SparseArray 原始碼解析

leavesC發表於2019-05-14
原文網址 : https://juejin.im/post/5cdaa5e1f265da038932b5de
原始碼

使用 Android Studio 作為 IDE 的開發者可能會遇到一個現象，就是在程式碼中如果宣告瞭 Map<Integer, Object> 型別的變數的話，Android Studio 會提示：Use new SparseArray<Object>(...) instead for better performance ...，意思就是用 SparseArray 效能更優，可以考慮來替換 HashMap

這裡就來介紹下 SparseArray 的內部原理，看看它與 HashMap 有什麼差別，關於 HashMap 的原始碼解析可以看這裡：Java集合框架原始碼解析之HashMap

一、基本概念

先看下 SparseArray 的使用方式

        SparseArray<String> sparseArray = new SparseArray<>();
        sparseArray.put(100, "leavesC");
        sparseArray.remove(100);
        sparseArray.get(100);
        sparseArray.removeAt(29);
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SparseArray 相當於 Map<Integer,E> ，key 值固定為 int 型別，在初始化時只需要宣告 Value 的資料型別即可，其內部用兩個陣列分別來儲存 Key 列表和 Value 列表：int[] mKeys ; Object[] mValues

mKeys 和 mValues 通過如下方式對應起來：假設要向 SparseArray 存入 key 為 10，value 為 200 的鍵值對，則先將 10 存到 mKeys 中，假設 10 在 mKeys 中對應的索引值是 index ，則將 value 存入 mValues[index] 中

最首要的一點就是 SparseArray 避免了 Map 每次存取值時的裝箱拆箱操作，其 Key 值型別都是基本資料型別 int，這有利於提升效能

二、全域性變數

布林變數 mGarbage 也是 SparseArray 的一個優化點之一，用於標記當前是否有待垃圾回收(GC)的元素，當該值被置為 true 時，即意味著當前狀態需要進行垃圾回收，但回收操作並不馬上進行，而是在後續操作中再完成

    //陣列元素在沒有外部指定值時的預設元素值
    private static final Object DELETED = new Object();

    //用於標記當前是否有待垃圾回收(GC)的元素
    private boolean mGarbage = false;

    private int[] mKeys;

    private Object[] mValues;

    //當前集合元素大小
    //該值並不一定是時時處於正確狀態，因為有可能出現只刪除 key 和 value 兩者之一的情況
    //所以在呼叫 size() 方法前都需要進行 GC
    private int mSize;
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三、建構函式

key 陣列和 value 陣列的預設大小都是 10，如果在初始化時已知資料量的預估大小，則可以直接指定初始容量，這樣可以避免後續的擴容操作

    //設定陣列的預設初始容量為10
    public SparseArray() {
        this(10);
    }

    /**
     * Creates a new SparseArray containing no mappings that will not
     * require any additional memory allocation to store the specified
     * number of mappings.  If you supply an initial capacity of 0, the
     * sparse array will be initialized with a light-weight representation
     * not requiring any additional array allocations.
     */
    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;
    }
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四、新增元素

新增元素的方法有如下幾個，主要看 put(int key, E value) 方法，當中用到了 ContainerHelpers 類提供的二分查詢方法：binarySearch，用於查詢目標 key 在 mKeys 中的當前索引或者是目標索引

binarySearch 方法的返回值分為兩種情況：

  • 如果 mKeys 中存在對應的 key，則直接返回對應的索引值
  • 如果 mKeys 中不存在對應的 key
    • 假設 mKeys 中存在"值比 key 大且大小與 key 最接近的值的索引"為 presentIndex，則此方法的返回值為 ~presentIndex
    • 如果 mKeys 中不存在比 key 還要大的值的話，則返回值為 ~mKeys.length

可以看到，即使在 mKeys 中不存在目標 key，但其返回值也指向了應該讓 key 存入的位置。通過將計算出的索引值進行 ~ 運算，則返回值一定是 0 或者負數，從而與“找得到目標key的情況（返回值大於0）”的情況區分開

且通過這種方式來存放資料，可以使得 mKeys 的內部值一直是按照值遞增的方式來排序的

//將索引 index 處的元素賦值為 value
    //SparseArray 的元素值都是存到 mValues 中的，因此如果知道目標位置（index），則可以直接向陣列 mValues 賦值
    public void setValueAt(int index, E value) {
        //如果需要則先進行垃圾回收
        if (mGarbage) {
            gc();
        }
        mValues[index] = value;
    }

