从内部剖析C# 集合之--Dictionary

 Dictionary和hashtable用法有点相似，他们都是基于键值对的数据集合，但实际上他们内部的实现原理有很大的差异，

先简要概述一下他们主要的区别，稍后在分析Dictionary内部实现的大概原理。

区别：1，Dictionary支持泛型，而Hashtable不支持。

        2，Dictionary没有装填因子（Load Facto）概念，当容量不够时才扩容（扩容跟Hashtable一样，也是两倍于当前容量最小素数），Hashtable是“已装载元素”与”bucket数组长度“大于装载因子时扩容。

        3，Dictionary内部的存储value的数组按先后插入的顺序排序，Hashtable不是。

       4，当不发生碰撞时，查找Dictionary需要进行两次索引定位，Hashtable需一次，。

 Dictionary采用除法散列法来计算存储地址，想详细了解的可以百度一下，简单来说就是其内部有两个数组：buckets数组和entries数组(entries是一个Entry结构数组)，entries有一个next用来模拟链表，该字段存储一个int值，指向下一个存储地址（实际就是bukets数组的索引），当没有发生碰撞时，该字段为-1，发生了碰撞则存储一个int值，该值指向bukets数组.

下面跟上次一样，按正常使用Dictionary时，看内部是如何实现的。

一，实例化一个Dictionary, Dictionary<string,string> dic=new Dictionary<string,string>();

    a,调用Dictionary默认无参构造函数。

    b,初始化Dictionary内部数组容器：buckets int[]和entries<T,V>[]，分别分配长度3。（内部有一个素数数组:3,7,11,17....如图：）；

  二，向dic添加一个值,dic.add("a","abc");

     a,将bucket数组和entries数组扩容3个长度。

     b,计算"a"的哈希值,

     c,然后与bucket数组长度（3）进行取模计算，假如结果为：2

     d,因为a是第一次写入，则自动将a的值赋值到entriys[0]的key,同理将"abc"赋值给entriys[0].value,将上面b步骤的哈希值赋值给entriys[0].hashCode,

       entriys[0].next 赋值为-1,hashCode赋值b步骤计算出来的哈希值。

    e,在bucket[2]存储0。

三，通过key获取对应的value,  var v=dic["a"];

   a, 先计算"a"的哈希值，假如结果为2，

   b,根据上一步骤结果，找到buckets数组索引为2上的值，假如该值为0.

   c, 找到到entriys数组上索引为0的key,

         1），如果该key值和输入的的“a”字符相同，则对应的value值就是需要查找的值。

         2) ，如果该key值和输入的"a"字符不相同，说明发生了碰撞，这时获取对应的next值，根据next值定位buckets数组（buckets[next]），然后获取对应buckets上存储的值在定位到entriys数组上,......,一直到找到为止。

         3），如果该key值和输入的"a"字符不相同并且对应的next值为-1,则说明Dictionary不包含字符“a”。

Dictionary里的其他方法就不说了，各位可以自己去看源码，下面来通过实验来对比Hashtable和Dictionary的添加和查找性能，

1，添加元素速度测评。

     循环5次，每次内部在循环10次取平均值，PS：代码中如有不公平的地方望各位指出，本人知错就改。

 a,值类型

static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                Console.WriteLine(string.Format("第{0}次执行:", i + 1));
                Add();
                Console.WriteLine("-------华丽的分分隔线---------");
            }
            
            Console.ReadKey();
        }
        public static void Add()
        {
            Hashtable ht = new Hashtable();
            Stopwatch st = new Stopwatch();

            long ticks1 = 0;
            for (int j = 0; j < 10; j++)
            {
                st.Reset();
                st.Start();
                for (int i = 0; i < 1000000; i++)
                {
                    ht.Add(i, i);
                }
                st.Stop();
                ticks1 += st.ElapsedTicks;
                ht.Clear();
            }

            Console.WriteLine(string.Format("Hashtable添加:{0}个元素，消耗:{1}", 1000000, ticks1 / 10));

            Dictionary<int, int> dic = new Dictionary<int, int>();
            ticks1 = 0;
            for (int j = 0; j < 10; j++)
            {
                st.Reset();
                st.Start();
                for (int i = 0; i < 1000000; i++)
                {
                    dic.Add(i, i);
                }
                st.Stop();
                ticks1 += st.ElapsedTicks;
                dic.Clear();
            }
            
            Console.WriteLine(string.Format("Dictionary添加:{0}个元素，消耗:{1}", 1000000, st.ElapsedTicks));
        }

