本文收录于《控制工程自学指南》上位机篇，© 2025 SAJalon
前言
在C#编程中，集合是存储和操作数据的重要工具。本文将详细介绍C#中最常用的哈希集合和字典类型，通过简单易懂的例子帮助理解它们的使用方法和底层原理。
基础概念说明
什么是哈希（Hash）
哈希是一种将任意长度的数据转换为固定长度数值的算法。在集合中，哈希用于快速定位数据位置。
通俗理解：哈希就像是给每个东西分配一个唯一的"房间号码"，把复杂的东西转换成简单的数字编号，方便快速找到它。
想象一个图书管理员，图书馆里有100个房间（0-99号）。当有人给他一本书时，他需要决定把这本书放在哪个房间里。
哈希函数就像是他的"分配规则"：
-
书名是"西游记" → 用某种方法计算 → 房间号23
-
书名是"红楼梦" → 用同样方法计算 → 房间号67
这样，下次想找"西游记"时，直接去23号房间就能找到，不用在整个图书馆里找。
什么是字典（Dictionary）
字典是一种键值对（Key-Value Pair）集合，通过键可以快速查找对应的值。
通俗理解：字典就像现实中的电话簿或字典，通过一个名字（键）快速找到对应的内容（值）。键不可重复存在。
现实中的字典：
-
查"苹果" → 翻到拼音"píngguǒ" → 找到对应页码 → 看到解释
-
查"香蕉" → 翻到拼音"xiāngjiāo" → 找到对应页码 → 看到解释
编程中的字典：
-
Key（键）："苹果" → Value（值）："一种水果"
-
Key（键）："香蕉" → Value（值）："黄色的水果"
什么是哈希表（HashTable）
哈希表是实现字典的一种数据结构，通过哈希函数将键映射到数组索引上。键不可重复存在。
通俗理解：哈希表就是用哈希技术实现的取餐柜
-
存东西时，输入物品名称（比如"猪脚饭"）
-
系统自动计算出应该放在哪个格子（比如格子35）
-
系统告诉你："请放在35号格子"
-
下次要取时，输入"猪脚饭"，系统直接告诉你去35号格子拿
整个过程：
plaintext
输入"猪脚饭" → 哈希函数计算 → 得到数字35 → 存到35号位置
输入"猪脚饭" → 哈希函数计算 → 得到数字35 → 直接去35号位置取HashSet 哈希集合
概念说明
HashSet是一个不包含重复元素的集合，内部使用哈希表实现，查找、添加、删除操作的时间复杂度都是O(1)。
HashSet说是集合，但看起来使用方法更像List<T>数组。由于底层是通过哈希函数实现，所以便被称为集合。
基本使用示例
csharp
using System;
using System.Collections.Generic;
class Program
{
static void Main()
{
// 创建一个HashSet
HashSet<string> fruits = new HashSet<string>();
// 添加元素
fruits.Add("苹果");
fruits.Add("香蕉");
fruits.Add("橙子");
fruits.Add("苹果"); // 重复元素不会被添加
Console.WriteLine("水果集合中的元素数量：" + fruits.Count);
// 输出：水果集合中的元素数量：3
// 遍历集合并输出
Console.WriteLine("集合中的水果：");
foreach (string fruit in fruits)
{
Console.WriteLine(fruit);
}
// 输出：
// 集合中的水果：
// 苹果
// 香蕉
// 橙子
// 检查元素是否存在
bool hasApple = fruits.Contains("苹果");
Console.WriteLine("是否包含苹果：" + hasApple);
// 输出：是否包含苹果：True
// 移除元素
fruits.Remove("香蕉");
Console.WriteLine("移除香蕉后的集合：");
foreach (string fruit in fruits)
{
Console.WriteLine(fruit);
}
// 输出：
// 移除香蕉后的集合：
// 苹果
// 橙子
}
}HashSet底层原理图解
HashSet常用方法
csharp
using System;
using System.Collections.Generic;
class HashSetMethods
{
static void Main()
{
HashSet<int> set1 = new HashSet<int> { 1, 2, 3, 4, 5 };
HashSet<int> set2 = new HashSet<int> { 4, 5, 6, 7, 8 };
Console.WriteLine("=== HashSet常用方法演示 ===");
// UnionWith - 并集
HashSet<int> union = new HashSet<int>(set1);
union.UnionWith(set2);
Console.WriteLine("并集：" + string.Join(", ", union));
// 输出：并集：1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
// IntersectWith - 交集
HashSet<int> intersect = new HashSet<int>(set1);
intersect.IntersectWith(set2);
Console.WriteLine("交集：" + string.Join(", ", intersect));
// 输出：交集：4, 5
// ExceptWith - 差集
HashSet<int> except = new HashSet<int>(set1);
except.ExceptWith(set2);
Console.WriteLine("差集：" + string.Join(", ", except));
// 输出：差集：1, 2, 3
// SymmetricExceptWith - 对称差集
HashSet<int> symmetric = new HashSet<int>(set1);
symmetric.SymmetricExceptWith(set2);
Console.WriteLine("对称差集：" + string.Join(", ", symmetric));