    
    /**
     * Adds a mapping from the specified key to the specified value,
     * replacing the previous mapping from the specified key if there
     * was one.
     */
    public void put(int key, E value) {
        //用二分查詢法查詢指定 key 在 mKeys 中的索引值
        int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
        //找得到則直接賦值
        if (i >= 0) {
            mValues[i] = value;
        } else {
            //binarySearch 方法的返回值分為兩種情況：
            //1、如果存在對應的 key，則直接返回對應的索引值
            //2、如果不存在對應的 key
            //  2.1、假設 mKeys 中存在"值比 key 大且大小與 key 最接近的值的索引"為 presentIndex，則此方法的返回值為 ~presentIndex
            //  2.2、如果 mKeys 中不存在比 key 還要大的值的話，則返回值為 ~mKeys.length

            //可以看到，即使在 mKeys 中不存在目標 key，但其返回值也指向了應該讓 key 存入的位置
            //通過將計算出的索引值進行 ~ 運算，則返回值一定是 0 或者負數，從而與“找得到目標key的情況（返回值大於0）”的情況區分開
            //且通過這種方式來存放資料，可以使得 mKeys 的內部值一直是按照值遞增的方式來排序的

            i = ~i;

            //如果目標位置還未賦值，則直接存入資料即可，對應的情況是 2.1
            if (i < mSize && mValues[i] == DELETED) {
                mKeys[i] = key;
                mValues[i] = value;
                return;
            }

            //以下操作對應兩種情況：
            //1、對應 2.1 的一種特殊情況，即目標位置已用於存放其他值了
            //   此時就需要將從索引 i 開始的所有資料向後移動一位，並將 key 存到 mKeys[i]
            //2、對應的情況是 2.2

            if (mGarbage && mSize >= mKeys.length) {
                gc();
                //GC 後再次進行查詢，因為值可能已經發生變化了
                i = ~ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
            }
            //通過複製或者擴容陣列，將資料存放到陣列中
            mKeys = GrowingArrayUtils.insert(mKeys, mSize, i, key);
            mValues = GrowingArrayUtils.insert(mValues, mSize, i, value);
            mSize++;
        }
    }

    //和 put 方法類似
    //但在存入資料前先對資料大小進行了判斷，有利於減少對 mKeys 進行二分查詢的次數
    //所以在“存入的 key 比現有的 mKeys 值都大”的情況下會比 put 方法效能高
    public void append(int key, E value) {
        if (mSize != 0 && key <= mKeys[mSize - 1]) {
            put(key, value);
            return;
        }
        if (mGarbage && mSize >= mKeys.length) {
            gc();
        }
        mKeys = GrowingArrayUtils.append(mKeys, mSize, key);
        mValues = GrowingArrayUtils.append(mValues, mSize, value);
        mSize++;
    }
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五、移除元素

上文說了，布林變數 mGarbage 用於標記當前是否有待垃圾回收(GC)的元素，當該值被置為 true 時，即意味著當前狀態需要進行垃圾回收，但回收操作並不馬上進行，而是在後續操作中再完成

以下幾個方法在移除元素時，都是隻切斷了 mValues 中的引用，而 mKeys 並沒有進行回收，這個操作會留到 gc() 進行處理

    //如果存在 key 對應的元素值，則將其移除
    public void delete(int key) {
        //用二分查詢法查詢指定 key 在 mKeys 中的索引值
        int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
        if (i >= 0) {
            if (mValues[i] != DELETED) {
                mValues[i] = DELETED;
                //標記當前需要進行垃圾回收
                mGarbage = true;
            }
        }
    }

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

    //和 delete 方法基本相同，差別在於會返回 key 對應的元素值
    public E removeReturnOld(int key) {
        int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
        if (i >= 0) {
            if (mValues[i] != DELETED) {
                final E old = (E) mValues[i];
                mValues[i] = DELETED;
                mGarbage = true;
                return old;
            }
        }
        return null;
    }

    //刪除指定索引對應的元素值
    public void removeAt(int index) {
        if (mValues[index] != DELETED) {
            mValues[index] = DELETED;
            //標記當前需要進行垃圾回收
            mGarbage = true;
        }
    }

