十六、数组（Arrays）

✅ 第16章：数组与集合（Arrays and Collections）

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📘 一、数组初始化与类型系统

✅ 所有数组都是 System.Array 的子类

int[] nums = new int[] { 1, 2, 3 };
Console.WriteLine(nums.GetType()); // System.Int32[]
Console.WriteLine(nums is Array);  // true

• 数组在 CLR 中是 一等对象，具有完整的元数据（类型、维度、大小）
• 实现了 IEnumerable、ICollection、IList 接口（非泛型）

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🧱 二、数组的装箱陷阱：协变性问题

string[] names = new string[3];
object[] objs = names; // ✅ 协变允许

objs[0] = 123; // ❌ 运行时抛出 ArrayTypeMismatchException

✅ C# 允许引用类型数组协变，但存在类型安全问题
➡️ 推荐：用泛型集合替代数组协变场景

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🚀 三、数组与泛型集合对比

特性	数组 (T[])	List<T>
固定大小	✅ 是	❌ 自动扩展
速度	✅ 极快	稍慢，带边界检查
安全性	✅ 高	✅（泛型安全）
动态增删	❌ 不支持	✅ 支持

结论：数组适合底层高性能密集数据场景；集合适合动态操作

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📌 四、数组作为参数传递与返回

• 数组是引用类型：传递的是引用地址（但不会修改引用本身）

void Fill(int[] arr) {
    arr[0] = 100;       // ✅ 修改内容
    arr = new int[5];   // ❌ 不影响原数组
}

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🔁 五、数组转型与接口转换

int[] arr = {1,2,3};
IEnumerable<int> seq = arr;   // ✅ 支持
IList list = arr;             // ✅ 支持非泛型接口

➡️ 因为 System.Array 实现了很多接口，易于与 LINQ、foreach 兼容

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🌐 六、非零下限数组（不推荐使用）

Array arr = Array.CreateInstance(typeof(int), new int[] { 3 }, new int[] { 1 });

创建下限为 1 的数组 [1,2,3]，但不兼容大部分 C# 语法与优化。

➡️ ⚠️ 性能差、兼容性差，不建议在实际项目中使用

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🧠 七、数组内部工作机制（CLR视角）

✅ 数组头部结构（内存布局）：

+-------------------------+
| Method Table Ptr        | ← 类型元数据
| Length (Int32)          | ← 数组元素数量
| [Element 0]             |
| [Element 1]             |
| ...                     |
+-------------------------+

• 元数据指向类型信息（类型名、元素类型）
• 紧跟数组长度字段（避免越界）
• 然后是连续元素块

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⚙️ 八、不安全数组访问与固定大小数组

unsafe {
    fixed (int* p = myArray) {
        *(p + 1) = 42;
    }
}

• fixed 禁止 GC 移动数组
• 可用于原生交互 / 性能极端优化（如图像处理）

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📊 Mermaid 图：数组行为概览

graph LR A[定义数组] --> B[引用类型 System.Array] B --> C[实现 IEnumerable/IList] C --> D[传递到方法中] B --> E[存储元素 + 长度] E --> F[支持协变（仅引用类型）]

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🧪 面试题

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1️⃣ 为什么数组协变会导致运行时异常？

✅ 因为可以将 string[] 赋值给 object[]，但 object[] 允许写入任何类型，破坏类型安全。

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2️⃣ 创建数组后能改变其大小吗？

❌ 不可以。数组大小固定，只能重新创建新数组并复制内容。

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3️⃣ 多维数组 vs 交错数组（区别？）

• 多维数组是 [,]，内存连续，占用空间大
• 交错数组是 [][]，每行可不同长，更灵活、兼容

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4️⃣ 为什么数组不能作为协变泛型？

✅ 协变泛型需要只读行为，数组是可变集合，不满足约束。

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5️⃣ 使用 Array.Copy() 与 Buffer.BlockCopy() 有何不同？

✅ Array.Copy() 是类型安全的；BlockCopy() 是字节级别的，适合低层数据处理（比如结构体序列化）

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九、BlockCopy和Span

[[BlockCopy]]

✅ 总结速查表

特性	说明
是引用类型	数组存储在堆上，参数传递为引用
支持协变	仅限引用类型，存在类型风险
多接口支持	可转为 IEnumerable, IList 等
多维 vs 交错	多维占内存、慢；交错灵活
不安全访问	用于极限性能优化场景
非零下限	支持，但不推荐使用