C# Array详细解析

1. 数组大局观

数组是一个引用类型，也就是意味着数组的内存分配在托管堆上，并且我们在栈上维护的是他的指针而并非真正的数组。

接下来我们分析下数组的元素，其中的元素无外乎是引用类型和值类型。

当数组中的元素是值类型时，，不同于int i；这样的代码。数组会根据数组的大小自动把元素的值初始化为他的默认值。例如：

static void Main(string[] args)
{
    int[] intArray = new int[3];
    foreach(int i in intArray)
    {
        Console.WriteLine(i);
    }
    DateTime[] dtArray = new DateTime[3];
    foreach (DateTime i in dtArray)
    {
        Console.WriteLine(i);
    }
}

结果如下：

当数组中的元素是引用类型时，实际上数组中的元素是一个指向对象实际内存空间的指针，占用4Bytes的空间。

2. 谈谈零基数组

从学C语言时起，相信老师就会对我们讲，数组的第一个索引是0，而不是1。但是在C#中，我们可以去构造一个非零基数组，在这一节，我们就来把这个说透。

在常规意义上，我们初始化一个数组，都默认是零基数组，这也使得数组成为了字符串后再一个初始化时特殊的类型。正如我们知道的一样，初始化一个字符串时，对应的IL指令是newstr，同样，初始化一个零基数组对应的IL指令是newarr。

当我们希望构造一个非零基数组时，我们可以以下的语句来做到：

static void Main(string[] args)
{
    Array intArr = Array.CreateInstance(

       typeof(Int32), new int[] { 5 }, new int[] { 1 });
    Console.WriteLine(intArr.GetValue(1).ToString());
    Console.WriteLine(intArr.GetValue(0).ToString());
}?

得到的测试结果便如下：

于是便证明，我们初始化了一个非零基数组。此外，延伸一下，我们还应该通过这个记住以下两个方法：

static void Main(string[] args)
{
    Array intArr = Array.CreateInstance(
      typeof(Int32), new int[] { 5 }, new int[] { 1 });
    Console.WriteLine(intArr.GetLowerBound(0));
    Console.WriteLine(intArr.GetUpperBound(0));
}

 

得到的测试结果如下：

3. 谈谈效率问题

相信会有好多阴谋论者说，C#是个类型安全的语言，也就是意味着我循环时每次访问一次数组的元素，那么就要检查一次该索引是否会造成数组越界，于是就造成了一定的性能损失。那么在这里，我们就把这个问题说透。

我们在这里把数组分成零基数组，非零基数组，多维数组，交错数组四种情况来分别讨论这个问题。

零基数组是.NET中提倡使用的类型，并且初始化时提供了特殊的IL指令newarr则充分说明了他在.NET中的特殊性，自然.NET Framework也会为其提供很大的优化待遇。在循环访问数组时，如这样的代码：

static void Main(string[] args)
{
    int[] intArr = new int[5];
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    { 
        //Some Method
    }
}

 

JIT编译器只会在循环开始之前检查一次4和intArr.GetUpperBound的大小关系，之后便不会对其进行干预。也就是说JIT编译器只对其检查一次安全，因此带来的性能损失是非常小的。

而对于非零基数组，我们来比较这样两段代码：

static void Main(string[] args)
{
    Array intArr = Array.CreateInstance(
       typeof(Int32), new int[] { 5 }, new int[] { 1 });
    Console.WriteLine(intArr.GetValue(1).ToString());
    Console.WriteLine(intArr.Length);
    //
    int[] intArr1 = new int[5];
    Console.WriteLine(intArr1[1]);
    Console.WriteLine(intArr1.Length);
}

 

其实两者创建的几乎是相同的数组，调用的也几乎是一样的方法，但是我们看下IL却会发现两者有着惊人的不同，首先是非零基数组的IL：

接下来是零基数组的：

我们可以发现，对于非零基数组中的大部分操作，.NET Framework都提供了对应的IL指令，我们也可以理解为.NET Framework为其提供了特殊的优化。

当然，实际上，正如CLR via C#所说的一样：.NET Framework对应非零基数组没有任何方面的优化，每次访问都需要检查其上限和下限与索引之间的关系。效率的损耗是必然的。

