C#基础14-非泛型集合

零、文章目录

C#基础14-非泛型集合

1、ArrayList

（1）核心特性

• 动态数组
  • 无需预先定义固定长度，容量随元素增减自动调整（默认初始容量为 4，扩容时通常加倍）。
  • 支持任意类型元素（存储为 object 类型），可混合存放字符串、整数等。
• 底层实现
  • 继承 System.Collections 命名空间，实现 IList、ICollection 等接口。
  • 非泛型集合，依赖装箱（值类型→object）和拆箱（object→值类型）操作。

（2）基本操作与示例

using System.Collections;ArrayList al = new ArrayList();
// 添加元素 
al.Add("Apple");         // 末尾添加 
al.Insert(0, 123);       // 索引0插入整数 
al.AddRange(new[] { "Banana", 4.5 }); // 添加集合 // 删除元素
al.Remove("Apple");      // 移除首个匹配项 
al.RemoveAt(0);          // 移除索引0元素 
al.Clear();              // 清空// 查找与排序
int index = al.IndexOf("Banana"); // 返回索引
al.Sort();               // 默认排序（需元素可比）
al.Reverse();            // 反转顺序 

（3）优缺点分析

优点	缺点
✅ 动态扩容，无需预设大小	❌ 类型不安全：编译期无类型检查，运行时易出错
✅ 灵活插入/删除（Insert/Remove）	❌ 性能损耗：值类型操作需装箱拆箱，效率低
✅ 支持多种数据混合存储	❌ 非线程安全：多线程需手动同步

（4）与 List<T> 的对比

特性	ArrayList	List<T>（泛型）
类型安全	❌ 存储 object 类型	✅ 编译时类型检查
性能	❌ 装箱拆箱开销大	✅ 无需装箱拆箱，效率高
内存占用	❌ 扩容频繁可能浪费内存	✅ 容量管理更高效
推荐场景	遗留代码维护	新项目首选，尤其值类型操作

（5）注意事项

• 线程安全：需通过 ArrayList.Synchronized() 创建线程安全版本。
• 排序限制：混合类型时调用 Sort() 会抛出 InvalidOperationException，需确保元素可比。

2、Hashtable

（1）核心特性

• 键值对存储
  • 以 key-value 形式存储数据，键和值均为 object 类型，支持任意数据类型（如字符串、整数、自定义对象）。
  • 键唯一性：键不能重复，尝试插入重复键会覆盖原有值。
• 哈希算法驱动
  • 通过键的哈希码（GetHashCode() 生成）定位数据存储位置，实现 O(1) 平均时间复杂度的快速查找。
  • 自动处理哈希冲突：采用链地址法（冲突键值对存储在同一个桶的链表中）。
• 动态扩容
  • 初始默认容量为 0（首次添加元素时扩容至合理值），当元素数量超过当前容量与负载因子（默认 0.75）乘积时，自动扩容并重新分配存储。
• 非泛型与非线程安全
  • 位于 System.Collections 命名空间，存储时需装箱拆箱（值类型→object），性能低于泛型集合。
  • 默认非线程安全，多线程读写需通过 Hashtable.Synchronized() 包装或手动加锁。

（2）基础用法

• 初始化与增删改查

using System.Collections;Hashtable ht = new Hashtable();
// 添加键值对 
ht.Add("id", 1001);       // 键为字符串，值为整数
ht["name"] = "Alice";     // 索引器方式添加/修改 
ht.Add(3.14, "Pi");       // 键为浮点数，值为字符串// 删除元素 
ht.Remove("id");          // 移除指定键 
ht.Clear();               // 清空所有元素// 查询与判断
if (ht.ContainsKey("name")) Console.WriteLine(ht["name"]); // 输出：Alice 
if (ht.ContainsValue(1001)) Console.WriteLine("Value exists!");

• 避免类型转换错误的技巧

// 使用 as 操作符安全转换
string name = ht["name"] as string;
if (name != null) { /* 安全操作 */ }// 使用 is 类型检查 
if (ht["id"] is int id) Console.WriteLine($"ID: {id}");

• 遍历方式

// 遍历所有键
foreach (object key in ht.Keys) Console.WriteLine($"Key: {key}");// 遍历所有值 
foreach (object value in ht.Values) Console.WriteLine($"Value: {value}");// 遍历键值对（推荐）
foreach (DictionaryEntry de in ht) Console.WriteLine($"{de.Key} : {de.Value}");

• 排序（通过键间接实现）

ArrayList keys = new ArrayList(ht.Keys);
keys.Sort(); // 对键排序 
foreach (string key in keys) Console.WriteLine($"{key}: {ht[key]}");

️（3）与 Dictionary<TKey, TValue> 对比

特性	Hashtable	Dictionary<TKey, TValue>
类型安全	❌ 需手动类型转换	✅ 编译时类型检查
性能	❌ 值类型操作需装箱拆箱，效率低	✅ 无装箱拆箱，速度快20%-50%
线程安全	❌ 需额外同步机制	❌ 默认非线程安全（可用并发集合替代）
顺序保证	❌ 无序存储	✔️ .NET Core 3.0+ 默认按插入顺序遍历
推荐场景	遗留代码维护、需混合类型存储	新项目首选，高性能场景

️（4）注意事项

• 键不可为 null：尝试添加 null 键会抛出 ArgumentNullException。
• 哈希码依赖：自定义对象作为键时，需重写 GetHashCode() 和 Equals() 方法，确保哈希一致性。
• 混合类型排序风险：若键类型不一致（如字符串与整数混合），调用 Sort() 可能抛出 InvalidOperationException。

