Dictionary, SortedDictionary, SortedList 比较

Dictionary, SortedDictionary, SortedList 是 .NET Framework 的三个支持泛型和关键字查找的类, 都属于 System.Collections.Generic 命名空间. 它们无论是名字还是功能都十分相似, 以至于实际运用的时候我们会经常混淆. 因此有必要比较一下它们.

1. 实现
查阅 MSDN 得到如下资料:
Dictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 泛型类提供了从一组键到一组值的映射。字典中的每个添加项都由一个值及其相关联的键组成。通过键来检索值的速度是非常快的，接近于 O(1)，这是因为 Dictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 类是作为一个哈希表来实现的。
检索速度取决于为 TKey 指定的类型的哈希算法的质量。

可见, Dictionary 基本上就是一个 Hashtable. 不过它比 Hashtable 类快, 因为它支持泛型~ (稍后我们会用实验证明, 即使使用 Object 类型的 Dictionary 也比 Hashtable 稍快).

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SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 泛型类是检索运算复杂度为 O(log n) 的二叉搜索树，其中 n 是字典中的元素数。就这一点而言，它与 SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 泛型类相似。这两个类具有相似的对象模型，并且都具有 O(log n) 的检索运算复杂度。这两个类的区别在于内存的使用以及插入和移除元素的速度：

SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 使用的内存比 SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 少。

SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 可对未排序的数据执行更快的插入和移除操作：它的时间复杂度为 O(log n)，而 SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 为 O(n)。

如果使用排序数据一次性填充列表，则 SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 比 SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 快。

每个键/值对都可以作为 KeyValuePair<(Of <(TKey, TValue>)>) 结构进行检索，或作为 DictionaryEntry 通过非泛型 IDictionary 接口进行检索。

只要键用作 SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 中的键，它们就必须是不可变的。SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 中的每个键必须是唯一的。键不能为 nullNothingnullptrnull 引用（在 Visual Basic 中为 Nothing），但是如果值类型 TValue 为引用类型，该值则可以为空。

SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 需要比较器实现来执行键比较。可以使用一个接受 comparer 参数的构造函数来指定 IComparer<(Of <(T>)>) 泛型接口的实现；如果不指定实现，则使用默认的泛型比较器 Comparer<(Of <(T>)>)..::.Default。如果类型 TKey 实现 System..::.IComparable<(Of <(T>)>) 泛型接口，则默认比较器使用该实现。

C# 语言的 foreach 语句（在 C++ 中为 for each，在 Visual Basic 中为 For Each）需要集合中每个元素的类型。由于 SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 的每个元素都是一个键/值对，因此元素类型既不是键的类型，也不是值的类型。而是 KeyValuePair<(Of <(TKey, TValue>)>) 类型。

可见, SortedDictionary 类似一个平衡二叉查找树 (AVL). 既然是 BST, 我们当然可以对其进行中序遍历. 有两种方法:
1. For Each
2. Object.GetEnumerator

小实验:

1. Dim TestObject As New SortedDictionary(Integer, Integer)
2. With TestObject
3.     .Add(7,2)
4.     .Add(0,1)
5.     .Add(5,3)
6.     .Add(1,1)
7.     .Add(4,4)
8. End With
9. For Each kvp As Collections.Generic.KeyValuePair(Of Integer, Integer) In TestObject
10.     MsgBox kvp.Key
11. Next

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得到的顺序是 0, 1, 4, 5, 7 (SortedList 同样)
但是如果把 SortedDictionary 换成 Dictionary, 结果就是 7, 0, 5, 1, 4.

另一种遍历方法:

1. With TestObjectx.GetEnumerator()
2.     While .MoveNext()
3.         MsgBox(.Current.Key)
4.     End While
5. End With

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SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 泛型类是具有 O(log n) 检索的二进制搜索树，其中 n 是字典中元素的数目。就这一点而言，它与 SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 泛型类相似。这两个类具有相似的对象模型，并且都具有 O(log n) 的检索运算复杂度。这两个类的区别在于内存的使用以及插入和移除元素的速度：

SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 使用的内存比 SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 少。

SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 可对未排序的数据执行更快的插入和移除操作，它的运算复杂度为 O(log n)，而 SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 的运算复杂度为 O(n)。

如果使用排序数据一次性填充列表，则 SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 比 SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 快。

SortedDictionary<(Of <(TKey, TValue>)>) 类和 SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 类之间的另一个区别是：SortedList<(Of <(TKey, TValue>)>) 支持通过由 Keys 和 Values 属性返回的集合对键和值执行高效的索引检索。访问此属性时无需重新生成列表，因为列表只是键和值的内部数组的包装。

二叉树的插入操作怎么是 O(n)?

网上有一种说法, 就是 SortedList 内部就是两个数组, 插入的时候类似 O(n^2) 的插入排序 (每个动作为 O(n)), 不过插入有序数据特别快 (每个动作变成 O(1)). 同样的情况出现在删除数据.

1. Dim TestObject As New SortedList(Of Integer, Integer)
2. For i As Integer = 1 To 1000000
3.     TestObject.Add(i, RandomGenerator.Next())
4. Next

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当然, RandomGenerator 是我们的随机数发生器:

1. Dim RandomGenerator As New Random

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上述代码执行速度相当快, 因为插入的数据的 Key 值是有序的.
如果把 i 换成 1000000 - i, 则速度立刻慢得惨不忍睹.
同样的情况出现在把 i 替换成随机数. 在一段时间的等待后出错: 因为 Key 值不能重复.
这样说来, SortedList 不太像二叉树结构.

SortedList 还有一个功能, 就是直接访问 Key 值大小排名为 k 的 Key 和 Value.
方法是 Object.Keys(k) 和 Object.Values(k).
这更加印证了网上的说法.

