这篇随笔和上篇随笔《从两个数组中查找相同的数字谈Hashtable》都是为了下面分析Dictionary的实现做的铺垫
一.两个逻辑上相等的实例对象。
两个对象相等，除了指两个不同变量引用了同一个对象外，更多的是指逻辑上的相等。什么是逻辑上相等呢？就是在一定的前提上，这两个对象是相等的。比如说某男生叫刘益红，然后也有另外一个女生叫刘益红，虽然这两个人身高，爱好，甚至性别上都不相同，但是从名字上来说，两者是相同的。Equals方法通常指的就是逻辑上相等。有些东西不可比较，比如说人和树比智力，因为树没有智力，所以不可比较。但是可以知道人和树不相等。
二.Object的GetHashcode方法。
计算Hashcode的算法中，应该至少包含一个实例字段。Object中由于没有有意义的实例字段，也对其派生类型的字段一无所知，因此就没有逻辑相等这一概念。所以默认情况下Object的GetHashcode方法的返回值，应该都是独一无二的。利用Object的GetHashcode方法的返回值，可以在AppDomain中唯一性的标识对象。
下面是.Net中Object代码的实现：
View Code
[Serializable]
public class Object
{
[ReliabilityContract(Consistency.WillNotCorruptState, Cer.MayFail)]
public Object()
{
}
public virtual string ToString()
{
return this.GetType().ToString();
}
[TargetedPatchingOptOut("Performance critical to inline across NGen image boundaries")]
public virtual bool Equals(object obj)
{
return RuntimeHelpers.Equals(this, obj);
}
[TargetedPatchingOptOut("Performance critical to inline across NGen image boundaries")]
public static bool Equals(object objA, object objB)
{
return objA == objB || (objA != null && objB != null && objA.Equals(objB));
}
[ReliabilityContract(Consistency.WillNotCorruptState, Cer.Success), TargetedPatchingOptOut("Performance critical to inline across NGen image boundaries")]
public static bool ReferenceEquals(object objA, object objB)
{
return objA == objB;
}
[TargetedPatchingOptOut("Performance critical to inline across NGen image boundaries")]
public virtual int GetHashCode()
{
return RuntimeHelpers.GetHashCode(this);
}
[SecuritySafeCritical]
[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
public extern Type GetType();
[ReliabilityContract(Consistency.WillNotCorruptState, Cer.Success)]
protected virtual void Finalize()
{
}
[SecuritySafeCritical]
[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
protected extern object MemberwiseClone();
[SecurityCritical]
private void FieldSetter(string typeName, string fieldName, object val)
{
FieldInfo fieldInfo = this.GetFieldInfo(typeName, fieldName);
if (fieldInfo.IsInitOnly)
{
throw new FieldAccessException(Environment.GetResourceString("FieldAccess_InitOnly"));
}
Message.CoerceArg(val, fieldInfo.FieldType);
fieldInfo.SetValue(this, val);
}
private void FieldGetter(string typeName, string fieldName, ref object val)
{
FieldInfo fieldInfo = this.GetFieldInfo(typeName, fieldName);
val = fieldInfo.GetValue(this);
}
private FieldInfo GetFieldInfo(string typeName, string fieldName)
{
Type type = this.GetType();
while (null != type && !type.FullName.Equals(typeName))
{
type = type.BaseType;
}
if (null == type)
{
throw new RemotingException(string.Format(CultureInfo.CurrentCulture, Environment.GetResourceString("Remoting_BadType"), new object[]
{
typeName
}));
}
FieldInfo field = type.GetField(fieldName, BindingFlags.IgnoreCase | BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public);
if (null == field)
{
throw new RemotingException(string.Format(CultureInfo.CurrentCulture, Environment.GetResourceString("Remoting_BadField"), new object[]
{
fieldName,
typeName
}));
}
return field;
}
}
为什么会有Hashcode?
Hashcode是为了帮助计算出该对象在hashtable中所处的位置。而能够把一个对象放入hashtable中无疑是有好处的。
这是Hashcode的作用，但是我们为什么需要他？
因为一个类型在定义了Equals方法后，在System.Collections.Hashtable类型，System.Collections.Generic.Dictionary类型以及其他一些集合的实现中，要求如果两个对象相等，不能单单只看Equals方法返回true,还必须要有相同的Hashcode.
