Язык программирования C#9 и платформа .NET5

Глава 10 Коллекции и обобщения

Любому приложению, создаваемому с помощью платформы .NET Core, потребуется решать вопросы поддержки и манипулирования набором значений данных в памяти. Значения данных могут поступать из множества местоположений, включая реляционную базу данных, локальный текстовый файл, XML-документ, вызов веб-службы, или через предоставляемый пользователем источник ввода.

В первом выпуске платформы .NET программисты часто применяли классы из пространства имен System.Collections для хранения и взаимодействия с элементами данных, используемыми внутри приложения. В версии .NET 2.0 язык программирования C# был расширен поддержкой средства под названием обобщения, и вместе с этим изменением в библиотеках базовых классов появилось новое пространство имен — System.Collections.Generic.

В настоящей главе представлен обзор разнообразных пространств имен и типов коллекций (обобщенных и необобщенных), находящихся в библиотеках базовых классов .NET Core. Вы увидите, что обобщенные контейнеры часто превосходят свои необобщенные аналоги, поскольку они обычно обеспечивают лучшую безопасность в отношении типов и дают выигрыш в плане производительности. После того, как вы научитесь создавать и манипулировать обобщенными элементами внутри платформы, в оставшемся материале главы будет продемонстрировано создание собственных обобщенных методов и типов. Вы узнаете о роли ограничений (и соответствующего ключевого слова where языка С#), которые позволяют строить классы, в высшей степени безопасные в отношении типов.

Побудительные причины создания классов коллекций

Несомненно, самым элементарным контейнером, который допускается применять для хранения данных приложения, считается массив. В главе 4 вы узнали, что массив C# позволяет определить набор идентично типизированных элементов (в том числе массив элементов типа System.Object, по существу представляющий собой массив данных любых типов) с фиксированным верхним пределом. Кроме того, вспомните из главы 4, что все переменные массивов C# получают много функциональных возможностей от класса System.Array. В качестве краткого напоминания взгляните на следующий код, который создает массив текстовых данных и манипулирует его содержимым разными способами:

 // Создать массив строковых данных.
 string[] strArray = {"First", "Second", "Third" };

 // Отобразить количество элементов в массиве с помощью свойства Length.
 Console.WriteLine("This array has {0} items.", strArray.Length);
 Console.WriteLine;

 // Отобразить содержимое массива, используя перечислитель.
 foreach (string s in strArray)
 {
  Console.WriteLine("Array Entry: {0}", s);
 }
 Console.WriteLine;

 // Обратить массив и снова вывести его содержимое.
 Array.Reverse(strArray);
 foreach (string s in strArray)
 {
  Console.WriteLine("Array Entry: {0}", s);
 }

 Console.ReadLine;

Хотя базовые массивы могут быть удобными для управления небольшими объемами данных фиксированного размера, есть немало случаев, когда требуются более гибкие структуры данных, такие как динамически расширяющийся и сокращающийся контейнер или контейнер, который может хранить только объекты, удовлетворяющие заданному критерию (например, объекты, производные от специфичного базового класса, или объекты, реализующие определенный интерфейс). Когда вы используете простой массив, всегда помните о том, что он был создан с "фиксированным размером". Если вы создали массив из трех элементов, то вы и получите только три элемента; следовательно, представленный далее код даст в результате исключение времени выполнения (конкретно — IndexOutOfRangeException):

// Создать массив строковых данных.
 string[] strArray = { "First", "Second", "Third" };

 // Попытка добавить новый элемент в конец массива?
 // Ошибка во время выполнения!
 strArray[3] = "new item?";
 ...

На заметку! На самом деле изменять размер массива можно с применением обобщенного метода Resize<T>. Однако такое действие приведет к копированию данных в новый объект массива и может оказаться неэффективным.

Чтобы помочь в преодолении ограничений простого массива, библиотеки базовых классов .NET Core поставляются с несколькими пространствами имен, которые содержат классы коллекций. В отличие от простого массива C# классы коллекций построены с возможностью динамического изменения своих размеров на лету по мере вставки либо удаления из них элементов. Более того, многие классы коллекций предлагают улучшенную безопасность в отношении типов и всерьез оптимизированы для обработки содержащихся внутри данных в манере, эффективной с точки зрения затрат памяти. В ходе чтения главы вы быстро заметите, что класс коллекции может принадлежать к одной из двух обширных категорий:

• необобщенные коллекции (в основном находящиеся в пространстве имен System.Collections);

• обобщенные коллекции (в основном находящиеся в пространстве имен System.Collections.Generic).

Необобщенные коллекции обычно спроектированы для оперирования типами System.Object и, следовательно, являются слабо типизированными контейнерами (тем не менее, некоторые необобщенные коллекции работают только со специфическим типом данных наподобие объектов string). По контрасту обобщенные коллекции являются намного более безопасными в отношении типов, учитывая, что при создании вы должны указывать "вид типа" данных, которые они будут содержать. Как вы увидите, признаком любого обобщенного элемента является наличие "параметра типа", обозначаемого с помощью угловых скобок (например, List<T>). Детали обобщений (в том числе связанные с ними преимущества) будут исследоваться позже в этой главе. А сейчас давайте ознакомимся с некоторыми ключевыми типами необобщенных коллекций из пространств имен System.Collections и System.Collections.Specialized.

Пространство имен System.Collections

С самого первого выпуска платформы .NET программисты часто использовали классы необобщенных коллекций из пространства имен System.Collecitons, которое содержит набор классов, предназначенных для управления и организации крупных объемов данных в памяти. В табл. 10.1 документированы распространенные классы коллекций, определенные в этом пространстве имен, а также основные интерфейсы, которые они реализуют.

< image l:href="#"/>

Интерфейсы, реализованные перечисленными в табл. 10.1 классами коллекций, позволяют проникнуть в суть их общей функциональности. В табл. 10.2 представлено описание общей природы основных интерфейсов, часть из которых кратко обсуждалась в главе 8.

Иллюстративный пример: работа с ArrayList

Возможно, вы уже имеете начальный опыт применения (или реализации) некоторых из указанных выше классических структур данных, таких как стеки, очереди или списки. Если это не так, то при рассмотрении обобщенных аналогов таких структур позже в главе будут предоставлены дополнительные сведения об отличиях между ними. А пока что взгляните на пример кода, в котором используется объект ArrayList: