通过C#实现集合类纵览.NET Collections及相关技术

概述：在真正的对象化开发项目中，我们通常会将常用的业务实体抽象为特定的类，如Employee、Customer、Contact等，而多数的类之间会存在着相应的关联或依存关系，如Employee和Customer通过Contact而产生关联、Contact是依赖于Employee和Customer而存在的。在实际的对象应用模块中，可能会有这样的需求：获得一组客户对象（即Customers集合类的实例，如customers），指向其中一个Customer对象（如customers[i]），通过访问这个Customer对象的属性Name（customers[i].Name）和Contacts（如customers[i].Contacts）来查询客户的姓名和与该客户的联络记录，甚至遍历Contacts对象，查找该客户的某次联络摘要（即customers.[i].contacts[x].Summary）。为满足以上集合类的需求，对照.NET Framework 的平台实现，不难发现．NET在Collections命名空间下提供了一系列实现集合功能的类，并且根据适用环境的不同为开发者提供灵活多样的选择性：如通过索引访问使用广泛的ArrayList 和 StringCollection；通常在检索后被释放的先进先出的Queue和后进先出Stack；通过元素键对其元素进行访问Hashtable、SortedList、ListDictionary 和 StringDictionary；通过索引或通过元素键对其元素进行访问的NameObjectCollectionBase 和 NameValueCollection；以及具有集合类的特性而被实现在System.Array下的Array类等。本文将通过实现具有代表性的 “集合类”的两种典型途径，分析对比不同实现方式的差异性与适用环境，让大家了解和掌握相关的一些技术，希望为大家的学习和开发工作起到抛砖引玉的作用（注：作者的调试运行环境为．NET Framework SDK 1.1）。
1．采用从CollectionBase抽象基类继承的方式实现Customers集合类：
首先需要创建为集合提供元素的简单类Customer：

/// <summary>
/// 描述一个客户基本信息的类
/// </summary>
public class Customer
{
/// <summary>
/// 客户姓名
/// </summary>
public string Name;

/// <summary>
/// 描述所有客户联络信息的集合类
/// </summary>
//public Contacts Contacts=new Contacts();

/// <summary>
/// 不带参数的Customer类构造函数
/// </summary>
public Customer()
{
System.Console.WriteLine("Initialize instance without parameter");
}

/// <summary>
/// 带参数的Customer类构造函数
/// </summary>
public Customer(string name)
{
Name=name;
System.Console.WriteLine("Initialize instance with parameter");
}
}

以上就是Customer类的简单框架，实用的Customer类可能拥有更多的字段、属性、方法和事件等。值得注意的是在Customer类中还以公共字段形式实现了对Contacts集合类的内联，最终可形成Customer.Contacts[i]的接口形式，但这并不是最理想的集合类关联方式，暂时将它注释，稍后将详加分析，这个类的代码重在说明一个简单类（相对于集合类的概念范畴）的框架；另外，该类还对类构造函数进行了重载，为声明该类的实例时带name参数或不带参数提供选择性。
接下来看我们的第一种集合类实现，基于从CollectionBase类派生而实现的Customers类：
/// <summary>
/// Customers 是Customer的集合类实现，继承自CollectionBase
/// </summary>
public class Customers: System.Collections.CollectionBase
{
public Customers()
{

}
/// <summary>
/// 自己实现的Add方法
/// </summary>
/// <param name="customer"></param>
public void Add(Customer customer)
{
List.Add(customer);
}
/// <summary>
/// 自己实现的Remove方法
/// </summary>
/// <param name="index"></param>
public void Remove(int index)
{
if (index > Count - 1 || index < 0)
{
System.Console.WriteLine("Index not valid!");
}
else
{
List.RemoveAt(index);
}
}
}

以Customers集合类为例，结合集合辅助技术，希望大家能了解掌握以下知识：
从CollectionBase继承实现集合类
Customers类采用从CollectionBase继承的方式，不再需要在类内声明一个作为Customer集合容器的List对象，因为CollectionBase类已经内置了一个List对象，并已经实现了Count、Clear、RemoveAt等等IList的重要接口（具体请参照MSDN中的CollectionBase 成员），只需要用户显示实现Add、Remove、IndexOf、Insert等等接口，代码中仅简单实现了Add方法和Remove方法的整参数版本作为示例。这种集合类的实现具有简单高效的特点，CollectionBase已经实现了较为完善的功能，实施者只要在其基础上扩展自己所需的功能即可。

索引器的简单实现
我们惯于操作数组的形式通常为array[i]，集合类可以看作是“对象的数组”，在C#中，帮助集合类实现数组式索引功能的就是索引器：
public Customer this[int index]
{
get
{
return (Customer) List[index];
}
}
将以上代码加入到Customers类后，就实现了以整形index为参数，以List[index]强制类型转换后的Customer类型返回值的Customers类只读索引器，使用者以Customers[i].Name的方式，就可以访问Customers集合中第i个Customer对象的姓名字段，是不是很神奇呢？文中的索引器代码并未考虑下标越界的问题，越界的处理方式应参照与之类似的Remove方法。作者在此只实现了索引器的get访问，没有实现set访问的原因将在下文中讨论。

Item的两种实现方式
用过VB的朋友们一定都很熟悉Customers.Itme(i).Name的形式，它实现了与索引器相同的作用，即通过一个索引值来访问集合体中的特定对象，但Item在C#当中应该以怎样的形式实现呢？首先想到的实现途径应该是属性，但你很快就会发现C#的属性是不支持参数的，所以无法把索引值作为参数传入，折中的办法就是以方法来实现：
public Customer Item (int Index)
{
return (Customer) List[Index];
}
这个Item方法已经可以工作了，但为什么说是折中的办法呢，因为对Item的访问将是采用Customers.Item(i).Name的语法形式,与C#‘[]’作数组下标的风格不统一，显的有些突兀，但如果希望在语法上做到统一，哪怕是性能受一些影响也无所谓的话有没有解决之道呢？请看以下代码：
public Customers Item
{
get
{
return this;
}
}
这是以属性形式实现的Item接口，但是由于C#的属性不支持参数，所以我们返回Customers对象本身，也就是在调用Customers对象Item属性时会引发对Customers索引器的调用，性能有所下降,但是的确实现了Customers.Item[i].Name的语法风格统一。对比这两种Item的实现，不难得出结论：以不带参数的属性形式实现的Item依赖于类的索引器，如果该类没有实现索引器，该属性将无法使用；并且由于对Item的访问重定向到索引器性能也会下降；唯一的理由是：统一的C#索引下标访问风格；采用方法实现的裨益正好与之相反，除了语法风格较为别扭外，不存在依赖索引器、性能下降的问题。鱼与熊掌难以兼得，如何取舍应依据开发的实际需求决定。
中间语言的编译缺省与Attribute的应用
如果你既实现了标准的索引器，又想提供名为“Item”的接口，编译时就会出现错误“类‘WindowsApplication1.Customers’已经包含了“Item”的定义”，但除了建立索引器外，你什么也没有做，问题到底出在哪里？我们不得不从.NET中间语言IL来寻找答案了，在.NET命令行环境或Visual Studio .NET 命令提示环境下，输入ILDASM，运行.NET Framework MSIL 反汇编工具，通过主菜单中的‘打开’加载只有索引器没有Item接口实现的可以编译通过的.NET PE执行文件，通过直观的树状结构图找到Customers类，你将意外地发现C#的索引器被解释成了一个名为Item的属性，以下是IL反编译后的被定义为Item属性的索引器代码：
.property instance class WindowsApplication1.Customer
Item(int32)
{
.get instance class WindowsApplication1.Customer WindowsApplication1.Customers::get_Item(int32)
} // end of property Customers::Item
问题总算水落石出，就是C#编译器‘自作聪明’地把索引器解释成了一个名为Item的属性，与我们期望实现的Item接口正好重名，所以出现上述的编译错误也就在所难免。那么，我们有没有方法告知编译器，不要将索引器命名为缺省Item呢？答案是肯定的。
解决方法就是在索引器实现之前声明特性：
[System.Runtime.CompilerServices.IndexerName("item")]
定义这个IndexerName特性将告知CSharp编译器将索引器编译成item而不是默认的Item ，修改之后的索引器IL反汇编代码为：
.property instance class WindowsApplication1.Customer
item(int32)
{
.get instance class WindowsApplication1.Customer WindowsApplication1.Customers::get_item(int32)
} // end of property Customers::item
当然你可以将索引器的生成属性名定义成其它名称而不仅限于item，只要不是IL语言的保留关键字就可以。经过了给索引器命名，你就可以自由地加入名为“Item”的接口实现了。

以下为Customer类和Customers类的调试代码，在作者的Customers类中，为说明问题，同时建立了以item为特性名的索引器、一个Items方法和一个Item属性来实现对集合元素的三种不同访问方式，实际的项目开发中，一个类的索引功能不需要重复实现多次，可能只实现索引器或一个索引器加上一种形式的Item就足够了：
public class CallTest
{
public static void Main()
{
Customers custs=new Customers();
System.Console.WriteLine(custs.Count.ToString());//Count属性测试

Customer aCust=new Customer();//将调用不带参数的构造函数
aCust.Name ="Peter";
custs.Add(aCust);//Add方法测试

