Введение в, программирование, язык программирования, основы, операционная система
учебники, программирование, основы, введение в,

 

Класс Array и новые возможности массивов

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.
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;
}
}//PrintAr
Вот 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);
}//TestCommonPrint
Вот результаты вывода массивов ar1, ar2 и ar3.
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 от типа их элементов.

http://localhost:3232/img/empty.gifhttp://localhost:3232/img/empty.gifМассивы 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();
}//PrintCollection

Конечно, 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++);
}//CreateCollection

Заметьте, 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.

Сортировка и поиск. Статические методы класса Array

Статические методы класса Array позволяют решать самые разнообразные задачи:

  1. Copy - позволяет копировать весь массив или его часть в другой массив.
  2. IndexOf, LastIndexOf - определяют индексы первого и последнего вхождения образца в массив, возвращая -1, если такового вхождения не обнаружено.
  3. Reverse - выполняет обращение массива, переставляя элементы в обратном порядке.
  4. Sort - осуществляет сортировку массива.
  5. BinarySearch - определяет индекс первого вхождения образца в отсортированный массив, используя алгоритм двоичного поиска.

Все методы перегружены и имеют ряд модификаций. Большинство из этих методов применимо только к одномерным массивам. Приведу примеры различных операций, доступных при работе с массивами, благодаря наследованию от класса Array:

public void TestCollection()
{
   //операции над массивами 
   int nc = 7;
   int[] col1 = new int[nc], col2 = new int[nc];
   double[] col3 = new double[nc];
   int[,] col4 = new int[2,2];
   Arrs.CreateCollection(col1);
   Arrs.PrintCollection("col1",col1);
   Arrs.CreateCollection(col2);
   Arrs.PrintCollection("col2",col2);
   Arrs.CreateCollection(col3); 
   Arrs.PrintCollection("col3",col3);
   Arrs.CreateTwoDimAr(col4); 
   Arrs.PrintCollection("col4",col4);
   //сортировка, поиск, копирование 
   // поиск элемента 
   int first = Array.IndexOf(col1, 2);
   int last =  Array.LastIndexOf(col1,2);
   if (first == -1)
      Console.WriteLine("Нет вхождений 2 в массив col1");
   else if (first ==last)
      Console.WriteLine("Одно вхождение 2 в массив col1");
   else
      Console.WriteLine("Несколько вхождений 2 в массив col1");
   //first = Array.IndexOf(col4, 4);
   //только одномерный массив
   Array.Reverse(col1);
   Console.WriteLine("Обращение массива col1:");
   Arrs.PrintCollection("col1",col1);
   //Копирование 
   Array.Copy(col1, col3, col1.Length);
   Console.WriteLine(" Массив col3 после копирования массива col1:");
   Arrs.PrintCollection("col3",col3);
   Array.Copy(col1,1,col2,1,2);
   Console.WriteLine("копирование двух элементов col1 в col2:");
   Arrs.PrintCollection("col1",col1);
   Arrs.PrintCollection("col2",col2);
   //быстрая сортировка Хоара
   Array.Sort(col1);
   Console.WriteLine("Отсортированный массив col1:");
   Arrs.PrintCollection("col1",col1);
   first = Array.BinarySearch(col1, 2);
   Console.WriteLine("Индекс вхождения 2 в col1: {0}",first);
   //Создание экземпляра (массива)
   Array my2Dar = Array.CreateInstance(typeof(double), 2,3);
   Arrs.PrintCollection("my2Dar",my2Dar);
   //клонирование 
   my2Dar = (Array)col4.Clone();
   Console.WriteLine("Массив my2Dar после клонирования  
      col4:");
   Arrs.PrintCollection("my2Dar",my2Dar);
   //копирование CopyTo
   col1.CopyTo(col2,0);
   Console.WriteLine("Массив col2 после копирования col1:");
   Arrs.PrintCollection("col2",col2);
}

В этой процедуре продемонстрированы вызовы различных статических методов класса Array. Для метода Copy показан вызов двух реализаций этого метода, когда копируется весь массив и часть массива. Закомментированный оператор вызова метода IndexOf напоминает о невозможности использования методов поиска при работе с многомерными массивами. Приведу результаты вывода, порожденные этим кодом.
http://localhost:3232/img/empty.gifhttp://localhost:3232/img/empty.gif


Таблица 12.1. Свойства класса Array

Свойство

Родитель

Описание

IsFixedSize

Интерфейс IList

True, если массив статический

IsReadOnly

Интерфейс IList

Для всех массивов имеет значение false

IsSynchronized

Интерфейс ICollection

True или False, в зависимости от того, установлена ли синхронизация доступа для массива

SyncRoot

Интерфейс ICollection

Собственный метод синхронизации доступа к массиву. При работе с массивом его можно закрыть на время обработки, что запрещает его модификацию каким-либо потоком:

Array myCol = new int[];
lock( myCol.SyncRoot ) {
foreach ( Object item in myCol )
{
// безопасная обработка массива }

Length

Число элементов массива

Rank

Размерность массива

Таблица 12.2. Статические методы класса Array

Метод

Описание

BinarySearch

Двоичный поиск. Описание и примеры даны в тексте

Clear

Выполняет начальную инициализацию элементов. В зависимости от типа элементов устанавливает значение 0 для арифметического типа, false - для логического типа, Null для ссылок, "" - для строк.

