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C#把Array说透

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:
  image
  
  
  
  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。

作者:Wilber 类别:编程学习 时间:2010/11/24 13:57:05 评论:0 点击99
标签:  Array,C#
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