.NET，你忘记了么？（三）——关于Array和List的使用

2019年11月4日 220次阅读

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之前，一直在谈.NET框架方面的问题，今天来谈谈关于Array和List的使用问题，这应该算是属于算法的最基础的东西了。只是提醒大家对这个问题稍加注意。

写这个是因为一个同学的求助，事情是这样的，他去负责公司的一个培训模块，在培训模块中，有一个功能是自动成卷。然后，我们会很容易地想到洗牌算法。于是我给他大概解释了洗牌算法的过程和步骤，然后他给出了这样的代码，还很骄傲地告诉我，他使用了泛型……

List<int> list = new List<int>();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    list.Add(i);
}           
Random r = new Random();
for (int j = 0; j < 100; j++)
{
    int temp;
    int x1 = r.Next(10);
    int x2 = r.Next(10);
    temp = list[x1];
    list[x1] = list[x2];
    list[x2] = temp;
}

我委婉地告诉他，他这个方法不好，然后写下了下面的代码：

int[] array = new int[10];
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    array[i] = i;
}
Random r = new Random();
for (int j = 0; j < 100; j++)
{
    int temp;
    int x1 = r.Next(10);
    int x2 = r.Next(10);
    temp = array[x1];
    array[x1] = array[x2];
    array[x2] = temp;
}

他很不屑地对我说，不是都一样么！而且还在以使用了泛型为豪！我无语……

我仅仅把List(链表)换成了Array(数组)，有人会说，这样的关系大么？

让我们先来简单地回顾一下基础知识。

Array和List都属于顺序表。

Array是一段连续的存储结构，如int[] i=new int[3]，i其实记录的是数组的首地址，而i[1]其实相当于在i的地址的基础上加上1个整数的地址偏移，然后再取这块地址中的值。也就是相当于*(&i[0]+4);

而List则是不连续的存储结构，List的每个节点都有着一个Next属性，这个属性则记录着他的下一个节点的地址。也就是说当我们想找第100个节点的时候，他还是需要从第一个节点，然后做99次Next操作，才能找到list[99]节点。这是个蛮痛苦的过程。

很多人会说，那无论是List还是Array，不都是一个索引么！让我们来请出IL:

先来看Array查找某个元素的IL:

IL_0020:  ldloc.0
IL_0021:  ldc.i4.3
IL_0022:  ldelem.i4
IL_0023:  stloc.2

然后让我们来看下List查找某个元素的IL:

IL_0022:  ldloc.0
IL_0023:  ldc.i4.3
IL_0024:  callvirt   instance !0 class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::get_Item(int32)
IL_0029:  stloc.2

我们可以发现，虽然他们的写法是一样的，但是在IL中却有着很大的差别。

通过这两段IL，我只是希望证明List和Array对索引元素的方式是不同的。当然，我们无从知道Microsoft对List方法get_Item的实现。但是我们不难想象：

因为List是一个链表，所以我需要从第一个元素开始逐个Next到所需索引的元素。这是一个耗时的过程。

因此，在使用洗牌算法时，使用List是个很差劲的做法。再进一步说，当我们需要大量的索引步骤时，使用List是个很差劲的做法。

那List和Array各自应该用在什么情况下呢？我来做个简单的总结：

1. 从空间扩展角度上来说：

数组必须要在初始化时分配固定的大小，比如说int[] a=new int[3];如果我们仅仅写int[] a=new int[];编译器就会无情地给我们报错。但是List由于空间不必连续，所以无须指定初始大小。

总结1： 当不确定大小时，最好使用List代替Array。

2. 从操作角度上来看：

关于索引这个就不赘述了。

总结2：当需要大量的查找操作时，最好使用Array。

对于插入（删除）操作，很多人是从插入（删除）的时间上分析，说List优于Array，我觉得是不合理的。

更合理的解释应该是从两个角度分析（以插入为例）：

<1> 指定位置插入指定元素：

对于Array讲，有两套解决方案：

A. 使用一个新数组，N+1个元素重新赋值的过程。一个for循环，时间复杂度O(n)。

B. 在原数组上操作，那么首先需要为该数组预留空间，这是个很难办的事情。而且其后续元素的移动耗费时间复杂度仍未O(n)。

对于List来讲，很多人说复杂度就是O(1)。这其实是不合理的，因为List插入元素固然容易，但是在指定位置的插入，需要一个时间复杂度为O(n)的查找过程。

但是只考虑时间复杂度是不够的，我们要考虑总体的情况。如果使用新数组，不仅浪费了新的空间，而且需要反复的赋值过程，是N+1次。如果不使用新数组，预留空间实在太麻烦，因此综上所述，还是List好。

（补充下：很多同事和朋友都问我，说为什么要学那么多的排序和搜索算法，排序学个快速排序，搜索学个二分搜索，这样就够了呗！但是我想说的是，所说的最快，不过是他们的平均（或最坏）情况下的时间复杂度，并不能代表通用的情况，我们在实际工作中，还是要根据实际情况去选择最适用的算法，这就是我们学习很多算法的目的）