System.Console.WriteLine(custs.Count.ToString());
System.Console.WriteLine(custs.Item[0].Name);//调用Item属性得到
custs.Items(0).Name+="Hu";//调用Items方法得到
System.Console.WriteLine(custs[0].Name);//调用索引器得到

custs.Add(new Customer("Linnet"));//将调用带name参数的构造函数
System.Console.WriteLine(custs.Count.ToString());
System.Console.WriteLine(custs.Items(1).Name);//调用Items方法得到
custs.Item[1].Name+="Li";//调用Items方法得到
System.Console.WriteLine(custs[1].Name);//调用索引器得到

custs.Remove(0);//Remove方法测试
System.Console.WriteLine(custs.Count.ToString());
System.Console.WriteLine(custs[0].Name);//Remove有效性验证
custs[0].Name="Test passed" ;//调用索引器得到
System.Console.WriteLine(custs.Item[0].Name);
custs.Clear();
System.Console.WriteLine(custs.Count.ToString());//Clear有效性验证

}
}
输出结果为：
0
Initialize instance without parameter
1
Peter
PeterHu
Initialize instance with parameter
2
Linnet
LinnetLi
1
LinnetLi
Test passed
0

2．采用内建ArrayList对象的方式实现集合类：
或许有经验的程序员们早已经想到，可以在一个类中内建一个数组对象，并在该类中通过封装对该对象的访问，一样能够实现集合类。以下是采用这种思路的Contact元素类和Contacts集合类的实现框架：

public class Contact
{
protected string summary;

/// <summary>
/// 客户联系说明
/// </summary>
public string Summary
{
get
{
System.Console.WriteLine("getter access");
return summary;//do something, as get data from data source
}
set
{
System.Console.WriteLine("setter access");
summary=value;// do something , as check validity or Storage
}
}

public Contact()
{

}
}

public class Contacts
{
protected ArrayList List;

public void Add(Contact contact)
{
List.Add(contact);
}

public void Remove(int index)
{
if (index > List.Count - 1 || index < 0)
{
System.Console.WriteLine("Index not valid!");
}
else
{
List.RemoveAt(index);
}
}

public int Count
{
get
{
return List.Count;
}
}

public Contact this[int index]
{
get
{
System.Console.WriteLine("indexer getter access");
return (Contact) List[index];
}
set
{
List[index]=value;
System.Console.WriteLine("indexer setter access ");
}

