.net集合类的研究-哈希表（一）--Hashtable,Dictionary<TKey,TValue>

今天来探究哈希表，.net内置的哈希表容器是Hashtable类,而Dictionary<TKey,TValue>是对应的泛型哈希表.

哈希表-Hashtable的实例化

一般我们实例化ArrayList或List<T>的时候,如果不指定容量,则其内部是赋值为一个静态的空数组。当有添加操作时，会实例化为一个长度为4的数组，如果容量满了以后，再添加，就会自动扩充为两倍的容量。

哈希表也有一个类似的情况，new Hashtable（）如果不指定长度，则会将内置bucket数组的长度默认指定为11。如果给定一个值如new Hashtable（20），也并不会将bucket数组长度设置为20，而是循环内部一个素数数组,设置为刚好大于20的素数（也叫质数），此处是23。可知，哈希表内部存取数组长度总是一个素数。相关代码：

public Hashtable(int capacity, float loadFactor)
{
......
//默认值为11
 int num2 = (num > 11.0) ? HashHelpers.GetPrime((int) num) : 11;
this.buckets = new bucket[num2];

......
}


[ReliabilityContract(Consistency.WillNotCorruptState, Cer.Success)]
internal static int GetPrime(int min)
{
......
//循环素数数组找出刚好大于min的素数
for (int i = 0; i < primes.Length; i++)
    {
        int num2 = primes[i];
        if (num2 >= min)
        {
            return num2;
        }
    }

......

}

//初始化素数数组
static HashHelpers()
{
    primes = new int[] { 
        3, 7, 11, 0x11, 0x17, 0x1d, 0x25, 0x2f, 0x3b, 0x47, 0x59, 0x6b, 0x83, 0xa3, 0xc5, 0xef, 
        0x125, 0x161, 0x1af, 0x209, 0x277, 0x2f9, 0x397, 0x44f, 0x52f, 0x63d, 0x78b, 0x91d, 0xaf1, 0xd2b, 0xfd1, 0x12fd, 
        0x16cf, 0x1b65, 0x20e3, 0x2777, 0x2f6f, 0x38ff, 0x446f, 0x521f, 0x628d, 0x7655, 0x8e01, 0xaa6b, 0xcc89, 0xf583, 0x126a7, 0x1619b, 
        0x1a857, 0x1fd3b, 0x26315, 0x2dd67, 0x3701b, 0x42023, 0x4f361, 0x5f0ed, 0x72125, 0x88e31, 0xa443b, 0xc51eb, 0xec8c1, 0x11bdbf, 0x154a3f, 0x198c4f, 
        0x1ea867, 0x24ca19, 0x2c25c1, 0x34fa1b, 0x3f928f, 0x4c4987, 0x5b8b6f, 0x6dda89
     };
}

从源码可以得出一个结论：Hashtable总是创建一个比我们预想中要大一些的数组。

哈希表-Hashtable的存取方式

Hashtable内部包含了一个bucket类型的数组变量，bucket是一个结构，用来保存Key，Value和哈希值。

private struct bucket
{
    public object key;
    public object val;
    public int hash_coll;
}


public class Hashtable : //相关接口
{
    private IEqualityComparer _keycomparer;
    private object _syncRoot;
    private bucket[] buckets;

　　//....

}

从上面代码可以看出Hashtable跟ArrayList,List<T>一样，内部都是用Array数组进行存储数据。既然同样是数组，Hashtable和ArrayList存取方式有什么不同?

