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安卓-ArrayMap源码解析

安卓-ArrayMap源码解析

作者: 小小的coder | 来源:发表于2020-04-01 19:02 被阅读0次

1 概述
在上文中,我们已经聊过了HashMap和LinkedHashMap.所以如果没看过上文,请先阅读HashMap源码解析(JDK8) ,LinkedHashMap源码解析(JDK8 )
那么今天换点口味,不看JDK了,我们看看android sdk的源码。

本文将从几个常用方法下手,来阅读ArrayMap的源码。
按照从构造方法->常用API(增、删、改、查)的顺序来阅读源码,并会讲解阅读方法中涉及的一些变量的意义。了解ArrayMap的特点、适用场景。

如果本文中有不正确的结论、说法,请大家提出和我讨论,共同进步,谢谢。

2 概要
概括的说,ArrayMap 实现了implements Map<K, V>接口,所以它也是一个关联数组、哈希表。存储以key->value 结构形式的数据。它也是线程不安全的,允许key为null,value为null。

它相比HashMap,空间效率更高。

它的内部实现是基于两个数组。
一个int[]数组,用于保存每个item的hashCode.
一个Object[]数组,保存key/value键值对。容量是上一个数组的两倍。
它可以避免在将数据插入Map中时额外的空间消耗(对比HashMap)。

而且它扩容的更合适,扩容时只需要数组拷贝工作,不需要重建哈希表。

和HashMap相比,它不仅有扩容功能,在删除时,如果集合剩余元素少于一定阈值,还有收缩(shrunk)功能。减少空间占用。

对于哈希冲突的解决,查看源码可以得知采用的是开放地址法。

但是它不适合大容量的数据存储。存储大量数据时,它的性能将退化至少50%。
比传统的HashMap时间效率低。
因为其会对key从小到大排序,使用二分法查询key对应在数组中的下标。
在添加、删除、查找数据的时候都是先使用二分查找法得到相应的index,然后通过index来进行添加、查找、删除等操作。

所以其是按照key的大小排序存储的。

适用场景:
数据量不大
空间比时间重要
需要使用Map
在Android平台,相对来说,内存容量更宝贵。而且数据量不大。所以当需要使用key是Object类型的Map时,可以考虑使用ArrayMap来替换HashMap
示例代码:

    Map<String, String> map = new ArrayMap<>();
    map.put("1","1");
    map.put(null,"2");
    map.put("3",null);
    map.put("6",null);
    map.put("5",null);
    map.put("4",null);
    Log.d("TAG", "onCreate() called with: map = [" + map + "]");

输出:

onCreate() called with: map = [{null=2, 1=1, 3=null, 4=null, 5=null, 6=null}]

3 构造函数
//扩容默认的size, 4是相对效率较高的大小
private static final int BASE_SIZE = 4;

//表示集合是不可变的
static final int[] EMPTY_IMMUTABLE_INTS = new int[0];

//是否利用System.identityHashCode(key) 获取唯一HashCode模式。    
final boolean mIdentityHashCode;
//保存hash值的数组
int[] mHashes;
//保存key/value的数组。
Object[] mArray;
//容量
int mSize;

