Коллекции в языке С#

Занятие №64

Понятие коллекции. Классы, возможности, правила работы, встроенные методы

Коллекции предоставляют гибкий способ работы с группами объектов. В отличие от массивов, коллекция, с которой вы работаете, может расти или уменьшаться динамически при необходимости. Некоторые коллекции допускают назначение ключа любому объекту, который добавляется в коллекцию, чтобы в дальнейшем можно было быстро извлечь связанный с ключом объект из коллекции.

Коллекция является классом, поэтому необходимо объявить экземпляр класса перед добавлением в коллекцию элементов.

Большая часть классов коллекций содержится в пространствах имен  System.Collections  (простые необобщенные_классы_коллекций),  System.Collections.Generic  (обобщенные или типизированные классы коллекций) и System.Collections.Specialized

(специальные классы коллекций).

Также для обеспечения параллельного выполнения задач и многопоточного доступа применяются классы коллекций из пространства имен  System.Collections.Concurrent .

Коллекции общего   назначения  определены в пространстве имен  System.Collection  и реализуют такие структуры данных, как стеки, очереди, динамические массивы, словари (хеш-таблицы, предназначенные для хранения пар ключ/значение), отсортированный список для хранения пар ключ/значение.

Коллекции общего назначения работают с данными типа object , поэтому их можно использовать для хранения данных любого типа.

Коллекции специального назначения  определены в пространстве имен  System.Collection.Specialized  и ориентированы на обработку данных конкретного типа или на обработку данных уникальным способом. Например, существуют специализированные коллекции, предназначенные только для обработки строк.

В пространстве имен  System.Collection  определена единственная коллекция, ориентированная на побитовую организацию данных, которая служит для хранения групп битов и поддерживает такой набор операций, который не характерен для коллекций других типов.

Коллекции общего назначения

Классы коллекций общего назначения:

Список List

Класс List из пространства имен System.Collections.Generic представляет простейший список однотипных объектов. Список называется  однонаправленным , если каждый элемент списка содержит ссылку на следующий элемент. Среди его методов можно выделить следующие:

• void Add(T item): добавление нового элемента в список
• void AddRange(ICollection collection): добавление в список коллекции или массива
• int BinarySearch(T item): бинарный поиск элемента в списке. Если элемент найден, то метод возвращает индекс этого элемента в коллекции. При этом список должен быть отсортирован.
• int IndexOf(T item): возвращает индекс первого вхождения элемента в списке
• void Insert(int index, T item): вставляет элемент item в списке на позицию index
• bool Remove(T item): удаляет элемент item из списка, и если удаление прошло успешно, то возвращает true

Реализация списка на примере:

using System;

using System.Collections.Generic;

namespace Collections

{

     class Program

     {

         static void Main(string[] args)

         {

             List numbers = new List() { 1, 2, 3, 45 };

             numbers.Add(6); // добавление элемента

             numbers.AddRange(new int[] { 7, 8, 9 });

             numbers.Insert(0, 666); // вставляем на первое место // в списке число 666

             numbers.RemoveAt(1); //  удаляем второй элемент

foreach (int i in numbers)

             {

                 Console.WriteLine(i);

             }

             List people = new List(3);

             people.Add(new Person() { Name = " Том " });

             people.Add(new Person() { Name = " Билл " });

             foreach (Person p in people)

             {

                 Console.WriteLine(p.Name);

             }

             Console.ReadLine();

         }

     }

     class Person

     {

         public string Name { get; set; }

     }

}

В примере создаются два списка: один для объектов типа int, а другой - для объектов Person. В первом случае мы выполняем начальную инициализацию списка: List numbers = new List() { 1, 2, 3, 45 };

Во втором случае мы используем другой конструктор, в который передаем начальную емкость списка: List people = new List(3);. Указание начальной емкости списка (capacity) позволяет в будущем увеличить производительность и уменьшить издержки на выделение памяти при добавлении элементов. Также начальную емкость можно установить с помощью свойства Capacity, которое имеется у класса List.

Двухсвязный список LinkedList

Класс  LinkedList  представляет двухсвязный список, в котором каждый элемент хранит ссылку одновременно на следующий и на предыдущий элемент.

Если в простом списке List каждый элемент представляет объект типа T, то в LinkedList каждый узел представляет объект класса LinkedListNode. Этот класс имеет следующие свойства:

Value: само значение узла, представленное типом T

Next: ссылка на следующий элемент типа LinkedListNode в списке. Если следующий элемент отсутствует, то имеет значение null

Previous: ссылка на предыдущий элемент типа LinkedListNode в списке. Если предыдущий элемент отсутствует, то имеет значение null.

