NSDictionary的实质和实现原理

一、NSDictionary使用原理

    1.NSDictionary（字典）是使用 hash表来实现key和value之间的映射和存储的， hash函数设计的好坏影响着数据的查找访问效率。

    - (void)setObject:(id)anObject forKey:(id <NSCopying>)aKey;

   2.Objective-C中的字典 NSDictionary 底层其实是一个哈希表，实际上绝大多数语言中字典都通过哈希表实现，

二、哈希的原理

   哈希概念:哈希表的本质是一个数组，数组中每一个元素称为一个箱子(bin)，箱子中存放的是键值对。

    

三、哈希表的存储过程:

    1. 根据 key计算出它的哈希值 h。

    2.假设箱子的个数为 n，那么这个键值对应该放在第 (h % n) 个箱子中。

    3.如果该箱子中已经有了键值对，就使用开放寻址法或者拉链法解决冲突。

    在使用拉链法解决哈希冲突时，每个箱子其实是一个链表，属于同一个箱子的所有键值对都会排列在链表中。

    哈希表还有一个重要的属性:负载因子(load factor)，它用来衡量哈希表的 空/满 程度，一定程度上也可以体现查询的效率，计算公式为:

   负载因子 =总键值对数 /箱子个数

   负载因子越大，意味着哈希表越满，越容易导致冲突，性能也就越低。因此，一般来说，当负载因子大于某个常数(可能是1，或者0.75等)时，哈希表将自动扩容。

重哈希概念:    

   哈希表在自动扩容时，一般会创建两倍于原来个数的箱子，因此即使 key的哈希值不变，对箱子个数取余的结果也会发生改变，因此所有键值对的存放位置都有可能发生改变，这个过程也称为重哈希(rehash)。

    

    哈希表的扩容并不总是能够有效解决负载因子过大的问题。假设所有 key的哈希值都一样，那么即使扩容以后他们的位置也不会变化。虽然负载因子会降低，但实际存储在每个箱子中的链表长度并不发生改变，因此也就不能提高哈希表的查询性能。

    

四、总结，细心的读者可能会发现哈希表的两个问题:

   1.如果哈希表中本来箱子就比较多，扩容时需要重新哈希并移动数据，性能影响较大。

   2.如果哈希函数设计不合理，哈希表在极端情况下会变成线性表，性能极低。

下面：

   NSDictionary（字典）是使用 hash表来实现key和value之间的映射和存储的， hash函数设计的好坏影响着数据的查找访问效率。数据在hash表中分布的越均匀，其访问效率越高。而在Objective-C中，通常都是利用NSString 来作为键值，其内部使用的hash函数也是通过使用 NSString对象作为键值来保证数据的各个节点在hash表中均匀分布。

见NSDictionary中最常用的一个方法原型：

[objc] view plain copy

1. - (void)setObject:(id)anObject forKey:(id <NSCopying>)aKey;  

从这个方法中可以知道， 要作为 Key 值，必须遵循 NSCopying 协议。也就是说在NSDictionary内部，会对 aKey 对象 copy 一份新的。而  anObject 对象在其内部是作为强引用（retain或strong)。所以在MRC下，向该方法发送消息之后，我们会向anObject发送 release 消息进行释放。

既然知道了作为 key 值，必须遵循 NSCopying 协议，说明除了 NSString 对象之外，我们还可以使用其他类型对象来作为 NSDictionary 的 key值。不过这还不够，作为 key 值，该类型还必须继承于 NSObject 并且要重载一下两个方法：

[objc] view plain copy

1. - (NSUInteger)hash;  

[objc] view plain copy

1. - (BOOL)isEqual:(id)object;  