这相当于一种前提条件的假设，而上述这些类型就是基于这种假设的基础上实现的。如果不遵守这些条件，那么在使用这些集合的时候就会出问题。
下面是摘自MSDN的一段描述
“Hashcode是一个用于在相等测试过程中标识对象的数值。它还可以作为一个集合中的对象的索引。 GetHashCode方法适用于哈希算法和诸如哈希表之类的数据结构。 GetHashCode 方法的默认实现不保证针对不同的对象返回唯一值。而且，.NET Framework 不保证 GetHashCode 方法的默认实现以及它所返回的值在不同版本的 .NET Framework 中是相同的。因此，在进行哈希运算时，该方法的默认实现不得用作唯一对象标识符。”
上面这段话想说明的就是：两个对象相等，hashcode也应该相等。但是两个对象不等,hashcode也有可能相等。当对象不相等但是hashcode相等的时候，就叫做hash冲突。
下面这两个不同的string对象就产生了相同的hashcode:
string str1 = "NB0903100006";
string str2 = "NB0904140001";
Console.WriteLine(str1.GetHashCode());
Console.WriteLine(str2.GetHashCode());
这是因为string类型重写了Object的GetHashcode方法，如下:
View Code
public override int GetHashCode() {
unsafe {
fixed (char *src = this) {
Contract.Assert(src[this.Length] == '\0', "src[this.Length] == '\\0'");
Contract.Assert( ((int)src)%4 == 0, "Managed string should start at 4 bytes boundary");
#if WIN32
int hash1 = (5381<<16) + 5381;
#else
int hash1 = 5381;
#endif
int hash2 = hash1;
#if WIN32
// 32bit machines.
int* pint = (int *)src;
int len = this.Length;
while(len > 0) {
hash1 = ((hash1 << 5) + hash1 + (hash1 >> 27)) ^ pint[0];
if( len <= 2) {
break;
}
hash2 = ((hash2 << 5) + hash2 + (hash2 >> 27)) ^ pint[1];
pint += 2;
len -= 4;
}
#else
int c;
char *s = src;
while ((c = s[0]) != 0) {
hash1 = ((hash1 << 5) + hash1) ^ c;
c = s[1];
if (c == 0)
break;
hash2 = ((hash2 << 5) + hash2) ^ c;
s += 2;
}
#endif
#if DEBUG
// We want to ensure we can change our hash function daily.
// This is perfectly fine as long as you don't persist the
// value from GetHashCode to disk or count on String A
// hashing before string B. Those are bugs in your code.
hash1 ^= ThisAssembly.DailyBuildNumber;
#endif
return hash1 + (hash2 * 1566083941);
}
}
}
归根结底，因为hashcode本来就是为了方便我们计算位置用的，本意并不是用来判断两个对象是否相等，这工作还是要交给Equals方法来完成。总而言之，保持两者的一致性是最好的做法。
所以.NET中定义了一个比较相等性的接口IEqualityComparer，就包含了Equals、GetHashCode这两种方法。Dictionary<TKey, TValue> 和 HashSet<T> 类的构造函数都用到了 IEqualityComparer<T> 接口。还有 ConcurrentDictionary<TKey, TValue>、SortedSet<T>、KeyedCollection<TKey, TItem>、SynchronizedKeyedCollection<K, T> 等也使用 IEqualityComparer<T> 接口作为构造函数的参数。
下面是个例子
class BoxEqualityComparer : IEqualityComparer<Box> { public bool Equals(Box b1, Box b2) { if (b1.Height == b2.Height & b1.Length == b2.Length & b1.Width == b2.Width) { return true; } else { return false; } } public int GetHashCode(Box bx) { int hCode = bx.Height ^ bx.Length ^ bx.Width; return hCode.GetHashCode(); } }
在构造Dictionarty<T>时如果不传递实现了这个接口的对象，那么就会使用EqualityComparer<T>.Default。具体使用的是哪个，还是要看我们用做key的那个对象实现了哪个接口。
比如
struct MyKey : IEquatable<MyKey> { }
//这个方法会被调用
public bool Equals(MyKey that) { }
和下面这个，生成的就是不同的实例
struct MyKey { }
//这个方法会被调用 public bool Equals(Object that) { }
两个拥有相同Hashcode的对象，只能说是有可能是相等的。而可能性就取决你的Hash函数是怎么实现的了。实现得越好，相等的可能性越大，相应的Hashtable性能就越好。这是因为放置在同一个Hash桶上的元素可能性就越小，越少可能发生碰撞。
