NSDictionary的实质和实现原理

一、NSDictionary使用原理

    1.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。

    - (void)setObject:(id)anObject forKey:(id )aKey;

   2.Objective-C中的字典 NSDictionary 底层其实是一个哈希表，实际上绝大多数语言中字典都通过哈希表实现，

二、哈希的原理

   哈希概念:哈希表的本质是一个数组，数组中每一个元素称为一个箱子(bin)，箱子中存放的是键值对。

    

三、哈希表的存储过程:

    1. 根据 key计算出它的哈希值 h。

    2.假设箱子的个数为 n，那么这个键值对应该放在第 (h % n) 个箱子中。

    3.如果该箱子中已经有了键值对，就使用开放寻址法或者拉链法解决冲突。

    在使用拉链法解决哈希冲突时，每个箱子其实是一个链表，属于同一个箱子的所有键值对都会排列在链表中。

    哈希表还有一个重要的属性:负载因子(load factor)，它用来衡量哈希表的 空/满 程度，一定程度上也可以体现查询的效率，计算公式为:

   负载因子 =总键值对数 /箱子个数

   负载因子越大，意味着哈希表越满，越容易导致冲突，性能也就越低。因此，一般来说，当负载因子大于某个常数(可能是1，或者0.75等)时，哈希表将自动扩容。

重哈希概念:    

   哈希表在自动扩容时，一般会创建两倍于原来个数的箱子，因此即使 key的哈希值不变，对箱子个数取余的结果也会发生改变，因此所有键值对的存放位置都有可能发生改变，这个过程也称为重哈希(rehash)。

    

    哈希表的扩容并不总是能够有效解决负载因子过大的问题。假设所有 key的哈希值都一样，那么即使扩容以后他们的位置也不会变化。虽然负载因子会降低，但实际存储在每个箱子中的链表长度并不发生改变，因此也就不能提高哈希表的查询性能。

    

四、总结，细心的读者可能会发现哈希表的两个问题:

   1.如果哈希表中本来箱子就比较多，扩容时需要重新哈希并移动数据，性能影响较大。

   2.如果哈希函数设计不合理，哈希表在极端情况下会变成线性表，性能极低。

下面：

   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。

见NSDictionary中最常用的一个方法原型：

- (void)setObject:(id)anObject forKey:(id )aKey;

从这个方法中可以知道， 要作为 Key 值，必须遵循 NSCopying 协议。也就是说在NSDictionary内部，会对 aKey 对象 copy 一份新的。而  anObject 对象在其内部是作为强引用（retain或strong)。所以在MRC下，向该方法发送消息之后，我们会向anObject发送 release 消息进行释放。

既然知道了作为 key 值，必须遵循 NSCopying 协议，说明除了 NSString 对象之外，我们还可以使用其他类型对象来作为 NSDictionary 的 key值。不过这还不够，作为 key 值，该类型还必须继承于 NSObject 并且要重载一下两个方法：

- (NSUInteger)hash;

- (BOOL)isEqual:(id)object;

其中，hash 方法是用来计算该对象的 hash 值，最终的 hash 值决定了该对象在 hash 表中存储的位置。所以同样，如果想重写该方法，我们尽量设计一个能让数据分布均匀的 hash 函数。

isEqual 方法是为了通过 hash 值来找到 对象 在hash 表中的位置。

下面，我根据一个小Demo来自定义一个作为 NSDictionary 的 key 值的类。见代码：

KeyObject.h文件：

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//  KeyObject.h
//  KeyDemo
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//  Created by linshaolie on 14-11-26.
//  Copyright (c) 2014年 lin. All rights reserved.
//

#import

@interface KeyObject : NSObject  //实现Copying协议

//作为hash值
@property(nonatomic, readonly) NSUInteger hashValue;

- (instancetype)initWithHashI:(NSUInteger)i;

@end

KeyObject.m文件：

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//  KeyObject.m
//  KeyDemo
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//  Created by linshaolie on 14-11-26.
//  Copyright (c) 2014年 lin. All rights reserved.
//

#import "KeyObject.h"

@interface KeyObject ()

//作为hash值
@property(nonatomic) NSUInteger hashValue;

@end

@implementation KeyObject


- (instancetype)initWithHashValue:(NSUInteger)hashValue
{
    self = [super init];
    if ( self )
    {
        _hashValue = hashValue;
    }
    return self;
}

#pragma mark -overload methor
- (BOOL)isEqual:(id)object
{
    //根据hash值判断是否是同一个键值
    return ([self hashKeyValue] == [(typeof(self))object hashKeyValue]);
}

- (NSUInteger)hash
{
    return [self hashKeyValue];     //返回哈希值
}

#pragma mark -NSCopying
- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone
{
    KeyObject *obj = [KeyObject allocWithZone:zone];
    obj.hashValue = self.hashValue;
    return obj;
}

#pragma mark -private methor
//哈希函数
- (NSUInteger)hashKeyValue
{
    return _hashValue % 7;      //这里哈希函数用了简单的对7取余
}

@end

ViewController.m文件：（测试）

//
//  ViewController.m
//  KeyDemo
//
//  Created by lin on 14-11-26.
//  Copyright (c) 2014年 linshaolie. All rights reserved.
//

#import "ViewController.h"
#import "KeyObject.h"

@interface ViewController ()
{
    CGPoint _oldPoint;
    CGMutablePathRef _pathRef;
    UIImageView *_imageView;
}
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];

    //Test...
    KeyObject *key1 = [[KeyObject alloc] initWithHashValue:1];
    NSMutableDictionary *dic = [[NSMutableDictionary alloc] init];
    [dic setObject:@"AAA" forKey:key1];

    KeyObject *key2 = [[KeyObject alloc] initWithHashValue:8];
    [dic setObject:@"BBB" forKey:key2];

    KeyObject *key3 = [[KeyObject alloc] initWithHashValue:3];
    [dic setObject:@"CCC" forKey:key3];


    NSLog(@"%@", [dic objectForKey:key2]);
    NSLog(@"%@", [dic allKeys]);
    NSLog(@"%@", [dic allValues]);
}
@end

输出结果：

在调用 setObject: forKey:  后，内部会去调用 key 对象的 hash 方法确定 object 在hash表内的入口位置，然后会调用 isEqual 来确定该值是否已经存在于 NSDictionary中。