c#数据结构之Array、ArrayList、List、LinkedList对比分析

一、前言：

　　在c#数据结构中，集合的应用非常广泛，无论是做BS架构还是CS架构开发，都离不开集合的使用，比如我们常见的集合包括：Array、ArrayList、List、LinkedList等。这一些数据集合，在功能上都能够实现集合的存取，但是他们内部有什么区别，在使用时需要注意一些什么呢？下面根据个人的经验，对这一些集合数据的使用做一个简单的小结，如果说的不对的地方，欢迎指出，多多交流改进。

二、Array集合简介

　　Array集合，也就是数组，是最简单的数据结构，其存储的数据在内存空间是连续的，数组有一下一些特点

• 1.数据存储是连续的
• 2.数组长度在定义时就必须制定
• 3.数组存储的数据类型都是同一类型
• 4.数组可以直接通过小标访问

　　优缺点：
　  优点：
　　1、可以根据索引直接访问，访问速度快
　  2、数据是安全的，由于数据类型一致性，在存储使用过程中不涉及
　　缺点：
　　1、由于数据是连续存储的，导致插入效率变慢
　   2、由于数组长度大小固定，那么对预期非固定长度的数字不好处理

　　练习实例代码：

    /// <summary>
    /// 数组练习操作
    /// </summary>
    public class ArrayTest
    {
        /// 数组 Array 对于大家来说一点都不陌生
        /// 数组是在内存连续分配的存储空间，这也导致数组有一下一些特点
        /// 1.数据存储是连续的
        /// 2.数组长度在定义时就必须制定
        /// 3.数组存储的数据类型都是同一类型
        /// 4.数组可以直接通过小标访问
        ///
        /// 优缺点：
        /// 优点：
        ///     1、可以根据索引直接访问，访问速度快
        ///     2、数据是安全的，由于数据类型一致性，在存储使用过程中不涉及到装箱拆箱操作
        /// 缺点：
        ///     1、由于数据是连续存储的，导致插入效率变慢
        ///     2、由于数组长度大小固定，那么对预期非固定长度的数字不好处理

        /// int类型的数组操作
        public static void IntArrayTest()
        {

            //// 定义一个秒表，执行获取执行时间
            Stopwatch st = new Stopwatch();//实例化类
            st.Start();//开始计时

            Console.WriteLine("开始初始化长度为10000000的int数组：");

            //// 定义一个数组
            int[] nums = new int[];
            for (int i = ; i < ; i++)
            {
                nums[i] =  + ;
            }

            //需要统计时间的代码段

            st.Stop();//终止计时
            Console.WriteLine(string.Format("初始化长度为10000的int数组完毕！总耗时{0}毫秒", st.ElapsedMilliseconds.ToString()));
        }
    }

三、ArrayList集合简介

ArrayList 是Array的升级版，能够解决Array的一些缺点
ArrayList其内部实现也是Array，只是其长度是可以动态，在其内部用一个变量记录控制长度，ArrayList有如下一些特点

• 1.长度不固定
• 2.可以存储不同的数据类型(object)
• 3.同样支持索引查询（可以直接通过小标访问）
• 4.灵活性更强，以牺牲性能为代价

优缺点：
优点：
1、长度不固定，在定义是不必担长度溢出
2、可以存储任意数据类型
3、可根据索引查询，查询效率快
缺点：
1、由于长度不固定，执行效率低下，因为超出默认长度（10）后，会自动扩容拷贝数据，牺牲性能
2、由于存储类型是object,所以在存数据时会有装箱操作，在取数据时会有拆箱操作，影响效率
3、线程不安全，因为其内部实现是用size、array来共同控制，在新增操作时是非原子操作，所以非安全线程

使用技巧：
在实际使用过程中，为了避免自动扩容，可以预估数据长度，初始化一个数据长度，从而提高效率

练习实例代码：

    /// <summary>
    /// ArrayList数组练习操作
    /// </summary>
    public class ArrayListTest
    {
        /// ArrayList 是Array的升级版，能够解决Array的一些缺点
        /// ArrayList其内部实现也是Array，只是其长度是可以动态，在其内部用一个变量记录控制长度，ArrayList有如下一些特点
        /// 1.长度不固定
        /// 2.可以存储不同的数据类型(object)
        /// 3.同样支持索引查询（可以直接通过小标访问）
        /// 4.灵活性更强，以牺牲性能为代价