可以想象，最烂的Hashcode的实现方法无疑就是返回一个写死的整数，这样Hashtable很容易就被迫转换成链表结构。这是查找的时间复杂度就变味O(n)
public override int GetHashCode()
{
return 31;
}
一个好的hash函数通常意味着尽量做到“为不相等的对象产生不相等的hashcode",但是不要忘记”相同的对象必须有相同的hashcode"。一个是尽量做到，一个是必须的。
不相等的对象有相同的hashcode只是影响性能，而相同的对象(Equals返回true)没有相同的hashcode就会破坏整个前提条件。
因此，计算hashcode的时候要避免使用在实现Equals方法中没有使用的字段，否则也可能出现Equals为true，但是hashcode却不相等的情况。
三.逻辑上相等但是完全不同的实例
正如同1中所举的例子一样，两人同名，但是两人并不是同一个人。如上所述一般情况下我们判断两个对象是否相等使用的是Equals方法，但是在一些数据结构里面，判断两个对象是否相同，却采用的是hashcode。比如说Dictionnary，这时候如果没有重写GetHashcode方法，就会产生问题。
简单的描述一下整个过程:
1.在一个基于hashtable这种数据结构的集合中，添加一个key/value pair的时候，首先会获取key对象的hashcode,而这个hashcode指出这个key/value pair应该放在数组的那个位置上。
2.当我们在集合中查找一个对象是否存在时，会先获取指定对象的hashcode,而这个hashcode就是当初用来计算出存放对象的位置的。因此如果hashcode发生了改变，那么你也没办法找到先前存放的对象，因为你计算出来的数组下标是错误的。
在没有重写GetHashCode方法的情况下，这个方法继承自Object，而Object的实现就是每一个New出来的对象GetHashCode返回的值都应该不一样。
举例:
public class Staff
{
private readonly string ID;
private readonly string name;
public Staff(string ID, string name)
{
this.ID = ID;
this.name = name;
}
public override bool Equals(object obj)
{
if (obj == this)
return true;
if (!(obj is Staff))
return false;
var staff = (Staff)obj;
return name == staff.name && ID == staff.ID;
}
}
public class HashtableTest
{
public static void Main(){
Staff a = new Staff("123", "langxue"); Staff b = new Staff("123", "langxue"); Console.WriteLine(a.Equals(b)); //返回true
var dic = new Dictionary<Staff, int>();
dic.Add(new Staff("123", "langxue"), 0213);
Console.WriteLine(dic.ContainsKey(new Staff("123", "langxue"))); //返回false
}
}
这时，我们就要重写hashcode方法,常见的就是XOR方式（先“或”然后取反）:
View Code
public struct Point {
public int x;
public int y;
//other methods
public override int GetHashCode() {
return x ^ y;
}
}
当然，我们在这里可以直接使用.NET框架中帮string类型重写的GetHashcode方法:
public override int GetHashCode()
{
return (ID + name).GetHashCode();
}
重写后的代码如下:
View Code
public class Staff
{
private readonly string ID;
private readonly string name;
public Staff(string ID, string name)
{
this.ID = ID;
this.name = name;
}
public override bool Equals(object obj)
{
if (obj == this)
return true;
if (!(obj is Staff))
return false;
var staff = (Staff)obj;
return name == staff.name && ID == staff.ID;
}
public override int GetHashCode()
{
return (ID + name).GetHashCode();
}
}
public class HashtableTest
{
public static void Main(){
Staff a = new Staff("123", "langxue");
Staff b = new Staff("123", "langxue");
Console.WriteLine(a.Equals(b));
var dic = new Dictionary<Staff, int>();
dic.Add(new Staff("123", "langxue"), 0213);
Console.WriteLine(dic.ContainsKey(new Staff("123", "langxue")));
}
}
四.一些推荐做法:
1.不要试图从hash code中排除一个对象的某些关键字段来提高性能。
这就相当于把限制条件放宽，使得对象间的区别不那么明显，最终导致hash函数计算出来的hashcode相等，使得放入hashtable时发生碰撞，导致性能低下。
有了这两篇随笔做铺垫，就为下篇Dictionary源码分析提供了帮助。
