[.NET大牛之路 013] C# 基础:数组知识点

数组本身相对来说比较简单,C# 提供了很多数组方法,比如 Clear()Reverse()Sort() 等,这些方法都可以在需要使用的时候通过智能提示了解它们的用法,本文就不具体讲了。但还是有一些数组相关的知识点值得总结和知晓一下。

有的知识点,知不知道其实并不重要,工作中用的时候搜索一下就可以了,毕竟实现一个功能代码的写法有很多种,再牛的人也不可能完全熟悉一门语言的每个细节。当然了,多了解一点总是没有什么坏处,一些好用的 C# 特性或知识点或多或少都可以提高代码质量和编码效率。

01 数组的定义和初始化

定义和初始化一个数组有好几种方式,随着 C# 版本升级,方式也越来越简单:

int[] arr = new int[3];           // 定义一个长度为 3 的数组
int[] arr = new int[3] {1, 2, 3}; // 定义一个长度为 3 的数组并初始化
int[] arr = new [] {1, 2, 3};     // 上面的简写
int[] arr = {1, 2, 3};            // 上面的进一步简写

我们知道当定义一个固定长度的数组没有初始化时,比如:

int[] arr = new int[3];

虽然没有初始化,但它是有默认值的,这个数组中包含了 3 个值为 0 的整数。如何使用非默认值创建一个数组呢?可以使用 System.Linq 命名空间下的 Enumerable.Repeat 方法:

// 创建长度为 5 的整形数组,并用 100 来填充
int[] arr = Enumerable.Repeat(100, 5).ToArray();

// 创建长度为 5 的字符串数组,并用“C#”来填充
string[] arr = Enumerable.Repeat("C#", 5).ToArray();

另外,数组的一个显著特点是,一个数组中所有元素的类型必须一致。

02 数组的复制、克隆与比较

把一个数组的元素复制到另一个数组,可以使用 Array.Copy() 方法,复制时源数组取值和目标数组赋值都是从索引 0 开始的:

var sourceArray = new int[] { 11, 12, 3, 5, 2, 9};
var destinationArray = new int[3];
Array.Copy(sourceArray, destinationArray, 3);
// destinationArray = [11, 12, 3]

克隆一个数组很简单:

var sourceArray = new int[] { 11, 12, 3 };
var destinationArray = (int[])sourceArray.Clone();
// destinationArray = [11, 12, 3]

比较两个数组是否一样,即两个数组包含的元素及元素的顺序是否都一样,可以使用数组的 SequenceEqual 方法:

int[] arr1 = { 3, 5, 7 };
int[] arr2 = { 3, 5, 7 };
bool result = arr1.SequenceEqual(arr2); // true

以上只是罗列几个有代表性的比较快捷简单的数组操作,在 C# 中借助 Linq 可以实现更复杂的数组操作,这里先不作总结。

03 使用指针遍历数组

实际的 C# 开发中很少会直接用到指针,在需要进行底层操作时可能会用到。在 C# 中使用指针时需要在 unsafe 上下文中操作:

int[] arr = new int[] {1, 6, 3, 3, 9};

// 使用 foreach
foreach (int element in arr)
{
    Console.WriteLine(element);
}

// 使用指针
unsafe
{
    int length = arr.Length;
    fixed (int* p = arr)
    {
        int* pInt = p;
        while (length-- > 0)
        {
            Console.WriteLine(*pInt);
            pInt++; // 将指针移到下一个元素
        }
    }
}
// 依次输出:1 6 3 3 9

这里只是让大家简单了解一下,知道有这么一回事,不必掌握。

04 生成有序数组

我曾经见过有人使用 for 循环生成一个从 n 到 m 的有序数组,这没什么问题。只是 C# 提供了更方便的方法, Enumerable.Range() 方法可以很容易地创建一个有序的整型数组。示例:

// 创建数字从 1 到 100 的数组
int[] sequence = Enumerable.Range(1, 100).ToArray();

// 结合 Linq 还可以实现更复杂的数组创建逻辑
int[] squares = Enumerable.Range(2, 10).Select(x => x * x).ToArray(); // 3, 9, 16...

