文章目录
前言
没有扎实的基础，很多编写的程序会随着软件规模的扩大或扩展而产生诸多问题，然后这些程序很可能会被无情的抛弃并重写。而其中的问题可能只是因为一点点的小问题堆积起来，基础可见其重要。本章我们将深入了解经常使用的List。
我曾经在学校学习过链表、列表等数据结构，但实际上当时并没有真正理解，只是简单地复制粘贴代码。我觉得自己的基础很差。后来在工作中遇到一些基础问题或者想要了解某些内部原理时，总是依赖查找资料。如果你也想深入了解C#，我推荐购买《C#图解教程》当作查阅资料。
一、List源码
List是C#中一个最常见的可伸缩数组组件，通常我们在编写程序时代替数组，因为其不用分配数组大小，很是方便。
首先，我们看下内部构造，源码如下：
public class List<T>: IList<T>, System.Collections.IList, IReadOnlyList<T>
{
private const int _defaultCapacity = 4;
private T[] _items;
private int _size;
private int _version;
private Object _syncRoot;
static readonly T[] _emptyArray = new T[0];
// 构建一个列表，该列表最初是空的，容量为零
// 将第一个元素添加到列表后，容量将增加到16，然后根据需要以2的倍数增加
public List() {
_items = _emptyArray;
}
// 构造具有给定初始容量的List。该列表最初是空的。但是在需要重新分配之前，会为给定数量的元素留出空间。
//
public List(int capacity) {
if (capacity<0) ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(
ExceptionArgument.capacity,
ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum);
Contract.EndContractBlock();
if (capacity == 0)
_items = _emptyArray;
else
_items = new T[capacity];
}
// ...
// 其他内容
}
我们可以看到List继承IList、IReadOnlyList两个接口，list内部其实还是数组实现的，不是链表，初始容量为0。那我们不经思考，我们进行添加操作和删除时内部如何运行？
List源码网址为：官方跳转链接。
IList源码网址为：官方跳转链接。
IReadOnlyList源码网址为：官方跳转链接。
二、Add接口
接口源码如下：
// 将给定对象添加到此列表的末尾。列表的大小增加1
// 如果需要，在添加新元素之前，列表的容量会增加1倍
public void Add(T item) {
if (_size == _items.Length) EnsureCapacity(_size + 1);
_items[_size++] = item;
_version++;
}
// 如果列表的当前容量小于min，则容量将增加到当前容量的两倍或min，以较大者为准
private void EnsureCapacity(int min) {
if (_items.Length<min) {
int newCapacity = _items.Length == 0? _defaultCapacity : _items.Length * 2;
// 在遇到溢出之前，允许列表增长到最大可能的容量（约2GB元素）
// 请注意，即使_items.Length由于（uint）强制转换而溢出，此检查仍然有效
if ((uint)newCapacity>Array.MaxArrayLength) newCapacity =
Array.MaxArrayLength;
if (newCapacity<min) newCapacity = min;
Capacity = newCapacity;
}
}
在添加数据的时候首先会检测数组的容量够不够，够就将新的数据进行赋值，不够则调用EnsureCapacity方法增加容量。而在容量不够的时候会进行扩容操作。
int newCapacity = _items.Length == 0? _defaultCapacity : _items.Length * 2;
也就是扩充一倍，4变8，8变16，愈演愈烈。那么其优缺点就显而易见了，优点是使用索引的方式提取元素十分方便，缺点是扩容导致的new操作造成内存垃圾，给GC带来很大负担。源码中按照2的指数扩容的方式是为了降低GC负担，如果连续申请扩容，会浪费大量的内存空间；如果数据量大的时候1024直接扩容到2048也会造成大量的内存空间的浪费。怎么解决呢，我们先研究下其他的接口再来做决定。
三、Remove接口
接口源码如下：
// 删除给定索引处的元素。列表的大小减1
public bool Remove(T item) {
int index = IndexOf(item);
if (index>= 0) {
RemoveAt(index);
return true;
}
return false;
}
// 返回此列表范围内给定值首次出现的索引
// 该列表从头到尾向前搜索
// 使用Object.Equals方法将列表中的元素与给定值进行比较
//
// 此方法使用Array.IndexOf方法执行搜索
public int IndexOf(T item) {
Contract.Ensures(Contract.Result<int>()>= -1);
Contract.Ensures(Contract.Result<int>()<Count);
return Array.IndexOf(_items, item, 0, _size);
}
// 删除给定索引处的元素。列表的大小减1
public void RemoveAt(int index) {
if ((uint)index>= (uint)_size) {
ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException();
}
Contract.EndContractBlock();
_size--;
if (index<_size) {
Array.Copy(_items, index + 1, _items, index, _size - index);
}
_items[_size] = default(T);
_version++;
}
删除的原理就是使用Array.Copy对数组进行覆盖。而在覆盖之前查找元素索引位置的方法IndexOf，内部实现是按索引顺序从0到n进行比较，复杂度O(n)。
四、Insert接口
接口源码如下：
// 在给定索引处将元素插入此列表，列表的大小增加1
// 如果需要，在插入新元素之前，列表的容量会增加一倍
public void Insert(int index, T item) {
