Объявление одномерных массивов
Напомню общую структуру объявления:
[<атрибуты>] [<модификаторы>] <тип> <объявители>;Забудем пока об атрибутах и модификаторах. Объявление одномерного массива выглядит следующим образом:
<тип>[] <объявители>;Заметьте, в отличие от языка C++ квадратные скобки приписаны не к имени переменной, а к типу. Они являются неотъемлемой частью определения класса, так что запись T[] следует понимать как класс одномерный массив с элементами типа T.
Что же касается границ изменения индексов, то эта характеристика к классу не относится, она является характеристикой переменных - экземпляров, каждый из которых является одномерным массивом со своим числом элементов, задаваемых в объявителе переменной.
Как и в случае объявления простых переменных, каждый объявитель может быть именем или именем с инициализацией. В первом случае речь идет об отложенной инициализации. Нужно понимать, что при объявлении с отложенной инициализацией сам массив не формируется, а создается только ссылка на массив, имеющая неопределенное значение Null. Поэтому пока массив не будет реально создан и его элементы инициализированы, использовать его в вычислениях нельзя. Вот пример объявления трех массивов с отложенной инициализацией:
Чаще всего при объявлении массива используется имя с инициализацией. И опять-таки, как и в случае простых переменных, могут быть два варианта инициализации. В первом случае инициализация является явной и задается константным массивом. Вот пример:
double[] x= {5.5, 6.6, 7.7};Следуя синтаксису, элементы константного массива следует заключать в фигурные скобки.
Во втором случае создание и инициализация массива выполняется в объектном стиле с вызовом конструктора массива. И это наиболее распространенная практика объявления массивов. Приведу пример:
int[] d= new int[5];Итак, если массив объявляется без инициализации, то создается только висячая ссылка со значением void. Если инициализация выполняется конструктором, то в динамической памяти создается сам массив, элементы которого инициализируются
11. Лекция: Массивы языка C#
11.2
Как обычно задаются элементы массива, если они не заданы при инициализации? Они либо вычисляются, либо вводятся пользователем. Давайте рассмотрим первый пример работы с массивами из проекта с именем Arrays, поддерживающего эту лекцию:
На что следует обратить внимание, анализируя этот текст:
- В процедуре показаны разные способы объявления массивов. Вначале объявляются одномерные массивы A, B и C, создаваемые конструктором. Значения элементов этих трех массивов имеют один и тот же тип int. То, что они имеют одинаковое число элементов, произошло по воле программиста, а не диктовалось требованиями языка. Заметьте, что после такого объявления с инициализацией конструктором, все элементы имеют значение, в данном случае - ноль, и могут участвовать в вычислениях.
- Массив x объявлен с явной инициализацией. Число и значения его элементов определяется константным массивом.
- Массивы u и v объявлены с отложенной инициализацией. В последующих операторах массив u инициализируется в объектном стиле - элементы получают его в цикле значения.
- Обратите внимание на закомментированный оператор присваивания. В отличие от инициализации, использовать константный массив в правой части оператора присваивания недопустимо. Эта попытка приводит к ошибке, поскольку v - это ссылка, которой можно присвоить ссылку, но нельзя присвоить константный массив. Ссылку присвоить можно. Что происходит в операторе присваивания v = u? Это корректное ссылочное присваивание: хотя u и v имеют разное число элементов, но они являются объектами одного класса. В результате присваивания память, отведенная массиву v, освободится ею займется теперь сборщик мусора. Обе ссылки u и v будут теперь указывать на один и тот же массив, так что изменение элемента одного массива немедленно отразится на другом массиве.
- Далее определяется двумерный массив w и делается попытка выполнить оператор присваивания v=w. Это ссылочное присваивание некорректно, поскольку объекты w и v - разных классов и для них не выполняется требуемое для присваивания согласование по типу.
- Для поддержки работы с массивами создан специальный класс Arrs, статические методы которого выполняют различные операции над массивами. В частности, в примере использованы два метода этого класса, один из которых заполняет массив случайными числами, второй - выводит массив на печать. Вот текст первого из этих методов:
константами соответствующего типа (ноль для арифметики, пустая строка для строковых массивов), и ссылка связывается с этим массивом. Если массив инициализируется константным массивом, то в памяти создается константный массив, с которым и связывается ссылка.
