基礎(chǔ)集合類

NSArray, NSSet, NSOrderedSet 和 NSDictionary

基礎(chǔ)集合類是每一個(gè) Mac/iOS 應(yīng)用的基本組成部分。在本文中，我們將對(duì)”老類” (NSArray, NSSet)和”新類” (NSMapTable, NSHashTable, NSPointerArray) 進(jìn)行一個(gè)深入的研究，探索每一個(gè)的效率細(xì)節(jié)，并討論其使用場(chǎng)景。

作者提示：本文包含一些參照結(jié)果，但它們并不意味著絕對(duì)精確，也沒有進(jìn)行均差分析及多次的測(cè)試。這些結(jié)果的目的是給出運(yùn)行時(shí)統(tǒng)計(jì)，來幫助我們認(rèn)識(shí)到通常來說用什么會(huì)更快。所有的測(cè)試基于 iPhone 5s，使用 Xcode 5.1b1 和 iOS 7.1b1 的 64 位程序。編譯選項(xiàng)設(shè)置為 -Ofast 的發(fā)布構(gòu)建。Vectorize loops 和 unroll loops (默認(rèn)設(shè)置) 均設(shè)置為關(guān)閉。

大 O 符號(hào)，算法復(fù)雜度計(jì)量

首先，我們需要一些理論知識(shí)。效率通常用大 O 符號(hào)描述。它定義了一個(gè)函數(shù)的極限特征，通常被用于描繪其算法效率。O 定義了函數(shù)增長(zhǎng)率的上限。不同量級(jí)的差異非常巨大，可以看看通常使用的 O 符號(hào)的量級(jí)以及它們所對(duì)應(yīng)需要的操作數(shù)的關(guān)系。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/7-1.png" alt="" />

例如，如果用算法復(fù)雜度為 O(n^2)的算法對(duì)一個(gè)有 50 個(gè)元素的數(shù)組排序，需要 2,500 步的操作。而且，還有內(nèi)部的系統(tǒng)開銷和方法調(diào)用 — 所以是 250 0個(gè)操作的時(shí)間常量。 O(1)是理想的復(fù)雜度，代表著恒定的時(shí)間。好的排序算法通常需要 O(n*log n) 的時(shí)間。

可變性

大多數(shù)的集合類存在兩個(gè)版本:可變和不可變(默認(rèn))。這和其他大多數(shù)的框架有非常大的不同，一開始會(huì)讓人覺得有一點(diǎn)奇怪。然而其他的框架現(xiàn)在也應(yīng)用了這一特性：就在幾個(gè)月前，.NET公布了作為官方擴(kuò)展的不可變集合。

最大的好處是什么？線程安全。不可變的集合完全是線程安全的，可以同時(shí)在多個(gè)線程中迭代，避免各種轉(zhuǎn)變時(shí)出現(xiàn)異常的風(fēng)險(xiǎn)。你的 API 絕不應(yīng)該暴露一個(gè)可變的集合。

當(dāng)然從不可變到可變?nèi)缓笤倩貋硎菚?huì)有一定代價(jià)的 — 對(duì)象必須被拷貝兩次，所有集合內(nèi)的對(duì)象將被 retain/release。有時(shí)在內(nèi)部使用一個(gè)可變的集合，而在訪問時(shí)返回一個(gè)不可變的對(duì)象副本會(huì)更高效。

與其他框架不同的是，蘋果沒有提供一個(gè)線程安全的可變集合，NSCache 是例外，但它真的算不上是集合類，因?yàn)樗皇且粋€(gè)通用的容器。大多數(shù)時(shí)候，你不會(huì)需要在集合層級(jí)的同步特性。想象一段代碼，作用是檢查字典中一個(gè) key 是否存在，并根據(jù)檢查結(jié)果決定設(shè)置一個(gè)新的 key 或者返回某些值 — 你通常需要把多個(gè)操作歸類，這時(shí)線程安全的可變集合并不能對(duì)你有所幫助。

其實(shí)也有一些同步的，線程安全的可以使用的可變集合案例，它們往往只需要用幾行代碼，通過子類和組合的方法建立，比如這個(gè) NSDictionary 或這個(gè) NSArray。

需要注意的是，一些較新的集合類，如 NSHashTable，NSMapTable 和 NSPointerArray 默認(rèn)就是可變的，它們并沒有對(duì)應(yīng)的不可變的類。它們用于類的內(nèi)部使用，你基本應(yīng)該不會(huì)能找到需要它們的不可變版本的應(yīng)用場(chǎng)景。

NSArray

NSArray 作為一個(gè)存儲(chǔ)對(duì)象的有序集合，可能是被使用最多的集合類。這也是為什么它有自己的比原來的 [NSArray arrayWithObjects:..., nil] 簡(jiǎn)短得多的快速語(yǔ)法糖符號(hào) @[...]。 NSArray 實(shí)現(xiàn)了 objectAtIndexedSubscript:，因?yàn)槲覀兛梢允褂妙?C 的語(yǔ)法 array[0] 來代替原來的 [array objectAtIndex:0]。