<2> 给出前一个节点，然后在后面插入元素。这个我的意思就是不仅仅给出了PreviousNode的Value，还给出了他的Next。这个情况我就不废话了，List的优势太大了。可是在实际情况中，这种情况的可能性几乎为零。

因此，总结3：当需要进行频繁的插入，删除操作时，最好使用List代替Array。

另外，给出个不太重要的补充，由于List需要存储他下一个节点的地址，所以List比Array相对起来浪费了更多的空间。

续：

在上文中，我对List<T>的理解大错特错，在成文前，首先做下自我批评，然后也对造成的不良影响表示道歉。

首先开始的就是对List的重新认知。在这里，让我们先从构造方法来重新认识List<T>的本质，先来看下上文中我所粘出的代码：

List<int> list = new List<int>();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    list.Add(i);
}           
Random r = new Random();
for (int j = 0; j < 100; j++)
{
    int temp;
    int x1 = r.Next(10);
    int x2 = r.Next(10);
    temp = list[x1];
    list[x1] = list[x2];
    list[x2] = temp;
}
在上文中，我对这个List大批特批，现在，我们来重新看下这个List的构造：
public List()
{
    this._items = List<T>._emptyArray;
}

先来看无参的构造方法，当无参的时候，.NET Framework其实是用一个_emptyArray来初始化了List中的items集合。那么_emptyArray又是什么呢？我们继续向下看：

private static T[] _emptyArray;

恩，他是一个静态字段，然后我们看下List<T>的静态构造方法：

static List()
{
    List<T>._emptyArray = new T[0];
}

我们看到，_emptyArray其实是一个T类型的数组，个数为0。那么也就是说，当我们执行0参数的构造方法时，系统是把items集合给赋值为了一个T类型的个数为0的数组。

那么items又是什么？我们继续向下看：

public void Add(T item)
{
    if (this._size == this._items.Length)
    {
        this.EnsureCapacity(this._size + 1);
    }
    this._items[this._size++] = item;
    this._version++;
}

这是List<T>中一个Add(T item)方法，但是我们可以从方法中敲出些端倪来。

在这里，我并不是想解释这个方法的原理，只是想说，在List中，其实维护这一个items，然后很多操作，是基于items的操作。

恩，所以在上文中，List<int> list=new List<int>();和Array a=new int[10]();的操作其实差别并不大。

我们肯定还记得在《Effective C#》中有这样一条规则，就是说：在初始化List之前最好对List初始化大小。

让我们从源码中来找到这一条规则的答案。

private void EnsureCapacity(int min)
{
    if (this._items.Length < min)
    {
        int num = (this._items.Length == 0) ? 4 : (this._items.Length * 2);
        if (num < min)
        {
            num = min;
        }
        this.Capacity = num;
    }
}

我们来看，在这个方法体中，List会新建一个数组，然后把数组的长度设置为原来的二倍（如果原有的数组长度为0，那就默认将数组的长度设置为4）。

因此，这种，让List的方法自己去调用EnsureCapacity(int min)方法，不仅浪费了构造数组的时间，还浪费了大量的空间（因为将原有的数组空间扩充了二倍）。

因此，请记得：在初始化List之前最好指定List的大小。

为了证明上述的观点，我们再来随便看一些代码：

public int IndexOf(T item)
{
    return Array.IndexOf<T>(this._items, item, 0, this._size);
}
public int FindIndex(int startIndex, int count, Predicate<T> match)
{
    if (startIndex > this._size)
    {
        ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.startIndex, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_Index);
    }
    if ((count < 0) || (startIndex > (this._size - count)))
    {
        ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.count, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_Count);
    }
    if (match == null)
    {
        ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.match);
    }
    int num = startIndex + count;
    for (int i = startIndex; i < num; i++)
    {
        if (match(this._items[i]))
        {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

由上面的代码，我想证明的是：其实List<T>不过是对Array的进一步封装，说得再直接点，我愿意理解List<T>为Array的可扩充版本，然后扩展了一些方法;

那关于Array和List的选择，我重新做一个说明：

List是基于Array存在的，因此，在创建一个List对象时，需要耗费比Array相对更多的时间，以及更大的空间，因为List除了初始化内部的items外还需要初始化一些其他的属性。而且在方法调用时，这点我没有证实，只是一个猜测，List需要的是再去调用Array的相关方法，因此也许会存在方法调用的时间消耗问题。

因此，我的建议是：

如果初始化时确定大小，那么就使用Array。

如果初始化时不确定大小，那么就使用List。当然，其实完全可以自己去实现List中的数组扩充功能的，也许会更棒，因为我们没有必要去将Array每次都扩充为原来的二倍。

另外的补充，Array相对于List还有个优势就是：多维数组比List的嵌套更容易理解，也就是说int[][]（或者是int[,]）要强于List>，也就说在类型确定且多维的情况下，用Array要优于List。

本文来自：http://www.cnblogs.com/xinyuperfect/archive/2009/03/05/1403578.html 和http://www.cnblogs.com/xinyuperfect/archive/2009/03/09/1406657.html

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