Здесь rnd - это статическое поле класса Arrs, объявленное следующим образом:
private static Random rnd = new Random();Процедура печати массива с именем name выглядит так:
public static void PrintAr1(string name,int[] A){ Console.WriteLine(name); for(int i = 0; i<A.GetLength(0);i++) Console.Write("\t" + name + "[{0}]={1}", i, A[i]); Console.WriteLine();}//PrintAr1На рис. 11.1 показан консольный вывод результатов работы процедуры TestDeclarations.
Рис. 11.1. Результаты объявления и создания массивов
Особое внимание обратите на вывод, связанный с массивами u и v.
11. Лекция: Массивы языка C#
11.3
Динамические массивы
Во всех вышеприведенных примерах объявлялись статические массивы, поскольку нижняя граница равна нулю по определению, а верхняя всегда задавалась в этих примерах константой. Напомню, что в C# все массивы, независимо от того, каким выражением описывается граница, рассматриваются как динамические, и память для них распределяется в "куче". Полагаю, что это отражение разумной точки зрения: ведь статические массивы, скорее исключение, а правилом является использование динамических массивов. В действительности реальные потребности в размере массива, скорее всего, выясняются в процессе работы в диалоге с пользователем.
Чисто синтаксически нет существенной разницы в объявлении статических и динамических массивов. Выражение, задающее границу изменения индексов, в динамическом случае содержит переменные. Единственное требование - значения переменных должны быть определены в момент объявления. Это ограничение в C# выполняется автоматически, поскольку хорошо известно, сколь требовательно C# контролирует инициализацию переменных.
Приведу пример, в котором описана работа с динамическим массивом:
public void TestDynAr(){ //объявление динамического массива A1 Console.WriteLine("Введите число элементов массива A1"); int size = int.Parse(Console.ReadLine()); int[] A1 = new int[size]; Arrs.CreateOneDimAr(A1); Arrs.PrintAr1("A1",A1);}//TestDynArВ особых комментариях эта процедура не нуждается. Здесь верхняя граница массива определяется пользователем.
Многомерные массивы
Уже объяснялось, что разделение массивов на одномерные и многомерные носит исторический характер. Никакой принципиальной разницы между ними нет. Одномерные массивы -это частный случай многомерных. Можно говорить и по-другому: многомерные массивы являются естественным обобщением одномерных. Одномерные массивы позволяют задавать такие математические структуры как векторы, двумерные - матрицы, трехмерные - кубы данных, массивы большей размерности - многомерные кубы данных. Замечу, что при работе с базами данных многомерные кубы, так называемые кубы OLAP, встречаются сплошь и рядом.
В чем особенность объявления многомерного массива? Как в типе указать размерность массива? Это делается достаточно просто, за счет использования запятых. Вот как выглядит объявление многомерного массива в общем случае:
<тип>[, ... ,] <объявители>;Число запятых, увеличенное на единицу, и задает размерность массива. Что касается объявителей, то все, что сказано для одномерных массивов, справедливо и для многомерных. Можно лишь отметить, что хотя явная инициализация с использованием многомерных константных массивов возможна, но применяется редко из-за громоздкости такой структуры. Проще инициализацию реализовать программно, но иногда она все же применяется. Вот пример:
public void TestMultiArr(){ int[,]matrix = {{1,2},{3,4}}; Arrs.PrintAr2("matrix", matrix);}//TestMultiArrДавайте рассмотрим классическую задачу умножения прямоугольных матриц. Нам понадобится три динамических массива для представления матриц и три процедуры, одна из которых будет заполнять исходные матрицы случайными числами, другая - выполнять умножение матриц, третья - печатать сами матрицы. Вот тестовый пример:
public void TestMultiMatr(){ int n1, m1, n2, m2,n3, m3; Arrs.GetSizes("MatrA",out n1,out m1); Arrs.GetSizes("MatrB",out n2,out m2); Arrs.GetSizes("MatrC",out n3,out m3); int[,]MatrA = new int[n1,m1], MatrB = new int[n2,m2]; int[,]MatrC = new int[n3,m3]; Arrs.CreateTwoDimAr(MatrA);Arrs.CreateTwoDimAr(MatrB); Arrs.MultMatr(MatrA, MatrB, MatrC); Arrs.PrintAr2("MatrA",MatrA); Arrs.PrintAr2("MatrB",MatrB); Arrs.PrintAr2("MatrC",MatrC);}//TestMultiMatrТри матрицы - MatrA, MatrB и MatrC - имеют произвольные размеры, выясняемые в диалоге с пользователем, и использование для их описания динамических массивов представляется совершенно естественным. Метод CreateTwoDimAr заполняет случайными числами элементы матрицы, переданной ему в качестве аргумента, метод PrintAr2 выводит матрицу на печать. Я не буду приводить их код, похожий на код их одномерных аналогов.
