C#中常见集合都有哪些?

文章目录

为什么需要集合
核心操作
- **底层数据结构**
**主要命名空间**
[**C# 集合的分类**](# 集合的分类**)
- **按泛型支持分类**
- - [**非泛型集合 (Non-Generic Collections)**](#非泛型集合 (Non-Generic Collections))
  - [**泛型集合 (Generic Collections)**](#泛型集合 (Generic Collections))
- **按可变性分类**
- - [**可变集合 (Mutable Collections)**](#可变集合 (Mutable Collections))
  - [**不可变集合 (Immutable Collections)**](#不可变集合 (Immutable Collections))
- **按线程安全性分类**
- - [**非线程安全集合 (Non-Thread-Safe Collections)**](#非线程安全集合 (Non-Thread-Safe Collections))
  - [**线程安全集合 (Thread-Safe Collections)**](#线程安全集合 (Thread-Safe Collections))
- **按访问方式和结构分类**
- - [**索引集合 (Indexed Collections)**](#索引集合 (Indexed Collections))
  - [**键控集合 (Keyed/Associative Collections)**](#键控集合 (Keyed/Associative Collections))
  - [**集合/集 (Set-Based Collections)**](#集合/集 (Set-Based Collections))
  - [**顺序访问集合 (Sequential Access - FIFO/LIFO)**](#顺序访问集合 (Sequential Access - FIFO/LIFO))
- **按接口实现分类**
常见集合
- - [**ArrayList (System.Collections)**](#ArrayList (System.Collections))
  - [**Hashtable (System.Collections)**](#Hashtable (System.Collections))
  - [**List<T> (System.Collections.Generic)**](#List<T> (System.Collections.Generic))
  - [**Dictionary<TKey, TValue> (System.Collections.Generic)**](#Dictionary<TKey, TValue> (System.Collections.Generic))
  - [**HashSet<T> (System.Collections.Generic)**](#HashSet<T> (System.Collections.Generic))

集合的概念

在 C#（以及许多其他编程语言）中，集合是一个用来存储和管理一组其他对象（称为元素或项）的容器对象。
简单来说，当你需要处理多个相关的数据项时，将它们放入一个集合中通常比为每个项创建单独的变量更方便、更有效。想象一下你需要存储一个班级所有学生的名字，或者一个购物车里所有商品的列表，使用集合就非常合适。

为什么需要集合

数据分组: 将逻辑上相关的项组织在一起。
动态大小: 大多数集合类型的大小不是固定的（与数组 T[] 不同），它们可以根据需要动态地增加或减少容量来容纳更多或更少的元素。
高效操作: 集合提供了优化过的方法来执行常见操作，如添加 (Add)、移除 (Remove)、查找 (Find/Contains)、排序 (Sort) 等。其效率取决于集合的具体类型及其底层数据结构。
统一管理: 通过集合对象统一管理一组数据，简化代码逻辑。
迭代: 提供标准的机制（如 foreach 循环）来遍历集合中的所有元素。

核心操作

大多数集合都支持一些基本操作，例如：

添加元素
删除元素
查找元素是否存在
获取集合中元素的数量
清空集合
遍历（迭代）集合中的元素

底层数据结构

C# 中的集合类是常见数据结构（如动态数组、链表、哈希表、树等）的具体实现。选择哪种集合类型通常取决于你对性能（特定操作的速度）、内存使用、元素顺序、元素唯一性等方面的要求。

主要命名空间

C# 集合相关的类主要分布在以下几个命名空间：

System.Collections: 包含非泛型集合类（通常已不推荐在新代码中使用）。
System.Collections.Generic: 包含泛型集合类（推荐使用，提供类型安全和性能优势）。
System.Collections.ObjectModel: 包含一些用于创建自定义集合或提供特定功能（如 ObservableCollection<T>）的基类和集合。
System.Collections.Concurrent: 包含设计用于多线程环境的线程安全集合类。
System.Collections.Immutable: 包含不可变集合类，其内容在创建后无法更改。

C# 集合的分类

C# 中的集合可以从多个维度进行分类，理解这些分类有助于选择最适合特定场景的集合类型。

按泛型支持分类

这是最基本也是最重要的分类。

非泛型集合 (Non-Generic Collections)

