C#与数据结构--ArrayList
2.2.3 ArrayList
如果要动态地改变数组所占用内存空间的大小，则需以数组为基础进一步抽象，以实现这个功能。以图2.2的学生宿舍为例，为了使A班的所学生住在连续的宿舍内，可以把A班的学生全部搬迁到连续的5间空宿舍内。其效果如图2.6所示：
现实中，为了让一个班新加入的10个学生能跟原来的学生住在一起而把班级整体搬迁，这样的做法显示不合适，因为搬迁的成本太高。但在计算机中，内存成片区域间的拷贝成本是非常低的，这样的解决方案是合理可行的。
但是这个解决方案还存在问题，如果一个班级频繁地有新学生加入，为了保证学生能住在连续的宿舍内，整个班级就不得不频繁地搬迁。可以采用以空间换时间的做法来解决这个问题，在学生每次搬迁时，都让班级宿舍的数量是原来的两倍。也就是说，如果原来一个班级有4间宿舍，搬迁后就变为8间，再次搬迁则变为16间。如图2.2所示，A班的宿舍为201～208。206～208这三间宿舍做为本班备用宿舍，不再允许其他班级的学生搬入。
C#中的ArrayList正是采用上述方法来动态改变数组大小的。ArrayList又被称为动态数组，它的存储空间可以被动态改变，同时还拥有添加、删除元素的功能。
下面列出了ArrayList的部分核心代码：
【ArrayList.cs】
namespace LinearList
{
public class ArrayList
{
// 成员变量
private const int _defaultCapacity = 4; //默认初始容量
private object[] _items; //用于存放元素的数组
private int _size; //指示当前元素个数
//当元素个数为零时的数组状态
private static readonly object[] emptyArray = new object[0];
// 方法
public ArrayList() //默认构造方法
{ //这样做可以避免元素个数为零时的访问出错
this._items = emptyArray;
}
//指定ArrayList初始容量的构造方法
public ArrayList(int capacity)
{
if (capacity < 0)
{ //当容量参数为负数时引发异常
throw new ArgumentOutOfRangeException("capacity",
"为ArrayList指定的初始容量不能为负数");
}
//按照capacity参数指定的长度的值初始化数组
this._items = new object[capacity];
}
//添加一个方法
public virtual int Add(object value)
{ //当空间满时
if (this._size == this._items.Length)
{ //调整空间
this.EnsureCapacity(this._size + 1);
}
this._items[this._size] = value; //添加元素
return this._size++; //使长度加1
}
//动态调整数组空间
private void EnsureCapacity(int min)
{
if (this._items.Length < min)
{ //空间加倍
int num = (this._items.Length == 0) ?
_defaultCapacity : (this._items.Length * 2);
if (num < min)
{
num = min;
}
//调用Capacity的set访问器以按照num的值调整数组空间
this.Capacity = num;
}
}
//在指定索引入插入指定元素
public virtual void Insert(int index, object value)
{
if ((index < 0) || (index > this._size))
{
throw new ArgumentOutOfRangeException("index", "索引超出范围");
}
if (this._size == this._items.Length)
{ //当空间满时调整空间
this.EnsureCapacity(this._size + 1);
}
if (index < this._size)
{ //插入点后面的所有元素向后移动一位
Array.Copy(this._items, index,
this._items, index + 1, this._size - index);
}
this._items[index] = value; //插入元素
this._size++; //使长度加1
}
//移除指定索引的元素
public virtual void RemoveAt(int index)
{
if ((index < 0) || (index >= this._size))
{
throw new ArgumentOutOfRangeException("index", "索引超出范围");
}
this._size--; //使长度减1
if (index < this._size)
{ //使被删除元素后的所有元素向前移动一位
Array.Copy(this._items, index + 1,
this._items, index, this._size - index);
}
this._items[this._size] = null; //最后一位空出的元素置空
}
//裁减空间，使存储空间正好适合元素个数
public virtual void TrimToSize()
{
this.Capacity = this._size;
}
// 属性
