細說Array數(shù)組
本文將對Array數(shù)組的各個方面做一個比較簡略地介紹，其中包括數(shù)組的基礎(chǔ)知識，分類，以及效率性能問題。
1. 數(shù)組大局觀
數(shù)組是一個引用類型，也就是意味著數(shù)組的內(nèi)存分配在托管堆上，并且我們在棧上維護的是他的指針而并非真正的數(shù)組。接下來我們分析下數(shù)組的元素，其中的元素?zé)o外乎是引用類型和值類型。當(dāng)數(shù)組中的元素是值類型時，不同于int i;這樣的代碼。數(shù)組會根據(jù)數(shù)組的大小自動把元素的值初始化為他的默認值。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);
- }
- }
結(jié)果如下：
當(dāng)數(shù)組中的元素是引用類型時，實際上數(shù)組中的元素是一個指向?qū)ο髮嶋H內(nèi)存空間的指針，占用4Bytes的空間。
2. 談?wù)劻慊鶖?shù)組
從學(xué)C語言時起，相信老師就會對我們講，數(shù)組的***個索引是0，而不是1。但是在C#中，我們可以去構(gòu)造一個非零基數(shù)組，在這一節(jié)，我們就來把這個說透。
在常規(guī)意義上，我們初始化一個數(shù)組，都默認是零基數(shù)組，這也使得數(shù)組成為了字符串后再一個初始化時特殊的類型。正如我們知道的一樣，初始化一個字符串時，對應(yīng)的IL指令是newstr，同樣，初始化一個零基數(shù)組對應(yīng)的IL指令是newarr。
當(dāng)我們希望構(gòu)造一個非零基數(shù)組時，我們可以以下的語句來做到：
- 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());
- }
得到的測試結(jié)果便如下：
于是便證明，我們初始化了一個非零基數(shù)組。此外，延伸一下，我們還應(yīng)該通過這個記住以下兩個方法：
- 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));
- }
得到的測試結(jié)果如下：
3. 談?wù)勑蕟栴}
相信會有好多陰謀論者說，C#是個類型安全的語言，也就是意味著我循環(huán)時每次訪問一次數(shù)組的元素，那么就要檢查一次該索引是否會造成數(shù)組越界，于是就造成了一定的性能損失。那么在這里，我們就把這個問題說透。
我們在這里把數(shù)組分成零基數(shù)組，非零基數(shù)組，多維數(shù)組，交錯數(shù)組四種情況來分別討論這個問題。
零基數(shù)組是.NET中提倡使用的類型，并且初始化時提供了特殊的IL指令newarr則充分說明了他在.NET中的特殊性，自然.NET Framework也會為其提供很大的優(yōu)化待遇。在循環(huán)訪問數(shù)組時，如這樣的代碼：
- static void Main(string[] args)
- {
- int[] intArr = new int[5];
- for (int i = 0; i < 4; i++)
- {
- //Some Method
- }
- }
JIT編譯器只會在循環(huán)開始之前檢查一次4和intArr.GetUpperBound的大小關(guān)系，之后便不會對其進行干預(yù)。也就是說JIT編譯器只對其檢查一次安全，因此帶來的性能損失是非常小的。
而對于非零基數(shù)組，我們來比較這樣兩段代碼：
- 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);
- }
其實兩者創(chuàng)建的幾乎是相同的數(shù)組，調(diào)用的也幾乎是一樣的方法，但是我們看下IL卻會發(fā)現(xiàn)兩者有著驚人的不同，首先是非零基數(shù)組的IL：
接下來是零基數(shù)組的：
我們可以發(fā)現(xiàn)，對于非零基數(shù)組中的大部分操作，.NET Framework都提供了對應(yīng)的IL指令，我們也可以理解為.NET Framework為其提供了特殊的優(yōu)化。
當(dāng)然，實際上，正如CLR via C#所說的一樣：.NET Framework對應(yīng)非零基數(shù)組沒有任何方面的優(yōu)化，每次訪問都需要檢查其上限和下限與索引之間的關(guān)系。效率的損耗是必然的。
事實上，當(dāng)我們測試這樣一段代碼時，也會發(fā)現(xiàn)其實零基數(shù)組和非零基數(shù)組的區(qū)別是很大的：
- static void Main(string[] args)
- {