Используя методы класса LinkedList, можно обращаться к различным элементам, как в конце, так и в начале списка:

• AddAfter(LinkedListNode node, LinkedListNode newNode ) : вставляет узел newNode в список после узла node.
• AddAfter(LinkedListNode node, T value) : вставляет в список новый узел со значением value после узла node.
• AddBefore(LinkedListNode node, LinkedListNode newNode) : вставляет в список узел newNode перед узлом node.
• AddBefore(LinkedListNode node, T value) : вставляет в список новый узел со значением value перед узлом node.
• AddFirst(LinkedListNode node) : вставляет новый узел в начало списка
• AddFirst(T value) : вставляет новый узел со значением value в начало списка
• AddLast(LinkedListNode node) : вставляет новый узел в конец списка
• AddLast(T value) : вставляет новый узел со значением value в конец списка
• RemoveFirst() : удаляет первый узел из списка. После этого новым первым узлом становится узел, следующий за удаленным
• RemoveLast() : удаляет последний узел из списк

Пример:

using System;

using System.Collections.Generic;

namespace Collections

{

     class Program

     {

         static void Main(string[] args)

         {

             LinkedList numbers = new LinkedList();

numbers.AddLast(1); // вставляем узел со значением 1 на

//последнее место

             // так как в списке нет узлов, то последнее будет также и первым

             numbers.AddFirst(2); // вставляем узел со значением 2 на

// первое место

             numbers.AddAfter(numbers.Last, 3); // вставляем после последнего

// узла новый узел со значением 3

             // теперь у нас список имеет следующую последовательность:

//2, 1, 3

foreach (int i in numbers)

             {

                 Console.WriteLine(i);

             }

             LinkedList persons =

new LinkedList(); 

             // добавляем person в список и получим объект LinkedListNode,

// в котором хранится имя Tom

             LinkedListNode tom = persons.AddLast(new Person() { Name = "Tom" });

             persons.AddLast(new Person() { Name = "John" });

             persons.AddFirst(new Person() { Name = "Bill" });

Console.WriteLine(tom.Previous.Value.Name);

// получаем узел перед Том и его значение

Console.WriteLine(tom.Next.Value.Name); // получаем узел // после тома и его значение

             Console.ReadLine();

         }

     }

     class Person

     {

         public string Name { get; set; }

     }

}

Здесь создаются и используются два списка: для чисел и для объектов класса Person. Методы вставки (AddLast, AddFirst) при добавлении в список возвращают ссылку на добавленный элемент LinkedListNode (в нашем случае LinkedListNode). Затем управляя свойствами  Previous  и  Next , можно получить ссылки на предыдущий и следующий узлы в списке.

Очередь Queue

Класс  Queue  представляет обычную очередь, работающую по алгоритму FIFO ("первый вошел - первый вышел").

У класса Queue можно отметить следующие методы:

• Dequeue: извлекает и возвращает первый элемент очереди.
• Enqueue: добавляет элемент в конец очереди.
• Peek: просто возвращает первый элемент из начала очереди без его удаления.

Пример:

using System;

using System.Collections.Generic;

namespace Collections

{

     class Program

     {

         static void Main(string[] args)

{

             Queue numbers = new Queue();

             numbers.Enqueue(3); // очередь 3

             numbers.Enqueue(5); // очередь 3, 5

             numbers.Enqueue(8); // очередь 3, 5, 8

             // получаем первый элемент очереди

             int queueElement = numbers.Dequeue();

// теперь очередь 5, 8

             Console.WriteLine(queueElement);

             Queue persons = new Queue();

             persons.Enqueue(new Person() { Name = "Tom" });

             persons.Enqueue(new Person() { Name = "Bill" });

             persons.Enqueue(new Person() { Name = "John" });

// получаем первый элемент без его извлечения

              Person pp = persons.Peek();

             Console.WriteLine(pp.Name);

Console.WriteLine(" Сейчас в очереди {0} человек ",

• Console.WriteLine(" Сейчас в очереди {0} человек ",

persons.Count);

• persons.Count);

              // теперь в очереди Tom, Bill, John

             foreach (Person p in persons)

             {

                 Console.WriteLine(p.Name);

             }

             // Извлекаем первый элемент в очереди - Tom

              Person person = persons.Dequeue();

// теперь в очереди Bill, John

             Console.WriteLine(person.Name);

             Console.ReadLine();

         }

     }

     class Person

     {

         public string Name { get; set; }

     }

}

Коллекция Stack

Класс  Stack  представляет коллекцию, которая использует алгоритм LIFO ("последний вошел - первый вышел"). При такой организации каждый следующий добавленный элемент помещается поверх предыдущего. Извлечение из коллекции происходит в обратном порядке - извлекается тот элемент, который находится выше всех в стеке.