命名空间: System.Collections

**特点:**可以存储任意类型的对象 (System.Object)。
类型不安全：在添加元素时，所有类型都被视为 object；在检索元素时，通常需要进行显式类型转换（拆箱/Casting），如果在运行时类型不匹配，会抛出 InvalidCastException。
性能开销：当存储值类型（如 int, struct）时，会发生装箱（Boxing，将值类型转换为对象类型）和拆箱（Unboxing，将对象类型转换回值类型）操作，这会带来额外的内存分配和 CPU 开销。
代表: ArrayList, Hashtable, Queue, Stack, SortedList.
现状: 在现代 C# 开发中已不推荐使用，主要用于维护旧代码或与不支持泛型的旧 API 交互。

泛型集合 (Generic Collections)

命名空间: System.Collections.Generic (及其他如 Concurrent, Immutable 等)

**特点:**在创建集合时需要指定存储元素的具体类型（例如 List<string> 表示只能存储字符串的列表）。
类型安全：编译器在编译时就会检查类型，防止将错误类型的对象添加到集合中，避免了运行时的类型转换错误。
性能更好：对于值类型，避免了装箱和拆箱操作，性能通常优于对应的非泛型集合。
代表: List<T>, Dictionary<TKey, TValue>, HashSet<T>, Queue<T>, Stack<T>, SortedList<TKey, TValue>, SortedDictionary<TKey, TValue>, LinkedList<T> 等。
现状:强烈推荐在所有新代码中使用泛型集合。

按可变性分类

可变集合 (Mutable Collections)

特点: 集合在创建后，其内容（元素）可以被修改，如添加、删除、更新。这是绝大多数标准集合的默认行为。
例子: List<T>, Dictionary<TKey, TValue>, HashSet<T>, ArrayList, ObservableCollection<T> 等。

不可变集合 (Immutable Collections)

命名空间: System.Collections.Immutable

特点: 一旦创建，集合实例的内容就不能更改。任何尝试"修改"的操作（如 Add, Remove）都会返回一个包含更改后的新集合实例，原始实例保持不变。
优点: 线程安全（多线程读取安全），易于推理（状态不会意外改变），适合函数式编程。
例子: ImmutableList<T>, ImmutableDictionary<TKey, TValue>, ImmutableHashSet<T>.

按线程安全性分类

非线程安全集合 (Non-Thread-Safe Collections)

特点: 设计用于单线程环境。在没有外部同步机制（如 lock）的情况下，从多个线程并发访问（特别是写入操作）是不安全的，可能导致数据竞争、状态不一致或异常。
例子: List<T>, Dictionary<TKey, TValue>, HashSet<T>, ArrayList, Hashtable, Queue<T>, Stack<T> 等标准集合。

线程安全集合 (Thread-Safe Collections)

特点: 设计用于在多线程环境中安全地进行并发访问。
主要来源: System.Collections.Concurrent: 提供高效的线程安全集合实现。
例子: ConcurrentDictionary<TKey, TValue>, ConcurrentQueue<T>, ConcurrentStack<T>, ConcurrentBag<T>, BlockingCollection<T>.
同步包装器 (Legacy): 如 ArrayList.Synchronized()，为非线程安全集合提供一个简单的锁包装，性能通常不如 Concurrent 集合。
不可变集合: 因其不可变性，在多线程读取时是天然安全的。

按访问方式和结构分类

索引集合 (Indexed Collections)

特点: 主要通过整数索引访问元素，通常保持元素顺序。
例子: T[] (数组), List<T>, ArrayList, ObservableCollection<T>.

键控集合 (Keyed/Associative Collections)

特点: 通过唯一的键来快速查找、添加、删除关联的值。
例子: Dictionary<TKey, TValue>, Hashtable, ConcurrentDictionary<TKey, TValue>, SortedDictionary<TKey, TValue> (按键排序), SortedList<TKey, TValue> (按键排序)。

集合/集 (Set-Based Collections)

特点: 存储唯一的元素，主要用于快速检查成员是否存在 (Contains) 和执行集合运算（并集、交集、差集等）。
例子: HashSet<T>, SortedSet<T> (元素按顺序存储)。

顺序访问集合 (Sequential Access - FIFO/LIFO)

特点: 元素的访问遵循特定顺序规则。
FIFO (先进先出): Queue<T>, ConcurrentQueue<T>.
LIFO (后进先出): Stack<T>, ConcurrentStack<T>.