// 请注意，结尾处的插入是合法的
if ((uint) index>(uint)_size) {
ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.index,
ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_ListInsert);
}
Contract.EndContractBlock();
if (_size == _items.Length) EnsureCapacity(_size + 1);
if (index<_size) {
Array.Copy(_items, index, _items, index + 1, _size - index);
}
_items[index] = item;
_size++;
_version++;
}
插入元素时，和Add接口一样先检查容量，不足则扩容。插入时，使用的方法为复制数组的形式，将数组指定元素后面的所有元素向后移动。
五、其他接口
1、[]接口
接口源码如下：
// 设置或获取给定索引处的元素
public T this[int index] {
get {
// 跟随技巧可以将范围检查减少一半
if ((uint) index>= (uint)_size) {
ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException();
}
Contract.EndContractBlock();
return _items[index];
}
set {
if ((uint) index>= (uint)_size) {
ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException();
}
Contract.EndContractBlock();
_items[index] = value;
_version++;
}
}
[]接口的实现是直接使用数组的索引方式获取元素。
2、Clear接口
接口源码如下：
// 清除列表的内容
public void Clear() {
if (_size>0)
{
Array.Clear(_items, 0, _size); // 无须对此进行记录，我们清除了元素，以便gc可以回收引用
_size = 0;
}
_version++;
}
源码中清除操作只是对_size设为0，数组没有变化，那实际项目是不是没有必要进行Clear操作呢？当然不是，我们清除的是对数组元素的引用的标记，不清零，垃圾回收器会认为数组元素还是处于引用状态。
3、Contains接口
接口源码如下：
// 如果指定的元素在List中，则Contains返回true// 它执行线性O（n）搜索。平等是通过调用item.Equals()来确定的
public bool Contains(T item) {
if ((Object) item == null) {
for(int i=0; i<_size; i++)
if ((Object) _items[i] == null)
return true;
return false;
}
else {
EqualityComparer<T>c = EqualityComparer<T>.Default;
for(int i=0; i<_size; i++) {
if (c.Equals(_items[i], item)) return true;
}
return false;
}
}
查找操作也是使用线性的比较判断一致性。
4、ToArray接口
接口源码如下：
// ToArray返回一个新的Object数组，其中包含List的内容
// 这需要复制列表，这是一个O（n）操作
public T[] ToArray() {
Contract.Ensures(Contract.Result<T[]>() != null);
Contract.Ensures(Contract.Result<T[]>().Length == Count);
T[] array = new T[_size];
Array.Copy(_items, 0, array, 0, _size);
return array;
}
ToArray接口是转化数组的接口，她重新创建了一个指定大小的数组，然后进行复制操作，如果使用过多，就会造成大量内存的分配，在内存上留下很多无用的垃圾，所以不要频繁使用尤其是在循环当中。
5、Find接口
接口源码如下：
public T Find(Predicate<T>match) {
if( match == null) {
ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.match);
}
Contract.EndContractBlock();
for(int i = 0 ; i<_size; i++) {
if(match(_items[i])) {
return _items[i];
}
}
return default(T);
}
Find接口是查找接口，同样是线性查找方式，复杂度为O(n)。
6、Enumerator接口
接口源码如下：
// 返回具有给定删除元素权限的此列表的枚举数
// 如果在进行枚举时对列表进行了修改，
// 则枚举器的MoveNext和GetObject方法将引发异常
public Enumerator GetEnumerator() {
return new Enumerator(this);
}
/// 仅供内部使用
IEnumerator<T>IEnumerable<T>.GetEnumerator() {
return new Enumerator(this);
}
System.Collections.IEnumerator System.Collections.IEnumerable.GetEnumerator() {
return new Enumerator(this);
}
[Serializable]
public struct Enumerator : IEnumerator<T>, System.Collections.IEnumerator
{
private List<T>list;
private int index;
private int version;
private T current;
internal Enumerator(List<T>list) {
this.list = list;
index = 0;
version = list._version;
current = default(T);
}
public void Dispose() {
}
public bool MoveNext() {
List<T>localList = list;
if (version == localList._version && ((uint)index<(uint)localList._size))
{
current = localList._items[index];