//创建一个空的ArrayMap,默认容量是0.当有Item被添加进来,会自动扩容
public ArrayMap() {
    this(0, false);
}
//创建一个指定容量的ArrayMap
public ArrayMap(int capacity) {
    this(capacity, false);
}
//指定容量和identityHashCode
public ArrayMap(int capacity, boolean identityHashCode) {
    mIdentityHashCode = identityHashCode;
    //数量<  0,构建一个不可变的ArrayMap
    if (capacity < 0) {
        mHashes = EMPTY_IMMUTABLE_INTS;
        mArray = EmptyArray.OBJECT;
        //数量= 0,构建空的mHashes mArray
    } else if (capacity == 0) {
        mHashes = EmptyArray.INT;
        mArray = EmptyArray.OBJECT;
    } else {//数量>0,分配空间初始化数组
        allocArrays(capacity);
    }
    mSize = 0;
}
    //扩容
    private void allocArrays(final int size) {
    //数量<  0,构建一个不可变的ArrayMap
    if (mHashes == EMPTY_IMMUTABLE_INTS) {
        throw new UnsupportedOperationException("ArrayMap is immutable");
    }//扩容数量是 8
    if (size == (BASE_SIZE*2)) {
        synchronized (ArrayMap.class) {
            //查看之前是否有缓存的 容量为8的int[]数组和容量为16的object[]数组 
            //如果有,复用给mArray mHashes
            if (mTwiceBaseCache != null) {
                final Object[] array = mTwiceBaseCache;
                mArray = array;
                mTwiceBaseCache = (Object[])array[0];
                mHashes = (int[])array[1];
                array[0] = array[1] = null;
                mTwiceBaseCacheSize--;
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "Retrieving 2x cache " + mHashes
                        + " now have " + mTwiceBaseCacheSize + " entries");
                return;
            }
        }
    } else if (size == BASE_SIZE) {//扩容数量是4
        synchronized (ArrayMap.class) {
            //查看之前是否有缓存的 容量为4的int[]数组和容量为8的object[]数组 
            //如果有,复用给mArray mHashes
            if (mBaseCache != null) {
                final Object[] array = mBaseCache;
                mArray = array;
                mBaseCache = (Object[])array[0];
                mHashes = (int[])array[1];
                array[0] = array[1] = null;
                mBaseCacheSize--;
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "Retrieving 1x cache " + mHashes
                        + " now have " + mBaseCacheSize + " entries");
                return;
            }
        }
    }
    //构建mHashes和mArray,mArray是mHashes的两倍。因为它既要存key还要存value。
    mHashes = new int[size];
    mArray = new Object[size<<1];
}
//利用另一个map构建ArrayMap
public ArrayMap(ArrayMap<K, V> map) {
    this();
    if (map != null) {
        putAll(map);
    }
}
//批量put方法:
public void putAll(ArrayMap<? extends K, ? extends V> array) {
    final int N = array.mSize;
    //确保空间足够存放
    ensureCapacity(mSize + N);
    //如果当前是空集合,
    if (mSize == 0) {
        if (N > 0) {//则直接复制覆盖数组内容即可。
            System.arraycopy(array.mHashes, 0, mHashes, 0, N);
            System.arraycopy(array.mArray, 0, mArray, 0, N<<1);
            mSize = N;
        }
    } else {//否则需要一个一个执行插入put操作
        for (int i=0; i<N; i++) {
            put(array.keyAt(i), array.valueAt(i));
        }
    }
}
//确保空间足够存放 minimumCapacity 个数据
public void ensureCapacity(int minimumCapacity) {
    //如果不够扩容
    if (mHashes.length < minimumCapacity) {
        //暂存当前的hash array。后面复制需要
        final int[] ohashes = mHashes;
        final Object[] oarray = mArray;
        //扩容空间(开头讲过这个函数)
        allocArrays(minimumCapacity);
        if (mSize > 0) {//如果原集合不为空,复制原数据到新数组中
            System.arraycopy(ohashes, 0, mHashes, 0, mSize);
            System.arraycopy(oarray, 0, mArray, 0, mSize<<1);
        }
        //释放回收临时暂存数组空间
        freeArrays(ohashes, oarray, mSize);
    }
}
//释放回收临时暂存数组空间
private static void freeArrays(final int[] hashes, final Object[] array, final int size) {
    //如果容量是8, 则将hashes 和array 缓存起来,以便下次使用
    if (hashes.length == (BASE_SIZE*2)) {
        synchronized (ArrayMap.class) {
            if (mTwiceBaseCacheSize < CACHE_SIZE) {
                //0存,前一个缓存的cache
                array[0] = mTwiceBaseCache;
                //1 存 int[]数组
                array[1] = hashes;
                //2+ 元素置空 以便GC
                for (int i=(size<<1)-1; i>=2; i--) {
                    array[i] = null;
                }
                //更新缓存引用为array
                mTwiceBaseCache = array;
                //增加缓存过的Array的数量
                mTwiceBaseCacheSize++;
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "Storing 2x cache " + array
                        + " now have " + mTwiceBaseCacheSize + " entries");
            }
        }//相同逻辑,只不过缓存的是int[] 容量为4的数组 
    } else if (hashes.length == BASE_SIZE) {
        synchronized (ArrayMap.class) {
            if (mBaseCacheSize < CACHE_SIZE) {
                array[0] = mBaseCache;
                array[1] = hashes;
                for (int i=(size<<1)-1; i>=2; i--) {
                    array[i] = null;
                }
                mBaseCache = array;
                mBaseCacheSize++;
                if (DEBUG) Log.d(TAG, "Storing 1x cache " + array
                        + " now have " + mBaseCacheSize + " entries");
            }
        }
    }
}