Метод MultMatr выполняет умножение прямоугольных матриц. Это классическая задача из набора задач, решаемых на первом курсе. Вот текст этого метода:
public void MultMatr(int[,]A, int[,]B, int[,]C){ if (A.GetLength(1) != B.GetLength(0)) Console.WriteLine("MultMatr: ошибка размерности!"); else for(int i = 0; i < A.GetLength(0); i++) for(int j = 0; j < B.GetLength(1); j++) { int s=0; for(int k = 0; k < A.GetLength(1); k++) s+= A[i,k]*B[k,j]; C[i,j] = s; }}//MultMatrВ особых комментариях эта процедура не нуждается. Замечу лишь, что прежде чем проводить вычисления, производится проверка корректности размерностей исходных матриц при их перемножении, - число столбцов первой матрицы должно быть равно числу строк второй матрицы.
Обратите внимание, как выглядят результаты консольного вывода на данном этапе работы (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Умножение матриц
11. Лекция: Массивы языка C#
11.4
Массивы массивов
Еще одним видом массивов C# являются массивы массивов, называемые также изрезанными массивами (jagged arrays). Такой массив массивов можно рассматривать как одномерный массив, элементы которого являются массивами, элементы которых, в свою очередь, снова могут быть массивами, и так может продолжаться до некоторого уровня вложенности.
В каких ситуациях может возникать необходимость в таких структурах данных? Эти массивы могут применяться для представления деревьев, у которых узлы могут иметь произвольное число потомков. Таковым может быть, например, генеалогическое дерево. Вершины первого уровня - Fathers, представляющие отцов, могут задаваться одномерным массивом, так что Fathers[i] - это i-й отец. Вершины второго уровня представляются массивом массивов - Children, так что Children[i] - это массив детей i-го отца, а Children[i][j] - это j-й ребенок i-го отца. Для представления внуков понадобится третий уровень, так что GrandChildren [i][j][k] будет представлять к-го внука j-го ребенка i-го отца.
Есть некоторые особенности в объявлении и инициализации таких массивов. Если при объявлении типа многомерных массивов для указания размерности использовались запятые, то для изрезанных массивов применяется более ясная символика - совокупности пар квадратных скобок; например, int[][] задает массив, элементы которого - одномерные массивы элементов типа int.
Сложнее с созданием самих массивов и их инициализацией. Здесь нельзя вызвать конструктор new int[3][5], поскольку он не задает изрезанный массив. Фактически нужно вызывать конструктор для каждого массива на самом нижнем уровне. В этом и состоит сложность объявления таких массивов. Начну с формального примера:
//массив массивов - формальный пример| //объявление и инициализацияint[][] jagger = new int[3][]{ new int[] {5,7,9,11}, new int[] {2,8}, new int[] {6,12,4}}; Массив jagger имеет всего два уровня. Можно считать, что у него три элемента, каждый из которых является массивом. Для каждого такого массива необходимо вызвать конструктор new, чтобы создать внутренний массив. В данном примере элементы внутренних массивов получают значение, будучи явно инициализированы константными массивами. Конечно, допустимо и такое объявление: int[][] jagger1 = new int[3][]{ new int[4], new int[2], new int[3]}; В этом случае элементы массива получат при инициализации нулевые значения. Реальную инициализацию нужно будет выполнять программным путем. Стоит заметить, что в конструкторе верхнего уровня константу 3 можно опустить и писать просто new int[][]. Самое забавное, что вызов этого конструктора можно вообще опустить - он будет подразумеваться: int[][] jagger2 ={ new int[4], new int[2], new int[3]}; А вот конструкторы нижнего уровня необходимы. Еще одно важное замечание - динамические массивы возможны и здесь. В общем случае, границы на любом уровне могут быть выражениями, зависящими от переменных. Более того, допустимо, чтобы массивы на нижнем уровне были многомерными. Но это уже "от лукавого" - вряд ли стоит пользоваться такими сложными структурами данных, ведь с ними предстоит еще и работать. Приведу теперь чуть более реальный пример, описывающий простое генеалогическое дерево, которое условно назову "отцы и дети": //массив массивов -"Отцы и дети"int Fcount =3;string[] Fathers = new string[Fcount]; |
Fathers[0] ="Николай"; Fathers[1] = "Сергей";