性能特征

關(guān)于 NSArray 的內(nèi)容比你想象的要多的多。基于存儲(chǔ)對(duì)象的多少，它使用各種內(nèi)部的變體。最有趣的部分是蘋果對(duì)于個(gè)別的對(duì)象訪問并不保證 O(1) 的訪問時(shí)間 — 正如你在 CFArray.h CoreFoundation 頭文件中的關(guān)于算法復(fù)雜度的注解中可以讀到的:

對(duì)于 array 中值的訪問時(shí)間，不管是在現(xiàn)在還是將來，我們保證在任何一種實(shí)現(xiàn)下最壞情況是 O(lg N)。但是通常來說它會(huì)是 O(1) (常數(shù)時(shí)間)。線性搜索操作很可能在最壞情況下的復(fù)雜度為 O(N*lg N)，但通常來說上限會(huì)更小一些。插入和刪除操作耗時(shí)通常和數(shù)組中的值的數(shù)量成線性關(guān)系。但在某些實(shí)現(xiàn)的最壞情況下會(huì)是 O(N*lg N) 。在數(shù)組中，沒有對(duì)于性能上特別有優(yōu)勢(shì)的數(shù)據(jù)位置，也就是說，為了更快地訪問到元素而將其設(shè)為在較低的 index 上，或者在較高的 index 上進(jìn)行插入和刪除，或者類似的一些做法，是沒有必要的。

在測(cè)量的時(shí)候，NSArray 產(chǎn)生了一些有趣的額外的性能特征。在數(shù)組的開頭和結(jié)尾插入/刪除元素通常是一個(gè) O(1)操作，而隨機(jī)的插入/刪除通常是 O(N) 的。

有用的方法

NSArray 的大多數(shù)方法使用 isEqual: 來檢查對(duì)象間的關(guān)系(例如 containsObject: 中)。有一個(gè)特別的方法 indexOfObjectIdenticalTo: 用來檢查指針相等，如果你確保在同一個(gè)集合中搜索，那么這個(gè)方法可以很大的提升搜索速度。 在 iOS 7 中，我們最終得到了與 lastObject 對(duì)應(yīng)的公開的 firstObject 方法，對(duì)于空數(shù)組，這兩個(gè)方法都會(huì)返回 nil — 而常規(guī)的訪問方法會(huì)拋出一個(gè) NSRangeException 異常。

關(guān)于構(gòu)造（可變）數(shù)組有一個(gè)漂亮的細(xì)節(jié)可以節(jié)省代碼量。如果你通過一個(gè)可能為 nil 的數(shù)組創(chuàng)建一個(gè)可變數(shù)組，通常會(huì)這么寫:

NSMutableArray *mutableObjects = [array mutableCopy];
if (!mutableObjects) {
    mutableObjects = [NSMutableArray array];
}

或者通過更簡(jiǎn)潔的三元運(yùn)算符:

NSMutableArray *mutableObjects = [array mutableCopy] ?: [NSMutableArray array];

更好的解決方案是使用arrayWithArray:，即使原數(shù)組為nil，該方法也會(huì)返回一個(gè)數(shù)組對(duì)象:

NSMutableArray *mutableObjects = [NSMutableArray arrayWithArray:array];

這兩個(gè)操作在效率上幾乎相等。使用 copy 會(huì)快一點(diǎn)點(diǎn)，不過話說回來，這不太可能是你應(yīng)用的瓶頸所在。提醒：不要使用 [@[] mutableCopy]。經(jīng)典的[NSMutableArray array]可讀性更好。

逆序一個(gè)數(shù)組非常簡(jiǎn)單：array.reverseObjectEnumerator.allObjects。我們使用系統(tǒng)提供的 reverseObjectEnumerator，每一個(gè) NSEnumerator 都實(shí)現(xiàn)了 allObjects，該方法返回一個(gè)新數(shù)組。雖然沒有原生的 randomObjectEnumerator 方法，你可以寫一個(gè)自定義的打亂數(shù)組順序的枚舉器或者使用一些出色的開源代碼。

數(shù)組排序

有很多各種各樣的方法來對(duì)一個(gè)數(shù)組排序。如果數(shù)組存儲(chǔ)的是字符串對(duì)象，sortedArrayUsingSelector:是第一選擇:

NSArray *array = @[@"John Appleseed", @"Tim Cook", @"Hair Force One", @"Michael Jurewitz"];
NSArray *sortedArray = [array sortedArrayUsingSelector:@selector(localizedCaseInsensitiveCompare:)];

下面的代碼對(duì)存儲(chǔ)數(shù)字的內(nèi)容同樣很好，因?yàn)?NSNumber 實(shí)現(xiàn)了 compare::

NSArray *numbers = @[@9, @5, @11, @3, @1];
NSArray *sortedNumbers = [numbers sortedArrayUsingSelector:@selector(compare:)];

如果想更可控，可以使用基于函數(shù)指針的排序方法:

- (NSData *)sortedArrayHint;
- (NSArray *)sortedArrayUsingFunction:(NSInteger (*)(id, id, void *))comparator
                          context:(void *)context;
- (NSArray *)sortedArrayUsingFunction:(NSInteger (*)(id, id, void *))comparator
                          context:(void *)context hint:(NSData *)hint;