public virtual int Capacity //指示ArrayList的存储空间
{
get
{
return this._items.Length;
}
set
{
if (value != this._items.Length)
{
if (value < this._size)
{
throw new ArgumentOutOfRangeException("value", "容量太小");
}
if (value > 0)
{ //开辟一块新的内存空间存储元素
object[] destinationArray = new object[value];
if (this._size > 0)
{ //把元素搬迁到新空间内
Array.Copy(this._items, 0,
destinationArray, 0, this._size);
}
this._items = destinationArray;
}
else //最小空间为_defaultCapacity所指定的数目，这里是4
{
this._items = new object[_defaultCapacity];
}
}
}
}
public virtual int Count //只读属性，指示当前元素个数
{
get
{
return this._size;
}
}
public virtual object this[int index] //索引器
{
get //获取指定索引的元素值
{
if ((index < 0) || (index >= this._size))
{
throw new ArgumentOutOfRangeException("index", "索引超出范围");
}
return this._items[index];
}
set //设置指定索引的元素值
{
if ((index < 0) || (index >= this._size))
{
throw new ArgumentOutOfRangeException("index", "索引超出范围");
}
this._items[index] = value;
}
}
}
}
上述代码通过在一个数组（第8行代码的成员变量_items）的基础上做进一步抽象，构建了一个可动态改变空间的顺序表ArrayList，并实现了一些基础操作，下面对之进行一一介绍。
1. 初始化
这里实现了2种初始方法，第一种为13～16行代码，它把顺序表空间初始化为一个0长度数组。这样做的目的是为了调用方便。做为成员变量的object类型数组_items默认会被初始化为null，如果不把它初始化为0长度数组，在使用代码 ArrayList arr = new ArrayList() 来创建ArrayList后试图访问它的Count属性将会导致错误发生。
第二种初始化方法为18～27行代码，它根据capacity参数所指定的值来初始化_items数组的长度，如果初始化一个长度为100的ArrayList数组可以使用如下代码：
ArrayList arr = new ArrayList(100)
当可以预见ArrayList所操作的大概元素个数时，使用这种方法可以在一定程序上避免数组重复创建和数据迁移，以提高性能和减少内存垃圾回收的压力。
2. 动态改变存储空间操作
39～52行的EnsureCapacity(int min)方法用于空间不足时使空间加倍，从代码：
int num = (this._items.Length == 0) ? _defaultCapacity : (this._items.Length * 2);
可以得知，当元素个数为0是，空间增长为4，否则将翻倍。改变空间大小的代码是在Capacity属性中的set访问器中实现的（代码99～122行）。代码
object[] destinationArray = new object[value];
创建了一个新的object数组，它在内存中开辟了一个新的空间用于存放元素。代码
Array.Copy(this._items, 0, destinationArray, 0, this._size);
把_items数组中的元素全部拷贝到新数组destinationArray中，可以把它理解为数据搬新家。最后通过
this._items = destinationArray;
使用于存放数据的成员变量_items指向新的数组对象destinationArray。
88～91行的TrimToSize()方法用于裁减多余空间，实际的裁减操作也是在Capacity属性中的set访问器中实现。这个操作也会导致数组的重新创建和数据迁移，建议一般情况下不使用此操作，除非集合中的剩余空间很多。
3. 元素的读写操作
131～149行代码实现了一个索引器，这样就可以使用中括号加索引号来读取和给元素赋值，使ArrayList的使用看上去和数组很相似。
4. 元素的添加和插入操作
29～37行的Add(object value)方法实现了添加元素的功能。元素添加在集合的末尾，成员变量_size用于指示当前元素个数，它总是指向集合中的最后一个元素。
54～71行的Insert(int index, object value)方法用于在指定索引处插入一个元素。为了保证顺序表中的每个元素物理上相邻，插入点后面的所有元素都将后移一位，其效果如图2.7(a)所示。
1. 元素的删除操作
73～86行的RemoveAt(int index)方法用于删除指定索引的元素，删除指定元素后，删除点后的所有元素将向前移动一位其效果如图2.7(b)所示。
下面对ArrayList类进行测试。
【例2-1】ArrayList的使用
新建一个控制台应用程序，并在项目中把上面的ArrayList.cs文件做为一个【现有项】添加进去。在代码窗体前面使用如下语句加入LinearList命名空间：