В классе Stack можно выделить два основных метода, которые позволяют управлять элементами:

• Push : добавляет элемент в стек на первое место
• Pop : извлекает и возвращает первый элемент из стека
• Peek : просто возвращает первый элемент из стека без его удаления

Пример:

using System;

using System.Collections.Generic; 

namespace Collections

{

     class Program

     {

         static void Main(string[] args)

         {

             Stack numbers = new Stack();

             numbers.Push(3); // в стеке 3

          numbers.Push(5); // в стеке 5, 3

           numbers.Push(8); // в стеке 8, 5, 3

// так как вверху стека будет находиться число 8, то оно и

// извлекается

int stackElement = numbers.Pop(); // в стеке 5, 3

             Console.WriteLine(stackElement);

             Stack persons = new Stack();

             persons.Push(new Person() { Name = "Tom" });

             persons.Push(new Person() { Name = "Bill" });

             persons.Push(new Person() { Name = "John" });

foreach (Person p in persons)

          {

                 Console.WriteLine(p.Name);

           }

          // Первый элемент в стеке

         Person person = persons.Pop(); // теперь в стеке Bill, Tom

             Console.WriteLine(person.Name);

             Console.ReadLine();

         }

     }

     class Person

     {

         public string Name { get; set; }

     }

}

Работу стека можно представить следующей иллюстрацией:

Коллекция Dictionary

Еще один распространенный тип коллекции - это словари. Словарь хранит объекты, которые представляют пару ключ-значение. Каждый такой объект является объектом структуры  KeyValuePair . Благодаря свойствам Key и Value, которые есть у данной структуры, мы можем получить ключ и значение элемента в словаре.

Пример:

Dictionary countries = new Dictionary(5);

countries.Add(1, "Russia");

countries.Add(3, "Great Britain");

countries.Add(2, "USA");

countries.Add(4, "France");

countries.Add(5, "China");          

foreach (KeyValuePair keyValue in countries)

{

     Console.WriteLine(keyValue.Key + " - " + keyValue.Value);

}

// получение элемента по ключу

string country = countries[4];

// изменение объекта

countries[4] = "Spain";

// удаление по ключу

countries.Remove(2);

Класс словарей предоставляет методы Add и Remove для добавления и удаления элементов. В метод Add передаются два параметра: ключ и значение. А метод Remove удаляет не по индексу, а по ключу.

В примере ключами является объекты типа int, а значениями - объекты типа string, то словарь в нашем случае будет хранить объекты KeyValuePair. В цикле foreach  их можно получить и извлечь из них ключ и значение.

Кроме того, можно получить отдельно коллекции ключей и значений словаря:

Dictionary people = new Dictionary();

people.Add('b', new Person() { Name = "Bill" });

people.Add('t', new Person() { Name = "Tom" });

people.Add('j', new Person() { Name = "John" });

foreach (KeyValuePair keyValue in people)

{

     // keyValue.Value представляет класс Person

     Console.WriteLine(keyValue.Key + " - " + keyValue.Value.Name);

}

// перебор ключей

foreach (char c in people.Keys)

{

     Console.WriteLine(c);

}

// перебор по значениям

foreach (Person p in people.Values)

{

     Console.WriteLine(p.Name);

}

Здесь в качестве ключей выступают объекты типа char, а значениями - объекты Person. Используя свойство Keys, мы можем получить ключи словаря, а свойство Values соответственно хранит все значения в словаре.

Для добавления можно использовать сокращенный вариант:

(); people.Add('b', new Person() { Name = "Bill" }); people['a'] = new Person() { Name = "Alice" }; Изначально в словаре нет ключа 'a' и соответствующего ему элемента, то он все равно будет установлен. Если же он есть, то элемент по ключу 'a' будет заменен на новый объект  new Person() { Name = "Alice" } Инициализация словарей В C# до версии 5.0 включительно можно было инициализировать словари следующим образом: Dictionary countries = new Dictionary {      {"Франция", "Париж"}, " width="640"

Dictionary people = new Dictionary

Person();

people.Add('b', new Person() { Name = "Bill" });

people['a'] = new Person() { Name = "Alice" };

Изначально в словаре нет ключа 'a' и соответствующего ему элемента, то он все равно будет установлен. Если же он есть, то элемент по ключу 'a' будет заменен на новый объект  new Person() { Name = "Alice" }

Инициализация словарей

В C# до версии 5.0 включительно можно было инициализировать словари следующим образом:

Dictionary countries = new Dictionary

{

     {"Франция", "Париж"},

     {"Германия", "Берлин"},

     {"Великобритания", "Лондон"}

}; 

foreach(var pair in countries)

     Console.WriteLine("{0} - {1}", pair.Key, pair.Value);

Начиная с C# версии 6.0 доступен еще один способ инициализации:

     Dictionary countries = new Dictionary

{

     ["Франция"]= "Париж",

     ["Германия"]= "Берлин",

     ["Великобритания"]= "Лондон"

};            

Класс ObservableCollection

Кроме стандартных классов коллекций типа списков, очередей, словарей, стеков .NET также предоставляет специальный класс ObservableCollection . Он по функциональности похож на список List за тем исключением, что позволяет известить внешние объекты о том, что коллекция была изменена.