小结:

  • 扩容时,会查看之前是否有缓存的 int[]数组和object[]数组
  • 如果有,复用给mArray mHashes

4 增 、改
4.1 单个增改 put(K key, V value)
//如果key存在,则返回oldValue
public V put(K key, V value) {
//key的hash值
final int hash;
//下标
int index;
// 如果key为null,则hash值为0.
if (key == null) {
hash = 0;
//寻找null的下标
index = indexOfNull();
} else {
//根据mIdentityHashCode 取到 hash值
hash = mIdentityHashCode ? System.identityHashCode(key) : key.hashCode();
//根据hash值和key 找到合适的index
index = indexOf(key, hash);
}
//如果index>=0,说明是替换(改)操作
if (index >= 0) {
//只需要更新value 不需要更新key。因为key已经存在
index = (index<<1) + 1;
//返回旧值
final V old = (V)mArray[index];
mArray[index] = value;
return old;
}
//index<0,说明是插入操作。 对其取反,得到应该插入的下标
index = ~index;
//如果需要扩容
if (mSize >= mHashes.length) {
//如果容量大于8,则扩容一半。
//否则容量大于4,则扩容到8.
//否则扩容到4
final int n = mSize >= (BASE_SIZE2) ? (mSize+(mSize>>1))
: (mSize >= BASE_SIZE ? (BASE_SIZE
2) : BASE_SIZE);
//临时数组
final int[] ohashes = mHashes;
final Object[] oarray = mArray;
//分配空间完成扩容
allocArrays(n);
//复制临时数组中的数组进新数组
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);
}
//释放临时数组空间
freeArrays(ohashes, oarray, mSize);
}
//如果index在中间,则需要移动数组,腾出中间的位置
if (index < mSize) {
if (DEBUG) Log.d(TAG, "put: move " + index + "-" + (mSize-index)
+ " to " + (index+1));
System.arraycopy(mHashes, index, mHashes, index + 1, mSize - index);
System.arraycopy(mArray, index << 1, mArray, (index + 1) << 1, (mSize - index) << 1);
}
//hash数组,就按照下标存哈希值
mHashes[index] = hash;
//array数组,根据下标,乘以2存key,乘以2+1 存value
mArray[index<<1] = key;
mArray[(index<<1)+1] = value;
mSize++;//修改size
return null;
}

//返回key为null的 下标index
int indexOfNull() {
    //N为当前集合size 
    final int N = mSize;
    //如果当前集合是空的,返回~0
    if (N == 0) {//
        return ~0;
    }
    //根据hash值=0,通过二分查找,查找到目标index
    int index = ContainerHelpers.binarySearch(mHashes, N, 0);
    //如果index《0,则hash值=0之前没有存储过数据
    if (index < 0) {
        return index;
    }
    //如果index>=0,说明该hash值,之前存储过数据,找到对应的key,比对key是否等于null。相等的话,返回index。说明要替换。  
    //关于array中对应数据的位置,是index*2 = key ,index*2+1 = value.
    if (null == mArray[index<<1]) {
        return index;
    }
    //以下两个for循环是在出现hash冲突的情况下,找到正确的index的过程:
    //从index+1,遍历到数组末尾,找到hash值相等,且key相等的位置,返回
    int end;
    for (end = index + 1; end < N && mHashes[end] == 0; end++) {
        if (null == mArray[end << 1]) return end;
    }
    //从index-1,遍历到数组头,找到hash值相等,且key相等的位置,返回
    for (int i = index - 1; i >= 0 && mHashes[i] == 0; i--) {
        if (null == mArray[i << 1]) return i;
    }
    // key没有找到,返回一个负数。代表应该插入的位置
    return ~end;
}
//根据key和key的hash值,返回index
int indexOf(Object key, int hash) {
    //N为当前集合size 
    final int N = mSize;
    //如果当前集合是空的,返回~0
    if (N == 0) {
        return ~0;
    }
    //根据hash值,通过二分查找,查找到目标index
    int index = ContainerHelpers.binarySearch(mHashes, N, hash);
    //如果index《0,说明该hash值之前没有存储过数据
    if (index < 0) {
        return index;
    }
    //如果index>=0,说明该hash值,之前存储过数据,找到对应的key,比对key是否相等。相等的话,返回index。说明要替换。
    if (key.equals(mArray[index<<1])) {
        return index;
    }
    //以下两个for循环是在出现hash冲突的情况下,找到正确的index的过程:
    //从index+1,遍历到数组末尾,找到hash值相等,且key相等的位置,返回
    int end;
    for (end = index + 1; end < N && mHashes[end] == hash; end++) {
        if (key.equals(mArray[end << 1])) return end;
    }