        /// 优缺点：
        /// 优点：
        ///     1、长度不固定，在定义是不必担长度溢出
        ///     2、可以存储任意数据类型
        ///     3、可根据索引查询，查询效率快
        /// 缺点：
        ///     1、由于长度不固定，执行效率低下，因为超出默认长度（10）后，会自动扩容拷贝数据，牺牲性能
        ///     2、由于存储类型是object,所以在存数据时会有装箱操作，在取数据时会有拆箱操作，影响效率
        ///     3、线程不安全，因为其内部实现是用size、array来共同控制，在新增操作时是非原子操作，所以非安全线程
        ///
        /// 使用技巧：
        ///     在实际使用过程中，为了避免自动扩容，可以预估数据长度，初始化一个数据长度，从而提高效率

        /// ArrayList操作实例
        public static void ArrayListOpert()
        {

            //// 定义一个秒表，执行获取执行时间
            Stopwatch st = new Stopwatch();//实例化类

            //// 需要统计时间的代码段(统计初始化长度时的执行时间)
            st.Start();//开始计时
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("ArryList集合存储数据量为10000000，初始化一个长度，执行开始：");

            ArrayList arrayList = new ArrayList();

            //// 定义一个数组
            for (int i = ; i < ; i++)
            {
                arrayList.Add( + );
            }

            st.Stop();//终止计时
            Console.WriteLine(string.Format("ArryList集合存储数据量为10000000，初始化一个长度，执行完毕：！总耗时{0}毫秒", st.ElapsedMilliseconds.ToString()));

            //// 需要统计时间的代码段(统计初始化非指定长度时的执行时间)

            st.Restart();
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("ArryList集合存储数据量为10000000，初始化不指定长度，执行开始：");

            arrayList = new ArrayList();

            //// 定义一个数组
            for (int i = ; i < ; i++)
            {
                arrayList.Add( + );
            }

            st.Stop();//终止计时
            Console.WriteLine(string.Format("ArryList集合存储数据量为10000000，初始化不指定长度，执行完毕：！总耗时{0}毫秒", st.ElapsedMilliseconds.ToString()));
        }
    }

四、List集合简介

随着c#泛型的推出，为了避免ArrayList一些缺点，微软推出了List集合
List集合内部还是采用的Array实现，同时在定义时需要指定对应的数据类型
这样级保留了Array集合的优点，同时也避免了ArrayList集合的数据类型不安全和装箱带来的性能牺牲
List特点：

• 1、数据长度不固定，自动增加
• 2、存储相同的数据类型
• 3、可根据索引查询，查询效率快

优缺点：
优点：
1、长度不固定，在定义是不必担长度溢出
2、存储相同数据类型的数据，避免的数据的装箱拆箱，提高了数据处理效率
3、支持索引查询，查询效率快
缺点：
1、由于长度不固定，执行效率低下，因为超出默认长度（10）后，会自动扩容拷贝数据，牺牲性能
2、线程不安全，因为其内部实现是用size、array来共同控制，在新增操作时是非原子操作，所以非安全线程

练习实例代码：

   /// <summary>
    /// List练习操作
    /// </summary>
    public class ListTest
    {
        /// 随着c#泛型的推出，为了避免ArrayList一些缺点，微软推出了List集合
        /// List集合内部还是采用的Array实现，同时在定义时需要指定对应的数据类型
        /// 这样级保留了Array集合的优点，同时也避免了ArrayList集合的数据类型不安全和装箱带来的性能牺牲
        /// List特点：
        /// 1、数据长度不固定，自动增加
        /// 2、存储相同的数据类型
        /// 3、可根据索引查询，查询效率快
        ///
        /// 优缺点：
        /// 优点：
        ///     1、长度不固定，在定义是不必担长度溢出
        ///     2、存储相同数据类型的数据，避免的数据的装箱拆箱，提高了数据处理效率
        ///     3、支持索引查询，查询效率快
        /// 缺点：
        ///     1、由于长度不固定，执行效率低下，因为超出默认长度（10）后，会自动扩容拷贝数据，牺牲性能
        ///     2、线程不安全，因为其内部实现是用size、array来共同控制，在新增操作时是非原子操作，所以非安全线程

        /// ArrayList操作实例
        public static void ListOpert()
        {
            //// 定义一个秒表，执行获取执行时间
            Stopwatch st = new Stopwatch();//实例化类
            st.Start();//开始计时
                       //// 需要统计时间的代码段(统计初始化长度时的执行时间)
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("List集合存储数据量为10000000，初始化一个长度，执行开始：");

            List<int> list = new List<int>();

            //// 定义一个数组
            for (int i = ; i < ; i++)
            {
                list.Add( + );
            }

            //需要统计时间的代码段

            st.Stop();//终止计时
            Console.WriteLine(string.Format("List集合存储数据量为10000000，初始化一个长度，执行完毕：！总耗时{0}毫秒", st.ElapsedMilliseconds.ToString()));

            //// 需要统计时间的代码段(统计初始化非指定长度时的执行时间)
            st.Restart();
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("List集合存储数据量为10000000，初始化不指定长度，执行开始：");

            list = new List<int>();

