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C#集合：从基础到进阶的全面解析

news 2025/7/20 13:06:22

C#集合：从基础到进阶的全面解析

在 C# 编程中，集合是处理数据集合的核心工具。无论是存储一组对象、实现缓存机制，还是处理复杂的数据结构，都离不开集合的灵活运用。本文将全面深入地探讨 C# 集合体系，从基础概念到高级技巧，帮助开发者掌握集合的精髓，写出更高效、更优雅的代码。

一、集合概述与分类

C# 集合框架是.NET类库的重要组成部分，它提供了一系列用于存储和操作数据的类和接口。与数组相比，集合具有动态扩容、类型安全（泛型集合）、丰富操作方法等优势，是处理可变数据量场景的首选。

1. 泛型与非泛型集合

C# 集合分为泛型集合和非泛型集合两大类：

  • 非泛型集合：位于System.Collections命名空间，如ArrayList、Hashtable等。它们存储object类型，存在装箱拆箱操作，性能较差，且缺乏编译时类型检查，现在已逐渐被泛型集合取代。
  • 泛型集合：位于System.Collections.Generic命名空间，如List<T>、Dictionary<TKey, TValue>等。通过泛型参数指定元素类型，避免了装箱拆箱，提供类型安全，是现代 C# 开发的主流选择。

2. 集合接口体系

集合框架基于接口构建，核心接口包括：

  • IEnumerable<T>：支持泛型迭代，定义了GetEnumerator()方法，是所有可迭代集合的基础。
  • ICollection<T>：继承自IEnumerable<T>，增加了元素数量、添加、删除等操作。
  • IList<T>：继承自ICollection<T>，提供索引访问能力，如List<T>实现了该接口。
  • IDictionary<TKey, TValue>：定义键值对集合的操作，如Dictionary<TKey, TValue>。

二、常用集合类型详解

1. List：动态数组的首选

List<T>是最常用的集合类型，内部通过数组实现，支持动态扩容。

// 初始化与基本操作
var fruits = new List<string>();
fruits.Add("Apple");
fruits.AddRange(new[] { "Banana", "Cherry" });
fruits.Insert(1, "Orange");// 便利
foreach (var fruit in fruits)
{Console.WriteLine(fruit);
}// 查找与过滤
var result = fruits.Find(f => f.StartsWith("A"));
var filtered = fruits.FindAll(f => f.Length > 5);

内部原理：List<T>初始容量为 4，当元素数量超过容量时，会创建一个新的、容量为原来 2 倍的数组，并复制旧元素，因此频繁扩容会影响性能。建议初始化时指定初始容量（如new List<string>(100)），减少扩容次数。

2. Dictionary<TKey, TValue>：键值对高效映射

Dictionary<TKey, TValue>基于哈希表实现，提供 O (1) 的平均查找效率，适用于通过键快速访问值的场景。

var studentScores = new Dictionary<int, int>
{{ 101, 90 },{ 102, 85 }
};// 添加与访问
studentScores.Add(103, 95);if (studentScores.TryGetValue(102, out int score))
{Console.WriteLine($"Score: {score}");
}// 遍历键值对
foreach (var kvp in studentScores)
{Console.WriteLine($"Key: {kvp.Key}, Value: {kvp.Value}");
}

哈希冲突处理：当两个键的哈希码相同时，Dictionary通过链表将冲突的元素存储在同一桶中，此时查找复杂度退化为 O (n)。因此，应确保键类型实现了良好的GetHashCode和Equals方法。

3. HashSet：高性能去重集合

HashSet<T>是无序集合，不允许重复元素，基于哈希表实现，添加、删除、包含操作的平均时间复杂度为 O (1)。

var uniqueNumbers = new HashSet<int> { 1, 2, 3 };
uniqueNumbers.Add(2); // 重复元素，添加失败
uniqueNumbers.Remove(3);bool contains = uniqueNumbers.Contains(1); // 高效判断包含

适用场景：去重、集合运算（如交集IntersectWith、并集UnionWith）。

4. Queue与 Stack：特殊访问模式集合

  • Queue：先进先出（FIFO）集合，适用于消息队列、任务调度等场景。

    var queue = new Queue<string>();
queue.Enqueue("First");
queue.Enqueue("Second");var item = queue.Dequeue(); // 取出"First"

  • Stack：后进先出（LIFO）集合，适用于表达式求值、撤销操作等。

    var stack = new Stack<int>();
stack.Push(1);
stack.Push(2);var top = stack.Pop(); // 取出2