// 输出：对称差集：1, 2, 3, 6, 7, 8
}
}Dictionary<TKey, TValue> 字典
概念说明
Dictionary<TKey, TValue>是C#中最常用的键值对集合 ，通过键可以快速获取对应的值。它基于哈希表（HashTable）实现（但在数据存储类型方面有不同） ，提供了高效的查找性能。不同的是，Dictionary中的键值对是泛型类型，仅支持存储其在定义（创建）时就规定好的键值对类型。而HashTable中的键值对是Object类型，这意味着可以灵活、随意存储各种各样不同种类键值对。显而易见，使用Dictionary更安全一些。
基本使用示例
csharp
using System;
using System.Collections.Generic;
class DictionaryBasics
{
static void Main()
{
// 创建字典
Dictionary<string, int> studentScores = new Dictionary<string, int>();
// 添加键值对
studentScores.Add("张三", 85);
studentScores.Add("李四", 92);
studentScores["王五"] = 78; // 另一种添加方式
studentScores["赵六"] = 96;
Console.WriteLine("学生人数：" + studentScores.Count);
// 输出：学生人数：4
// 通过键获取值
int zhangsanScore = studentScores["张三"];
Console.WriteLine("张三的成绩：" + zhangsanScore);
// 输出：张三的成绩：85
// 安全地获取值（避免KeyNotFoundException）
if (studentScores.TryGetValue("李四", out int lisiScore))
{
Console.WriteLine("李四的成绩：" + lisiScore);
// 输出：李四的成绩：92
}
// 遍历字典
Console.WriteLine("\n所有学生成绩：");
foreach (KeyValuePair<string, int> student in studentScores)
{
Console.WriteLine($"{student.Key}: {student.Value}分");
}
// 输出：
// 所有学生成绩：
// 张三: 85分
// 李四: 92分
// 王五: 78分
// 赵六: 96分
// 遍历键和值
Console.WriteLine("\n所有学生姓名：");
foreach (string name in studentScores.Keys)
{
Console.WriteLine(name);
}
Console.WriteLine("\n所有成绩：");
foreach (int score in studentScores.Values)
{
Console.WriteLine(score);
}
}
}Dictionary底层原理图解
Dictionary常用方法演示
csharp
using System;
using System.Collections.Generic;
class DictionaryMethods
{
static void Main()
{
Dictionary<string, string> capitals = new Dictionary<string, string>();
// 添加元素
capitals["中国"] = "北京";
capitals["美国"] = "华盛顿";
capitals["日本"] = "东京";
capitals["法国"] = "巴黎";
Console.WriteLine("=== Dictionary方法演示 ===\n");
// ContainsKey - 检查是否包含指定键
bool hasChina = capitals.ContainsKey("中国");
Console.WriteLine("是否包含'中国'键：" + hasChina);
// 输出：是否包含'中国'键：True
// ContainsValue - 检查是否包含指定值
bool hasTokyo = capitals.ContainsValue("东京");
Console.WriteLine("是否包含'东京'值：" + hasTokyo);
// 输出：是否包含'东京'值：True
// Remove - 移除指定键的元素
bool removed = capitals.Remove("日本");
Console.WriteLine("移除日本：" + (removed ? "成功" : "失败"));
// 输出：移除日本：成功
// Clear - 清空所有元素
Console.WriteLine("清空前元素数量：" + capitals.Count);
// 输出：清空前元素数量：4
capitals.Clear();
Console.WriteLine("清空后元素数量：" + capitals.Count);
// 输出：清空后元素数量：0
}
}HashTable 哈希表
概念说明
HashTable是.NET Framework早期版本中的"哈希表直接实现键值对方式"（现在不常用，但老代码中会遇到，现在常用的是Dictionary），性能相对较低。HashTable存储的是object类型的键值对，这意味着需要进行装箱和拆箱（类型转换）操作。
HashTable与Dictionary的区别
| 特性 | HashTable | Dictionary |
|---|---|---|
| 泛型支持 | 不支持 | 支持 |
| 性能 | 较低（装箱/拆箱） | 较高 |
| 类型安全 | 运行时检查 | 编译时检查 |
| .NET版本 | 1.0+ | 2.0+ |
HashTable基本使用示例
csharp
using System;
using System.Collections;
class HashTableBasics
{
static void Main()
{
// 创建HashTable
Hashtable employeeInfo = new Hashtable();
// 添加键值对（键和值都是object类型）