    //刪除從起始索引值 index 開始之後的 size 個元素值
    public void removeAtRange(int index, int size) {
        //避免發生陣列越界的情況
        final int end = Math.min(mSize, index + size);
        for (int i = index; i < end; i++) {
            removeAt(i);
        }
    }

    //移除所有元素值
    public void clear() {
        int n = mSize;
        Object[] values = mValues;

        for (int i = 0; i < n; i++) {
            values[i] = null;
        }

        mSize = 0;
        mGarbage = false;
    }
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六、查詢元素

查詢元素的方法較多，但邏輯都是挺簡單的

    //根據 key 查詢相應的元素值，查詢不到則返回預設值
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E get(int key, E valueIfKeyNotFound) {
        //用二分查詢法查詢指定 key 在 mKeys 中的索引值
        int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
        //如果找不到該 key 或者該 key 尚未賦值，則返回預設值
        if (i < 0 || mValues[i] == DELETED) {
            return valueIfKeyNotFound;
        } else {
            return (E) mValues[i];
        }
    }

    //根據 key 查詢相應的元素值，查詢不到則返回 null
    public E get(int key) {
        return get(key, null);
    }

    //因為 mValues 中的元素值並非一定是連貫的，有可能摻雜著 DELETED 
    //所以在遍歷前需要先進行 GC，這樣通過陣列取出的值才是正確的
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E valueAt(int index) {
        if (mGarbage) {
            gc();
        }
        return (E) mValues[index];
    }

    //根據索引值 index 查詢對應的 key 
    public int keyAt(int index) {
        if (mGarbage) {
            gc();
        }
        return mKeys[index];
    }

    //根據 key 對應的索引值
    public int indexOfKey(int key) {
        if (mGarbage) {
            gc();
        }
        return ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
    }

    //根據 value 查詢對應的索引值
    public int indexOfValue(E value) {
        if (mGarbage) {
            gc();
        }
        for (int i = 0; i < mSize; i++) {
            if (mValues[i] == value) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

    //與 indexOfValue 方法類似，但 indexOfValue 方法是通過比較 == 來判斷是否同個物件
    //而此方法是通過 equals 方法來判斷是否同個物件
    public int indexOfValueByValue(E value) {
        if (mGarbage) {
            gc();
        }
        for (int i = 0; i < mSize; i++) {
            if (value == null) {
                if (mValues[i] == null) {
                    return i;
                }
            } else {
                if (value.equals(mValues[i])) {
                    return i;
                }
            }
        }
        return -1;
    }
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七、垃圾回收

因為 SparseArray 中可能會出現只移除 value 和 value 兩者之一的情況，導致陣列中存在無效引用，因此 gc() 方法就用於移除無效引用，並將有效的元素值位置合併在一起

    //垃圾回收
    //因為 SparseArray 中可能出現只移除 value 和 value 兩者之一的情況
    //所以此方法就用於移除無用的引用
    private void gc() {
        int n = mSize;
        //o 值用於表示 GC 後的元素個數
        int o = 0;
        int[] keys = mKeys;
        Object[] values = mValues;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            Object val = values[i];
            //元素值非預設值 DELETED ，說明該位置可能需要移動資料
            if (val != DELETED) {
                //以下程式碼片段用於將索引 i 處的值賦值到索引 o 處
                //所以如果 i == o ，則不需要執行程式碼了
                if (i != o) {
                    keys[o] = keys[i];
                    values[o] = val;
                    values[i] = null;
                }
                o++;
            }
        }
        mGarbage = false;
        mSize = o;
    }
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八、優劣勢

從上文的解讀來看，SparseArray 的主要優勢有以下幾點：

  • 避免了基本資料型別的裝箱拆箱操作
  • 和 Map 每個儲存結點都是一個類物件不同，SparseArray 不需要用於包裝的的結構體，單個元素的儲存成本更加低廉
  • 在資料量不大的情況下，查詢效率較高（二分查詢法）
  • 延遲了垃圾回收的時機，只在需要的時候才一次進進行

劣勢有以下幾點：

  • 插入新元素可能會導致移動大量的陣列元素
  • 資料量較大時，查詢效率（二分查詢法）會明顯降低

更多的學習筆記可以看這裡：Java_Kotlin_Android_Learn

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