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C# 集合（Collection）（长文解析）

更新时间: 2025-04-02 00:10:22

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前言

在 C# 编程中，集合（Collection） 是处理数据存储和操作的核心工具。无论是管理用户信息、商品列表，还是实现复杂的数据结构，集合都提供了灵活且高效的方式。对于初学者而言，理解集合的类型、特性和使用场景，是迈向高级编程的重要一步。本文将从基础概念出发，结合实际案例和代码示例，深入解析 C# 集合的核心知识点，帮助读者构建扎实的实践能力。

一、集合的基础概念与核心特性

1.1 什么是集合？

集合（Collection）可以理解为**“数据的容器”**，它允许开发者将多个元素（如整数、字符串、对象等）组织成一个整体，方便统一管理。例如，一个班级的学生名单可以视为一个字符串集合，而购物车中的商品列表则是一个对象集合。

集合的核心特性包括：

动态扩展性：大多数集合类型（如 List<T>）支持根据需要动态增加或减少元素。
类型安全性：通过泛型（如 List<int>）确保集合中只能存储指定类型的元素。
高效操作：不同集合类型针对特定场景优化了性能，例如快速查找、插入或删除操作。

比喻：
集合就像一个智能文件柜，每个抽屉（元素）都有明确的位置（索引或键），而柜子本身可以根据需求扩展大小，甚至支持快速检索特定抽屉的内容。

1.2 集合与数组的区别

在 C# 中，数组（Array）和集合（如 List<T>）都是存储元素的容器，但它们存在关键差异：

特性	数组（Array）	集合（如 List）
大小固定性	创建后长度不可变	动态扩展，自动调整容量
类型安全性	非泛型数组（如 `object[]`）不安全	泛型集合（如 `List<int>`）类型安全
插入/删除效率	中间位置操作效率低	支持高效插入和删除（部分类型）
内存占用	预分配内存，可能浪费空间	按需分配，更灵活

案例：

// 数组示例  
int[] fixedArray = new int[3]; // 固定长度为3  
fixedArray[0] = 10; // 直接通过索引访问  

// 集合示例  
List<int> dynamicList = new List<int>();  
dynamicList.Add(20); // 动态添加元素

二、常用集合类型及其应用场景

2.1 List：动态数组的典范

List<T> 是 C# 中最常用的集合类型之一，它结合了数组的索引访问和动态扩展的能力。

核心方法与特性：

Add()：在末尾添加元素。
Remove()：移除指定元素的第一个匹配项。
Contains()：检查元素是否存在。
索引访问：通过 list[index] 获取或修改元素。

示例：学生成绩管理

List<int> scores = new List<int>();  
scores.Add(85); // 添加成绩  
scores.Add(92);  

// 查找是否存在特定分数  
if (scores.Contains(90)) {  
    Console.WriteLine("存在90分");  
}  

// 遍历输出所有成绩  
foreach (int score in scores) {  
    Console.WriteLine(score);  
}

性能注意事项：

插入/删除中间元素：时间复杂度为 O(n)，因为需要移动后续元素。
容量预分配：通过 List<T>.Capacity 可避免频繁扩容。

2.2 Dictionary<TKey, TValue>：键值对的高效管理

Dictionary<TKey, TValue> 用于存储键值对（Key-Value），通过唯一键快速检索值。

核心特性：

唯一键约束：每个键必须唯一，否则会抛出异常。
快速查找：通过键访问值的时间复杂度为 O(1)。
支持泛型：键和值均可指定类型（如 Dictionary<string, int>）。

示例：学生成绩字典

Dictionary<string, int> studentScores = new Dictionary<string, int>();  
studentScores.Add("Alice", 85);  
studentScores.Add("Bob", 92);  

// 通过键获取值  
int aliceScore = studentScores["Alice"]; // 输出85  

// 安全访问（避免KeyNotFoundException）  
if (studentScores.TryGetValue("Charlie", out int charlieScore)) {  
    Console.WriteLine(charlieScore);  
} else {  
    Console.WriteLine("未找到Charlie");  
}

2.3 HashSet：无序且唯一的集合

HashSet<T> 用于存储不重复的元素，适用于需要快速判断元素存在性或去重的场景。

核心方法：

Add()：添加元素，若已存在则返回 false。
Contains()：检查元素是否存在。
UnionWith()：合并两个集合。

示例：去重用户输入

HashSet<string> uniqueWords = new HashSet<string>();  
string input = "apple,banana,apple,orange";  
foreach (string word in input.Split(',')) {  
    uniqueWords.Add(word.Trim()); // 自动去重  
}  