蘋果增加了一個(gè)方法來加速使用 sortedArrayHint 的排序。

hinted sort 方式在你有一個(gè)已排序的大數(shù)組 (N 個(gè)元素) 并且只改變其中一小部分（P 個(gè)添加和刪除，這里 P遠(yuǎn)小于 N）時(shí)，會(huì)非常有效。你可以重用原來的排序結(jié)果，然后在 N 個(gè)老項(xiàng)目和 P 個(gè)新項(xiàng)目進(jìn)行一個(gè)概念上的歸并排序。為了得到合適的 hint，你應(yīng)該在原來的數(shù)組排序后使用 sortedArrayHint 來在你需要的時(shí)候(比如在數(shù)組改變后想重新排序時(shí))保證持有它。

因?yàn)閎lock的引入，也出現(xiàn)了一些基于block的排序方法:

- (NSArray *)sortedArrayUsingComparator:(NSComparator)cmptr;
- (NSArray *)sortedArrayWithOptions:(NSSortOptions)opts
                usingComparator:(NSComparator)cmptr;

性能上來說，不同的方法間并沒有太多的不同。有趣的是，基于 selector 的方式是最快的。你可以在 GitHub 上找到測(cè)試用的源代碼:

Sorting 1000000 elements. selector: 4947.90[ms] function: 5618.93[ms] block: 5082.98[ms].

二分查找

NSArray 從 iOS 4 / Snow Leopard 開始內(nèi)置了二分查找

typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, NSBinarySearchingOptions) {
    NSBinarySearchingFirstEqual     = (1UL << 8),
    NSBinarySearchingLastEqual      = (1UL << 9),
    NSBinarySearchingInsertionIndex = (1UL << 10),
};

- (NSUInteger)indexOfObject:(id)obj
          inSortedRange:(NSRange)r
                options:(NSBinarySearchingOptions)opts
        usingComparator:(NSComparator)cmp;

為什么要使用這個(gè)方法？類似 containsObject: 和 indexOfObject: 這樣的方法從 0 索引開始搜索每個(gè)對(duì)象直到找到目標(biāo) — 這樣不需要數(shù)組被排序，但是卻是 O(n)的效率特性。如果使用二分查找的話，需要數(shù)組事先被排序，但在查找時(shí)只需要 O(log n) 的時(shí)間。因此，對(duì)于 一百萬(wàn)條記錄，二分查找法最多只需要 21 次比較，而傳統(tǒng)的線性查找則平均需要 500,000 次的比較。

這是個(gè)簡(jiǎn)單的衡量二分查找有多快的數(shù)據(jù):

Time to search for 1000 entries within 1000000 objects. Linear: 54130.38[ms]. Binary: 7.62[ms]

作為比較，查找 NSOrderedSet 中的指定索引花費(fèi) 0.23 毫秒 — 就算和二分查找相比也又快了 30 多倍。

記住排序的開銷也是昂貴的。蘋果使用復(fù)雜度為 O(n*log n) 的歸并排序，所以如果你執(zhí)行一次 indexOfObject: 的話，就沒有必要使用二分查找了。

通過指定 NSBinarySearchingInsertionIndex，你可以獲得正確的插入索引，以確保在插入元素后仍然可以保證數(shù)組的順序。

枚舉和總覽

作為測(cè)試，我們來看一個(gè)普通的使用場(chǎng)景。從一個(gè)數(shù)組中過濾出一些元素組成另一個(gè)數(shù)組。這些測(cè)試都包括了枚舉的方法以及使用 API 進(jìn)行過濾的方式：

// 第一種方式，使用 `indexesOfObjectsWithOptions:passingTest:`.
NSIndexSet *indexes = [randomArray indexesOfObjectsWithOptions:NSEnumerationConcurrent
                                               passingTest:^BOOL(id obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
    return testObj(obj);
}];
NSArray *filteredArray = [randomArray objectsAtIndexes:indexes];

// 使用 predicate 過濾，包括 block 的方式和文本 predicate 的方式
NSArray *filteredArray2 = [randomArray filteredArrayUsingPredicate:[NSPredicate predicateWithBlock:^BOOL(id obj, NSDictionary *bindings) {
    return testObj(obj);
}]];

// 基于 block 的枚舉
NSMutableArray *mutableArray = [NSMutableArray array];
[randomArray enumerateObjectsUsingBlock:^(id obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
    if (testObj(obj)) {
        [mutableArray addObject:obj];
    }
}];

// 傳統(tǒng)的枚舉
NSMutableArray *mutableArray = [NSMutableArray array];
for (id obj in randomArray) {
    if (testObj(obj)) {
        [mutableArray addObject:obj];
    }
}

// 使用 NSEnumerator，傳統(tǒng)學(xué)院派
NSMutableArray *mutableArray = [NSMutableArray array];
NSEnumerator *enumerator = [randomArray objectEnumerator];
id obj = nil;
while ((obj = [enumerator nextObject]) != nil) {
    if (testObj(obj)) {
        [mutableArray addObject:obj];
    }
}

// 通過下標(biāo)使用 objectAtIndex：
NSMutableArray *mutableArray = [NSMutableArray array];
for (NSUInteger idx = 0; idx < randomArray.count; idx++) {
    id obj = randomArray[idx];
    if (testObj(obj)) {
        [mutableArray addObject:obj];
    }
}

