NSDictionary底层实现原理

NSDictionary介绍

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。

实现原理

NSDictionary（字典）是使用哈希表 Hash table（也叫散列表）来实现的。哈希表是根据键（Key）而直接访问在内存存储位置的数据结构。也就是说，它通过计算一个关于键（key）值的函数，将所需查询的数据映射到表中一个位置来访问记录，这加快了查找速度。这个映射函数称做散列函数，存放记录的数组称做哈希表。也就是说哈希表的本质是一个数组，数组中每一个元素其实就是NSDictionary键值对。

若关键字为k，则其值存放在f(k)的存储位置上。由此，不需比较便可直接取得所查记录。称这个对应关系f为哈希函数。

哈希冲突：如果关键字k不同，但是通过哈希函数f(k)得到的结果是一样的，这样就会出现哈希冲突，也就是说，得到的这个地址有可能已经存在键值对了。

解决冲突：可以通过优化哈希函数来减少冲突的几率，如果冲突已经发生，可以通过开放寻址法或者拉链法解决冲突。
拉链法解决冲突:大概原理就是将同一个存储位置的所有元素保存在一个链表中。 

哈希表的查找效率

影响哈希表的查找效率主要问题是冲突问题，如果冲突较多，查找效率就会低。
冲突原因主要是以下三个

哈希函数是否均匀；
哈希冲突处理的方法；
哈希表的负载因子 。

哈希表的负载因子 = 填入表中的元素个数 / 哈希表的长度

也就是说，哈希表越满，负载因子越大。

Example:

问：当用一个不存在的key来查找两个不同长度的字典，那么哪个效率会高？
答：表面上看可能是一样快，因为字典底层都用了哈希表，查找的时间复杂度为 O(1)，（最差的时候是O(n)）都是一样的，但是可能会由于两个哈希表的负载因子不同，倒是查找的时间也是不同的。

NSDictionary内部结构

NSDictionary使用NSMapTable实现，NSMapTable同样是一个key－value的容器。

typedef struct {
   NSMapTable        *table;
   NSInteger          i;
   struct _NSMapNode *j;
} NSMapEnumerator;

上述结构体描述了遍历一个NSMapTable时的一个指针对象，其中包含table对象自身的指针，计数值，和节点指针。
 

typedef struct {
   NSUInteger (*hash)(NSMapTable *table,const void *);
   BOOL (*isEqual)(NSMapTable *table,const void *,const void *);
   void (*retain)(NSMapTable *table,const void *);
   void (*release)(NSMapTable *table,void *);
   NSString  *(*describe)(NSMapTable *table,const void *);
   const void *notAKeyMarker;
} NSMapTableKeyCallBacks;
 

上述结构体中存放的是几个函数指针，用于计算key的hash值，判断key是否相等，retain，release操作。

typedef struct {
   void       (*retain)(NSMapTable *table,const void *);
   void       (*release)(NSMapTable *table,void *);
   NSString  *(*describe)(NSMapTable *table, const void *);
} NSMapTableValueCallBacks; 

上述存放的三个函数指针，定义在对NSMapTable插入一对key－value时，对value对象的操作。

@interface NSMapTable : NSObject {
   NSMapTableKeyCallBacks   *keyCallBacks;
   NSMapTableValueCallBacks *valueCallBacks;
   NSUInteger             count;
   NSUInteger             nBuckets;
   struct _NSMapNode  **buckets;
} 

可以看出来NSMapTable是一个哈希＋链表的数据结构，因此在NSMapTable中插入或者删除一对对象时，
寻找的时间是O（1）＋O（m），m最坏时可能为n。

• O（1）：为对key进行hash得到bucket的位置
• O（m）：遍历该bucket后面冲突的value，通过链表连接起来。

因此NSDictionary中的Key-Value遍历时是无序的，至如按照什么样的顺序，跟hash函数相关。NSMapTable使用NSObject的哈希函数。

- (NSUInteger)hash {
   return (NSUInteger)self>>4;
}

上述是NSObject的哈希值的计算方式，简单通过移位实现。右移4位，左边补0。因为对象大多存于堆中，地址相差4位应该很正常。

注意 

(1) setValue: ForKey:的value是可以为nil的（但是当value为nil且key存在的时候，会自动调用removeObject：forKey方法）；
setObject: ForKey:的value则不可以为nil。
(2) setValue: ForKey:的key必须是不为nil的字符串类型；

setObject: ForKey:的key可以是不为nil的所有继承NSCopying的类型。

NSDictionary初始化时候Value不能为nil