　结果：

通过运行结果来看，HashTable 速度明显慢于Dictionary,相差一个数量级。我个人分析原因可能为：

   a，Hashtable不支持泛型，我向你添加的int类型会发生装箱操作，而Dictionary支持泛型。

   b，Hashtable在扩容时会先new一个更大的数组，然后将原来的数据复制到新的数组里，还需对新数组里的key重新哈希计算（这可能是最性能影响最大的因素）。而Dictionary不会这样。

b,引用类型

 static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                Console.WriteLine(string.Format("第{0}次执行",i+1));
                Add();
                Console.WriteLine("--------华丽的分隔线------");
            }
           
            
            Console.ReadKey();
        }


        public static void Add()
        {
            Hashtable ht = new Hashtable();
            Stopwatch st = new Stopwatch();

            long ticks1 = 0;
            for (int j = 0; j < 10; j++)
            {
                st.Reset();
                st.Start();
                for (int i = 0; i < 1000000; i++)
                {
                    ht.Add(i.ToString(), i.ToString());
                }
                st.Stop();
                ticks1 += st.ElapsedTicks;
                ht.Clear();
            }

            Console.WriteLine(string.Format("Hashtable添加:{0}个元素，消耗:{1}", 1000000, ticks1 / 10));

            Dictionary<string, string> dic = new Dictionary<string, string>();
            ticks1 = 0;
            for (int j = 0; j < 10; j++)
            {
                st.Reset();
                st.Start();
                for (int i = 0; i < 1000000; i++)
                {
                    dic.Add(i.ToString(), i.ToString());
                }
                st.Stop();
                ticks1 += st.ElapsedTicks;
                dic.Clear();
            }
            
            Console.WriteLine(string.Format("Dictionary添加:{0}个元素，消耗:{1}", 1000000, st.ElapsedTicks));
        }

Dic速度还是比Hashtable快，但没有值类型那么明显，这个测试可能有不准的地方。

2，查找速度测评(两种情况：值类型和引用类型)

1 值类型

  static void Main(string[] args)
        {
            
           //  GetByString();

            GetByInt();
            
            Console.ReadKey();
        }


        public static void GetByInt()
        {
            //Hashtable
            Hashtable hs = new Hashtable();
            Dictionary<int, int> dic = new Dictionary<int, int>();

            for (int i = 0; i < 10000000; i++)
            {
                hs.Add(i, i);
                dic.Add(i, i);
            }
            long ticks = 0;
            Stopwatch st = new Stopwatch();
            st.Reset();
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                st.Start();
                var result = hs[99999+i];
                st.Stop();
                ticks += st.ElapsedTicks;
                st.Reset();
            }
            Console.WriteLine(string.Format("Hashtable查找10次，平均消耗：{0}", (float)ticks / 10));

            //Dictionary
            ticks = 0;
            st.Reset();
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                st.Start();
                var result = dic[i];
                st.Stop();
                ticks += st.ElapsedTicks;
                st.Reset();
            }
            Console.WriteLine(string.Format("Dictionary查找10次，平均消耗：{0}", (float)ticks / 10));
        }

运行结果

2，引用类型

static void Main(string[] args)
        {
           GetByString();
            
            Console.ReadKey();
        }

        public static void GetByString()
        {
            //Hashtable
            Hashtable hs = new Hashtable();
            Dictionary<string, string> dic = new Dictionary<string, string>();

            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            {
                hs.Add(i.ToString(), i.ToString());
                dic.Add(i.ToString(), i.ToString());
            }
            long ticks = 0;
            Stopwatch st = new Stopwatch();
            st.Reset();
            string key = "9999";
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                st.Start();
                var result = hs[key];
                st.Stop();
                ticks += st.ElapsedTicks;
                st.Reset();
            }
            Console.WriteLine(string.Format("Hashtable查找10次，平均消耗：{0}", (float)ticks / 10));

            //Dictionary
            ticks = 0;
            st.Reset();
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                st.Start();
                var result = dic[key];
                st.Stop();
                ticks += st.ElapsedTicks;
                st.Reset();
            }
            Console.WriteLine(string.Format("Dictionary查找10次，平均消耗：{0}", (float)ticks / 10));
        }

运行结果

 根据上面实验结果可以得出：

 a,值类型,Hashtable和Dictionary性能相差不大,Hashtable稍微快于Dictionary.

 b,引用类型：Hashtable速度明显快于Dictionary。

 PS：以上是个人不成熟观点，如果错误请各位指出，谢谢,下篇介绍 SortedList 集合。

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