value;
发生冲突时，mHash把相同的hash组放在一起存储（因为mHash是按照hash值大小顺序来存储的）；

public final class ArrayMap<K, V> implements Map<K, V> 
    int[] mHashes;
    Object[] mArray;
    int mSize;
    public ArrayMap(int capacity) 
        if (capacity == 0) 
            mHashes = EmptyArray.INT;
            mArray = EmptyArray.OBJECT;
         else 
            allocArrays(capacity);
        
        mSize = 0;
    

2）添加元素put操作：

public V put(K key, V value) 
    final int hash;
    int index;
    if (key == null) 
        hash = 0;
        index = indexOfNull();
     else 
        // 根据hash值查找key对应的位置
        hash = key.hashCode();
        index = indexOf(key, hash);
    
    // 大于0表示该元素已经存在，这里直接覆盖即可
    if (index >= 0) 
        index = (index<<1) + 1;
        final V old = (V)mArray[index];
        mArray[index] = value;
        return old;
    

    // <0表示不存在，取反得到插入位置
    index = ~index;
    // 插入前判断是否需要扩容
    if (mSize >= mHashes.length) 
        // 重新分配空间大小
        final int n = mSize >= (BASE_SIZE*2) ? (mSize+(mSize>>1))
                : (mSize >= BASE_SIZE ? (BASE_SIZE*2) : BASE_SIZE);

        final int[] ohashes = mHashes;
        final Object[] oarray = mArray;
        // 分配数组空间
        allocArrays(n);

        // 将原始数组拷贝到新分配的数组中
        if (mHashes.length > 0) 
            if (DEBUG) Log.d(TAG, "put: copy 0-" + mSize + " to 0");
            System.arraycopy(ohashes, 0, mHashes, 0, ohashes.length);
            System.arraycopy(oarray, 0, mArray, 0, oarray.length);
        

        // 释放原来的空间
        freeArrays(ohashes, oarray, mSize);
    

    // 简单的插入操作
    if (index < mSize) 
        System.arraycopy(mHashes, index, mHashes, index + 1, mSize - index);
        System.arraycopy(mArray, index << 1, mArray, (index + 1) << 1, (mSize - index) << 1);
    

    // 对应位置进行赋值
    mHashes[index] = hash;
    mArray[index<<1] = key;
    mArray[(index<<1)+1] = value;
    mSize++;
    return null;

查找插入位置：
HashMap是根据key的hashcode，然后将其高低十六位相与hash&（hash>>>16）,进而与table数组的长度length相与（hash&(length-1)）来找到对应的table数组插入位置；
而ArrayMap是通过ContainerHelpers的binarySearch即二分查找的方法，根据key的hash值来查找mHash数组（顺序数组），找到对应的index；

// 二分法查找对应位置
int indexOf(Object key, int hash) 
    final int N = mSize;

    // Important fast case: if nothing is in here, nothing to look for.
    if (N == 0) 
        return ~0;
    

    // 二分查找，查找结果
    int index = ContainerHelpers.binarySearch(mHashes, N, hash);

    // If the hash code wasn't found, then we have no entry for this key.
    // <0表示没有查找到
    if (index < 0) 
        return index;
    

    // 解决冲突，双向进行查找一次相同的hash值，比较key值是否匹配
    // If the key at the returned index matches, that's what we want.
    if (key.equals(mArray[index<<1])) 
        return index;
    

    // Search for a matching key after the index.
    int end;
    for (end = index + 1; end < N && mHashes[end] == hash; end++) 
        if (key.equals(mArray[end << 1])) return end;
    

    // Search for a matching key before the index.
    for (int i = index - 1; i >= 0 && mHashes[i] == hash; i--) 
        if (key.equals(mArray[i << 1])) return i;
    

    // Key not found -- return negative value indicating where a
    // new entry for this key should go.  We use the end of the
    // hash chain to reduce the number of array entries that will
    // need to be copied when inserting.
    return ~end;

简单的二分查找：

// This is Arrays.binarySearch(), but doesn't do any argument validation.
static int binarySearch(int[] array, int size, int value) 
    int lo = 0;
    int hi = size - 1;

    while (lo <= hi) 
        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

冲突解决：
HashMap是采用遍历链表来实现；而ArrayMap的mHash表中可能存在多个相同的hash值，即冲突；它通过二分查找，找到相应的一个相等值，然后以这个值为中心，分别向前向后遍历，比较对应的key值是否相等；

继续看前面的put过程：
未找到情况：当没有找到对应的hash值，或者相同的hash，但没有找到相等的key的情况，这个时候，查找结果index表示待插入的位置，未找到返回index的取反（~index）;便于插入操作判断是进行插入还是重写；

覆盖操作：
如果index>=0表示当期key值已存在，则需要进行覆盖，将mArray[(index<<1) + 1]即value赋值为新的value值，然后返回old value值；
如果index<0，表示需要执行插入操作，~index即为新元素要插入的位置；

扩充容量：
再插入之前，首先判断当前存储空间是否足够，HashMap的扩容时机是总空间超过容量*状态因子时，而ArrayMap是当mHash的大小超过MAX_SIZE，即进行扩容，扩容的算法为：
n = mSize >= (BASE_SIZE*2) ? (mSize+(mSize>>1))
: (mSize >= BASE_SIZE ? (BASE_SIZE*2) : BASE_SIZE);
BASE_SIZE=4;即容量大于8的时候，扩容1.5倍；容量大于4小于8时，直接分配空间为8；否则分配空间为4；
扩充容量的操作和ArrayList差不多，都是操作数组进行复制。注意这里mHash和mArray都要复制；

