数组还是HashSet？

我记得大约在半年前，有个朋友问我一个问题，现在有一个选型：

一个性能敏感场景，有一个集合，需要确定某一个元素在不在这个集合中，我是用数组直接Contains还是使用HashSet<T>.Contains？

大家肯定想都不用想，都选使用HashSet<T>，毕竟HashSet<T>的时间复杂度是O(1)，但是后面又附加了一个条件：

这个集合的元素很少，就4-5个。

那这时候就有一些动摇了，只有4-5个元素，是不是用数组Contains或者直接遍历会不会更快一些？当时我也觉得可能元素很少，用数组就够了。

而最近在编写代码时，又遇到了同样的场景，我决定来做一下实验，看看元素很少的情况下，是不是使用数组优于HashSet<T>。

我构建了一个测试，分别尝试在不同的容量下，查找一个元素，使用数组和HashSet的区别，代码如下所示：

[GcForce(true)]
[MemoryDiagnoser]
[Orderer(SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)]
public class BenchHashSet
{
	private HashSet<string> _hashSet;
	private string[] _strings;

	[Params(1,2,4,64,512,1024)]
	public int Size { get; set; }

	[GlobalSetup]
	public void Setup()
	{
		_strings = Enumerable.Range(0, Size).Select(s => s.ToString()).ToArray();
		_hashSet = new HashSet<string>(_strings);
	}

	[Benchmark(Baseline = true)]
	public bool EnumerableContains() => _strings.Contains("8192");

	[Benchmark]
	public bool HashSetContains() => _hashSet.Contains("8192");
}

大家猜猜结果怎么样，就算Size只为1，那么HashSet也比数组Contains遍历快40%。

那么故事就这么结束了吗？所以无论如何场景我们都直接无脑使用HashSet就行了吗？大家看滑动条就知道，故事没有这么简单。

刚刚我们是引用类型的比较，那值类型怎么样？结论就是一样的结果，就算只有1个元素也比数组的Contains快。

那么问题出在哪里？点进去看一下数组Contains方法的实现就清楚了，这个东西使用的是Enumerable迭代器匹配。

那么我们直接来个原始的，Array.IndexOf匹配和for循环匹配试试，于是有了如下代码：

[GcForce(true)]
[MemoryDiagnoser]
[Orderer(SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)]
public class BenchHashSetValueType
{
	private HashSet<int> _hashSet;
	private int[] _arrays;

	[Params(1,4,16,32,64)]
	public int Size { get; set; }
	

	[GlobalSetup]
	public void Setup()
	{
		_arrays = Enumerable.Range(0, Size).ToArray();
		_hashSet = new HashSet<int>(_arrays);
	}

	[Benchmark(Baseline = true)]
	public bool EnumerableContains() => _arrays.Contains(42);
	
	[Benchmark]
	public bool ArrayContains() => Array.IndexOf(_arrays,42) > -1;

	[Benchmark]
	public bool ForContains()
	{
		for (int i = 0; i < _arrays.Length; i++)
		{
			if (_arrays[i] == 42) return true;
		}

		return false;
	}

	[Benchmark]
	public bool HashSetContains() => _hashSet.Contains(42);
}

接下来结果就和我们预想的差不多了，在数组元素小的时候，使用原始的for循环比较会快，然后HashSet就变为最快的了，在更多元素的场景中Array.IndexOf会比for更快：

至于为什么在元素多的情况Array.IndexOf会比for更快，那是因为Array.IndexOf底层使用了SIMD来优化，在之前的文章中，我们多次提到了SIMD，这里就不赘述了。

既然如此我们再来确认一下，到底多少个元素以内用for会更快，可以看到16个元素以内，for循环会快于HashSet：

所以我们应该选择HashSet<T>还是数组呢？这个就需要分情况简单的总结一下：

• 在小于16个元素场景，使用for循环匹配会比较快。
• 16-32个元素的场景，速度最快是HashSet<T>然后是Array.IndexOf、for、IEnumerable.Contains。
• 大于32个元素的场景，速度最快是HashSet<T>然后是Array.IndexOf、IEnumerable.Contains、for。

从这个上面来看，大于32个元素就不合适直接用for比较了。不过这些差别都很小，除非是性能非常敏感的场景，可以忽略不计，本文解决了笔者的一些困扰，简单记录一下。