為了更好的理解這里的效率測(cè)量，我們首先看一下數(shù)組是如何迭代的。

indexesOfObjectsWithOptions:passingTest: 必須每次都執(zhí)行一次 block 因此比傳統(tǒng)的使用 NSFastEnumeration 技術(shù)的基于 for 循環(huán)的枚舉要稍微低效一些。但是如果開啟了并發(fā)枚舉，那么前者的速度則會(huì)大大的超過后者幾乎 2 倍。iPhone 5s 是雙核的，所以這說得通。這里并沒有體現(xiàn)出來的是 NSEnumerationConcurrent 只對(duì)大量的對(duì)象有意義，如果你的集合中的對(duì)象數(shù)量很少，用哪個(gè)方法就真的無關(guān)緊要。甚至 NSEnumerationConcurrent 上額外的線程管理實(shí)際上會(huì)使結(jié)果變得更慢。

最大的輸家是 filteredArrayUsingPredicate:。NSPredicate 需要在這里提及是因?yàn)?，人們可以寫?a rel="nofollow" >非常復(fù)雜的表達(dá)式，尤其是用不基于 block 的變體。使用 Core Data 的用戶應(yīng)該會(huì)很熟悉。

為了比較的完整，我們也加入了 NSEnumerator 作為比較 — 雖然沒有任何理由再使用它了。然而它竟出人意料的快(至少還是比基于 NSPredicate 的過濾要快)，它的運(yùn)行時(shí)消耗無疑比快速枚舉更多 — 現(xiàn)在它只用于向后兼容。甚至沒有優(yōu)化過的 objectAtIndex: 都要更快些。

NSFastEnumeration

在OSX 10.5和iOS的最初版本中，蘋果增加了 NSFastEnumeration。在此之前，只有每次返回一個(gè)元素的 NSEnumeration ，每次迭代都有運(yùn)行時(shí)開銷。而快速枚舉，蘋果通過 countByEnumeratingWithState:objects:count: 返回一個(gè)數(shù)據(jù)塊。該數(shù)據(jù)塊被解析成 id 類型的 C 數(shù)組。這就是更快的速度的原因；迭代一個(gè) C 數(shù)組要快得多，而且可以被編譯器更深一步的優(yōu)化。手動(dòng)的實(shí)現(xiàn)快速枚舉是十分難辦的，所以蘋果的 FastEnumerationSample 是一個(gè)不錯(cuò)的開始，還有一篇 Mike Ash 的文章也很不錯(cuò)。

應(yīng)該用arrayWithCapacity:嗎?

初始化NSArray的時(shí)候，可以選擇指定數(shù)組的預(yù)期大小。在檢測(cè)的時(shí)候，結(jié)果是在效率上沒有差別 — 至少在統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)的測(cè)量的時(shí)間幾乎相等。有消息透漏說實(shí)際上蘋果根本沒有使用這個(gè)參數(shù)。然而使用 arrayWithCapacity: 仍然好處，它可以作為一種隱性的文檔來幫助你理解代碼:

Adding 10.000.000 elements to NSArray. no count 1067.35[ms] with count: 1083.13[ms].

子類化注意事項(xiàng)

很少有理由去子類化基礎(chǔ)集合類。大多數(shù)時(shí)候，使用 CoreFoundation 級(jí)別的類并且自定義回調(diào)函數(shù)定制自定義行為是更好的解決方案。 創(chuàng)建一個(gè)大小寫不敏感的字典，一種方法是子類化 NSDictionary 并且自定義訪問方法，使其將字符串始終變?yōu)樾?或大寫)，并對(duì)排序也做類似的修改。更快更好的解決方案是提供一組不同的 CFDictionaryKeyCallBacks 集，你可以提供自定義的 hash 和 isEqual: 回調(diào)。你可以在這里找到一個(gè)例子。這種方法的優(yōu)美之處應(yīng)該歸功于 toll-free 橋接)，它仍然是一個(gè)簡(jiǎn)單的字典，因此可以被任何使用 NSDictionary 作為參數(shù)的API接受。

子類作用的一個(gè)例子是有序字典的用例。.NET 提供了一個(gè) SortedDictionary，Java 有 TreeMap，C++ 有 std::map。雖然你可以使用 C++ 的 STL 容器，但卻無法使它自動(dòng)的 retain/release ，這會(huì)讓使用起來笨拙得多。因?yàn)?NSDictionary 是一個(gè)類簇，所以子類化跟人們想象的相比非常不同。這已經(jīng)超過了本文的討論范疇，這里有一個(gè)真實(shí)的有序字典的例子。

NSDictionary

一個(gè)字典存儲(chǔ)任意的對(duì)象鍵值對(duì)。 由于歷史原因，初始化方法 [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:object, key, nil] 使用了相反的值到鍵的順序，而新的快捷語(yǔ)法則從 key 開始，@{key : value, ...}。

