技术干货 | iOS 高阶容器详解
導讀：近期，在面試 iOS 工程師的過程中，當我問到候選人小伙伴都了解哪些 iOS 容器類型時，大多數小伙伴能給出的答復就是NSArray、NSDictionary 和 NSSet以及對應的可變類型，有些優秀的小伙伴能夠說出 NSCache，還能對它的原理侃侃而談，這是非常棒的。但是總體而言，高階容器的普及在技術同學中還是比較少。本文，我們就來詳細聊聊我們對 iOS 高階容器類型的深入研究結果，并討論其使用場景。
文｜丁文超
網易云信資深 iOS 工程師
在進行具體分析之前，我們先簡單了解一下 iOS 的容器有哪些。iOS 提供了三種主要的容器類型，它們分別是 Array、Set 和 Dictionary，用來存儲一組值：
Array：存儲一組有序的值
Set：存儲一組無序的、不重復的值
Dictionary：存儲一組無序的鍵-值映射
這些都是我們平時用到的基礎容器。除此之外，iOS 提供了很多高階容器類型，他們分別是：
NSCountedSet
NSIndexSet && NSMutableIndexSet
NSOrderedSet && NSMutableOrderedSet
NSPointerArray
NSMapTable
NSHashTable
NSCache
今天，我們將對這些高階容器進行詳細介紹。
NSCountedSet
NSCountedSet 是與 NSMutableSet 用法類似的無序集合，可以添加、移除元素，判斷元素是否存在及保證元素唯一性。不同的是：
一個元素可以添加多次
可以獲取元素的數量
設想我們要做一個淘寶購物車的功能，購物車中統計每一個商品的數量，還可以對數量進行增加和減少。按照慣例，傳統的做法是使用字典：
@property (nonatomic, strong) NSMutableDictinary *itemCountDic;獲取數量：
NSNumber *num = [self.itemCountDic objectForKey:item]; if (num == nil) { return 0; } return num.integerValue;數量+1：
NSNumber *num = [self.itemCountDic objectForKey:item]; if (num == nil) { [self.itemCountDic setObject:@1 forKey:item]; } else { [self.itemCountDic setObject:@(num.integerValue+1) forKey:item]; }數量-1：
NSNumber *num = [self.itemCountDic objectForKey:item]; if (num == nil) { return; } if (nums.integerValue == 1) { [self.itemCountDic removeObjectForKey:item]; } else { [self.itemCountDic setObject:@(num.integerValue-1) forKey:item]; }這種方式沒有問題，但是有了 NSCountedSet，所有的操作一行代碼就能搞定：
@property (nonatomic, strong) NSCountedSet<CartItem *> itemCountSet;獲取數量：
數量+1：
[self.itemCountSet addObject:item];數量-1：
[self.itemCountSet removeObject:item];可以看出，NSCountedSet 就是為這種場景量身定做的。
NSIndexSet && NSMutableIndexSet
NSIndexSet && NSMutableIndexSet是包含不重復整數的容器類型，使得索引訪問具備批量執行的能力。比如我們需要獲取數組的第0，第2，第4個元素組成的子數組：
這樣一看，好像并沒有節省多少代碼量！別急，我們再看下面的例子：在一個長度100的數組中，獲取區間5-8、11-13、19-22、55-99四個區間的元素。
NSMutableIndexSet *indexes = [[NSMutableIndexSet alloc] init]; [indexes addIndexesInRange:NSMakeRange(5, 4)]; // 5，6，7，8 [indexes addIndexesInRange:NSMakeRange(11, 3)]; // 11，12，13 [indexes addIndexesInRange:NSMakeRange(19, 4)]; // 19，20，21，22 [indexes addIndexesInRange:NSMakeRange(5, 45)]; // 55，56，57，58.....99 NSArray *newArray = [oldArray objectAtIndexes:indexes];接下來我們做一下性能測量，從一個長度10萬的隨機字串中，刪除所有 a 開頭的字符串。
方式1，批量對象刪除：
首先篩選元素：
NSArray *subarrayToRemove = [array filteredArrayUsingPredicate:[NSPredicate predicateWithBlock:^BOOL(id _Nullable evaluatedObject, NSDictionary<NSString *,id> * _Nullable bindings) { return [evaluatedObject hasPrefix:@"a"]; }]];執行刪除：
[array removeObjectsInArray:subarrayToRemove];方式2，批量索引刪除：
首先篩選索引集：
