2012-12-29 02:26 by 老赵, 1745 visits

众所周知,.NET中Dictionary的键不能为null,否则会抛出NullReferenceException,这在某些时候会显的很麻烦。与此相对的是Java中的HashMap支持以null为键,则方便许多。尽管null的确不是个好东西,但它既然已经存在,既然给我们造成了麻烦,我们就要想办法去解决它。实现一个自己的字典类自然可行,但要精心实现一个高效的字典并不是件容易的事情,例如BCL中的Dictionary.cs就有超过2000行代码。此外另一个容易想到的方法便是实现IDictionary接口,将大部分实现委托给现成的Dictionary类来完成。不过,这相比我在这里要提出的方法还是显得太复杂了。

在编程语言中引入null其实是件很自然的事情,因为我们都在冯诺依曼机上进行开发,内存的访问方式便是“地址”,于是便有了nullNIL等类似的事物来表示一个指针没有指向任何一块地址,但与之相伴的便是各类错误。毕竟null这玩意儿过于透明,编译器在许多时候没法通过静态分析来检查出问题,所以在一些“非冯模型”的编程语言里都会避免使用null。例如在Haskell中,就使用Maybe这种数据类型来代替null。假如在C#中来模拟Maybe的话,其实就类似于:

public abstract class Maybe<T> { }

public sealed class Nothing<T> : Maybe<T> {
public static Nothing<T> Instance = new Nothing<T>(); private Nothing() { }
} public sealed class Just<T> : Maybe<T> {
private readonly T _value; public Just(T value) {
_value = value;
} public T Value { get { return _value; } }
}

Maybe类型中没有null,“有值”则是Just,“无值”则是Nothing。而TMaybe<T>并不兼容,再获取一个Maybe<T>类型的数据之后,则必须在逻辑分支里对NothingJust两种情况进行处理,于是就不会出现NullReferenceException。从理论上说,我们也可以使用这种方式来解决Dictionary中键不能为null的问题,只要用Dictionary<Maybe<TKey>, TValue>来代替Dictionary<TKey, TValue>即可,但实际上这种方式还是有两个缺点:

  1. 我们还是可以向字典的键传递null。不过幸运的是,编译器不会把TKeynull当做Maybe<TKey>null来使用,因此更大的问题在于:
  2. 除了Nothing以外,我们每次都要创建一个新对象,每个新对象都占用两个额外的字长(即8个或16个字节),这对GC来说会带来压力。

不过以上两个问题的解决办法也是显而易见的,那就是使用struct来代替class。在C#中有两个常被忽视,但对于性能有莫大关系的能力,一是unsafe代码,二便是可自定义的struct类型。struct不会对GC造成压力,并且不会占用额外的内存,可能唯一的问题便是用作泛型时会生成一份额外的可执行代码,且无法继承了。

无法继承没有关系,其实我们也不需要严格按照Maybe的数据模型来实现,只要能够解决问题即可。例如,我们可以使用这么一个NullableKey类型:

public struct NullableKey<T> {
private readonly T _value; public NullableKey(T value) {
_value = value;
} public T Value {
get { return _value; }
}
}

重载了GetHashCodeEquals方法以后,我们便可以使用NullableKey<T>来代替普通的T作为Dictionary的键。更有意思的是,我们可以为定义Nullable<T>T之间的隐式转换,这样在很多场合下可以方便我们编写代码,例如:

var dict = new Dictionary<NullableKey<string>, int>();
dict[null] = 1; foreach (string key in dict.Keys) {
Console.WriteLine(key ?? "<null>");
}

由于Dictionary还支持使用自定义的IEqualityComparer类型,因此我也提供了一个配套的NullableKeyEqualityComparer<T>类,可以用来封装一个自定义的IEqualityComparer<T>,并提供IEqualityComparer<NullableKey<T>>的功能,例如:

var stringComparer = StringComparer.OrdinalIgnoreCase; // IEqualityComparer<string>
var keyComparer = new NullableKeyEqualityComparer<string>(stringComparer);
var dict = new Dictionary<NullableKey<string>, int>(keyComparer);

NullableKeyNullableKeyEqualityComparer的代码我已经提交至GitHub里的Tmc项目里。所谓Tmc,即缩写之The Missing Collections,我会放一些平时较为常用的,但BCL以及Power CollectionsC5等常用第三方类库所没有提供的集合。东西不会多(毕竟已经有BCL和第三方类库了),但总比每次都重写要好。也希望大家也可以帮我审阅代码,尤其要着重检查效率方面的问题。毕竟是通用类库,我希望可以在效率方面也有很好的保证。

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