}

public Contacts()
{
List=new ArrayList();
}
}
通过这两个类的实现，我们可以总结以下要点：
采用ArrayList的原因
在Contacts实现内置集合对象时，使用了ArrayList类，而没有使用大家较为熟悉的Array类，主要的原因有：在现有的．NET v1.1环境中，Array虽然已经暴露了IList.Add、IList.Insert、IList.Remove、IList.RemoveAt等典型的集合类接口，而实际上实现这些接口总是会引发 NotSupportedException异常，Microsoft是否在未来版本中实现不得而知，但目前版本的．NET显然还不支持动态数组，在MS推荐的更改Array大小的办法是，将旧数组通过拷贝复制到期望尺寸的新数组后，删除旧数组，这显示是费时费力地在绕弯路，无法满足集合类随时添加删除元素的需求；ArrayList已经实现了Add、Clear、Count、IndexOf、Insert、Remove、RemoveAt等集合类的关键接口，并且有支持只读集合的能力，在上边的Contacts类中，只通过极少的封装代码，就轻松地实现了集合类。另一个问题是我们为什么不采用与Customers类似的从System.Collections.ArrayList继承的方式实现集合类呢？主要是由于将ArrayList对象直接暴露于类的使用者，将导致非法的赋值，如用户调用arraylist.Add方法，无论输入的参数类型是否为Contact，方法都将被成功执行，类无法控制和检查输入对象的类型与期望的一致，有悖该类只接纳Contact类型对象的初衷，也留下了极大的安全隐患；并且在Contact对象获取时，如不经过强制类型转换，Contacts元素也无法直接以Contact类型形式来使用。
集合类中的Set
在集合类的实现过程中，无论是使用索引器还是与索引器相同功能的“Item”属性，无可避免地会考虑是只实现getter形成只读索引器，还是同时实现getter和setter形成完整的索引器访问。在上文的示例类Customers中就没有实现索引器的setter，形成了只读索引器，但在Customer类和Customers类的调试代码，作者使用了容易令人迷惑的“custs[0].Name="Test passed"”的访问形式，事实上，以上这句并不会进入到Customers索引器的setter而是会先执行Customers索引器的getter得到一个Customer对象，然后设置这个Customer的Name字段(如果Name元素为属性的话，将访问Customer类Name属性的setter)。那么在什么情况下索引器的setter才会被用到呢？其实只有需要在运行时动态地覆盖整个元素类时，集合类的setter才变得有意义，如“custs [i]=new Customer ()”把一个全新的Customer对象赋值给custs集合类的已经存在的一个元素，这样的访问形式将导致Customers的setter被访问，即元素对象本身进行了重新分配，而不仅仅是修改现有对象的一些属性。也就是说，由于Customers类没有实现索引器的setter 所以Customers类对外不提供“覆盖”客户集合中既有客户的方法。与此形成鲜明对照的是Contacts类的索引器既提供对集合元素的getter，又提供对集合元素的setter，也就是说Contacts类允许使用者动态地更新Contact元素。通过对Contacts和Contact两个类运行以下测试可以很明确说明这个问题：
public class CallTest
{
public static void Main()
{
Contacts cons=new Contacts();
cons.Add(new Contact());
cons[0]=new Contact();//trigger indexer setter
cons[0].Summary="mail contact about ticket";
System.Console.WriteLine(cons[0].Summary);
}
}
理所当然的输出结果为：
indexer setter access
indexer getter access
setter access
indexer getter access
getter access
mail contact about ticket
明确认识到了索引器setter的作用后，在类的实现中就应当综合实际业务特点、存取权限控制和安全性决定是否为索引器建立setter机制。
属性－强大灵活的字段合二为一的方法
在最初实现Customer类时，我们使用了一个公共字段Name，用作存取客户的姓名信息，虽然可以正常的工作，但我们却缺乏对Name字段的控制能力，无论类的使用者是否使用了合法有效的字段赋值，字段的值都将被修改；并且没有很好的机制，在值改变时进行实时的同步处理（如数据存储，通知相关元素等）；另外，字段的初始化也只能放在类的构造函数中完成，即使在整个对象生命周期内Name字段都从未被访问过。对比我们在Contact类中实现的Summary属性，不难发现，属性所具有的优点：属性可以在get时再进行初始化，如果属性涉及网络、数据库、内存和线程等资源占用的方式，推迟初始化的时间，将起到一定的优化作用；经过属性的封装，真正的客户联系说明summary被很好地保护了起来，在set时，可以经过有效性验证再进行赋值操作；并且在getter和setter前后，可以进行数据存取等相关操作，这一点用字段是不可能实现的。所以我们可以得出结论，在字段不能满足需求的环境中，属性是更加强大灵活的替代方式。
另外，属性整合了“get”和“set”两个“方法”，而采用统一自然的接口名称，较之JAVA语言的object.getAnything和object.setAnything语法风格更加亲和(事实上，C#中的属性只不过是对方法的再次包装，具有getter和setter的Anything属性在．NET IL中，依然会被分解成一个由Anything属性调用的get_Anything和set_Anything两个方法)。
集合类内联的方式
在文章最初的Customer类中使用了公共字段public Contacts Contacts=new Contacts()实现了customer. Contacts[]形式的集合类内联接口，这是一种最为简单但缺乏安全性保护的集合类集成方式，正如以上所述属性的一些优点，采用属性形式暴露一个公共的集合类接口，在实际存取访问时，再对受封状保护的集合类进行操作才是更为妥当完善的解决方案，如可以把Customer类内联的集合Contacts的接口声明改为：
protected Contacts cons; //用于类内封装的真正Contacts对象
public Contacts Contacts//暴露在类外部的Contacts属性
{
get
{
if (cons == null) cons=new Contacts();
return cons;
}
set
{
cons=value;
}
}
最终，customers[i].Contacts[x].Summary的形式就被成功地实现了。
实例化的最佳时机
．NET的类型系统是完全对象化的，所有的类型都是从System.Object派生而来，根据类型的各自特点，可以分为值类型和引用类型两大阵营。值类型包括结构（简单的数值型和布尔型也包括在内）和枚举，引用类型则包括了类、数组、委托、接口、指针等，对象化的一个特点是直到对象实例化时才为对象分配系统资源，也就是说灵活适时地实例化对象，对系统资源的优化分配将产生积极意义。在一些文章中所建议的“Lazy initialization”倡导在必要时才进行对象的实例化，本着这样的原则，从类的外部来看，类可以在即将被使用时再进行初始化；在类的内部，如属性之类的元素，也可以不在构造函数中初始化，而直到属性的getter被真正访问时才进行，如果属性一直没有被读取过，就不必要无意义地占用网络、数据库、内存和线程等资源了。但是也并不是初始化越晚越好，因为初始化是需要时间的，在使用前才进行初始化可能导致类的响应速度过慢，无法适应使用者的实时需求。所以在资源占用和初始化耗时之间寻求一个平衡点，才是实例化的最佳时机。

总结
本文围绕实现集合类的两种途径－从CollectionBase继承实现和内建ArrayList对象实现，为大家展示了部分集合、索引器、属性、特性的应用以及．NET环境中的类构造函数、对象优化、类关联等其它相关知识。通过本文浅显的示例和阐述，希望可以启发读者的灵感，推出更加精辟合理的基础理论和应用模型。

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