index++;
return true;
}
return MoveNextRare();
}
private bool MoveNextRare()
{
if (version != list._version) {
ThrowHelper.ThrowInvalidOperationException(
ExceptionResource.InvalidOperation_EnumFailedVersion);
}
index = list._size + 1;
current = default(T);
return false;
}
public T Current {
get {
return current;
}
}
Object System.Collections.IEnumerator.Current {
get {
if( index == 0 || index == list._size + 1) {
ThrowHelper.ThrowInvalidOperationException(
ExceptionResource.InvalidOperation_EnumOpCantHappen);
}
return Current;
}
}
void System.Collections.IEnumerator.Reset() {
if (version != list._version) {
ThrowHelper.ThrowInvalidOperationException(
ExceptionResource.InvalidOperation_EnumFailedVersion);
}
index = 0;
current = default(T);
}
}
Enumerator接口是枚举迭代部分细节的接口，每次获取迭代器时，Enumerator都会被创建出来，如果大量使用迭代器，比如foreach，就会产生大量的垃圾对象。所以尽量少用foreach。
7、Sort接口
接口源码如下：
// 对列表中一部分元素进行排序
// 排序使用给定的IComparer接口对元素进行比较
// 如果comparer为null，则使用IComparable接口对元素进行比较
// 在这种情况下，该接口必须由列表中的所有元素实现
//
// 此方法使用Array.Sort方法对元素进行排序
public void Sort(int index, int count, IComparer<T>comparer) {
if (index<0) {
ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.index,
ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum);
}
if (count<0) {
ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.count,
ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum);
}
if (_size - index<count)
ThrowHelper.ThrowArgumentException(
ExceptionResource.Argument_InvalidOffLen);
Contract.EndContractBlock();
Array.Sort<T>(_items, index, count, comparer);
_version++;
}
Sort接口是排序接口，它使用了Array.Sort接口进行排序。
Array.Sort接口使用快速排序方式进行排序，从而使我们明白了List的Sort排序的效率为O(nlgn)。
internal static void DepthLimitedQuickSort(T[] keys, int left, int right,
IComparer<T>comparer, int depthLimit)
{
do
{
if (depthLimit == 0)
{
Heapsort(keys, left, right, comparer);
return;
}
int i = left;
int j = right;
// 先对低、中（枢轴）和高三种值进行预排序
// 面对已经排序的数据或由多个排序后的行程组成的数据，
// 这可以提高性能
int middle = i + ((j - i)>>1);
SwapIfGreater(keys, comparer, i, middle); // 用中间点与低点交换
SwapIfGreater(keys, comparer, i, j); // 用高点与低点交换
SwapIfGreater(keys, comparer, middle, j); // 用中间点与高点交换
T x = keys[middle];
do
{
while (comparer.Compare(keys[i], x)<0) i++;
while (comparer.Compare(x, keys[j])<0) j--;
Contract.Assert(i>= left && j<= right, "(i>=left && j<=right)
Sort failed - Is your IComparer bogus?");
if (i>j) break;
if (i<j)
{
T key = keys[i];
keys[i] = keys[j];
keys[j] = key;
}
i++;
j--;
} while (i<= j);
// while循环的下一个迭代是“递归”对数组的较大部分进行排序，
// 随后的调用将会对较小的部分进行递归排序
// 因此，我们在此处对depthLimit自减一，以便两种排序都能看到新值
depthLimit--;
if (j - left<= right - i)
{
if (left<j) DepthLimitedQuickSort(keys, left, j, comparer, depthLimit);
left = i;
}
else
{
if (i<right) DepthLimitedQuickSort(keys, i, right, comparer, depthLimit);
right = j;
}
} while (left<right);
}
也就是说，List的内部接口使用的是顺序迭代的方式，如果频繁使用，效率就会降低，造成内存的冗余，GC压力倍增。好处也是显而易见的，通用性强大。
项目中想要优化，请根据项目的数据着重在原本的线性算法；分配数组时进行预估以便在开始时进行预设或者改写扩容方式。
六、线程安全
最后提一点，List是线程不安全的，没有考虑多线程加锁或者同步的情况，在并发情况无法判断_size++的执行顺序，因此多线程中不使用List或使用时加上安全机制。
总结
列表是一种灵活、高效的数据结构，适用于各种场景下的数据管理和操作。希望在今后的项目中，大家能够以此为基础，勇于创新、灵活应用，从而不断改进和优化我们的代码结构，提升软件的质量和效率。