事实上，当我们测试这样一段代码时，也会发现其实零基数组和非零基数组的区别是很大的：

static void Main(string[] args)
{
    Array intArr = Array.CreateInstance(
      typeof(Int32), new int[] { 5 }, new int[] { 1 });
    Console.WriteLine("intArr的?类à型í是?：o{0}", intArr.GetType()); 
    //
    int[] intArr1 = new int[5];
    Console.WriteLine("intArr1的?类à型í是?：o{0}", intArr1.GetType()); 
}

 

得到的结果如下：

接下来我们再来简单地说下多维数组和交错数组。

多维数组和非零基数组一样，都没有受到.NET Framework的特殊优待。

而交错数组，其实就是数组中的数组，因此效率实际上取决于数组中的数组是零基数组还是非零基数组。

那接下来的一节，我们来具体探讨一下交错数组和多维数组的区别和应用。

4. 多维数组和交错数组

考虑到两个词的翻译问题，在这里给出两个词的英文：

多维数组：Multi-dimensional Array。

交错数组：Jagged Array。

好，下面步入正题。

首先从二者的内存分布说起。

多维数组是一个整体的数组，因此他在内存中占据一个整体的托管堆内存块。

而交错数组实际上是数组中的数组，因此我们用二维交错数组来举例，其内存如图所示：

也就是说，如果是一个3*100的数组，也就是说需要初始化101次数组，当数组的元素更加多的时候，那创建和垃圾回收将带来巨大的效率损失。

因此，也就是说：交错数组的效率瓶颈在于创建和销毁上，而并非类型安全检查上。

于是，我们就可以得出这样的结论：

当一次创建，多次访问时，我们应该创建交错数组。

当一次创建，一次访问时，我们应该创建多维数组。

5. 用代码改善效率

上面说到了，访问非零基数组和多维数组的效率是比较低的，对于非零基数组，我们的应用比较少，但是多维数组，相信每个人都或多或少有着一定的应用，那么面对其性能问题，我们该怎么办呢？

我们先来想想，多维数组的访问，性能瓶颈在安全检查上。在C语言中，为什么没有这样的问题，对，因为C语言不会做这样的检查。于是，相信聪明的大家都会想到不安全代码。

改善多维数组以及非零基数组的效率问题，我们就用不安全代码。

static unsafe void Main(string[] args)
{
    int[,] intArr = new int[3, 3];
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 3; j++)
        {
            intArr[i, j] = i * 3 + j;
        }
    }
    fixed (int* p = &intArr[0, 0])
    {
        for (int i = 0; i < 3; i++)
        {
            int baseOffset = i * 3;
            for (int j = 0; j < 3; j++)
            {
                Console.WriteLine(baseOffset + j);
            }
        }
    }
}

 

这里，我们又见到了C语言中熟悉的指针，相信不需要多加介绍了。这里唯一需要注意的就是fixed，由于在垃圾回收时采用的是代机制+压缩机制，因此其内存地址很可能发生改变，因此我们应该讲数组的内存地址锁住，防止我们访问到其他的内存地址而造成我们读取数据的错误。

6. 对零基数组的精益求精

当然，即使是零基数组，我们依然在托管堆上为其分配了内存空间。如果对性能要求极高，我们知道创建一个对象也是有着一定的时间损耗，其中包括分配内存空间，同步块索引，以及指向下一块内存空间的指针等一系列复杂的操作。那么我们就放弃掉托管堆这个东东，而直接在栈中来创建这个数组，这样又省去了很多时间，从而达到了和C语言相同的效果，代码如下：

static unsafe void Main(string[] args)
{
    int* intArr=stackalloc int[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        intArr[i] = i;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        Console.WriteLine(intArr[i]);
    }
}

 

这样，效率就进一步提高了，对于二维数组，我们一样可以如此创建。其代码与C语言完全等同。我在这里就不继续演示了。

7. 总结

在全文中，主要是对数组的各个方面做一个比较简略地介绍，其中包括数组的基础知识，分类，以及效率性能问题，最后就是用不安全代码来访问创建数组来提高性能。

不过最后说一句，在实际工作中，如果对性能没有特别高的要求，则没必要用不安全代码来操作数组，因为其很可能因为你的一些失误而带来其他的一些安全问题，并且对代码的可读性也是个比较大的伤害，这就有些得不偿失了。