5. LinkedList：链表结构的灵活实现

LinkedList<T>是双向链表，元素通过节点链接，插入和删除元素（已知节点位置时）效率高（O (1)），但随机访问效率低（O (n)）。

var linkedList = new LinkedList<string>();
var node = linkedList.AddFirst("First");
linkedList.AddAfter(node, "Second");

适用场景：需要频繁在集合中间插入 / 删除元素的场景。

三、性能分析与选择策略

不同集合类型的性能特性差异显著，选择合适的集合是优化代码的关键。

集合类型查找效率插入 / 删除效率（中间位置）适用场景
List<T>O(1)O(n)动态数组、随机访问频繁
Dictionary<,>O(1)O (1)（平均）键值对映射、快速查找
HashSet<T>O(1)O (1)（平均）去重、集合运算
LinkedList<T>O(n)O (1)（已知节点）频繁插入 / 删除中间元素
Queue<T>O(n)O (1)（队尾）FIFO 场景，如消息队列
Stack<T>O(n)O (1)（栈顶）LIFO 场景，如撤销操作

选择策略：

  1. 根据核心操作（查找、插入、删除）的频率选择。
  2. 考虑数据是否有序、是否允许重复。
  3. 预估数据量，初始化时指定合适容量（如List<T>、Dictionary<,>）。

四、线程安全与并发集合

多线程环境下，普通集合（如List<T>、Dictionary<,>）不是线程安全的，并发操作可能导致数据异常。.NET 提供了专门的并发集合（System.Collections.Concurrent命名空间）：

  • ConcurrentBag<T>：无序的线程安全集合，适合多线程添加和获取元素。
  • ConcurrentDictionary<TKey, TValue>：线程安全的键值对集合。
  • ConcurrentQueue<T>/ConcurrentStack<T>：线程安全的队列和栈。
// 并发字典示例
var concurrentDict = new ConcurrentDictionary<int, string>();
concurrentDict.TryAdd(1, "One");
if (concurrentDict.TryUpdate(1, "NewOne", "One"))
{// 更新成功
}

使用建议：多线程读写时优先使用并发集合，避免手动加锁的复杂性。

五、最佳实践与高级技巧

1. 优先使用泛型集合

非泛型集合（如ArrayList）会导致装箱拆箱操作，影响性能且缺乏类型安全。例如：

// 不推荐：ArrayList存在装箱拆箱
ArrayList list = new ArrayList();
list.Add(1); // 装箱
int value = (int)list[0]; // 拆箱// 推荐：List<T>类型安全且无装箱
List<int> intList = new List<int>();
intList.Add(1);
int val = intList[0];

2. 利用接口编程

依赖抽象接口（如IEnumerable<T>、ICollection<T>）而非具体实现，提高代码灵活性。例如，方法参数使用IEnumerable<T>，可接受任何实现该接口的集合：

public void ProcessItems(IEnumerable<string> items)
{foreach (var item in items){// 处理逻辑}
}

3. 集合初始化与 LINQ 结合

C# 支持集合初始化器和 LINQ 查询，简化集合操作：

// 集合初始化器
var numbers = new List<int> { 1, 2, 3, 4, 5 };// LINQ查询与集合转换
var evenNumbers = numbers.Where(n => n % 2 == 0).ToList();var numberDict = numbers.ToDictionary(n => n, n => n * 2);

4. 自定义集合

当系统集合无法满足需求时，可通过实现IEnumerable<T>、ICollection<T>等接口创建自定义集合：

public class ReadOnlyList<T> : IEnumerable<T>
{private readonly List<T> _innerList;public ReadOnlyList(List<T> list){_innerList = new List<T>(list);}public IEnumerator<T> GetEnumerator(){return _innerList.GetEnumerator();}IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator(){return GetEnumerator();}
}

六、总结

C# 集合框架提供了丰富的类型和功能，从基础的List<T>到复杂的并发集合，每种类型都有其独特的适用场景。掌握集合的内部原理、性能特性和最佳实践，能帮助开发者编写更高效、更健壮的代码。在实际开发中，应根据具体需求（如操作类型、数据量、线程环境）选择合适的集合类型，并充分利用泛型和 LINQ 提升开发效率。通过不断实践和深入理解，才能真正发挥 C# 集合的强大威力。

http://www.lryc.cn/news/583922.html

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