// 输出去重后的结果  
foreach (var word in uniqueWords) {  
    Console.WriteLine(word); // 仅输出apple、banana、orange  
}

2.4 其他常用集合类型

集合类型	适用场景
`Queue<T>`	先进先出（FIFO）的队列，如任务调度
`Stack<T>`	后进先出（LIFO）的栈，如递归模拟
`LinkedList<T>`	频繁插入/删除中间元素的场景
`SortedSet<T>`	自动排序且唯一元素的集合

三、集合的高级操作与性能优化

3.1 枚举器与遍历

集合通常通过枚举器（Enumerator） 实现遍历。开发者可以通过 foreach 循环或手动获取 GetEnumerator() 方法直接操作枚举器。

注意事项：

在遍历过程中不可修改集合（如添加或删除元素），否则会引发 InvalidOperationException。
若需在遍历时修改集合，可使用 ToList() 或 ToArray() 创建副本。

// 安全遍历示例  
foreach (var item in myCollection.ToList()) {  
    if (item < 50) {  
        myCollection.Remove(item); // 直接操作原始集合  
    }  
}

3.2 集合的排序与转换

通过 List<T>.Sort() 方法或 LINQ 查询，可以对集合进行排序或转换。

示例：按成绩降序排序

List<int> scores = new List<int> { 85, 92, 78, 95 };  
scores.Sort(); // 默认升序排序  

// 使用 LINQ 实现降序排序  
var sortedScores = scores.OrderByDescending(s => s).ToList();

3.3 集合的线程安全

在多线程环境中，需使用线程安全的集合（如 ConcurrentQueue<T>）或手动加锁。

示例：线程安全的计数器

// 非线程安全的错误示例  
int count = 0;  
Parallel.For(0, 1000, _ => count++); // 可能导致数据不一致  

// 正确方式：使用线程安全的集合  
ConcurrentBag<int> concurrentCount = new ConcurrentBag<int>();  
Parallel.For(0, 1000, _ => concurrentCount.Add(1));

四、最佳实践与常见误区

4.1 如何选择合适的集合类型？

需要快速查找或更新键值对 → Dictionary<TKey, TValue>
需要动态数组且频繁访问索引 → List<T>
需要唯一元素且无需排序 → HashSet<T>
需要频繁插入/删除中间元素 → LinkedList<T>

4.2 性能优化技巧

预分配容量：对于 List<T>，通过 list.Capacity = estimatedSize 减少扩容开销。
避免频繁的集合操作：在循环中，尽量减少 Contains() 调用，改用 HashSet<T> 提升效率。

4.3 常见误区

错误 1：将非泛型集合（如 ArrayList）与泛型集合混用，导致类型转换错误。
错误 2：在遍历时直接修改集合，引发异常。

结论

C# 集合（Collection）是开发者高效处理数据的核心工具。通过理解不同集合类型的特性（如 List<T> 的动态扩展、Dictionary 的键值对快速查找、HashSet 的唯一性约束），开发者可以针对具体场景选择最优方案。本文通过代码示例和性能分析，帮助读者掌握从基础到高级的集合用法，同时强调线程安全、内存管理和性能优化等关键点。掌握这些知识，将显著提升代码的健壮性和执行效率，为构建复杂应用程序奠定坚实基础。

如需进一步深入，可探索 LINQ 查询语法、集合的序列化，以及异步集合的高级用法。编程之路永无止境，但掌握集合的精髓，无疑是迈向专业开发的重要一步。

C# 集合（Collection）（长文解析）

前言

一、集合的基础概念与核心特性

1.1 什么是集合？

1.2 集合与数组的区别

二、常用集合类型及其应用场景

2.1 List：动态数组的典范

核心方法与特性：

性能注意事项：

2.2 Dictionary<TKey, TValue>：键值对的高效管理

核心特性：

2.3 HashSet：无序且唯一的集合

核心方法：

2.4 其他常用集合类型

三、集合的高级操作与性能优化

3.1 枚举器与遍历

3.2 集合的排序与转换

3.3 集合的线程安全

四、最佳实践与常见误区

4.1 如何选择合适的集合类型？

4.2 性能优化技巧

4.3 常见误区

结论

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