我认为 SortedList 没什么用 - 除非是对基本有序的数据, 或者对内存非常吝啬. 如果仅仅需要在 BST 上加上查找排名为 k 的节点的功能, 可以使用一个经典算法: 在每个节点上加上一个 leftsize, 储存它左子树的大小. (当然也可以用 CQF 的 SBT. 那个 SB maintain... 扯远了~)

2. 功能
这三个类的功能上面都讲得差不多了. 因为实现就决定了功能. 这里小结一下.
Dictionary 的功能:
Add<K,V>, Clear, Contains<K/V>, GetCount, Enumerator (无序), GetItem<K>, Remove<K>
SortedDictionary 新增的功能:
Enumerator 为有序 - 对应 BST 的中序遍历.
SortedList 新增的功能:
Capacity(Set/Get) - 毕竟人家是数组
IndexOfKey, IndexOfValue (返回 Value 对应 Key 的排名而不是 Value 的排名)
Keys(k), Values(k) - 返回按照 Key 排序的数组的第 k 个元素

3. 速度
实践出真知 - 某名人.
理论和实践不符就是错的 - Thity.

我们的测试程序:

1. Module DictionarySpeedTest
2.     Dim RandomGenerator As New Random
3.     Dim ArrayListData As New List(Of Key_N_Data)
4.     Dim TestObject As New Dictionary(Of Long, Long)
5.     Structure Key_N_Data
6.         Dim Key As Int64
7.         Dim Data As Int64
8.     End Structure
9.     Const ITEM_COUNT As Integer = 1000000
10.     Const TEST_COUNT As Integer = 500000
11.     Dim LastTick As Long
12.     Sub TimerStart(ByVal Text As String)
13.         Console.Write(Text)
14.         LastTick = Now.Ticks
15.     End Sub
16.     Sub TimerEnd()
17.         Dim t As Integer = Now.Ticks - LastTick
18.         Console.WriteLine(((t) \ 10000).ToString() & " ms")
19.     End Sub
20.     Sub Main()
21.         Process.GetCurrentProcess.PriorityClass = ProcessPriorityClass.High
22.         Console.WriteLine(TestObject.GetType().ToString())
23.         TimerStart("Generating data... ")
24.         For i As Integer = 1 To ITEM_COUNT
25.             Dim ThisKeyData As Key_N_Data
26.             ThisKeyData.Key = (CLng(RandomGenerator.Next()) << 31) or RandomGenerator.Next()
27.             ThisKeyData.Data = (CLng(RandomGenerator.Next()) << 31) or RandomGenerator.Next()
28.             ArrayListData.Add(ThisKeyData)
29.         Next
30.         TimerEnd()
31.         TimerStart("Test 1: add data test... ")
32.         For Each Item As Key_N_Data In ArrayListData
33.             TestObject.Add(Item.Key, Item.Data)
34.         Next
35.         TimerEnd()
36.         TimerStart("Test 2: find data test... ")
37.         For i As Integer = 1 To TEST_COUNT
38.             With ArrayListData.Item(RandomGenerator.Next(0, ITEM_COUNT))
39.                 If Not Equals(TestObject(.Key), .Data) Then MsgBox("Error!")
40.             End With
41.         Next
42.         TimerEnd()
43.         TimerStart("Test 3: remove data test...")
44.         For i As Integer = 1 To TEST_COUNT
45.             TestObject.Remove(ArrayListData.Item(RandomGenerator.Next(0, ITEM_COUNT)).Key)
46.         Next
47.         TimerEnd()
48.     End Sub
49. End Module

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通过更改 TestObject 的类型, 我们可以很方便地比较这三个类的速度. 测试结果:

                 ADD    FIND   REMOVE
Dictionary       265ms  203ms  187ms
SortedDictionary 1843ms 828ms  1234ms
SortedList       N/A

我们把 ITEM_COUNT 和 TEST_COUNT 都减小 10 倍:

                 ADD    FIND   REMOVE
Dictionary       15ms   31ms   15ms
SortedDictionary 93ms   46ms   38ms
SortedList       8031ms 15ms   6046ms

SortedList 的随机查找居然比 Dictionary 和 SortedDictionary (Hashtable 和 BST) 还要快. 这样说来, SortedList 似乎又不是简单的数组了. (不过我仍然觉得它没什么用)

4. 小结
如果只是当作索引使用, 请用 Dictionary.
如果需要查找最小的几个元素, 或者需要按顺序遍历元素, 就用 SortedDictionary.
如果输入/删除的元素是基本增序的, 或者访问次数远多于修改次数, 或者需要访问第 k 大的元素, 或者对内存吝啬得 BT 的情况, 用 SortedList 吧. (它居然成使用情况最多的了... orz)

PS: 微软似乎也很吝啬, SortedDictionary 居然只支持增序 (默认的比较器), 如果要降序的话, 我们得自己写一个比较器.

1. Class MyComparer
2.     Inherits Comparer(Of Long)
3.     Public Overrides Function Compare(ByVal x As Long, ByVal y As Long) As Integer
4.         Return Comparer(Of Long).Default.Compare(y, x)
5.     End Function
6. End Class
7. Dim TestObject As New SortedList(Of Long, Long)(New MyComparer)

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现在我们可以来进行一下刚开始的时候提到的 Dictionary vs Hashtable 对决.

1. Const ITEM_COUNT As Integer = 1000000
2. Const TEST_COUNT As Integer = 500000

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ADD   FIND  REMOVE
Dictionary(Of Long, Long)     271ms 203ms 187ms
Dictionary(Of Object, Object) 468ms 312ms 234ms
Hashtable                     859ms 390ms 218ms

结论: 最好用 Dictionary 代替 Hashtable.