NSIndexSet *indexesToRemove = [array indexesOfObjectsPassingTest: ^BOOL(id _Nonnull obj, NSUInteger idx, BOOL * _Nonnull stop) { return [obj hasPrefix:@"a"]; }];執行刪除：
[array removeObjectsAtIndexes:indexesToRemove];我們對比執行時間：
| 方式 | 執行時間 ms |
| 方式1，批量對象刪除 | 25.33 |
| 方式2，批量索引刪除 | 15.33 |
我們姑且忽略篩選元素以及篩選索引的時間，他們不會相差很多（都是O(n)）。后來實驗證明后者效率更佳。
剖析：方式1比方式2多了一個步驟，即遍歷每一個元素以獲得他們的索引值。如果待刪除子集的長度是 k，這個多出來的步驟的時間復雜度是是 O(n * k)。隨著 n 和 k 的增加，執行時間的差距將會更加明顯。
NSOrderedSet && NSMutableOrderedSet
NSOrderedSet && NSMutableOrderedSet 是有序 Set，比 傳統 NSSet 增加了索引功能，且能夠保持元素的插入順序。
索引示例：
NSString *o1 = @"3"; NSString *o2 = @"2"; NSString *o3 = @"1"; NSOrderedSet *orderedSet = [NSOrderedSet orderedSetWithObjects:o1, o2, o3, nil]; [orderedSet indexOfObject:o2]; // 1 [orderedSet indexOfObject:o3]; // 2 [orderedSet objectAtIndex:0]; // o1令人驚喜的是，NSOrderedSet && NSMutableOrderedSet 支持 subscript：
orderedSet[1]; // o2判斷集合包含關系：
[a isSubsetOfSet:b]; // a是否為b的子集。b為NSSet。 [a isSubsetOfOrderedSet:b]; // a是否為b的子集。b為NSOrderedSet。判斷集合相交關系：
[a intersectsSet:b]; // a是否與b有交集。b為NSSet [a intersectsOrderedSet:b]; // a是否與b有交集。b為NSOrderedSet為了探索 NSOrderedSet 與 NSArray 的性能差異，我們看一下性能測試結果：
| ?類型 | 100w元素，100w次索引訪問（ms） | 1w元素，1w次查找 | 100w元素內存占用（MB） |
| NSArray | 38.012 | 597.029 | 15.266 |
| NSOrderedSet | 33.796 | 1.006 | 33.398 |
可以看出，僅從訪問效率來看，兩者差別并不大，而在 1w 次查找的對比中，NSOrderedSet 竟然快出 590 倍之多！內存代價雖然比較昂貴，但在可接受的范圍之內。
NSPointerArray
NSPointerArray 是 NSMutableArray 的高階類型，比 NSMutableArray 具備更廣泛的內存管理能力，具體如下：
和傳統 NSArray 一樣，用于有序的插入或移除；
與傳統 NSArray 不同的是，可以存儲 NULL，且 NULL 參與 count 的計算；
與傳統 NSArray 不同的是，count 可以被設置，如果設置較大的 count 則使用 NULL 占位；
可以使用 weak 或 unsafe_unretained 來修飾成員；
可以修改對象的判等方式；
可以使對象加入時進行拷貝；
成員可以是所有指針類型，不僅限于 OC 對象；
我們可以舉個簡單的例子看一下，例如它可以存儲 weak 引用：
NSPointerArray *pointerArray = NSPointerArray.weakObjectsPointerArray; [pointerArray addPointer:(void *)obj]; // obj的引用計數不會增加注：obj 被釋放后，pointerArray.count 依然是1，這是因為 NULL 也會參與占位。調用 compact 方法將清空所有的 NULL 占位。
我們可以通過函數 + pointerArrayWithOptions:指定更多有趣的存儲方式。
上面的NSPointerArray.weakObjectsPointerArray 實際上是 [NSPointerArray pointerArrayWithOptions:NSPointerFunctionsWeakMemory] 的簡化版。
NSPointerFunctionsOptions 是一個選項，不同于枚舉，選項類型是可以疊加的。這些選項可以分為內存管理、個性判定、拷貝偏好三大類：
?內存管理相關?
NSPointerFunctionsWeakMemory：弱引用，不增加引用計數。元素被釋放后變成 NULL，但 count 保持不變。調用 compact 方法后將刪除所有 NULL 元素并重新調整大小。對應 ARC 的weak。
NSPointerFunctionsStrongMemory：強引用，引用計數+1。對應 ARC 的 strong。
NSPointerFunctionsOpaqueMemory：不增加引用計數，也不創建弱引用，元素釋放后變野指針。對應 ARC 的 unsafe_unretained。
NSPointerFunctionsMallocMemory：移除元素時調用 free() 進行釋放，添加時調用 calloc()。不同于上面三種，這種方式適用于元素為普通指針類型的情況。
NSPointerFunctionsMachVirtualMemory：用于 Mach 的虛擬內存管理。
?個性判定相關?