当Hashtable添加数据时，(例如:hash.Add(key)) 首先调用当前键值key的GetHashCode()方法，得到哈希值（该值为Int32），取该哈希值的绝对值跟内部数组（上面代码的buckets）的总容量进行余运算(就是'%'操作)，得到一个小于总容量的值，把该值当做数组序号，存在对应的位置，通过Key获取数组序号的过程叫映射。

当然，两个不同的key值有可能的得到相同的序号，这叫哈希冲突，在此不做分析。

下面是部分源码:

private void Insert(object key, object nvalue, bool add)
{
　　......

    uint num3 = this.InitHash(key, this.buckets.Length, out num, out num2);
    int num4 = 0;
    int index = -1;
　　//num6就是通过余计算得到的数组序号。
    int num6 = (int) (num % this.buckets.Length);

　　......
}

private uint InitHash(object key, int hashsize, out uint seed, out uint incr)
{
　　//获取key在CLR中的HashCode值,并取绝对值。
    uint num = (uint) (this.GetHash(key) & 0x7fffffff);
    seed = num;
　　//此处针对哈希冲突
    incr = 1 + ((uint) (((seed >> 5) + 1) % (hashsize - 1)));
    return num;
}

从Hashtable里取值的，也是通过映射Key值，找到数组中对应的存放索引位置，直接位置取出值，整个过程无需循环，时间复杂度为O（1），而ArrayList查找一个值则需要循环整个数组去逐个匹配，时间复杂度为O（n），由此可以看到哈希表在查询中的优势。

既然Hashtable本身也是数组存储，查询速度又快，那还要ArrayList做什么?存储数据的时候都用Hashtable不就行了?有句话说，XX打开了一扇门，就必然要关闭很多窗，现在分析一下Hashtable关闭的那些窗。

首先，哈希表不能有重复键值。

其次，哈希表会占用更多内存空间。

第一点显而易见，现在分析第二点。

哈希表-Hashtable添加时的内部扩充方式

我们知道ArrayList和List<T>在添加数值时，如果容量不足，会新建一个二倍容量的数组，然后把原数组数据复制过去，达到容量扩充的目的，所以使用ArrayList和List <T>的时候，建议在实例化方法里指定容量。

那么Hashtable在添加操作时碰到内部数组容量不足会怎么做？

其实处理方法和ArrayList基本相似，也是二倍扩充，但略有不同。不同点在于：

首先，扩充的大小比二倍略大。上面在实例化Hashtable那一部分中提到，由于哈希算法本身的特点，数组长度总是一个素数，所以当需要扩充时，新的数组长度是刚好大于原数组二倍长度的素数，也就是说略大于二倍。

其次，数组在未存满的情况下就要扩充。Hashtable有一个加载因子为0.72f。实际能存储的数据量等于内部Array长度* 0.72f。也就是说一个长度为11的数组，当存了7个数据以后，就不能再存储，需要要扩充容量。代码如下:

public Hashtable(int capacity, float loadFactor)
{
......
//初始状态loafFactor=1f
this.loadFactor = 0.72f * loadFactor;
......

int num2 = (num > 11.0) ? HashHelpers.GetPrime((int) num) : 11;
    this.buckets = new bucket[num2];
//实际可加载量
    this.loadsize = (int) (this.loadFactor * num2);

......
}

//Hashtable的Add方法内部调用了Insert方法
private void Insert(object key, object nvalue, bool add)
{
  ......

 if (this.count >= this.loadsize)
    {
　　　　　//内部容量扩充的方法
        this.expand();
    }

  ......
}
 

也就是说在Hashtable中,假如初始化了100个位置,只有72个可用,其他28个不能用,但仍然要占着地方。

由此我们可以知道，如果保存的数据量相同，Hashtable要比ArrayList占用更多的内存空间。

哈希表-泛型Dictionary<TKey,TValue>和Hashtable比较

.net 2.0之后出现了泛型，泛型避免了装箱拆箱造成的损失，在大多数情况下，使用泛型集合要比传统的集合有较高的性能。List<T>对应ArrayList，Dictionary<TKey,TValue>对应Hashtable。

Dictionary<TKey,TValue>除了泛型带来的优势以外,还在哈希值算法，哈希冲突检测上做了改进，也没有了100个位置28个不能用的空间浪费。所以当碰到哈希表使用时，优先考虑Dictionary<TKey,TValue>。

最后总结:哈希表在查询方面有明显优势,但会占用多一点的内存空间,当业务中的集合有大量的查找操作时,优先考虑哈希表，一旦决定使用哈希表，优先考虑泛型哈希表。