- Array intArr = Array.CreateInstance(typeof(Int32), new int[] { 5 }, new int[] { 1 });
- Console.WriteLine("intArr的?類à型í是?：o{0}", intArr.GetType());
- //
- int[] intArr1 = new int[5];
- Console.WriteLine("intArr1的?類à型í是?：o{0}", intArr1.GetType());
- }
得到的結(jié)果如下：
接下來我們再來簡單地說下多維數(shù)組和交錯數(shù)組。
多維數(shù)組和非零基數(shù)組一樣，都沒有受到.NET Framework的特殊優(yōu)待。
而交錯數(shù)組，其實就是數(shù)組中的數(shù)組，因此效率實際上取決于數(shù)組中的數(shù)組是零基數(shù)組還是非零基數(shù)組。
那接下來的一節(jié)，我們來具體探討一下交錯數(shù)組和多維數(shù)組的區(qū)別和應(yīng)用。
4. 多維數(shù)組和交錯數(shù)組
考慮到兩個詞的翻譯問題，在這里給出兩個詞的英文：
多維數(shù)組：Multi-dimensional Array。
交錯數(shù)組：Jagged Array。
好，下面步入正題。
首先從二者的內(nèi)存分布說起。
多維數(shù)組是一個整體的數(shù)組，因此他在內(nèi)存中占據(jù)一個整體的托管堆內(nèi)存塊。
而交錯數(shù)組實際上是數(shù)組中的數(shù)組，因此我們用二維交錯數(shù)組來舉例，其內(nèi)存如圖所示：
也就是說，如果是一個3*100的數(shù)組，也就是說需要初始化101次數(shù)組，當(dāng)數(shù)組的元素更加多的時候，那創(chuàng)建和垃圾回收將帶來巨大的效率損失。
因此，也就是說：交錯數(shù)組的效率瓶頸在于創(chuàng)建和銷毀上，而并非類型安全檢查上。
于是，我們就可以得出這樣的結(jié)論：
當(dāng)一次創(chuàng)建，多次訪問時，我們應(yīng)該創(chuàng)建交錯數(shù)組。
當(dāng)一次創(chuàng)建，一次訪問時，我們應(yīng)該創(chuàng)建多維數(shù)組。
5. 用代碼改善效率
上面說到了，訪問非零基數(shù)組和多維數(shù)組的效率是比較低的，對于非零基數(shù)組，我們的應(yīng)用比較少，但是多維數(shù)組，相信每個人都或多或少有著一定的應(yīng)用，那么面對其性能問題，我們該怎么辦呢?
我們先來想想，多維數(shù)組的訪問，性能瓶頸在安全檢查上。在C語言中，為什么沒有這樣的問題，對，因為C語言不會做這樣的檢查。于是，相信聰明的大家都會想到不安全代碼。
改善多維數(shù)組以及非零基數(shù)組的效率問題，我們就用不安全代碼。
- 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);
- }
- }
- }
- }
這里，我們又見到了C語言中熟悉的指針，相信不需要多加介紹了。這里唯一需要注意的就是fixed，由于在垃圾回收時采用的是代機制+壓縮機制，因此其內(nèi)存地址很可能發(fā)生改變，因此我們應(yīng)該講數(shù)組的內(nèi)存地址鎖住，防止我們訪問到其他的內(nèi)存地址而造成我們讀取數(shù)據(jù)的錯誤。
6. 對零基數(shù)組的精益求精
當(dāng)然，即使是零基數(shù)組，我們依然在托管堆上為其分配了內(nèi)存空間。如果對性能要求極高，我們知道創(chuàng)建一個對象也是有著一定的時間損耗，其中包括分配內(nèi)存空間，同步塊索引，以及指向下一塊內(nèi)存空間的指針等一系列復(fù)雜的操作。那么我們就放棄掉托管堆這個東東，而直接在棧中來創(chuàng)建這個數(shù)組，這樣又省去了很多時間，從而達到了和C語言相同的效果，代碼如下：
- 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]);
- }
- }
這樣，效率就進一步提高了，對于二維數(shù)組，我們一樣可以如此創(chuàng)建。其代碼與C語言完全等同。我在這里就不繼續(xù)演示了。
編者后話：在文章的***，介紹的是用不安全代碼來訪問創(chuàng)建數(shù)組來提高性能。不過在實際工作中，如果對性能沒有特別高的要求，則沒必要用不安全代碼來操作數(shù)組，因為其很可能因為你的一些失誤而帶來其他的一些安全問題，并且對代碼的可讀性也是個比較大的傷害，這就有些得不償失了。
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