面试题：Swift集合类型之字典与性能优化场景

Question

在Swift中，字典常用于存储键值对数据。假设你正在开发一个缓存系统，需要快速根据键获取对应的值。请分析在这种场景下，字典的性能特点，以及可能存在的性能问题，并阐述如何优化。例如，如何选择合适的键类型以提高哈希效率等。

Answer 1

字典性能特点

1. 查找速度快：Swift的字典基于哈希表实现，在理想情况下，通过键获取值的操作时间复杂度接近O(1)。这使得缓存系统能够快速地根据给定的键找到对应的缓存值。
2. 插入和删除效率高：同样基于哈希表，插入和删除操作在平均情况下也具有较好的性能，时间复杂度也接近O(1)。

可能存在的性能问题

1. 哈希冲突：当不同的键计算出相同的哈希值时，就会发生哈希冲突。这会导致在查找、插入和删除操作时，需要额外处理冲突情况，从而降低性能，时间复杂度可能退化为O(n)，n为哈希表中元素的数量。
2. 内存开销：字典需要额外的内存来存储哈希表结构以及相关的元数据。随着缓存数据量的增大，内存占用会显著增加，可能导致内存压力甚至内存溢出问题。
3. 键类型的哈希性能：如果选择的键类型本身计算哈希值的效率较低，会影响整个字典操作的性能。例如，复杂的自定义结构体或类，若没有合理实现哈希函数，可能导致大量的计算开销。

优化方法

1. 选择合适的键类型：
   • 基本类型优先：使用如Int、String等Swift的基本类型作为键，因为这些类型已经针对哈希计算进行了优化，计算哈希值的效率高。例如，Int类型的哈希计算就是其本身的值，非常高效。
   • 自定义类型优化：如果必须使用自定义结构体或类作为键，需要合理实现Hashable协议。确保hashValue的计算既能够快速执行，又能尽量减少哈希冲突。例如，对于包含多个属性的结构体，可以将各个属性的哈希值进行组合计算，如使用combine函数：

struct MyStruct: Hashable {
    var property1: Int
    var property2: String
    
    func hash(into hasher: inout Hasher) {
        hasher.combine(property1)
        hasher.combine(property2)
    }
}

2. 控制哈希表负载因子：虽然Swift的字典会自动管理哈希表的大小，但了解负载因子（哈希表中已占用的槽位与总槽位的比例）对于性能优化有帮助。负载因子过高（接近1）时，哈希冲突的概率会显著增加。可以在初始化字典时预留足够的容量，以减少动态扩容带来的性能开销。例如：

var cache = [String: Any](minimumCapacity: 1000)

3. 定期清理缓存：为了控制内存开销，缓存系统应定期清理过期或不再使用的数据。可以使用定时任务或基于事件的机制来触发清理操作，确保字典中的数据始终保持在合理的规模。
4. 考虑使用其他数据结构：在某些情况下，如果缓存数据具有一定的顺序性要求，或者需要更复杂的缓存淘汰策略，可以考虑结合其他数据结构，如LRU（最近最少使用）缓存可以通过字典和双向链表结合实现，这样在保证快速查找的同时，能更好地管理缓存数据。