Fathers[2] = "Петр";string[][] Children = new string[Fcount][];Children[0] = new string[] {"Ольга", "Федор"};Children[1] = new string[] {"Сергей","Валентина","Ира","Дмитрий"};Children[2] = new string[]{"Мария","Ирина","Надежда"};myar.PrintAr3(Fathers,Children); Здесь отцов описывает обычный динамический одномерный массив Fathers. Для описания детей этих отцов необходим уже массив массивов, который также является динамическим на верхнем уровне, поскольку число его элементов совпадает с числом элементов массива Fathers. Здесь показан еще один способ создания таких массивов. Вначале конструируется массив верхнего уровня, содержащий ссылки со значением void. А затем на нижнем уровне конструктор создает настоящие массивы в динамической памяти, с которыми и связываются ссылки. Я не буду демонстрировать работу с генеалогическим деревом, ограничусь лишь печатью этого массива. Здесь есть несколько поучительных моментов. В классе Arrs для печати массива создан специальный метод PrintAr3, которому в качестве аргументов передаются массивы Fathers и Children. Вот текст данной процедуры: public void PrintAr3(string [] Fathers, string[][] Children){ for(int i = 0; i < Fathers.Length; i++) { Console.WriteLine("Отец : {0}; Его дети:", Fathers[i]); for(int j = 0; j < Children[i].Length; j++) Console.Write( Children[i][j] + " "); Console.WriteLine(); }}//PrintAr3 Приведу некоторые комментарии к этой процедуре:
 Рис. 11.3. Дерево "Отцы и дети" Процедуры и массивы В наших примерах массивы неоднократно передавались процедурам в качестве входных аргументов и возвращались в качестве результатов. В лекции 9 подробно описывались особенности передачи аргументов в процедуру. Остается подчеркнуть только некоторые детали: |
- В процедуру достаточно передавать только сам объект - массив. Все его характеристики (размерность, границы) можно определить, используя свойства и методы этого объекта.
- Когда массив является выходным аргументом процедуры, как аргумент C в процедуре MultMatr, выходной аргумент совсем не обязательно снабжать ключевым словом ref или out (хотя и допустимо). Передача аргумента по значению в таких ситуациях так же хороша, как и передача по ссылке. В результате вычислений меняется сам массив в динамической памяти, а ссылка на него остается постоянной. Процедура и ее вызов без ключевых слов выглядит проще, поэтому обычно они опускаются. Заметьте, в процедуре GetSizes, где определялись границы массива, ключевое слово out, сопровождающее аргументы, совершенно необходимо.
- Может ли процедура-функция возвращать массив в качестве результата? В C# ответ на этот вопрос положителен. В следующей лекции будет приведен пример подобной функции
12. Лекция: Класс Array и новые возможности массивов
12.1
Семейство классов-массивов. Родительский класс Array и наследуемые им интерфейсы. Новые возможности массивов в C#. Как корректно работать с массивами объектов?
Класс Array
Нельзя понять многие детали работы с массивами в C#, если не знать устройство класса Array из библиотеки FCL, потомками которого являются все классы-массивы. Рассмотрим следующие объявления:
//Класс Array int[] ar1 = new int[5]; double[] ar2 ={5.5, 6.6, 7.7}; int[,] ar3 = new Int32[3,4];Зададимся естественным вопросом: к какому или к каким классам принадлежат объекты ar1, ar2 и ar3? Ответ прост: все они принадлежат к разным классам. Переменная ar1 принадлежит к классу int[] - одномерному массиву значений типа int, ar2 - double[] - одномерному массиву значений типа double, ar3 - двумерному массиву значений типа int. Следующий закономерный вопрос: а что общего есть у этих трех объектов? Прежде всего, все три класса этих объектов, как и другие классы, являются потомками класса Object, а потому имеют общие методы, наследованные от класса Object и доступные объектам этих классов.
У всех классов, являющихся массивами, много общего, поскольку все они являются потомками класса System.Array. Класс System.Array наследует ряд интерфейсов: ICloneable, IList, ICollection, IEnumerable, а, следовательно, обязан реализовать все их методы и свойства. Помимо наследования свойств и методов класса Object и вышеперечисленных интерфейсов, класс Array имеет довольно большое число собственных методов и свойств. Взгляните, как выглядит отношение наследования на семействе классов, определяющих массивы.
Рис. 12.1. Отношение наследования на классах-массивах
Благодаря такому мощному родителю, над массивами определены самые разнообразные операции - копирование, поиск, обращение, сортировка, получение различных характеристик. Массивы можно рассматривать как коллекции и устраивать циклы For Each для перебора всех элементов. Важно и то, что когда у семейства классов есть общий родитель, то можно иметь общие процедуры обработки различных потомков этого родителя. Для общих процедур работы с массивами характерно, что один или несколько формальных аргументов имеют родительский тип Array. Естественно, внутри такой процедуры может понадобиться анализ - какой реальный тип массива передан в процедуру.