什么是個性判定呢？個性判定包含以下三個方面：
相等性判定（即判等）。傳統容器都是使用元素的 -isEqual 進行相等性判定。當對 NSArray 調用 indexOfObject 方法時，數組會遍歷內部元素，對每個遍歷到的元素與輸入元素進行 isEqual 對比，直到碰到第一個判定成功（即 isEqual 返回 YES）的元素并返回其索引；若所有元素均判定失敗則返回 NSNotFound。
哈希值判定。如使用對象的 Hash 方法是一種哈希值判定方式。常見的 NSSet、NSDictionary 都是使用元素的 Hash 方法獲取哈希值，從而決定其索引位置。
描述值判定。如使用對象的 Description 方法是一種描述值判定方式。對數組進行打印時，打印的內容中包含了所有對象的 Description 值。
我們來看下個性判定相關的 NSPointerFunctionsOptions 有哪些：
NSPointerFunctionsObjectPersonality：判定元素為 OC 對象。用元素的 isEqual 方法判等，Hash 方法計算哈希值，Description 方法做描述（NSLog 打印）。
NSPointerFunctionsObjectPointerPersonality：判定元素為對象指針。通過對比指針來判等，通過指針左移計算哈希值，用 Description 方法對其描述。
NSPointerFunctionsCStringPersonality：判定元素為 CString。使用 strcmp 判等，對該字符串求哈希，用 UTF8 編碼格式對其描述。
NSPointerFunctionsIntegerPersonality：判定元素為整型值。使用整型值的右移結果作哈希值和判等條件。
NSPointerFunctionsStructPersonality:：判定元素為結構體指針。用 memcmp 對比內存判等，對實際內存求哈希。
NSPointerFunctionsOpaquePersonality：不確定類型。通過對比指針來判等，通過指針左移計算哈希值。
?拷貝偏好?
NSPointerFunctionsCopyIn：添加元素時，實際添加的是元素的拷貝。
接下來我們對比一組數據，單位 ms
| 容器/方法 | 100w次add | 100w次隨機訪問 |
| NSMutableArray | 0.023 | 69.9 |
| NSPointerArray+Strong?Memory | 0.024 | 60 |
| NSPointerArray+Week?Memory | 759 | 224.4 |
可見，NSMutableArray 與 NSPointerArray+ strong 幾乎沒有差別，而 NSPointerArray + Weak 的性能開銷就不那么樂觀了。
那我們怎么理解傳統數組與 NSPointerArray 的關系呢？傳統數組就相當于一個特殊的 NSPointerArray，把它的 options 設成這樣：
NSPointerFunctionsStrongMemory | NSPointerFunctionsObjectPersonality即個性判定為 OC 對象，強引用，不進行拷貝。
NSMapTable
NSMapTable ?為 NSMutableDictionary 的高階類型。它與 NSPointerArray 類似，可以指定 NSPointerFunctionsOptions，不同的是 NSMapTable 的 key 和 value 都可以指定 options：
[NSMapTable mapTableWithKeyOptions:keyOptions valueOptions:valueOptions]更便捷的初始化方法：
NSMapTable.strongToStrongObjectsMapTable // key 為 strong，value 為 strong NSMapTable.weakToStrongObjectsMapTable // key 為 weak，value 為 strong NSMapTable.strongToWeakObjectsMapTable // key 為 strong，value 為 weak NSMapTable.weakToWeakObjectsMapTable; // key 為 weak，value 為 weak保留傳統字典的經典能力：
[table setObject:obj forKey:key]; // 設置Key,Value [table objectForKey:key] // 根據Key獲取Value [table removeObjectForKey:] // 刪除不同的是，系統并沒有給它 subscript 支持，即不能使用類似 dict[key] = value 的中括號語法。
那我們怎么理解傳統字典與 NSMapTable 的關系呢？傳統字典就相當于一個特殊的 NSMapTable，把它的 keyOptions 設成這樣：
需要注意的是NSPointerFunctionsCopyIn, 老字典會對 key 進行 copy，value 不會。但是如果大家平日里都使用NSString作為 key，那大可不必考慮 copy 的性能損耗（因為只是淺拷貝）。但如果使用的是NSMutableString或者一些進行深拷貝的類型，那就另當別論了。
再把它的 valueOptions 設成這樣：
NSPointerFunctionsStrongMemory | NSPointerFunctionsObjectPersonality即 key 為強引用、個性判定為 OC 對象、添加元素時進行拷貝；value 為強引用，個性判定為 OC 對象，但不進行拷貝。
NSMapTable與老字典的性能不能一概而論，因為他們的主要性能差別也是來自于NSPointerFunctionsCopyIn與NSPointerFunctionsWeakMemory。后者會帶來一定的性能損耗，而前者要看key的NSCopying協議是如何實現的。
NSHashTable
NSHashTable ?是 NSMutableSet 的高階類型，與 NSPointerArray、NSMapTable 一樣，可以指定 NSPointerFunctionsOptions：
便捷的初始化方法：
NSHashTable.weakObjectsHashTable // weak set NSHashTable.strongObjectsHashTable // strong set保留傳統 Set 的經典能力：
[table addObject:obj] // 添加obj，去重 [table removeObject:obj] // 移除obj [table containsObject:obj] // 是否包含obj [table intersectsHashTable:anotherTable] // 是否與anotherTable有交集 [table isSubsetOfHashTable:anotherTable] // 是否是anotherTable的子集同樣，如果用 NSHashTable 表示傳統字典，傳統字典應該是這樣的 NSHashTable：
NSPointerFunctionsStrongMemory | NSPointerFunctionsObjectPersonalityNSCache
NSCache是Foundation框架提供的緩存類的實現，使用方式類似于可變字典，由于NSMutableDictionary的存在，很多人在實現緩存時都會使用可變字典，但這樣是具有很多局限性的。我們可以從3個方面理清楚它與NSMutableDictionary的區別：
NSCache集成了多種緩存淘汰策略（雖然官方文檔沒有明確指出，但從測試結果來看是 LRU 即 Lease Recent Usage)，且發生內存警告時會進行清理）, 保證了 cache 不會占用過多的內存資源。
NSCache是線程安全的。可以從不同的線程中對NSCache進行增刪改查操作，而不需要自己對cache加鎖。
與NSMutableDictionary不同, ?NSCache不會對key進行拷貝。
下面簡單介紹一下 LRU（雙鏈表+散列表）的核心邏輯。
?LRU 緩存淘汰策略核心邏輯?
與老字典不同，散列表的 value 變成經過封裝的節點 Node，包含：
key: 即字典的key
value：即字典的value
prev：上一個節點
next: 下一個節點
插入散列表的節點將移到鏈表頭部，時間復雜度為O(1)
被訪問的或更新的節點將移動到鏈表頭部，時間復雜度為O(1)
當容量超限時，鏈表尾部的節點將被移除（時間復雜度為O(1)），同時從散列表中移除
我們看到，鏈表的各項操作并沒有影響散列表的整體時間復雜度。
?開始使用?
首先，初始化容量為5的 cache：
self.cache = [[NSCache alloc] init]; self.cache.totalCostLimit = 5; self.cache.delegate = self;實現NSCacheDelegate，元素被淘汰時會收到回調：
- (void)cache:(NSCache *)cache willEvictObject:(id)obj { NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"%@ will be evict",obj]); }接下來分別插入5個元素：
for (int i = 0; i < 5; i++) { [self.cache setObject:@(i) forKey:@(i) cost:1]; }元素按照1、2、3、4、5的順序插入的，意味著下一個被淘汰的元素是1。
接下來我們試著訪問1，然后插入6：
NSNumber *num = [self.cache objectForKey:@(1)]; [self.cache setObject:@6 forKey:@6 cost:1];結果打印：
2020-07-31 09:30:56.486382+0800 Test_Example[52839:214698] 2 will be evict原因是1被訪問后被置換成了鏈表的 head，此時 tail 變成了2。再次插入新數據后，tail 元素2被淘汰。
總結
近不修，無以行遠路; 低不修，無以登高山。若要成為最炙手可熱的技術人才，打下扎實的地基是必不可少的。面對如今移動端人才市場的飽和，小伙伴們更應該抓住機會，磨礪自己，在行業中不斷成長和進步，最終成為行業內不可或缺的精英人才。
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優秀且富有抱負的你，還在等什么呢？
?作者介紹?
丁文超，網易云信資深 iOS 工程師，負責云信 IM、解決方案的設計和研發工作。Github:?WenchaoD
?活動報名中?
4月10日，定位上海的【網易 MCtalk * 掘金 JTalk 娛樂社交技術沙龍 】正在限時免費報名中，歡迎掃碼鎖定席位。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的技术干货 | iOS 高阶容器详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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