这个方法在单元测试生成模拟数据的时候用的比较多。

05 多维数组和交错数组的区别

简单来说,多维数组每一行长度都是固定的,比如二维数组是一个 m 行 n 列的矩阵:

int[,] arr = {
   {1, 2, 3, 4},
   {4, 2, 1, 3},
   {2, 1, 3, 4},
}

而交错数组(又叫锯齿数组)的每一行可以有不同的大小,表示的是数组的数组。比如:

int[][] arr = {
    new [] {1, 2, 3, 4},
    new [] {1, 2},
    new [] {1, 2, 3},
}

它们的定义、初始化、取值、赋值等都有明显的区别。

先看多维数组:

// 多维数组的定义
int[,]  arr = new int[10, 10];     // 二维数组
int[,,] arr = new int[10, 10, 10]; // 三维数组

// 多维数组的初始化 (new int[3, 2] 可以省略)
int[,] arr = new int[3, 2] { {1, 1}, {2, 2}, {3, 3} };

// 多维数组的取值
Console.WriteLine(arr[2, 1]); // 3

// 多维数组的赋值
arr[2, 1] = 10;

再对比交错数组:

// 交错数组的定义
int[][]   arr = new int[10][];   // 二层:数组的数组
int[][][] arr = new int[10][][]; // 三层:数组的数组的数组

// 交错数组的初始化 (new int[3][] 可以省略)
int[][] arr = new int[3][] { new [] {1}, new [] {2, 2}, new [] {3, 3, 3} };

// 交错数组的取值
Console.WriteLine(arr[2][1]); // 3

// 多维数组的赋值
arr[2][1] = 10;

注意:多维数组每行长度必须一致;交错数组第二个 [] 是不能有数字的。两者的 Length 属性意义也是不一样的,多维数组的 Length 属性取的是数组所有元素的总数,而交错数组取的是第一层的数组的个数。例如:

int[,] arr1 = new int[3, 2] { { 1, 1 }, { 2, 2 }, { 3, 3 } };
Console.WriteLine(arr1.Length); // 输出:6

int[][] arr2 = new int[3][] { new[] { 1 }, new[] { 2, 2 }, new[] { 3, 3, 3 } };
Console.WriteLine(arr2.Length); // 输出:3

建议:除了某些像矩阵这样的操作场景可能更适合使用多维数组,大多数场景应尽量选择使用交错数组。功能上多维数组可以实现的,交错数组也都能实现,反过来不一定可以。另外,根据 stackoverflow 网友的回答(下面参考链接),在 .NET 中,交错数组性能上要好于多维数组。

06 理解 Index 和 Range

为了简化对序列(包括数组)的处理,C# 8 引入了两个新的类型:

  • System.Index 代表一个序列的索引。
  • System.Range 表示一个序列的子范围。

和对应的两个新的操作符:

  • 末端索引操作符( ^)用于指定从序列末端开始索引。
  • 范围操作符( ..)用于指定一个范围的开始和结束索引。

注: Index   Range 适用于数组、字符串、 Span<T> 和  ReadOnlySpan<T>

我们知道,数组的索引从零(0)开始。一个序列的末端元素索引位置是长度减 1。下面我们用一个简单的示例来演示 Index 类的使用:

int[] arr = new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };

for (int i = 0; i < arr.Length; i++)
{
    Index idx = i;
    Console.Write(arr[idx] + ", ");
}

// 输出:
// 0, 1, 2, 3, 4, 5,

末端索引操作符( ^)用于指定从序列末端开始的索引,它的第一个值是数组的长度。记住,进行末端索引操作时,序列中的最后一项比实际长度少一个,所以 ^0 会报错。下面的代码以反向方式打印数组:

int[] arr = new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };

for (int i = 1; i <= arr.Length; i++)
{
    Index idx = ^i;
    Console.Write(arr[idx] + ", ");
}

// 输出:
// 5, 4, 3, 2, 1, 0,

范围操作符( ..)用于指定一个开始和结束索引,允许访问列表中的子序列。范围的开始是包含的,范围的结束是排他的。例如,为了取出数组的前两个成员,可以创建从 0(第一个成员)到 2(比所需索引位置多一个)的范围:

int[] arr = new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };

foreach (var item in arr[0..2])
{
    Console.Write(item + ", ");
}

// 输出:
// 0, 1,

范围也可以使用新的 Rang 数据类型传递给一个序列,如下所示:

int[] arr = new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };

Range r = 0..2;
foreach (var item in arr[r])
{
    Console.Write(item + ", ");
}

// 输出:
// 0, 1,

范围可以用整数或 Index 类型的索引变量来定义,下面的代码和上面的效果是一样的:

int[] arr = new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };

Index idx1 = 0;
Index idx2 = 2;
Range r = idx1..idx2;
foreach (var item in arr[r])
{
    Console.Write(item + ", ");
}

// 输出:
// 0, 1,

如果省略范围的起始,则默认使用序列的开头。如果省略范围的结束,则默认使用范围的长度。对于前面示例中的数组,下面所有的范围都代表同一个子集:

arr[..]
arr[0..^0]
arr[0..6]

记住,范围的结束是排他的,所以对于最大索引值是 5  arr 数组,取整个范围是 arr[0..6],即范围的结束是数组的长度,而不是最大索引。另外, ^0 放在范围末尾(如 arr[..^0])表示序列的长度,也可以省略。

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