            //// 定义一个数组
            for (int i = ; i < ; i++)
            {
                list.Add( + );
            }

            st.Stop();//终止计时
            Console.WriteLine(string.Format("List集合存储数据量为10000000，初始化不指定长度，执行完毕：！总耗时{0}毫秒", st.ElapsedMilliseconds.ToString()));
        }
    }

五、LinkedList集合简介

LinkedList链表的底层是采用双向链表的方式实现，
在链表（Linked List）中，每一个元素都指向下一个元素，以此来形成了一个链（chain）
可以从头部和尾部插入数据，在存储内存上采用非连续方式存储，链表有如下一些特点

• 1、内存存储上是非连续的
• 2、能够支持从头部和底部同时插入
• 3、长度是非固定的

优缺点：
优点：
1、由于非连续存储，中部插入和删除元素效率高
2、长度非固定，在创建时不用考虑其长度
3、可以冲头部和底部添加元素
4、数据类型是安全的，在创建时需要指定的数据类型
缺点：
1、由于非连续存储，不能通过小标访问，查询效率低

练习实例代码：

    /// <summary>
    /// LinkedList练习操作
    /// </summary>
    public class LinkedListTest {
        /// LinkedList链表的底层是采用双向链表的方式实现，
        /// 在链表（Linked List）中，每一个元素都指向下一个元素，以此来形成了一个链（chain）
        /// 可以从头部和尾部插入数据，在存储内存上采用非连续方式存储，链表有如下一些特点
        /// 1、内存存储上是非连续的
        /// 2、能够支持从头部和底部同时插入
        /// 3、长度是非固定的
        /// 优缺点：
        /// 优点：
        ///     1、由于非连续存储，中部插入和删除元素效率高
        ///     2、长度非固定，在创建时不用考虑其长度
        ///     3、可以冲头部和底部添加元素
        ///     4、数据类型是安全的，在创建时需要指定的数据类型
        ///  缺点：
        ///     1、由于非连续存储，不能通过小标访问，查询效率低

        /// LinkedList操作实例
        public static void LinkedListTestOpert() {
            //// 定义一个秒表，执行获取执行时间
            Stopwatch st = new Stopwatch();//实例化类
            st.Start();//开始计时
                       //// 需要统计时间的代码段(统计初始化长度时的执行时间)
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("Linked集合存储数据量为10000000，执行开始：");

            LinkedList<int> list = new LinkedList<int>();

            //// 定义一个数组
            for (int i = ; i < ; i++)
            {
                list.AddFirst( + );
            }

            //需要统计时间的代码段

            st.Stop();//终止计时
            Console.WriteLine(string.Format("Linked集合存储数据量为10000000，执行完毕：！总耗时{0}毫秒", st.ElapsedMilliseconds.ToString()));
        }
    }

六、每种集合数据执行结果对比分析

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //// array数组操作测试
            ArrayTest.IntArrayTest();

            //// arrayList集合操测试
            ArrayListTest.ArrayListOpert();

            //// List集合操作测试
            ListTest.ListOpert();

            //// LinkedList集合操作测试
            LinkedListTest.LinkedListTestOpert();

            ///// 通过测试数据
            //通过测试数据大概可以分析得出一些结论
            //1、整体效率上Array效率最高，ArrayList效率最低，List效率介于Array和ArrayList之间
            //2、ArrayList和List集合，在定义时如果知道数据长度，那么初始化时，指定长度的效率比不指定的长度效率高

            //总结：
            //在数据集合使用选择上给出以下一些建议：
            //1、Array：当元素的数量是固定的，并且需要使用下标时
            //2、ArrayList：当存储的元素类型不同时
            //3、List：当元素的数量是固定的，并且需要使用下标时
            //4、LinkedList：当元素需要能够在列表的两端添加时
            Console.ReadLine();
        }
    }

　　执行结果数据

通过测试数据大概可以分析得出一些结论
1、整体效率上Array效率最高，ArrayList效率最低，List效率介于Array和ArrayList之间
2、ArrayList和List集合，在定义时如果知道数据长度，那么初始化时，指定长度的效率比不指定的长度效率高

七、总结：

在数据集合使用选择上给出以下一些建议：
1、Array：当元素的数量是固定的，并且需要使用下标时
2、ArrayList：当存储的元素类型不同时，初始化时给一个预估的长度
3、List：当元素的数量是固定的，并且需要使用下标时，初始化时给一个预估的长度
4、LinkedList：当元素需要能够在列表的两端添加时

附件：

关于这一些练习的代码，上传到github，有兴趣的可以看一下：

https://github.com/xuyuanhong0902/dataStructureTest.git