3、Queue

（1）核心特性

• 先进先出（FIFO）机制
  • 元素按插入顺序处理，队头元素（最早入队）优先被移除。
  • 典型场景：任务调度、消息传递、缓冲区管理（如日志处理）。
• 动态扩容
  • 初始容量为 0（首次添加时自动扩容），当元素数量超过当前容量时自动扩容（通常加倍）。
  • 支持手动调整容量：TrimToSize() 优化内存。
• 非泛型与泛型实现
  • System.Collections.Queue：存储 object 类型，需装箱拆箱，类型不安全。
  • System.Collections.Generic.Queue<T>：泛型版本，类型安全且无需装箱拆箱。
• 基础操作高效性
  • 入队（Enqueue）、出队（Dequeue）、查看队头（Peek）操作时间复杂度为 O(1)。

（2）基础用法

• 创建与增删操作

using System.Collections.Generic;Queue<string> queue = new Queue<string>();
// 入队 
queue.Enqueue("Task1");
queue.Enqueue("Task2");// 出队 
string task = queue.Dequeue(); // 返回 "Task1"
// 查看队头（不移除）
string nextTask = queue.Peek(); // 返回 "Task2"// 清空队列 
queue.Clear();

• 遍历与判断

// 遍历所有元素 
foreach (var item in queue) {Console.WriteLine(item);
}// 判断元素存在性 
if (queue.Contains("Task2")) {Console.WriteLine("任务存在");
}

• 线程安全处理

// 多线程环境下需手动同步 
lock (queue) {queue.Enqueue("ConcurrentTask");
}

（3）优缺点分析

优点	缺点
✅ 动态扩容，无需预设大小	❌ 非泛型版本需装箱拆箱，性能损耗
✅ FIFO 机制保证处理顺序	❌ 默认非线程安全，需额外同步
✅ 基础操作（入队/出队）高效	❌ 无法直接访问队列中间元素

（4）与现代替代方案对比

• ConcurrentQueue<T>（并发队列）

特性	Queue<T>	ConcurrentQueue<T>
线程安全	❌ 需手动加锁	✅ 无锁实现，内置线程安全
性能	✅ 单线程下更快	✅ 高并发下性能更优（避免锁竞争）
API 设计	Enqueue/Dequeue	TryEnqueue/TryDequeue（避免异常）
适用场景	单线程或低并发任务	高并发场景（如并行计算、消息队列）

• 性能测试参考（百万次操作）

操作	Queue<T> 耗时	ConcurrentQueue<T> 耗时
单线程入队	15 ms	20 ms
多线程入队	崩溃（线程竞争）	35 ms

• Channel（.NET Core 3.0+）
  • 定位：异步消息队列，替代生产者-消费者模式中的 ConcurrentQueue。
  • 优势：
    • 支持异步写入（WriteAsync）和读取（ReadAsync）。
    • 内置背压控制（限制队列长度）。

（5）使用建议

• 首选泛型版本：新项目一律使用 Queue<T>，避免类型转换和装箱开销。
• 并发场景选择
  • 多线程任务调度 → ConcurrentQueue<T>。
  • 异步数据流处理 → Channel。
• 避免混合类型：非泛型 Queue 仅用于遗留代码维护或未知类型数据（如动态解析 JSON）。

4、Stack

（1）核心特性

• 后进先出（LIFO）机制
  • 最后添加的元素最先被移除，适用于撤销操作、表达式求值等场景。
• 动态扩容
  • 初始容量为 0（首次添加时自动扩容），元素超限时容量加倍。
• 两种实现方式
  • System.Collections.Stack：非泛型，存储 object 类型，需装箱拆箱。
  • System.Collections.Generic.Stack<T>：泛型版本，类型安全且无性能损耗。
• 基础操作高效
  • 入栈（Push）、出栈（Pop）、查看栈顶（Peek）的时间复杂度为 O(1) 。

（2）基础操作与示例

using System.Collections;Stack st = new Stack();
st.Push(100);      // 整数 
st.Push("Text");   // 字符串// 遍历（混合类型需类型检查）
foreach (object obj in st) {if (obj is string text) Console.WriteLine(text);
}

（3）关键注意事项

• 线程安全：默认非线程安全，多线程需手动加锁

lock (stack) {stack.Push("concurrent_item");
}

• 空栈操作风险：Pop() 或 Peek() 空栈会抛异常，优先使用 TryPop()/TryPeek()（泛型）或检查 Count > 0

if (stack.TryPop(out string result)) Console.WriteLine($"出栈元素: {result}");

• 排序与遍历限制
  • 无法直接排序，需转数组后操作（stack.ToArray().Sort()）。
  • 遍历顺序为 LIFO（从栈顶到栈底）。

（4）与现代替代方案对比

特性	非泛型 Stack	泛型 Stack<T>	ConcurrentStack<T>
类型安全	❌ 需手动类型转换	✅ 编译时类型检查	✅ 类型安全
性能	❌ 值类型需装箱拆箱	✅ 无装箱拆箱，高效	✅ 无锁设计，高并发优化
线程安全	❌ 需手动同步	❌ 需手动同步	✅ 内置线程安全
推荐场景	遗留代码维护、动态类型数据	新项目首选（类型明确场景）	高并发任务（如并行计算）

（5）典型应用场景

• 撤销操作（Undo/Redo）

Stack<string> history = new Stack<string>();
history.Push("State1");
history.Push("State2");
string lastState = history.Pop(); // 撤销到 State1 

• 括号匹配校验

bool IsValid(string s) {Stack<char> stack = new Stack<char>();foreach (char c in s) {if (c == '(') stack.Push(')');else if (stack.Count == 0 || stack.Pop() != c) return false;}return stack.Count == 0;
}

• 递归函数转迭代：用栈模拟递归调用栈，避免堆栈溢出。