    //从index-1,遍历到数组头,找到hash值相等,且key相等的位置,返回
    for (int i = index - 1; i >= 0 && mHashes[i] == hash; i--) {
        if (key.equals(mArray[i << 1])) return i;
    }
    // key没有找到,返回一个负数。代表应该插入的位置
    return ~end;
}

4.2 批量增 putAll(Map
//批量增,接受更为广泛的Map参数
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {
//确保空间容量足够
ensureCapacity(mSize + map.size());
for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> entry : map.entrySet()) {
//分别调用单个增方法 add
put(entry.getKey(), entry.getValue());
}
}

小结:

  • 增的流程:1 先根据key得到hash值,2 根据hash值得到index 3 根据index正负,得知是插入还是替换 4 如果是替换直接替换值即可 5 如果是插入,则先判断是否需要扩容,并进行扩容 6 挪动数组位置,插入元素(类似ArrayList)

插入允许key为null,value为null。
每次插入时,根据key的哈希值,利用二分查找,去寻找key在int[] mHashes数组中的下标位置。
如果出现了hash冲突,则从需要从目标点向两头遍历,找到正确的index。
如果index>=0,说明之前已经存在该key,需要替换(改)。
如果index<0,说明没有找到。(也是二分法特性)对index去反,可以得到这个index应该插入的位置。
根据key的hash值在mHashs中的index,如何得到key、value在mArray中的下标位置呢?key的位置是index2,value的位置是index2+1,也就是说mArray是利用连续的两位空间去存放key、value。
根据hash值的index计算,key、value的index也利用了位运算。index<<1 和 (index<<1)+1
5 删
5.1 单个删
//如果对应key有元素存在,返回value。否则返回null
public V remove(Object key) {
//根据key,找到下标
final int index = indexOfKey(key);
if (index >= 0) {
//如果index>=0,说明key有对应的元素存在,则去根据下标删除
return removeAt(index);
}
//否则返回null
return null;
}

//根据下标删除元素
public V removeAt(int index) {
    //根据index,得到value
    final Object old = mArray[(index << 1) + 1];
    //如果之前的集合长度小于等于1,则执行过删除操作后,集合现在就是空的了
    if (mSize <= 1) {
        // Now empty.
        if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: shrink from " + mHashes.length + " to 0");
        //释放回收空间
        freeArrays(mHashes, mArray, mSize);
        //置空
        mHashes = EmptyArray.INT;
        mArray = EmptyArray.OBJECT;
        mSize = 0;
    } else {//根据元素数量和集合占用的空间情况,判断是否要执行收缩操作
        //如果 mHashes长度大于8,且 集合长度 小于当前空间的 1/3,则执行一个 shrunk,收缩操作,避免空间的浪费
        if (mHashes.length > (BASE_SIZE*2) && mSize < mHashes.length/3) {
            // Shrunk enough to reduce size of arrays.  We dont allow it to
            // shrink smaller than (BASE_SIZE*2) to avoid flapping between
            // that and BASE_SIZE.
            //如果当前集合长度大于8,则n为当前集合长度的1.5倍。否则n为8.
            //n 为收缩后的 mHashes长度
            final int n = mSize > (BASE_SIZE*2) ? (mSize + (mSize>>1)) : (BASE_SIZE*2);

            if (DEBUG) Log.d(TAG, "remove: shrink from " + mHashes.length + " to " + n);
            //分配新的更小的空间(收缩操作)
            final int[] ohashes = mHashes;
            final Object[] oarray = mArray;
            allocArrays(n);
            //删掉一个元素,所以修改集合元素数量
            mSize--;
            //因为执行了收缩操作,所以要将老数据复制到新数组中。
            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);
            }
            //在复制的过程中,排除不复制当前要删除的元素即可。
            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 {//不需要收缩
            //修改集合长度
            mSize--;
            //类似ArrayList,用复制操作去覆盖元素达到删除的目的。
            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);
            }
            //记得置空,以防内存泄漏
            mArray[mSize << 1] = null;
            mArray[(mSize << 1) + 1] = null;
        }
    }
    //返回删除的值
    return (V)old;
}

5.2 批量删除
//从ArrayMap中,删除Collection集合中,所有出现的key。
//返回值代表是否成功删除元素
public boolean removeAll(Collection<?> collection) {
return MapCollections.removeAllHelper(this, collection);
}
//MapCollections.removeAllHelper(this, collection);
//遍历Collection,调用Map.remove(key)去删除元素;
public static <K, V> boolean removeAllHelper(Map<K, V> map, Collection<?> collection) {
int oldSize = map.size();
Iterator<?> it = collection.iterator();
while (it.hasNext()) {
map.remove(it.next());
}
//如果元素不等,说明成功删除元素
return oldSize != map.size();
}

根据元素数量和集合占用的空间情况,判断是否要执行收缩操作
类似ArrayList,用复制操作去覆盖元素达到删除的目的。
6 查
当你想获取某个value的时候,ArrayMap会计算输入key转换过后的hash值,然后对hash数组使用二分查找法寻找到对应的index,然后我们可以通过这个index在另外一个数组中直接访问到需要的键值对。如果在第二个数组键值对中的key和前面输入的查询key不一致,那么就认为是发生了碰撞冲突。为了解决这个问题,我们会以该key为中心点,分别上下展开,逐个去对比查找,直到找到匹配的值。如下图所示:

随着数组中的对象越来越多,查找访问单个对象的花费也会跟着增长,这是在内存占用与访问时间之间做权衡交换。

6.1 单个查
public V get(Object key) {
//根据key去得到index
final int index = indexOfKey(key);
//根据 index*2+1 得到value
return index >= 0 ? (V)mArray[(index<<1)+1] : null;
}
public int indexOfKey(Object key) {
//判断key是否是null,并去查询key对应的index
return key == null ? indexOfNull()
: indexOf(key, mIdentityHashCode ? System.identityHashCode(key) : key.hashCode());
}

总结
ArrayMap的实现细节很多地方和ArrayList很像,由于我们之前分析过面试必备:ArrayList源码解析(JDK8)。所以对于用数组复制覆盖去完成删除等操作的细节,就比较容易理解了。

每次插入时,根据key的哈希值,利用二分查找,去寻找key在int[] mHashes数组中的下标位置。
如果出现了hash冲突,则从需要从目标点向两头遍历,找到正确的index。
扩容时,会查看之前是否有缓存的 int[]数组和object[]数组
如果有,复用给mArray mHashes
扩容规则:如果容量大于8,则扩容一半。(类似ArrayList)
根据key的hash值在mHashs中的index,如何得到key、value在mArray中的下标位置呢?key的位置是index2,value的位置是index2+1,也就是说mArray是利用连续的两位空间去存放key、value。
根据元素数量和集合占用的空间情况,判断是否要执行收缩操作
如果 mHashes长度大于8,且 集合长度 小于当前空间的 1/3,则执行一个 shrunk,收缩操作,避免空间的浪费
类似ArrayList,用复制操作去覆盖元素达到删除的目的。
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原文链接:https://blog.csdn.net/zxt0601/article/details/78333328

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