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C# 动态数组（ArrayList）（超详细）

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前言

在编程世界中，数组是一个基础且强大的数据结构，但传统的静态数组在容量固定这一特性上往往限制了灵活性。例如，当需要频繁添加或删除元素时，静态数组的容量不足或浪费问题会变得尤为突出。为此，C# 提供了 动态数组（ArrayList），它如同一个“可伸缩的容器”，能够根据实际需求自动调整容量，为开发者提供了更便捷的操作体验。本文将深入讲解 C# 动态数组（ArrayList） 的核心概念、使用场景，并通过实际案例帮助读者掌握其核心功能。

一、动态数组（ArrayList）的基础概念

1.1 静态数组的局限性

传统静态数组在声明时需要预先指定容量，例如：

int[] numbers = new int[5];

一旦数组被初始化，其容量便无法更改。若需要添加第 6 个元素，必须创建新数组并复制原有数据，这显然效率低下。

1.2 动态数组（ArrayList）的优势

ArrayList 是 C# 中 System.Collections 命名空间下的一个集合类，其核心特性如下：

  • 动态扩容：当元素数量超过当前容量时，数组会自动扩展；
  • 存储任意类型：支持存储 object 类型元素，可通过类型转换实现多类型数据的存储；
  • 灵活操作：提供增删改查等丰富方法，如 Add()、Remove()、IndexOf() 等。

形象比喻：
可以将 ArrayList 想象为一个“可无限扩展的抽屉柜”——每个抽屉（元素）的大小固定，但整个柜子（数组）的高度（容量）会随着抽屉数量的增加而自动延长，无需手动搬运所有抽屉到更大的柜子中。

二、动态数组（ArrayList）的常用操作

2.1 创建与初始化

通过以下方式创建 ArrayList 实例：

using System.Collections;  

ArrayList list = new ArrayList();  
// 或直接初始化  
ArrayList list = new ArrayList { 10, "Hello", 3.14 };

2.2 添加元素

使用 Add() 方法向数组末尾添加元素：

list.Add(20);          // 添加整数  
list.Add("World");     // 添加字符串  
list.Add(new DateTime(2023, 10, 1)); // 添加对象

2.3 访问与修改元素

通过索引访问元素时，需注意 ArrayList 的索引从 0 开始：

int firstElement = (int)list[0];      // 强制类型转换  
list[1] = "C# Developer";            // 修改第二个元素

2.4 删除元素

可通过 Remove() 方法或索引直接删除：

list.Remove("Hello");     // 按值删除  
list.RemoveAt(2);         // 按索引删除

三、动态数组（ArrayList）的核心属性与方法

3.1 核心属性

属性名描述
Capacity当前数组的物理容量（可容纳的最大元素数，未满时可能超过实际元素数量）
Count当前数组中的实际元素数量

关键区别：

  • Capacity 是“准备好的空间”，而 Count 是“实际使用的空间”。例如，若 Capacity 为 10，但 Count 为 3，则表示数组已预留 10 个位置，但仅使用了前 3 个。

3.2 扩展容量的机制

当 Count 接近 Capacity 时，ArrayList 会自动扩容，默认扩容为原容量的 1.5 倍（向下取整后加 1）。例如，原容量为 4 时，扩容后变为 6。

3.3 其他常用方法

方法作用
Clear()清空所有元素
Contains()检查数组是否包含指定元素
Sort()对元素进行排序（需类型实现 IComparable 接口）
ToArray()将数组转换为静态数组

四、动态数组（ArrayList）的实际应用案例

4.1 案例 1：学生信息管理系统

假设需要动态存储学生姓名、年龄和成绩：

ArrayList students = new ArrayList();  

// 添加学生信息（对象形式）  
students.Add(new { Name = "Alice", Age = 20, Score = 90 });  
students.Add(new { Name = "Bob", Age = 22, Score = 85 });  

// 遍历输出学生信息  
foreach (var student in students)  
{  
    dynamic s = student;  
    Console.WriteLine($"姓名：{s.Name}, 年龄：{s.Age}, 成绩：{s.Score}");  
}

4.2 案例 2：动态统计用户输入

用户输入数字，程序自动存储并计算总和：

ArrayList numbers = new ArrayList();  
int sum = 0;  

while (true)  
{  
    Console.Write("请输入一个整数（输入-1结束）：");  
    int input = int.Parse(Console.ReadLine());  

    if (input == -1) break;  
    numbers.Add(input);  
    sum += input;  
}  

Console.WriteLine($"总和为：{sum}");

五、动态数组（ArrayList）的性能与局限性

5.1 性能分析

  • 插入/删除操作：在末尾添加元素的时间复杂度为 O(1)（未触发扩容时），但扩容时可能达到 O(n)；
  • 查找操作：通过索引访问元素的时间复杂度为 O(1)。

5.2 局限性与替代方案

尽管 ArrayList 灵活，但存在以下不足：

  1. 类型安全性：存储的元素均为 object 类型，需频繁进行类型转换；
  2. 性能损耗：类型转换和装箱/拆箱操作可能影响性能；
  3. 泛型替代：C# 推荐使用 泛型集合 List，它解决了类型安全问题并优化了性能。

对比示例：

// ArrayList vs List<int>  
ArrayList arrayList = new ArrayList(); // 需强制转换  
List<int> genericList = new List<int>(); // 直接操作int类型

六、动态数组（ArrayList）的进阶技巧

6.1 容量预分配

若已知元素数量范围，可通过 Capacity 属性预分配空间，避免频繁扩容：

ArrayList list = new ArrayList();  
list.Capacity = 100; // 初始容量设为100

6.2 遍历与排序

通过 foreach 遍历或 Sort() 方法排序：

// 排序整数  
ArrayList numbers = new ArrayList { 5, 3, 8, 1 };  
numbers.Sort(); // 排序后为 [1, 3, 5, 8]

6.3 转换为静态数组

当需要固定容量时，可将 ArrayList 转换为静态数组：

int[] fixedArray = (int[])list.ToArray(typeof(int));

结论

C# 动态数组（ArrayList） 是一种灵活且功能强大的数据结构，尤其适合需要动态调整容量的场景。尽管它存在类型安全性和性能上的局限性，但在需要快速实现基础功能或兼容旧代码时，仍是一个值得掌握的工具。对于更复杂的需求，建议结合泛型集合（如 List<T>）以获得更好的类型安全和性能表现。

通过本文的讲解与案例，希望读者能够掌握 ArrayList 的核心用法，并在实际开发中根据场景灵活选择合适的数据结构，提升代码的效率与可维护性。

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