NSDictionary 中的鍵是被拷貝的并且需要是不變的。如果在一個(gè)鍵在被用于在字典中放入一個(gè)值后被改變的話，那么這個(gè)值就會(huì)變得無法獲取了。一個(gè)有趣的細(xì)節(jié)是，在 NSDictionary 中鍵是被 copy 的，但是在使用一個(gè) toll-free 橋接的 CFDictionary 時(shí)卻只會(huì)被 retain。CoreFoundation 類沒有通用的拷貝對(duì)象的方法，因此這時(shí)拷貝是不可能的(*)。這只適用于你使用 CFDictionarySetValue() 的時(shí)候。如果你是通過 setObject:forKey 來使用一個(gè) toll-free 橋接的 CFDictionary 的話，蘋果會(huì)為其增加額外處理邏輯，使得鍵被拷貝。但是反過來這個(gè)結(jié)論則不成立 — 使用已經(jīng)轉(zhuǎn)換為 CFDictionary 的 NSDictionary 對(duì)象，并用對(duì)其使用 CFDictionarySetValue() 方法，還是會(huì)導(dǎo)致調(diào)用回 setObject:forKey 并對(duì)鍵進(jìn)行拷貝。

(*)其實(shí)有一個(gè)現(xiàn)成的鍵的回調(diào)函數(shù) kCFCopyStringDictionaryKeyCallBacks 可以拷貝字符串，因?yàn)閷?duì)于 ObjC對(duì)象來說， CFStringCreateCopy() 會(huì)調(diào)用 [NSObject copy]，我們可以巧妙使用這個(gè)回調(diào)來創(chuàng)建一個(gè)能進(jìn)行鍵拷貝的 CFDictionary。

性能特征

蘋果在定義字典的計(jì)算復(fù)雜度時(shí)顯得相當(dāng)?shù)驼{(diào)。唯一的信息可以在 CFDictionary 的頭文件中找到:

對(duì)于字典中值的訪問時(shí)間，不管是在現(xiàn)在還是將來，我們保證在任何一種實(shí)現(xiàn)下最壞情況是 O(N)。但通常來說它會(huì)是 O(1) (常數(shù)時(shí)間)。插入和刪除操作一般來說也會(huì)是常數(shù)時(shí)間，但是在某些實(shí)現(xiàn)中最壞情況將為 O(N*N)。通過鍵來訪問值將比直接訪問值要快（如果你有這樣的操作要做的話）。對(duì)于同樣數(shù)目的值，字典需要花費(fèi)比數(shù)組多得多的內(nèi)存空間。

跟數(shù)組相似的，字典根據(jù)尺寸的不同使用不同的實(shí)現(xiàn)，并在其中無縫切換。

枚舉和總覽

過濾字典有幾個(gè)不同的方法:

// 使用 keysOfEntriesWithOptions:passingTest:，可并行
NSSet *matchingKeys = [randomDict keysOfEntriesWithOptions:NSEnumerationConcurrent
                                               passingTest:^BOOL(id key, id obj, BOOL *stop)
{
    return testObj(obj);
}];
NSArray *keys = matchingKeys.allObjects;
NSArray *values = [randomDict objectsForKeys:keys notFoundMarker:NSNull.null];
__unused NSDictionary *filteredDictionary = [NSDictionary dictionaryWithObjects:values
                                                                        forKeys:keys];

// 基于 block 的枚舉
NSMutableDictionary *mutableDictionary = [NSMutableDictionary dictionary];
[randomDict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id key, id obj, BOOL *stop) {
    if (testObj(obj)) {
        mutableDictionary[key] = obj;
    }
}];

// NSFastEnumeration
NSMutableDictionary *mutableDictionary = [NSMutableDictionary dictionary];
for (id key in randomDict) {
    id obj = randomDict[key];
    if (testObj(obj)) {
        mutableDictionary[key] = obj;
    }
}

 // NSEnumeration
 NSMutableDictionary *mutableDictionary = [NSMutableDictionary dictionary];
 NSEnumerator *enumerator = [randomDict keyEnumerator];
 id key = nil;
 while ((key = [enumerator nextObject]) != nil) {
       id obj = randomDict[key];
       if (testObj(obj)) {
           mutableDictionary[key] = obj;
       }
 }

// 基于 C 數(shù)組，通過 getObjects:andKeys: 枚舉
NSMutableDictionary *mutableDictionary = [NSMutableDictionary dictionary];
id __unsafe_unretained objects[numberOfEntries];
id __unsafe_unretained keys[numberOfEntries];
[randomDict getObjects:objects andKeys:keys];
for (int i = 0; i < numberOfEntries; i++) {
    id obj = objects[i];
    id key = keys[i];
    if (testObj(obj)) {
       mutableDictionary[key] = obj;
    }
 }

(*)使用 getObjects:andKeys: 時(shí)需要注意。在上面的代碼例子中，我們使用了可變長(zhǎng)度數(shù)組這一 C99 特性(通常，數(shù)組的數(shù)量需要是一個(gè)固定值)。這將在棧上分配內(nèi)存，雖然更方便一點(diǎn)，但卻有其限制。上面的代碼在元素?cái)?shù)量很多的時(shí)候會(huì)崩潰掉，所以我們使用基于 malloc/calloc 的分配 (和 free) 以確保安全。

為什么這次 NSFastEnumeration 這么慢？迭代字典通常需要鍵和值兩者，快速枚舉只能枚舉鍵，我們必須每次都自己獲取值。使用基于 block 的 enumerateKeysAndObjectsUsingBlock: 更高效，因?yàn)閮烧叨伎梢愿咝У谋惶崆矮@取。

這次測(cè)試的勝利者又是通過 keysOfEntriesWithOptions:passingTest: 和 objectsForKeys:notFoundMarker: 的并發(fā)迭代。代碼稍微多了一點(diǎn)，但是可以用 category 進(jìn)行漂亮的封裝。

應(yīng)該用 dictionaryWithCapacity: 嗎?