插入操作：
插入操作也是简单的数组已知index进行插入问题，简单的arraycopy；

3）get操作较为简单，通过mHash数组获取存储位置，<0表示没有找到，否则返回value值即可；

@Override
public V get(Object key) 
    final int index = indexOfKey(key);
    return index >= 0 ? (V)mArray[(index<<1)+1] : null;

4）remove操作：

@Override
public V remove(Object key) 
    // 查找对应的index进行remove
    final int index = indexOfKey(key);
    if (index >= 0) 
        return removeAt(index);
    

    return null;


/**
 * Remove the key/value mapping at the given index.
 * @param index The desired index, must be between 0 and @link #size()-1.
 * @return Returns the value that was stored at this index.
 */
public V removeAt(int index) 
    final Object old = mArray[(index << 1) + 1];
    if (mSize <= 1) 
        // Now empty.
        // 删除之后数组中元素就为空了，所以进行空间释放
        freeArrays(mHashes, mArray, mSize);
        mHashes = EmptyArray.INT;
        mArray = EmptyArray.OBJECT;
        mSize = 0;
     else 
        // 如果空余空间过多，将要收缩空间
        if (mHashes.length > (BASE_SIZE*2) && mSize < mHashes.length/3) 
            // 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.
            // 收缩空间大小
            final int n = mSize > (BASE_SIZE*2) ? (mSize + (mSize>>1)) : (BASE_SIZE*2);

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

            // 简单的数组元素删除操作
            mSize--;
            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 < mSize) 
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: copy from " + (index+1) + "-" + mSize
                        + " to " + index);
                System.arraycopy(ohashes, index + 1, mHashes, index, mSize - index);
                System.arraycopy(oarray, (index + 1) << 1, mArray, index << 1,
                        (mSize - index) << 1);
            
         else 
            mSize--;
            if (index < mSize) 
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: move " + (index+1) + "-" + mSize
                        + " to " + index);
                System.arraycopy(mHashes, index + 1, mHashes, index, mSize - index);
                System.arraycopy(mArray, (index + 1) << 1, mArray, index << 1,
                        (mSize - index) << 1);
            
            mArray[mSize << 1] = null;
            mArray[(mSize << 1) + 1] = null;
        
    
    return (V)old;

ArrayMap的remove操作，除了将元素从数组指定位置删除之外；当数组的空余空间过多时，还需要对空间进行紧缩。
紧缩的时机是mHashes.length > (BASE_SIZE*2) && mSize < mHashes.length/3；
即mHash数组的容量大于8，并且当前存储的元素不足总空间的三分之一，则进行紧缩，来节省内存使用。

二、SparseArray简单分析：
SparseArray是用来替代HashpMap

public void put(int key, E value) 
    // 二分查找位置
    int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);

    // 找到对应元素
    if (i >= 0) 
        mValues[i] = value;
     else 
        i = ~i;

        // 这里是进行复用之前已经删过的元素
        if (i < mSize && mValues[i] == DELETED) 
            mKeys[i] = key;
            mValues[i] = value;
            return;
        

        // 如果数组空间不够继续存储时，对原数组进行GC
        if (mGarbage && mSize >= mKeys.length) 
            gc();

            // Search again because indices may have changed.
            i = ~ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
        

        // 执行插入操作
        mKeys = GrowingArrayUtils.insert(mKeys, mSize, i, key);
        mValues = GrowingArrayUtils.insert(mValues, mSize, i, value);
        mSize++;
    

可以看到和ArrayMap基本相同，也是通过二分查找找到对应的存储位置，然后执行插入，只不过这里多个一个删除元素复用的情况；来看一下删除的逻辑：

public void remove(int key) 
    delete(key);

public void delete(int key) 
    int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);

    if (i >= 0) 
        if (mValues[i] != DELETED) 
            mValues[i] = DELETED;
            mGarbage = true;
        
    



/**
 * Removes the mapping at the specified index.
 */
public void removeAt(int index) 
    if (mValues[index] != DELETED) 
        mValues[index] = DELETED;
        mGarbage = true;
    

可以看到删除逻辑中只是将要删除的元素的value值设置成了一个DELETE的空对象，并未进行移位删除操作；它的移位删除操作统一放在了put里面数组空间不够用时进行的gc函数中：

private void gc() 
    // Log.e("SparseArray", "gc start with " + mSize);

    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;

    // Log.e("SparseArray", "gc end with " + mSize);

简单的数组紧缩操作，从前往后扫描，将非DELETE元素通过交换紧缩到前面空间中来；

因此综上来看，ArrayMap和SparseMap都是通过数组来实现的，一个数组存储hash值（key值），用以通过二分查找查找key对应的存储位置；相对于HashMap的查询效率O(1)而言，ArrayMap和 SparseMap的查询效率O(lgn)并不出色，而且涉及到大量的数组移位操作；但是ArrayMap和 SparseMap最大的好处是节省空间，而且提供了良好的及时进行空间紧缩，特别适合Android这些内存空间比较紧张的开发环境。而SparseMap是对应HashMap特殊情况的优化，在key为Integer时，避免了装箱操作。