Рассмотрим пример подобной процедуры. Ранее я для печати элементов массива использовал различные процедуры PrintAr1, PrintAr2 и так далее, по одной для каждого класса массива. Теперь я приведу общую процедуру, формальный аргумент которой будет принадлежать родителю всех классов-массивов, что позволит передавать массив любого класса в качестве фактического аргумента:
public static void PrintAr(string name, Array A){ Console.WriteLine(name); switch (A.Rank) { case 1: for(int i = 0; i<A.GetLength(0);i++) Console.Write("\t" + name + "[{0}]={1}", i, A.GetValue(i)); Console.WriteLine(); break; case 2: for(int i = 0; i<A.GetLength(0);i++) { for(int j = 0; j<A.GetLength(1);j++) Console.Write("\t" + name + "[{0},{1}]={2}", i,j, A.GetValue(i,j)); Console.WriteLine(); } break; default: break; }}//PrintArВот как выглядит создание массивов и вызов процедуры печати:
public void TestCommonPrint(){ //Класс Array int[] ar1 = new int[5]; double[] ar2 ={5.5, 6.6, 7.7}; int[,] ar3 = new Int32[3,4]; Arrs.CreateOneDimAr(ar1);Arrs.PrintAr("ar1", ar1); Arrs.PrintAr("ar2", ar2); Arrs.CreateTwoDimAr(ar3);Arrs.PrintAr("ar3", ar3);}//TestCommonPrintВот результаты вывода массивов ar1, ar2 и ar3.
| Рис. 12.2. Печать массивов. Результаты работы процедуры PrintAr Приведу некоторые комментарии. Первое, на что следует обратить внимание: формальный аргумент процедуры принадлежит базовому классу Array, наследниками которого являются все массивы в CLR и, естественно, все массивы C#. |
Для того чтобы сохранить возможность работы с индексами, как в одномерном, так и в двумерном случае, пришлось организовать разбор случаев. Свойство Rank, возвращающее размерность массива, используется в этом разборе
| . |
К элементам массива A, имеющего класс Array, нет возможности прямого доступа в обычной манере
- A [<индексы>], но зато есть специальные методы GetValue (<индексы>) и SetValue (<индексы>).
Естественно, разбор случаев можно продолжить, придав процедуре большую функциональность.
Заметьте, если разбор случаев вообще не делать, а использовать PrintAr только для печати одномерных массивов, то она будет столь же проста, как и процедура PrintAr1, но сможет печатать любые одномерные массивы, независимо т типа их элементов.
12. Лекция: Класс Array и новые возможности массивов
12.2
Массивы как коллекции
В ряде задач массивы C# целесообразно рассматривать как коллекции, не используя систему индексов для поиска элементов. Это, например, задачи, требующие однократного или многократного прохода по всему массиву - нахождение суммы элементов, нахождение максимального элемента, печать элементов. В таких задачах вместо циклов типа For по каждому измерению достаточно рассмотреть единый цикл For Each по всей коллекции. Эта возможность обеспечивается тем, что класс Array наследует интерфейс IEnumerable. Обратите внимание, этот интерфейс обеспечивает только возможность чтения элементов коллекции (массива), не допуская их изменения. Применим эту стратегию и построим еще одну версию процедуры печати. Эта версия будет самой короткой и самой универсальной, поскольку подходит для печати массива, независимо от его размерности и типа элементов. Вот ее код:
public static void PrintCollection(string name,Array A){ Console.WriteLine(name); foreach (object item in A ) Console.Write("\t {0}", item); Console.WriteLine();}//PrintCollectionКонечно, за все нужно платить. Платой за универсальность процедуры печати является то, что многомерный массив печатается как одномерный без разделения элементов на строки.
К сожалению, ситуация с чтением и записью элементов массива не симметрична. Приведу вариант процедуры CreateCollection:
public static void CreateCollection(Array A){ int i=0; foreach (object item in A ) //item = rnd.Next(1,10); //item read only A.SetValue(rnd.Next(1,10), i++);}//CreateCollectionЗаметьте, эту процедуру сделать универсальной не удается, поскольку невозможно модифицировать элементы коллекции. Поэтому цикл For Each здесь ничего не дает, и разумнее использовать обычный цикл. Данная процедура не универсальна и позволяет создавать элементы только для одномерных массивов.