Java容器解析系列(16) android内存优化之SparseArray

HashMap的缺点:

1. 自动装箱导致的性能损失;
2. 使用拉链法来解决hash冲突,如果hash冲突较多,需要遍历链表,导致性能下降,在Java 8 中,如果链表长度>8,会使用红黑树来代替链表;
3. 由于loadFactor的存在,导致(1 - loadFactor) * capacity 的空间会浪费,capacity越大,浪费空间更多;
4. 扩容时需要重新计算hash,浪费性能;
5. 每一个value都由一个Node保存,Node除了保存本身的数据外,还需要其他冗余数据,如hash值,下一个节点的指针等;

SparseArray的特点:

1. key只能为int类型,避免了自动装箱;
2. 使用二分法查找key,在查询指定key时需要进行二分查找,查询的时间复杂度为O(logN),添加删除亦如是;所以不适合大量数据,在数据量为1000以下(up to hundreds of items)时,其与HashMap之间的性能差别(difference)低于50%;
3. 没有冗余数据;
4. 为了提升性能,在删除数据时,并不马上调整压缩数组(压缩数组需要移动数组的元素),而是将被删除位置的value标记为DELETED,之后该位置可能被重用,在一次压缩中,清除掉所有的DELETED;
5. 可以通过keyAt(int)和valueAt(int)来遍历SparseArray中的key和value;
6. 扩容时只是复制数组值,不需要进行hash计算;

总体来看,相对于HashMap,SparseArray是以时间换空间;

SparseArray源码分析:

数据结构:

SparseArray使用两个数组来分别存储key和value:

private int[] mKeys;// 存储key值的数组
private Object[] mValues;// 存储value值的数组  mKeys[i]---mValues[i]为一个键值对
private int mSize;// 存储键值对个数,确切地说,是当前存储的key值个数,key-value键值对均存储在数组中下标为 [0,mSize-1]之间的位置
private static final Object DELETED = new Object();// DELETED标记
private boolean mGarbage = false;// 用于判断是否需要进行压缩

构造方法:

public SparseArray() {
   this(10);// 默认初始容量:10
}
public SparseArray(int initialCapacity) {
   if (initialCapacity == 0) {
      mKeys = EmptyArray.INT;
      mValues = EmptyArray.OBJECT;
   } else {
      mValues = ArrayUtils.newUnpaddedObjectArray(initialCapacity);
      mKeys = new int[mValues.length];// key value数组大小一致
   }
   mSize = 0;
}

添加key-value:

public void put(int key, E value) {
   int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);// 通过二分法查找key在mKeys中的索引
   if (i >= 0) {
      mValues[i] = value;// 覆盖已有值
   } else {
     // 如果没有找到，那么i值为 ~(0) 或 ~(mSize - 1),这里再取反,值就成了 0 或  (mSize - 1),参考源码 ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key)
      i = ~i;
      if (i < mSize && mValues[i] == DELETED) {// 刚好是一个被删除的值直接替换
         mKeys[i] = key;
         mValues[i] = value;
         return;
      }
      // 需要通过gc(),腾出新的空间
      if (mGarbage && mSize >= mKeys.length) {
         gc();
         // gc() 后索引变了,需要重新找个位置,重新二分查找,确定key/value在数组中的索引
         i = ~ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
      }
      mKeys = GrowingArrayUtils.insert(mKeys, mSize, i, key);// 插入新key
      mValues = GrowingArrayUtils.insert(mValues, mSize, i, value);// 插入新值
      mSize++;
   }
}

上述部分引用方法如下:

// # ContainerHelpers.binarySearch(int[], int, int)
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
}
// # SparseArray.gc()
// 对 mKeys 和 mValues 进行重新排列,将mValues中标记为DELETED的值清除掉
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;// 已经压缩过了
    mSize = o;// 更新mSize
}
// # GrowingArrayUtils.insert(int[], int, int, int);
public static int growSize(int currentSize) {
    return currentSize <= 4 ? 8 : currentSize * 2;// 扩容为之前的两倍
}
public static int[] insert(int[] array, int currentSize, int index, int element) {
    // 不需要扩容
    if (currentSize + 1 <= array.length) {
        // 将之后的所有元素向后移一位 这里的时间复杂度为O(N)
        System.arraycopy(array, index, array, index + 1, currentSize - index);
        array[index] = element;// 插入元素到指定位置
        return array;
    }
    // 扩容
    int[] newArray = ArrayUtils.newUnpaddedIntArray(growSize(currentSize));
    System.arraycopy(array, 0, newArray, 0, index);
    newArray[index] = element;// 插入元素到指定位置
    System.arraycopy(array, index, newArray, index + 1, array.length - index);
    return newArray;
}

查询:

public E get(int key) {
   return get(key, null);
}
// 获得指定key的值，如果没有，返回 valueIfKeyNotFound
public E get(int key, E valueIfKeyNotFound) {
   // 二分查找
   int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);
   // 没找到，或者找到的已经被删除
   if (i < 0 || mValues[i] == DELETED) {
      return valueIfKeyNotFound;
   } else {
      return (E) mValues[i];
   }
}

删除:

public void remove(int key) {
   delete(key);
}
public void delete(int key) {
   int i = ContainerHelpers.binarySearch(mKeys, mSize, key);// 二分法找到位置
   if (i >= 0) {
      // 将值修改为 DELETED
      if (mValues[i] != DELETED) {
         mValues[i] = DELETED;
         mGarbage = true;// 需要垃圾回收,必要时检查该变量,并对 mKeys 和 mValues 进行重新排序
      }
   }
   // 这里并没有将 mSize - 1,因为如果将 mSize - 1，需要重新对 mKeys 和 mValues 进行重新移动
}

综上,SparseArray的时间复杂度:

1. 增:O(N);因为需要移动数组元素;
2. 查:O(logN).使用二分法查找;
3. 删:O(logN);查找到要删除的key之后,将其value标记为DELETED;
4. 改:O(logN);同删除,只是将value改为新值而已;

如果key为long类型的话,可以使用LongParseArray,其实现与ParseArray相同,只是mKeys为long[]

如果key为int类型:

1. value为int类型,可以使用SparseIntArray
2. value为long类型,可以使用SparseLongArray
3. value为boolean类型,可以使用SparseBooleanArray

跟多关于Android的SparseArray相关,参考视频:

SparseArray Family Ties