第四章 数组与集合

数组是固定大小的、相同类型元素的连续集合。

// 声明和初始化
int[] numbers = new int[5];           // 声明长度为5的数组
int[] scores = { 85, 90, 78, 92, 88 }; // 声明并初始化
string[] names = new string[] { "Alice", "Bob", "Charlie" };
 
// 访问元素
Console.WriteLine(scores[0]);  // 85
scores[1] = 95;                // 修改元素
 
// 数组长度
Console.WriteLine(scores.Length);  // 5

// 二维数组
int[,] matrix = new int[3, 4];
int[,] table = {
    { 1, 2, 3 },
    { 4, 5, 6 },
    { 7, 8, 9 }
};
 
// 访问
Console.WriteLine(table[0, 0]);  // 1
Console.WriteLine(table[1, 2]);  // 6
 
// 获取维度长度
Console.WriteLine(table.GetLength(0));  // 3行
Console.WriteLine(table.GetLength(1));  // 3列
 
// 遍历
for (int i = 0; i < table.GetLength(0); i++)
{
    for (int j = 0; j < table.GetLength(1); j++)
    {
        Console.Write($"{table[i, j]} ");
    }
    Console.WriteLine();
}

// 交错数组（数组的数组）
int[][] jagged = new int[3][];
jagged[0] = new int[] { 1, 2 };
jagged[1] = new int[] { 3, 4, 5 };
jagged[2] = new int[] { 6 };
 
// 初始化语法
int[][] jagged2 = new int[][]
{
    new int[] { 1, 2 },
    new int[] { 3, 4, 5, 6 },
    new int[] { 7, 8, 9 }
};
 
// 遍历
foreach (int[] row in jagged)
{
    foreach (int num in row)
    {
        Console.Write(num + " ");
    }
    Console.WriteLine();
}

int[] arr = { 3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6 };
 
// 排序
Array.Sort(arr);  // [1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9]
 
// 反转
Array.Reverse(arr);  // [9, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 1]
 
// 查找
int index = Array.IndexOf(arr, 5);  // 返回5的索引
int lastIndex = Array.LastIndexOf(arr, 1);
 
// 二分查找（数组必须先排序）
int found = Array.BinarySearch(arr, 5);
 
// 清空
Array.Clear(arr, 0, 3);  // 将前3个元素设为0
 
// 复制
int[] copy = new int[arr.Length];
Array.Copy(arr, copy, arr.Length);
int[] clone = (int[])arr.Clone();

using System.Collections;
 
ArrayList list = new ArrayList();
list.Add(1);           // 添加整数
list.Add("Hello");     // 添加字符串
list.Add(3.14);        // 添加浮点数
 
// 缺点：需要装箱拆箱，类型不安全
int num = (int)list[0];  // 需要强制转换

using System.Collections.Generic;
 
// 创建List
List<int> numbers = new List<int>();
List<string> names = new List<string> { "Alice", "Bob", "Charlie" };
 
// 添加元素
numbers.Add(10);
numbers.AddRange(new[] { 20, 30, 40 });
 
// 插入
numbers.Insert(0, 5);  // 在索引0处插入5
 
// 删除
numbers.Remove(10);       // 删除第一个值为10的元素
numbers.RemoveAt(0);      // 删除索引0的元素
numbers.RemoveAll(x => x > 25);  // 删除所有大于25的元素
 
// 查找
bool contains = numbers.Contains(20);
int index = numbers.IndexOf(20);
int foundIndex = numbers.FindIndex(x => x > 15);
int found = numbers.Find(x => x > 15);
 
// 排序和反转
numbers.Sort();
numbers.Sort((a, b) => b.CompareTo(a));  // 降序排序
numbers.Reverse();
 
// 其他操作
numbers.Clear();
int count = numbers.Count;
int capacity = numbers.Capacity;

// 创建字典
Dictionary<string, int> ages = new Dictionary<string, int>();
Dictionary<string, string> capitals = new Dictionary<string, string>
{
    { "中国", "北京" },
    { "美国", "华盛顿" },
    { "日本", "东京" }
};
 