按接口实现分类

集合类通常实现一个或多个接口，这些接口定义了它们的核心能力。了解这些接口有助于理解集合的功能契约：

IEnumerable/IEnumerable<T>: 支持使用 foreach 循环进行迭代。几乎所有集合都实现此接口。
ICollection/ICollection<T>: 提供基本的集合操作，如 Count, Add, Remove, Contains, CopyTo。
IList/IList<T>: 支持通过索引访问元素，以及在特定位置插入和删除元素。
IDictionary/IDictionary<TKey, TValue>: 支持通过键访问值，管理键值对。
ISet<T>: 定义数学集合的操作，如并集、交集等。
IReadOnlyCollection<T>, IReadOnlyList<T>, IReadOnlyDictionary<TKey, TValue> 等: 提供对集合内容的只读访问视图。

常见集合

好的，我们来详细解析一下 C# 中 ArrayList、HashSet<T>、Hashtable、List<T> 和 Dictionary<TKey, TValue> 这几个常用集合类的区别。

这些集合可以大致分为两类：

非泛型集合 (Non-Generic Collections)

位于 System.Collections 命名空间下，可以存储任意类型的对象（object）。

ArrayList
Hashtable

泛型集合 (Generic Collections)

位于 System.Collections.Generic 命名空间下，在创建时需要指定存储元素的具体类型，提供了类型安全和更好的性能。

List<T>
Dictionary<TKey, TValue>
HashSet<T>

特性	ArrayList (非泛型)	Hashtable (非泛型)	List (泛型)	Dictionary<TKey, TValue> (泛型)	HashSet (泛型)
命名空间	System.Collections	System.Collections	System.Collections.Generic	System.Collections.Generic	System.Collections.Generic
类型安全	否 (存储 object)	否 (存储 object)	是 (存储指定类型 T)	是 (存储指定类型 TKey, TValue)	是 (存储指定类型 T)
存储内容	单个元素	键值对 (object, object)	单个元素 (T)	键值对 (TKey, TValue)	单个元素 (T)
内部结构	动态数组	哈希表	动态数组	哈希表	哈希表
是否有序	是 (按添加顺序)	否 (无序)	是 (按添加顺序)	否 (基本无序)*	否 (无序)
允许重复	是	Key 不允许, Value 允许	是	Key 不允许, Value 允许	否 (元素唯一)
访问方式	索引 (int)	Key (object)	索引 (int)	Key (TKey)	N/A (主要靠 Contains)
性能 (增/删/查)	查(索引 O(1)), 增(摊销 O(1)), 删/包含(O(n))	增/删/查(平均 O(1))	查(索引 O(1)), 增(摊销 O(1)), 删/包含(O(n))	增/删/查(平均 O(1))	增/删/包含(平均 O(1))
主要用途	存储有序对象列表 (已过时)	存储键值对 (已过时)	存储类型安全的有序列表	存储类型安全的键值对 (快速查找)	存储唯一元素, 快速判断存在性

注意: Dictionary 在较新的 .NET 版本中，其内部实现可能在迭代时碰巧保持插入顺序，但这并不是其设计保证的核心特性。不应依赖其顺序性。其核心优势在于基于 Key 的快速查找。

ArrayList (System.Collections)

描述: 一个动态数组，可以存储任何类型的对象。它会根据需要自动调整大小。

优点: 灵活，可以存储不同类型的对象。

缺点:

类型不安全: 由于存储的是 object，存入和取出时可能需要进行类型转换（拆箱/装箱），容易在运行时引发 InvalidCastException。
性能: 对于值类型，存入时会发生装箱（Boxing），取出时需要拆箱（Unboxing），这会带来性能开销。查找特定元素（非按索引）通常需要 O(n) 时间复杂度。

使用场景: 基本上已被 List 取代。只在需要与旧的、不支持泛型的 API 交互，或者极少数确实需要存储完全不同类型对象的场景下（但通常有更好的设计模式）才可能使用。