到現(xiàn)在你應(yīng)該已經(jīng)知道該如何測(cè)試了，簡(jiǎn)單的回答是不，count 參數(shù)沒有改變?nèi)魏问虑?

Adding 10000000 elements to NSDictionary. no count 10786.60[ms] with count: 10798.40[ms].

排序

關(guān)于字典排序沒有太多可說的。你只能將鍵數(shù)組排序?yàn)橐粋€(gè)新對(duì)象，因此你可以使用任何正規(guī)的 NSArray 的排序方法:

- (NSArray *)keysSortedByValueUsingSelector:(SEL)comparator;
- (NSArray *)keysSortedByValueUsingComparator:(NSComparator)cmptr;
- (NSArray *)keysSortedByValueWithOptions:(NSSortOptions)opts
                      usingComparator:(NSComparator)cmptr;

共享鍵

從 iOS 6 和 OS X 10.8 開始，新建的字典可以使用一個(gè)預(yù)先生成好的鍵集，使用 sharedKeySetForKeys: 從一個(gè)數(shù)組中創(chuàng)建鍵集，然后用 dictionaryWithSharedKeySet: 創(chuàng)建字典。共享鍵集會(huì)復(fù)用對(duì)象，以節(jié)省內(nèi)存。根據(jù) Foundation Release Notes，sharedKeySetForKeys: 中會(huì)計(jì)算一個(gè)最小完美哈希，這個(gè)哈希值可以取代字典查找過程中探索循環(huán)的需要，因此使鍵的訪問更快。

雖然在我們有限的測(cè)試中沒有法線蘋果在 NSJSONSerialization 中使用這個(gè)特性，但毫無疑問，在處理 JSON 的解析工作時(shí)這個(gè)特性可以發(fā)揮得淋漓盡致。(使用共享鍵集創(chuàng)建的字典是 NSSharedKeyDictionary 的子類；通常的字典是 __NSDictionaryI / __NSDictionaryM，I / M 表明可變性；可變和不可變的的字典在 toll-free 橋接后對(duì)應(yīng)的都是 _NSCFDictionary 類。)

有趣的細(xì)節(jié)：共享鍵字典始終是可變的，即使對(duì)它們執(zhí)行了”copy”命令后也是。這個(gè)行為文檔中并沒有說明，但很容易被測(cè)試:

id sharedKeySet = [NSDictionary sharedKeySetForKeys:@[@1, @2, @3]]; // 返回 NSSharedKeySet
NSMutableDictionary *test = [NSMutableDictionary dictionaryWithSharedKeySet:sharedKeySet];
test[@4] = @"First element (not in the shared key set, but will work as well)";
NSDictionary *immutable = [test copy];
NSParameterAssert(immutable.count == 1);
((NSMutableDictionary *)immutable)[@5] = @"Adding objects to an immutable collection should throw an exception.";
NSParameterAssert(immutable.count == 2);

NSSet

NSSet 和它的可變變體 NSMutableSet 是無序?qū)ο蠹稀z查一個(gè)對(duì)象是否存在通常是一個(gè) O(1) 的操作，使得比 NSArray 快很多。NSSet 只在被使用的哈希方法平衡的情況下能高效的工作；如果所有的對(duì)象都在同一個(gè)哈?？饍?nèi)，NSSet 在查找對(duì)象是否存在時(shí)并不比 NSArray 快多少。

NSSet 還有變體 NSCountedSet，以及非 toll-free 計(jì)數(shù)變體 CFBag / CFMutableBag。

NSSet 會(huì) retain 它其中的對(duì)象，但是根據(jù) set 的規(guī)定，對(duì)象應(yīng)該是不可變的。添加一個(gè)對(duì)象到 set 中隨后改變它會(huì)導(dǎo)致一些奇怪的問題并破壞 set 的狀態(tài)。

NSSet 的方法比 NSArray 少的多。沒有排序方法，但有一些方便的枚舉方法。重要的方法有 allObjects，將對(duì)象轉(zhuǎn)化為 NSArray，anyObject 則返回任意的對(duì)象，如果 set 為空，則返回 nil。

Set 操作

NSMutableSet 有幾個(gè)很強(qiáng)大的方法，例如 intersectSet:，minusSet: 和 unionSet:。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/7-2.png" alt="" />

應(yīng)該用setWithCapacity:嗎?

我們?cè)僖淮螠y(cè)試當(dāng)創(chuàng)建 set 時(shí)給定容量大小是否會(huì)有顯著的速度差異:

Adding 1.000.000 elements to NSSet. no count 2928.49[ms] with count: 2947.52[ms].