employeeInfo["001"] = "张三";
employeeInfo["002"] = "李四";
employeeInfo[3] = "王五"; // 键可以是不同类型
employeeInfo["004"] = 25; // 值也可以是不同类型
Console.WriteLine("员工数量：" + employeeInfo.Count);
// 输出：员工数量：4
// 通过键获取值
string name = (string)employeeInfo["001"]; // 需要类型转换
Console.WriteLine("员工001的姓名：" + name);
// 输出：员工001的姓名：张三
// 安全地获取值
if (employeeInfo.ContainsKey("002"))
{
string empName = (string)employeeInfo["002"];
Console.WriteLine("员工002的姓名：" + empName);
// 输出：员工002的姓名：李四
}
// 遍历HashTable
Console.WriteLine("\n所有员工信息：");
foreach (DictionaryEntry entry in employeeInfo)
{
Console.WriteLine($"键：{entry.Key}, 值：{entry.Value}");
}
// 输出：
// 所有员工信息：
// 键：001, 值：张三
// 键：002, 值：李四
// 键：3, 值：王五
// 键：004, 值：25
// 移除元素
employeeInfo.Remove("001");
Console.WriteLine("\n移除员工001后的信息：");
foreach (DictionaryEntry entry in employeeInfo)
{
Console.WriteLine($"键：{entry.Key}, 值：{entry.Value}");
}
}
}集合实现的底层原理：哈希冲突处理机制
什么是哈希冲突？------当不同的键值产生相同的哈希码时，就发生了哈希冲突。
为什么会发生哈希冲突？------由于哈希算法计算出的结果是有限度的，而键的取值范畴可能是无限的，所以哈希冲突是不可避免的。
为什么需要哈希冲突解决机制？------如果没有冲突解决方法，当发生哈希冲突时，新的元素会覆盖已存在的元素，导致数据丢失。因此需要有效的机制来处理这种情况。
继续图书馆的例子：
-
"西游记"按照规则应该放在23号房间
-
假设"三国演义"按照同样的规则也算出来是23号房间
这就尴尬了！两个不同的书要放在同一个房间，这就是哈希冲突。
解决办法：
-
链式处理：23号房间变成一个"小书架"，可以放多本书
-
重新找房间：如果23号满了，就找24号、25号...直到找到空房间
开放寻址法示意图
开放寻址法是一种解决哈希冲突的方法，当发生冲突时，它会在哈希表中寻找下一个可用的位置来存储元素。所有的元素都存储在哈希表的数组中，没有使用额外的数据结构。
链式哈希法示意图
链式哈希法的基本思想是：为哈希表的每个位置维护一个链表（或其他数据结构），当发生冲突时，将冲突的元素存储在对应位置的链表中。
性能对比分析
时间复杂度对比表
| 操作 | List | HashSet | Dictionary<K,V> | HashTable |
|---|---|---|---|---|
| 查找 | O(n) | O(1) | O(1) | O(1) |
| 插入 | O(1) | O(1) | O(1) | O(1) |
| 删除 | O(n) | O(1) | O(1) | O(1) |
最佳实践建议
1. 选择合适的集合类型
csharp
// 场景1：只需要存储唯一值，且对性能有要求，还不需要键值对
HashSet<string> uniqueNames = new HashSet<string>();
// 场景2：需要通过键快速查找值
Dictionary<string, int> nameToAge = new Dictionary<string, int>();2. 避免KeyNotFoundException
csharp
Dictionary<string, int> scores = new Dictionary<string, int>();
scores["张三"] = 85;
// 推荐方式：使用TryGetValue
if (scores.TryGetValue("李四", out int score))
{
Console.WriteLine($"李四的成绩：{score}");
}
else
{
Console.WriteLine("未找到李四的成绩");
}
// 不推荐方式：直接访问可能不存在的键
// int score = scores["李四"]; // 会抛出异常3. 合理预估容量
csharp
// 如果知道大概需要存储的元素数量，可以预先指定容量
// 避免频繁扩容带来的性能开销
HashSet<int> numbers = new HashSet<int>(1000); // 预分配1000个元素的空间
Dictionary<string, int> mapping = new Dictionary<string, int>(500); // 预分配空间总结
-
HashSet用于存储唯一元素，基于哈希表实现，查找效率高
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Dictionary<TKey, TValue> 键值对集合（基于哈希表但有不同），通过键快速查找值
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HashTable：早期的键值对（哈希表直接实现），性能较低
-
底层原理：哈希函数、哈希冲突处理机制
-
实际应用：如何在项目中合理使用这些集合类型
-
现代开发：优先使用
Dictionary<TKey, TValue>和HashSet<T> -
多线程环境：考虑使用
ConcurrentDictionary<TKey, TValue>（后面会讲到） -
上古代码：可能会遇到
HashTable，需要了解其特性和限制 -
性能要求高：
Dictionary>HashTable
-
选择合适的集合类型对程序性能至关重要。在需要快速查找、插入、删除操作时，优先考虑HashSet和Dictionary。