替代者: List

Hashtable (System.Collections)

描述: 一个基于哈希表的集合，用于存储键值对 (object Key, object Value)。通过 Key 快速查找 Value。

优点: 查找、添加、删除操作的平均时间复杂度接近 O(1)（假设哈希冲突不严重）。

缺点:

类型不安全: Key 和 Value 都是 object，需要类型转换，有运行时错误风险。
性能: 同样存在值类型的装箱/拆箱问题。
无序: 元素的存储和迭代顺序是不确定的。
线程安全 (潜在问题): 旧版本的 Hashtable 提供了某种程度的线程安全（通过内部锁），但这可能导致性能瓶颈。现代并发编程推荐使用 System.Collections.Concurrent 中的集合。

使用场景: 已被 Dictionary<TKey, TValue> 取代。理由同 ArrayList。

替代者: Dictionary<TKey, TValue>

List (System.Collections.Generic)

描述 : 泛型版本的 ArrayList。在创建时必须指定要存储的元素类型 T。

优点:

类型安全: 编译器会在编译时检查类型，避免了运行时的类型转换错误。
性能 : 对于值类型，避免了装箱/拆箱的开销，性能通常优于 ArrayList。
有序: 保持元素的插入顺序。
索引访问: 可以通过整数索引快速访问元素 (O(1))。

缺点:

查找/包含: Contains() 方法和按值删除 Remove() 通常需要遍历列表，时间复杂度为 O(n)。
插入/删除 (中间): 在列表的开头或中间插入/删除元素需要移动后续元素，时间复杂度为 O(n)。在末尾添加通常是摊销 O(1)。

使用场景: 最常用的集合之一。当你需要一个有序的、可通过索引访问的、类型安全的元素列表时使用。

Dictionary<TKey, TValue> (System.Collections.Generic)

描述: 泛型版本的 Hashtable。存储类型安全的键值对 (TKey, TValue)。

优点:

类型安全: 编译时进行类型检查。
性能: 避免了装箱/拆箱。基于 Key 的查找、添加、删除操作平均时间复杂度接近 O(1)。
Key 唯一: 保证了 Key 的唯一性。

缺点:

无序: 通常不保证元素的顺序（虽然新版本实现可能有顺序性，但不应依赖）。
内存 : 相较于 List<T>，可能占用稍多内存，因为它需要存储哈希表结构。

使用场景: 当你需要根据一个唯一的标识符（Key）来快速查找、添加或删除一个关联的值（Value）时使用。例如，用用户 ID 查找用户信息。

HashSet (System.Collections.Generic)

描述: 一个包含不重复元素的无序集合。基于哈希表实现。

优点:

唯一性: 自动处理重复元素，集合中只包含唯一的元素。
高性能查找 : Contains() 方法（检查元素是否存在）、Add()、Remove() 的平均时间复杂度接近 O(1)。
集合运算: 提供了高效的集合操作，如并集 (Union)、交集 (Intersect)、差集 (Except) 等。
类型安全: 泛型保证类型安全。

缺点:

无序: 不保证元素的任何特定顺序。
无索引访问: 不能通过索引访问元素。

使用场景: 当你需要存储一组唯一的元素，并且主要关心的是快速判断某个元素是否存在，或者进行集合运算时使用。例如，去除列表中的重复项，或者检查一个元素是否已处理过。

总结与建议

优先选择泛型集合 : 在现代 C# 开发中，应始终优先考虑使用 System.Collections.Generic 命名空间下的泛型集合 (List<T>, Dictionary<TKey, TValue>, HashSet<T> 等)。它们提供了类型安全，避免了装箱/拆箱的性能损耗，并且在编译时就能发现类型错误。

根据需求选择:

需要有序列表 ，允许重复，按索引访问：使用 List<T>。
需要根据唯一 Key 快速查找 Value （键值对）：使用 Dictionary<TKey, TValue>。
需要存储唯一元素 ，快速判断元素是否存在 ，或进行集合运算 ：使用 HashSet<T>。
避免使用非泛型集合 : 除非是维护旧代码或与不支持泛型的旧库交互，否则尽量避免使用 ArrayList 和 Hashtable。