其中，hash 方法是用来计算该对象的 hash 值，最终的 hash 值决定了该对象在 hash 表中存储的位置。所以同样，如果想重写该方法，我们尽量设计一个能让数据分布均匀的 hash 函数。

isEqual 方法是为了通过 hash 值来找到 对象 在hash 表中的位置。

下面，我根据一个小Demo来自定义一个作为 NSDictionary 的 key 值的类。见代码：

KeyObject.h文件：

[objc] view plain copy

1. //  
2. //  KeyObject.h  
3. //  KeyDemo  
4. //  
5. //  Created by linshaolie on 14-11-26.  
6. //  Copyright (c) 2014年 lin. All rights reserved.  
7. //  
8.   
9. #import <Foundation/Foundation.h>  
10.   
11. @interface KeyObject : NSObject<NSCopying>  //实现Copying协议  
12.   
13. //作为hash值  
14. @property(nonatomic, readonly) NSUInteger hashValue;  
15.   
16. - (instancetype)initWithHashI:(NSUInteger)i;  
17.   
18. @end  

KeyObject.m文件：

[objc] view plain copy

1. //  
2. //  KeyObject.m  
3. //  KeyDemo  
4. //  
5. //  Created by linshaolie on 14-11-26.  
6. //  Copyright (c) 2014年 lin. All rights reserved.  
7. //  
8.   
9. #import "KeyObject.h"  
10.   
11. @interface KeyObject ()  
12.   
13. //作为hash值  
14. @property(nonatomic) NSUInteger hashValue;  
15.   
16. @end  
17.   
18. @implementation KeyObject  
19.   
20.   
21. - (instancetype)initWithHashValue:(NSUInteger)hashValue  
22. {  
23.     self = [super init];  
24.     if ( self )  
25.     {  
26.         _hashValue = hashValue;  
27.     }  
28.     return self;  
29. }  
30.   
31. #pragma mark -overload methor  
32. - (BOOL)isEqual:(id)object  
33. {  
34.     //根据hash值判断是否是同一个键值  
35.     return ([self hashKeyValue] == [(typeof(self))object hashKeyValue]);  
36. }  
37.   
38. - (NSUInteger)hash  
39. {  
40.     return [self hashKeyValue];     //返回哈希值  
41. }  
42.   
43. #pragma mark -NSCopying  
44. - (id)copyWithZone:(NSZone *)zone  
45. {  
46.     KeyObject *obj = [KeyObject allocWithZone:zone];  
47.     obj.hashValue = self.hashValue;  
48.     return obj;  
49. }  
50.   
51. #pragma mark -private methor  
52. //哈希函数  
53. - (NSUInteger)hashKeyValue  
54. {  
55.     return _hashValue % 7;      //这里哈希函数用了简单的对7取余  
56. }  
57.   
58. @end  

ViewController.m文件：（测试）

[objc] view plain copy

1. //  
2. //  ViewController.m  
3. //  KeyDemo  
4. //  
5. //  Created by lin on 14-11-26.  
6. //  Copyright (c) 2014年 linshaolie. All rights reserved.  
7. //  
8.   
9. #import "ViewController.h"  
10. #import "KeyObject.h"  
11.   
12. @interface ViewController ()  
13. {  
14.     CGPoint _oldPoint;  
15.     CGMutablePathRef _pathRef;  
16.     UIImageView *_imageView;  
17. }  
18. @end  
19.   
20. @implementation ViewController  
21.   
22. - (void)viewDidLoad  
23. {  
24.     [super viewDidLoad];  
25.       
26.     //Test...  
27.     KeyObject *key1 = [[KeyObject alloc] initWithHashValue:1];  
28.     NSMutableDictionary *dic = [[NSMutableDictionary alloc] init];  
29.     [dic setObject:@"AAA" forKey:key1];  
30.       
31.     KeyObject *key2 = [[KeyObject alloc] initWithHashValue:8];  
32.     [dic setObject:@"BBB" forKey:key2];  
33.       
34.     KeyObject *key3 = [[KeyObject alloc] initWithHashValue:3];  
35.     [dic setObject:@"CCC" forKey:key3];  
36.       
37.       
38.     NSLog(@"%@", [dic objectForKey:key2]);  
39.     NSLog(@"%@", [dic allKeys]);  
40.     NSLog(@"%@", [dic allValues]);  
41. }  
42. @end  

输出结果：

在调用 setObject: forKey:  后，内部会去调用 key 对象的 hash 方法确定 object 在hash表内的入口位置，然后会调用 isEqual 来确定该值是否已经存在于 NSDictionary中。