在統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)，結(jié)果沒有顯著差異。有一份證據(jù)表明至少在上一個(gè) runtime 版本中，有很多的性能上的影響。

NSSet 性能特征

蘋果在 CFSet 頭文件中沒有提供任何關(guān)于算法復(fù)雜度的注釋。

這個(gè)檢測(cè)非常符合我們的預(yù)期：NSSet 在每一個(gè)被添加的對(duì)象上執(zhí)行 hash 和 isEqual: 方法并管理一系列哈希值，所以在添加元素時(shí)耗費(fèi)了更多的時(shí)間。set的隨機(jī)訪問比較難以測(cè)試，因?yàn)檫@里執(zhí)行的都是 anyObject。

這里沒有必要包含 containsObject: 的測(cè)試，set 要快幾個(gè)數(shù)量級(jí)，畢竟這是它的特點(diǎn)。

NSOrderedSet

NSOrderedSet 在 iOS 5 和 Mac OS X 10.7 中第一次被引入，除了 Core Data，幾乎沒有直接使用它的 API?？瓷先ニC合了 NSArray 和 NSSet 兩者的好處，對(duì)象查找，對(duì)象唯一性，和快速隨機(jī)訪問。

NSOrderedSet 有著優(yōu)秀的 API 方法，使得它可以很便利的與其他 set 或者有序 set 對(duì)象合作。合并，交集，差集，就像 NSSet 支持的那樣。它有 NSArray 中除了比較陳舊的基于函數(shù)的排序方法和二分查找以外的大多數(shù)排序方法。畢竟 containsObject: 非?？?，所以沒有必要再用二分查找了。

NSOrderedSet 的 array 和 set 方法分別返回一個(gè) NSArray 和 NSSet，這些對(duì)象表面上是不可變的對(duì)象，但實(shí)際上在 NSOrderedSet 更新的時(shí)候，它們也會(huì)更新自己。如果你在不同線程上使用這些對(duì)象并發(fā)生了詭異異常的時(shí)候，知道這一點(diǎn)是非常有好處的。本質(zhì)上，這些類使用的是 __NSOrderedSetSetProxy 和 __NSOrderedSetArrayProxy。

附注：如果你想知道為什么 NSOrderedSet 不是 NSSet 的子類，NSHipster 上有一篇非常好的文章解釋了可變/不可變類簇的缺點(diǎn)。

NSOrderedSet 性能特征

如果你看到這份測(cè)試，你就會(huì)知道 NSOrderedSet 代價(jià)高昂了，畢竟天下沒有免費(fèi)的午餐:

這個(gè)測(cè)試在每一個(gè)集合類中添加自定義字符串，隨后隨機(jī)訪問它們。

NSOrderedSet 比 NSSet 和 NSArray 占用更多的內(nèi)存，因?yàn)樗枰瑫r(shí)維護(hù)哈希值和索引。

NSHashTable

NSHashTable 效仿了 NSSet，但在對(duì)象/內(nèi)存處理時(shí)更加的靈活。可以通過自定義 CFSet 的回調(diào)獲得 NSHashTable 的一些特性，哈希表可以保持對(duì)對(duì)象的弱引用并在對(duì)象被銷毀之后正確的將其移除，有時(shí)候如果手動(dòng)在 NSSet 中添加的話，想做到這個(gè)是挺惡心的一件事。它是默認(rèn)可變的 — 并且這個(gè)類沒有相應(yīng)的不可變版本。

NSHashTable 有 ObjC 和原始的 C API，C API 可以用來存儲(chǔ)任意對(duì)象。蘋果在 10.5 Leopard 系統(tǒng)中引入了這個(gè)類，但是 iOS 的話直到最近的 iOS 6 中才被加入。足夠有趣的是它們只移植了 ObjC API；更多強(qiáng)大的 C API 沒有包括在 iOS 中。

NSHashTable 可以通過 initWithPointerFunctions:capacity: 進(jìn)行大量的設(shè)置 — 我們只選取使用預(yù)先定義的 hashTableWithOptions: 這一最普遍的使用場(chǎng)景。其中最有用的選項(xiàng)有利用 weakObjectsHashTable 來使用其自身的構(gòu)造函數(shù)。

NSPointerFunctions

這些指針函數(shù)可以被用在 NSHashTable，NSMapTable和 NSPointerArray 中，定義了對(duì)存儲(chǔ)在這個(gè)集合中的對(duì)象的獲取和保留行為。這里只介紹最有用的選項(xiàng)。完整列表參見 NSPointerFunctions.h。

有兩組選項(xiàng)。內(nèi)存選項(xiàng)決定了內(nèi)存管理，個(gè)性化定義了哈希和相等。

NSPointerFunctionsStrongMemory 創(chuàng)建了一個(gè)r etain/release 對(duì)象的集合，非常像常規(guī)的 NSSet 或 NSArray。

NSPointerFunctionsWeakMemory 使用和 __weak 等價(jià)的方式來存儲(chǔ)對(duì)象并自動(dòng)移除被銷毀的對(duì)象。

NSPointerFunctionsCopyIn 在對(duì)象被加入到集合前拷貝它們。

NSPointerFunctionsObjectPersonality 使用對(duì)象的 hash 和 isEqual: (默認(rèn))。

NSPointerFunctionsObjectPointerPersonality 對(duì)于 isEqual: 和 hash 使用直接的指針比較。

NSHashTable 性能特征

如果你只是需要 NSSet 的特性，請(qǐng)堅(jiān)持使用 NSSet。NSHashTable 在添加對(duì)象時(shí)花費(fèi)了將近2倍的時(shí)間，但是其他方面的效率卻非常相近。