using LinearList;
并在Main方法中输入如下代码：
using LinearList;
namespace Demo2_1
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ArrayList arr = new ArrayList();
Console.WriteLine("arr现在的容量为：" + arr.Capacity + " 长度为:" + arr.Count);
arr.Add(1); //添加一个元素
Console.WriteLine("arr现在的容量为：" + arr.Capacity + " 长度为:" + arr.Count);
for (int i = 2; i <= 5; i++)
{ //添加4个元素，完成后元素总数达到5个
arr.Add(i);
}
Console.WriteLine("arr现在的容量为：" + arr.Capacity + " 长度为:" + arr.Count);
for (int i = 6; i <= 9; i++)
{ //添加4个元素，完成后元素总数达到9个
arr.Add(i);
}
Console.WriteLine("arr现在的容量为：" + arr.Capacity + " 长度为:" + arr.Count);
for (int i = 0; i < arr.Count; i++) //打印所有元素
{
Console.Write(i + " ");
}
//删除两个元素
arr.RemoveAt(arr.Count - 1);
arr.RemoveAt(arr.Count - 1);
Console.WriteLine(); //换行
for (int i = 0; i < arr.Count; i++) //打印所有元素
{
Console.Write(i + " ");
}
Console.WriteLine(); //换行
Console.WriteLine("arr现在的容量为：" + arr.Capacity + " 长度为:" + arr.Count);
arr.TrimToSize(); //载减多余空间
Console.WriteLine("arr现在的容量为：" + arr.Capacity + " 长度为:" + arr.Count);
Console.ReadLine();
}
}
}
运行结果：如图2.8所示。
由运行结果可以得知，数组对象arr的容量随着元素的不断增加，从0→4→8→16不断改变，在删除两个元素之后，容量还保持在16不变，在通过调用TrimToSize()裁减空间后，容量最终变为7。
2.2.4 类型安全
数组和ArrayList的本质区别在于前者是类型安全的，而后者不是类型安全的。ArrayList为了兼容所有类型的对象，使用了object数组，这给使用带来了一些的麻烦。如下例所示：
【例2-2】数组和ArrayList的对比
本例使用了C#类库中的ArrayList而不是前面自定义的ArrayList，它存在于System.Collections命名空间中。新建一个控制台应用程序，引入System.Collections命名空间，并在Main()方法中输入如下代码：
using System.Collections;
namespace Demo2_2
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
int[] arr = new int[2];
arr[0] = 5;
arr[1] = 6;
int result = arr[0] * arr[1];
Console.WriteLine(result);
ArrayList arrL = new ArrayList();
arrL.Add(5);
arrL.Add(6);
result = (int)arrL[0] * (int)arrL[1];
Console.WriteLine(result);
Console.ReadLine();
}
}
}
运行结果：
|
30 30 |
本例使用数组和ArrayList分别做了相同的事情，但使用方法却大相径庭。首先数组在创建时就已经确定只接收int类型数据，并且它的长度是固定的。而ArrayList则可以接收任意object类型，而事实上，C#中的所有类均是object类型的子类。
其次数组没有添加元素的功能，因为在数组创建时，各个元素就已经存在，只是被初始化为0而已，只能通过下标改变各个元素的值。而ArrayList只有把元素添加进去后才可以通过下标访问相应的元素。
最后，在使用集合中的元素时，数组不需要进行强制类型转换，而ArrayList必须要经过强制类型转换才能使用。这是因为ArrayList实际存放的是object对象，要按照这些对象原本的类型来使用就必须要使用强制类型转换。
ArrayList的这个特点带来了类型安全问题，如：
arrL.Add(5);
arrL.Add("Hello World");
arrL.Add(new Button());
以上代码在集合中存放了各种各样的数据类型，但这样做是被允许的。这种类型的不安全一方面给程序带来了隐患，另一方面如果集合中存放的是值类型还会产生装箱和拆箱操作，降低了程序的性能。
.NET 2.0版本的泛型的出现完美地解决了上述问题，新版本使用System.Collections.Generic命名空间下的List<T>类取代了原来的ArrayList类。下面演示了泛型List<T>类的使用：
arrL.Add(1);
arrL.Add(2);
可以看到，第一行代码在集合创建时就已经把元素类型限定为int，它是类型安全的，同时避免了装箱和拆箱操作。强烈建议在实际编程中使用List<T>代替ArrayList。