// 添加
ages.Add("Alice", 25);
ages["Bob"] = 30;  // 添加或更新
 
// 安全添加
if (!ages.ContainsKey("Charlie"))
{
    ages.Add("Charlie", 35);
}
 
// 访问
int aliceAge = ages["Alice"];
 
// 安全访问
if (ages.TryGetValue("Alice", out int age))
{
    Console.WriteLine($"Alice的年龄: {age}");
}
 
// 遍历
foreach (var pair in capitals)
{
    Console.WriteLine($"{pair.Key}: {pair.Value}");
}
 
foreach (string key in capitals.Keys)
{
    Console.WriteLine(key);
}
 
foreach (string value in capitals.Values)
{
    Console.WriteLine(value);
}
 
// 删除
ages.Remove("Alice");
ages.Clear();

// 集合：无序、不重复
HashSet<int> set = new HashSet<int>();
set.Add(1);
set.Add(2);
set.Add(1);  // 重复，不会添加
 
Console.WriteLine(set.Count);  // 2
 
// 集合运算
HashSet<int> set1 = new HashSet<int> { 1, 2, 3, 4 };
HashSet<int> set2 = new HashSet<int> { 3, 4, 5, 6 };
 
set1.IntersectWith(set2);  // 交集: {3, 4}
set1.UnionWith(set2);      // 并集
set1.ExceptWith(set2);     // 差集
set1.SymmetricExceptWith(set2);  // 对称差集

// 队列：先进先出（FIFO）
Queue<string> queue = new Queue<string>();
queue.Enqueue("First");   // 入队
queue.Enqueue("Second");
queue.Enqueue("Third");
 
string first = queue.Dequeue();  // 出队: "First"
string peek = queue.Peek();      // 查看队首但不移除: "Second"
int count = queue.Count;

// 栈：后进先出（LIFO）
Stack<string> stack = new Stack<string>();
stack.Push("First");   // 压栈
stack.Push("Second");
stack.Push("Third");
 
string top = stack.Pop();    // 出栈: "Third"
string peek = stack.Peek();  // 查看栈顶: "Second"
int count = stack.Count;

// 按键排序的字典
SortedList<string, int> sortedList = new SortedList<string, int>();
sortedList.Add("Charlie", 3);
sortedList.Add("Alice", 1);
sortedList.Add("Bob", 2);
 
// 遍历时按键排序
foreach (var pair in sortedList)
{
    Console.WriteLine($"{pair.Key}: {pair.Value}");
}
// 输出: Alice, Bob, Charlie

LINQ（Language Integrated Query）是集成在C#中的查询语言。

using System.Linq;
 
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

// 查询语法
var evenNumbers = from n in numbers
                  where n % 2 == 0
                  select n;
 
// 排序
var sorted = from n in numbers
             orderby n descending
             select n;
 
// 多条件
var result = from n in numbers
             where n > 3 && n < 8
             orderby n
             select n;

// Where过滤
var evenNumbers = numbers.Where(n => n % 2 == 0);
 
// Select投影
var squares = numbers.Select(n => n * n);
 
// 排序
var sorted = numbers.OrderBy(n => n);
var sortedDesc = numbers.OrderByDescending(n => n);
 
// 多级排序
var students = new[]
{
    new { Name = "Alice", Grade = 90, Class = "A" },
    new { Name = "Bob", Grade = 85, Class = "B" },
    new { Name = "Charlie", Grade = 90, Class = "A" }
};
 
var ordered = students
    .OrderBy(s => s.Class)
    .ThenByDescending(s => s.Grade);

int[] nums = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
 
// 聚合
int sum = nums.Sum();
double avg = nums.Average();
int max = nums.Max();
int min = nums.Min();
int count = nums.Count();
int countEven = nums.Count(n => n % 2 == 0);
 