Класс ObservableCollection находится в пространстве имен  System.Collections.ObjectModel , кроме того понадобятся ряд объектов из пространства  System.Collections.Specialized , поэтому в начале подключаются эти пространства имен.

Класс ObservableCollection определяет событие  CollectionChanged , подписавшись на которое, можно обработать любые изменения коллекции.

В обработчике события  Users_CollectionChanged  для получения всей информации о событии используется объект  NotifyCollectionChangedEventArgs e . Его свойство  Action  позволяет узнать характер изменений. Оно хранит одно из значений из перечисления  NotifyCollectionChangedAction .

Свойства  NewItems  и  OldItems  позволяют получить соответственно добавленные и удаленные объекты. Таким образом, можно получить полный контроль над обработкой добавления, удаления и замены объектов в коллекции.

using System;

using System.Collections.ObjectModel;

using System.Collections.Specialized;

namespace HelloApp

{

     class Program

     {

         static void Main(string[] args)

         {

             ObservableCollection users = new ObservableCollection

             {

                 new User { Name = "Bill"},

                 new User { Name = "Tom"},

                 new User { Name = "Alice"}

             };

users.CollectionChanged += Users_CollectionChanged;

             users.Add(new User { Name = "Bob" });

             users.RemoveAt(1);

             users[0] = new User{ Name = "Anders" };

             foreach(User user in users)

             {

                 Console.WriteLine(user.Name);

             } 

             Console.Read();

         }

         private static void Users_CollectionChanged(object sender,

NotifyCollectionChangedEventArgs e)

         {

             switch(e.Action)

             {

                 case NotifyCollectionChangedAction.Add :

// если добавление

                    User newUser = e.NewItems[0] as User;

Console.WriteLine($" Добавлен новый объект : {newUser.Name}");

                     break;

                 case NotifyCollectionChangedAction.Remove:

// если удаление

                      User oldUser = e.OldItems[0] as User;

                     Console.WriteLine($" Удален объект : {oldUser.Name}");

                     break;

                 case NotifyCollectionChangedAction.Replace: // если замена

                     User replacedUser = e.OldItems[0] as User;

                     User replacingUser = e.NewItems[0] as User;

                     Console.WriteLine($" Объект {replacedUser.Name} заменен объектом {replacingUser.Name}");

                     break;

             }

         }

     }

     class User

     {

         public string Name { get; set; }

     }

}

ArrayList

Класс  ArrayList   представляет коллекцию объектов. Если надо сохранить вместе разнотипные объекты - строки, числа и т.д., то данный класс для этого подходит.

using System;

using System.Collections;

namespace Collections

{

     class Program

     {

         static void Main(string[] args)

         {

             ArrayList list = new ArrayList();

             list.Add(2.3); // заносим в список объект типа double

             list.Add(55); // заносим в список объект типа int

      list.AddRange(new string[] { "Hello", "world" });

// заносим в список строковый массив

// перебор значений

foreach (object o in list)

             {

                 Console.WriteLine(o);

             }

             // удаляем первый элемент

             list.RemoveAt(0);

             // переворачиваем список

             list.Reverse();

             // получение элемента по индексу

             Console.WriteLine(list[0]);

             // перебор значений

              for (int i = 0; i

             {

                 Console.WriteLine(list[i]);

             }

             Console.ReadLine();

         }

     }

}

Класс ArrayList находится в пространстве имен System.Collections, поэтому подключаем его (using System.Collections;).

Создаем объект коллекции через конструктор как объект любого другого класса:  ArrayList list = new ArrayList();. При необходимости можно выполнить начальную инициализацию коллекции, например,  ArrayList list = new ArrayList(){1, 2, 5, "string", 7.7};

Далее последовательно добавляем разные значения. Данный класс коллекции, как и большинство других коллекций, имеет два способа добавления: одиночного объекта через метод  Add  и набора объектов, например, массива или другой коллекции через метод  AddRange.

Через цикл foreach мы можем пройтись по всем объектам списка. И поскольку данная коллекция хранит разнородные объекты, а не только числа или строки, то в качестве типа перебираемых объектов выбран тип object: foreach (object o in list)

Многие коллекции, в том числе и ArrayList , реализуют удаление с помощью методов Remove/RemoveAt . В данном случае мы удаляем первый элемент, передавая в метод RemoveAt индекс удаляемого элемента.

В завершении мы опять же выводим элементы коллекции на экран только уже через цикл for. В данном случае с перебором коллекций дело обстоит также, как и с массивами. А число элементов коллекции мы можем получить через свойство  Count

С помощью индексатора мы можем получить по индексу элемент коллекции так же, как и в массивах:  object firstObj = list[0];