NSMapTable

NSMapTable 和 NSHashTable 相似，但是效仿的是 NSDictionary。因此，我們可以通過 mapTableWithKeyOptions:valueOptions: 分別控制鍵和值的對(duì)象獲取/保留行為。存儲(chǔ)弱引用是 NSMapTable 最有用的特性，這里有4個(gè)方便的構(gòu)造函數(shù):

• strongToStrongObjectsMapTable
• weakToStrongObjectsMapTable
• strongToWeakObjectsMapTable
• weakToWeakObjectsMapTable

注意，除了使用 NSPointerFunctionsCopyIn，任何的默認(rèn)行為都會(huì) retain (或弱引用)鍵對(duì)象而不會(huì)拷貝它，這與 CFDictionary 的行為相同而與 NSDictionary 不同。當(dāng)你需要一個(gè)字典，它的鍵沒有實(shí)現(xiàn) NSCopying 協(xié)議的時(shí)候（比如像 UIView），這會(huì)非常有用。

如果你好奇為什么蘋果”忘記”為 NSMapTable 增加下標(biāo)，你現(xiàn)在知道了。下標(biāo)訪問需要一個(gè) id<NSCopying> 作為 key，對(duì) NSMapTable 來說這不是強(qiáng)制的。如果不通過一個(gè)非法的 API 協(xié)議或者移除 NSCopying 協(xié)議來削弱全局下標(biāo)，是沒有辦法給它增加下標(biāo)的。

你可以通過 dictionaryRepresentation 把內(nèi)容轉(zhuǎn)換為普通的 NSDictionary。不像 NSOrderedSet，這個(gè)方法返回的是一個(gè)常規(guī)的字典而不是一個(gè)代理。

NSMapTable 性能特征

NSMapTable 只比 NSDictionary 略微慢一點(diǎn)。如果你需要一個(gè)不 retain 鍵的字典，放棄 CFDictionary 而使用它吧。

NSPointerArray

NSPointerArray類是一個(gè)稀疏數(shù)組，工作起來與 NSMutableArray 相似，但可以存儲(chǔ) NULL 值，并且 count 方法會(huì)反應(yīng)這些空點(diǎn)?？梢杂?NSPointerFunctions 對(duì)其進(jìn)行各種設(shè)置，也有應(yīng)對(duì)常見的使用場(chǎng)景的快捷構(gòu)造函數(shù) strongObjectsPointerArray 和 weakObjectsPointerArray。

在能使用 insertPointer:atIndex: 之前，我們需要通過直接設(shè)置 count 屬性來申請(qǐng)空間，否則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常。另一種選擇是使用 addPointer:，這個(gè)方法可以自動(dòng)根據(jù)需要增加數(shù)組的大小。

你可以通過 allObjects 將一個(gè) NSPointerArray 轉(zhuǎn)換成常規(guī)的 NSArray。這時(shí)所有的 NULL 值會(huì)被去掉，只有真正存在的對(duì)象被加入到數(shù)組 — 因此數(shù)組的對(duì)象索引很有可能會(huì)跟指針數(shù)組的不同。注意：如果向指針數(shù)組中存入任何非對(duì)象的東西，試圖執(zhí)行 allObjects 都會(huì)造成 EXC_BAD_ACCESS 崩潰，因?yàn)樗鼤?huì)一個(gè)一個(gè)地去 retain ”對(duì)象”。

從調(diào)試的角度講，NSPointerArray沒有受到太多歡迎。description方法只是簡(jiǎn)單的返回了<NSConcretePointerArray: 0x17015ac50>。為了得到所有的對(duì)象需要執(zhí)行[pointerArray allObjects]，當(dāng)然，如果存在NULL的話會(huì)改變索引。

NSPointerArray 性能特征

在性能方面， NSPointerArray 真的非常非常慢，所以當(dāng)你打算在一個(gè)很大的數(shù)據(jù)集合上使用它的時(shí)候一定要三思。在本測(cè)試中我們比較了使用 NSNull 作為空標(biāo)記的 NSMutableArray ，而對(duì) NSPointerArray 我們用 NSPointerFunctionsStrongMemory 來進(jìn)行設(shè)置 (這樣對(duì)象會(huì)被適當(dāng)?shù)?retain)。在一個(gè)有 10,000 個(gè)元素的數(shù)組中，我們每隔十個(gè)插入一個(gè)字符串 ”Entry %d”。此測(cè)試包括了用 NSNull.null 填充 NSMutableArray 的總時(shí)間。對(duì)于 NSPointerArray，我們使用 setCount: 來代替:

注意 NSPointerArray 需要的時(shí)間比 NSMutableArray 多了超過 250 倍(!) 。這非常奇怪和意外。跟蹤內(nèi)存是比較困難的，所以按理說 NSPointerArray 會(huì)更高效才對(duì)。不過由于我們使用的是同一個(gè) NSNull 來標(biāo)記空對(duì)象，所以除了指針也沒有什么更多的消耗。

NSCache

NSCache 是一個(gè)非常奇怪的集合。在 iOS 4 / Snow Leopa