// 量化
bool hasAny = nums.Any();
bool hasEven = nums.Any(n => n % 2 == 0);
bool allPositive = nums.All(n => n > 0);
bool containsFive = nums.Contains(5);
 
// 分区
var first3 = nums.Take(3);        // 前3个
var skip3 = nums.Skip(3);         // 跳过前3个
var takeWhile = nums.TakeWhile(n => n < 5);
 
// 去重
var distinct = new[] { 1, 2, 2, 3, 3, 3 }.Distinct();
 
// 转换
List<int> list = nums.ToList();
int[] array = list.ToArray();
Dictionary<int, int> dict = nums.ToDictionary(n => n, n => n * n);

// Span<T>: 安全的内存切片，栈上分配
void ProcessSpan()
{
    int[] arr = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    Span<int> span = arr;           // 整个数组
    Span<int> slice = arr.AsSpan(1, 3);  // 切片 [2, 3, 4]
 
    span[0] = 100;  // 修改会影响原数组
 
    // 栈上分配的Span
    Span<int> stackSpan = stackalloc int[10];
}
 
// Memory<T>: 堆上分配，可用于异步操作
async Task ProcessMemoryAsync()
{
    byte[] data = await File.ReadAllBytesAsync("file.txt");
    Memory<byte> memory = data;
    Memory<byte> slice = memory.Slice(10, 100);
}

// 集合初始化器
var list = new List<int> { 1, 2, 3, 4, 5 };
 
var dict = new Dictionary<string, int>
{
    ["one"] = 1,
    ["two"] = 2,
    ["three"] = 3
};
 
// 对象集合
var people = new List<Person>
{
    new Person { Name = "Alice", Age = 25 },
    new Person { Name = "Bob", Age = 30 }
};
 
// C# 6+ 索引初始化器
var numbers = new Dictionary<int, string>
{
    [1] = "one",
    [2] = "two",
    [3] = "three"
};

1. 数组操作：创建一个整数数组，实现以下功能：

1. 找出最大值和最小值
2. 计算平均值
3. 找出第二大的数
4. 将数组按升序排序后反转

2. 矩阵运算：编写方法实现两个二维矩阵的加法和乘法。

3. List操作：创建一个字符串List，完成以下操作：

1. 添加10个名字
2. 删除所有以“A”开头的名字
3. 按字母顺序排序
4. 查找包含字母“e”的所有名字

4. 学生成绩系统：使用Dictionary存储学生姓名和成绩，实现：

1. 添加学生成绩
2. 查询学生成绩
3. 计算班级平均分
4. 找出最高分和最低分的学生
5. 按成绩排序输出

5. 集合运算：给定两个整数数组，找出：

1. 同时存在于两个数组中的元素（交集）
2. 只存在于第一个数组中的元素（差集）
3. 存在于任一数组中的所有不同元素（并集）

6. 队列实现：使用Queue实现一个任务调度器，支持：

1. 添加任务
2. 执行任务（出队）
3. 查看待处理任务数
4. 清空所有任务

7. LINQ综合应用：给定一个Product类（Id, Name, Category, Price），使用LINQ实现：

1. 按类别分组统计数量和平均价格
2. 找出每个类别中最贵的产品
3. 筛选价格高于平均价的产品
4. 实现分页查询

8. 自定义集合：实现一个简单的泛型集合类MyList<T>，支持：

1. 添加元素
2. 索引访问
3. 枚举器（实现IEnumerable<T>）
4. 自动扩容

9. 数据统计：使用数组或List存储一组实验数据，实现：

1. 计算均值、中位数、众数
2. 计算方差和标准差
3. 找出异常值（超过3倍标准差的数据点）

本章学习了C#的数组和集合：

1. 一维数组、多维数组和交错数组
2. Array类的方法和操作
3. 泛型集合List<T>、Dictionary<K,V>
4. 专用集合HashSet、Queue、Stack
5. LINQ的基础查询语法和方法语法
6. Span<T>和Memory<T>的高效内存操作

选择合适的集合类型对于程序性能至关重要。