.Net集合类的研究-有序集合（二）-SortedDictionary<TKey,TValue>（转）
2015-04-16 12:44 Mark.Lee 阅读(2) 评论(0) 编辑 收藏 举报Net集合类的研究-有序集合（二）-SortedDictionary<TKey,TValue>
从类名就可以看出SortedDictionary<TKey,TValue>和上篇介绍的SortedList一样，都是有序集合，但从类内部的存储结构上看，两者有很大区别，SortedList内部用数组保存，只能算是有序线性表，而SortedDictionary<TKey,TValue>的内部结构是红黑树。
园子里有不少关于红黑树的好文章，已将红黑树分析的很透彻。所以这里不讨论红黑树的结构原理，而讨论SortedDictionary和SortedList有什么差异？何时应该选择使用SortedDictionary？
SortedDictionary内部结构是红黑树，红黑树是平衡二叉树的一种，SortedList是有序线性表，内部结构是Array，运用了二分查找法提高效率。从两者查找、插入、删除操作的时间复杂度来看，都为O（LogN），分辨不出优劣，但内部结构的不同导致了实际操作中的性能差异。
SortedDictionary和SortedList性能比较--插入
由于SortedList用数组保存，每次进行插入操作时，首先用二分查找法找到相应的位置，得到位置以后，SortedList会把该位置以后的值依次往后移一个位置，空出当前位，再把值插入，这个过程中用到了Array.Copy方法，而调用该方法是比较损耗性能的，代码如下：
private void Insert(int index, TKey key, TValue value)
{
......
if (index < this._size)
{
Array.Copy(this.keys, index, this.keys, index + 1, this._size - index);
Array.Copy(this.values, index, this.values, index + 1, this._size - index);
}
......
}
SortedDictionary在添加操作时，只会根据红黑树的特性，旋转节点，保持平衡，并没有对Array.Copy的调用。
现在我们用数据测试一下：循环一个int型、容量为100000的随机数组，分别用SortedList和SortedDictionary添加。（代码中的CodeTimer类，来自老赵的文章。）
public void SortedAddInTest()
{
Random random = new Random();
int array_count = 100000;
List<int> intList = new List<int>();
for (int i = 0; i <= array_count; i++)
{
int ran = random.Next();
intList.Add(ran);
}
SortedList<int, int> sortedlist_int = new SortedList<int, int>();
SortedDictionary<int, int> dic_int = new SortedDictionary<int, int>();
CodeTimer.Time("sortedList_Add_int", 1, () =>
{
foreach (var item in intList)
{
if (sortedlist_int.ContainsKey(item) == false)
sortedlist_int.Add(item, item);
}
});
CodeTimer.Time("sortedDictionary_Add_int", 1, () =>
{
foreach (var item in intList)
{
if (dic_int.ContainsKey(item) == false)
dic_int.Add(item, item);
}
});
}
结果跟之前分析的一样，为：
sortedList_Add_int
Time Elapsed: 4,311ms
CPU Cycles: 8,249,183,130
Gen0: 0
Gen1: 0
Gen2: 0
sortedDictionary_Add_int
Time Elapsed: 217ms
CPU Cycles: 278,164,530
Gen0: 1
Gen1: 1
Gen2: 0
由此可以看出：在大量添加操作的情况下，SortedDictionary性能优于SortedList。
SortedDictionary和SortedList性能比较--查询
两者的查询操作中，时间复杂度都为O（LogN），且源码中也没有额外的操作造成性能损失，那么他们在查询操作中性能如何？继续上面一个例子进行测试。
public void SortedAddInTest()
{
......
CodeTimer.Time("sortedList_Search_int", 1, () =>
{
foreach (var item in intList)
{
sortedlist_int.ContainsKey(item);
}
});
CodeTimer.Time("sortedDictionary_Search_int", 1, () =>
{
foreach (var item in intList)
{
dic_int.ContainsKey(item);
}
});
}
结果为：
sortedList_Search
Time Elapsed: 602ms
CPU Cycles: 1,156,460,630
Gen0: 0
Gen1: 0
Gen2: 0
sortedDictionary_Search
Time Elapsed: 667ms
CPU Cycles: 1,256,685,950
Gen0: 0
Gen1: 0
Gen2: 0
可以得出：两者在循环10w次的情况下，仅仅相差几十毫秒，可以看出，两者的查询操作性能相差不大。
SortedDictionary和SortedList性能比较--删除
从添加操作例子可以看出，由于SortedList内部使用数组进行存储数据，而数组本身的局限性使得SortedList大部分的添加操作都要调用Array.Copy方法，从而导致了性能的损失，这种情况同样存在于删除操作中。
SortedList每次删除操作都会将删除位置后的值往前挪动一位，以填补删除位置的空白，这个过程刚好跟添加操作反过来，同样也需要调用Array.Copy方法，相关代码如下。
public void RemoveAt(int index)
{
......
if (index < this._size)
{
Array.Copy(this.keys, index + 1, this.keys, index, this._size - index);
Array.Copy(this.values, index + 1, this.values, index, this._size - index);
}
......
}
情况跟添加操作一样，所以先在这里预测一下：在大量删除操作的情况下时，SortedDictionary的性能优于SortedList。
让我们继续上面的测试代码来验证这一点。
public void SortedDictionaryTest()
{
//.......
CodeTimer.Time("sortedList_Delete_String", 1, () =>
{
foreach (var item in temp_List)
{
sortedlist.Remove(item);
}
});
CodeTimer.Time("sortedDictionary_Delete_String", 1, () =>
{
foreach (var item in temp_List)
{
dic.Remove(item);
}
});
}
结果跟之前预测的一样，SortedDictionary的性能较好，如下：
sortedList_Delete
Time Elapsed: 13,346ms
CPU Cycles: 25,040,378,250
Gen0: 0
Gen1: 0
Gen2: 0
sortedDictionary_Delete
Time Elapsed: 731ms
CPU Cycles: 1,335,367,350
Gen0: 0
Gen1: 0
Gen2: 0
总结
SortedDictionary内部用红黑表存储数据，SortedList用数组存储数据，两者的查询效率差不多，但由于数组本身的限制，在大量添加删除操作的情况下，SortedDictionary的性能优于SortedList，而SortedList又存在二倍扩充的问题，在内存占用上也处于劣势。（这两者的添加删除操作因Array.Copy造成的性能差异也同样存在于泛型链表LinkedList<T>和线性表中，我之前关于链表的文章里忘记分析这一块了，^_^）
此处我有了一个迷惑，既然SortedDictionary的性能全面优于SortedList，那SortedList存在的意义是什么？我找来找去只发现SortedList的一个优点就两种获取单个元素的方式--key和index，这点在上篇文章也有提到，难道SortedList的优点只有这个？