Copy

Копирование части или всего массива в другой массив. Описание и примеры даны в тексте

CreateInstance

Класс Array, в отличие от многих классов, может создавать свои экземпляры не только с помощью конструктора new, но и при вызове метода CreateInstance:

Array my2Dar = Array.CreateInstance(typeof(double), 2,2)

IndexOf

Индекс первого вхождения образца в массив. Описание и примеры даны в тексте

LastIndexOf

Индекс последнего вхождения образца в массив. Описание и примеры даны в тексте

Reverse

Обращение одномерного массива. Описание и примеры даны в тексте

Sort

Сортировка массива. Описание и примеры даны в тексте

Сводка свойств и методов класса Array

Многие возможности, которыми можно пользоваться при работе с массивами, уже обсуждены. В завершение этой темы в таблицах 12.1-12.3 приведем сводку всех свойств и методов класса Array.


Таблица 12.3. Динамические методы класса Array

Метод

Родитель

Описание

Equals

Класс Object

Описание и примеры даны в предыдущих главах.

GetHashCode

Класс Object

Описание и примеры даны в предыдущих главах.

GetType

Класс Object

Описание и примеры даны в предыдущих главах.

ToString

Класс Object

Описание и примеры даны в предыдущих главах.

Clone

Интерфейс ICloneable

Позволяет создать плоскую или глубокую копию массива. В первом случае создаются только элементы первого уровня, а ссылки указывают на те же самые объекты. Во втором случае копируются объекты на всех уровнях. Для массивов создается только плоская копия.

CopyTo

Интерфейс ICollection

Копируются все элементы одномерного массива в другой одномерный массив, начиная с заданного индекса:

col1.CopyTo(col2,0);

GetEnumerator

Интерфейс IEnumerable

Стоит за спиной цикла ForEach

GetLength

Возвращает число элементов массива по указанному измерению. Описание и примеры даны в тексте главы.

GetLowerBound, GetUpperBound

Возвращает нижнюю и верхнюю границу по указанному измерению. Для массивов нижняя граница всегда равна нулю.

GetValue, SetValue

Возвращает или устанавливает значение элемента массива с указанными индексами.

Initialize

Может быть применен только к массивам значимого типа. Инициализирует элементы, вызывая соответствующий конструктор. Как правило, не используется в обычных программах.

http://localhost:3232/img/empty.gifhttp://localhost:3232/img/empty.gifКласс Object и массивы

Давайте обсудим допустимость преобразований между классами-массивами и классом Object. Понятно, что существует неявное преобразование объекта любого класса в объект класса Object, так что переменной типа оbject всегда можно присвоить переменную типа массив. Обратное такое преобразование также существует, но оно должно быть явным. Как всегда, при проведении явных преобразований не гарантируется успешность их выполнения.
В этой лекции и ранее обсуждался вопрос о создании универсальных процедур, которые могли бы работать с данными разных типов. Серьезный разговор об универсализации классов еще предстоит, сейчас же лишь напомню, что уже рассматривался такой прием, как перегрузка метода. У клиента, использующего перегруженный метод, создается впечатление, что он вызывает универсальный метод, работающий с аргументами разного типа. Создатель перегруженного метода должен, конечно, написать множество реализаций для поддержки такой универсальности. Другой уже обсуждавшийся прием состоит в том, что формальный аргумент метода принадлежит родительскому классу, тогда методу при вызове может быть передан аргумент любого из потомков.
Приведу в качестве примера многострадальную процедуру печати объектов, многократные варианты которой уже были рассмотрены. На этот раз формальный аргумент процедуры будет иметь тип оbject - прародителя всех классов. Разберем, как можно выяснить, что в процедуру передается массив, как определить его тип и работать с ним уже как с массивом, а не как с переменной класса Object. Вот текст этой процедуры, названной PrintObject:
public static void PrintObj(object A)
{
Console.WriteLine("A.GetType()={0})", A.GetType());
if (A.GetType()==typeof(System.Int32[]))
{
int[] temp;
temp = (int[])A;
for(int i = 0; i<temp.GetLength(0);i++)
Console.Write("\t temp[{0}]={1}", i,temp[i]);
Console.WriteLine();
}
else
Console.WriteLine("Аргумент не является массивом целых");
}//PrintObject
Несколько замечаний к реализации.
Метод GetType, примененный к аргументу, возвращает не тип Object, а реальный тип фактического аргумента. Поэтому можно проанализировать, какому классу принадлежит объект, переданный в процедуру.
На каждой ветви разбора можно создать временный объект нужного типа и скопировать в него переданный аргумент. В данном примере рассматривается только одна ветвь, в которой создается целочисленный одномерный массив temp.
Заметьте, при присваивании значения переменной temp выполняется явное преобразование из класса Object в класс Int[].
При наличии переменной temp, выполнение нужных действий над массивом не представляет никаких трудностей.
Приведу два примера вызова этой процедуры:
//работа с процедурой PrintObject
//Корректный и некорректный вызовы
Arrs.PrintObj(col1);
Arrs.PrintObj(col3);
Вот какой вывод порождается этим фрагментом кода:

http://localhost:3232/img/empty.gifМассивы объектов

Во всех рассмотренных примерах этой главы нам встречались массивы, элементы которых имели только простые значимые типы. В реальных программах массивы объектов и других ссылочных типов встречаются не менее часто. Каков бы ни был тип элементов, большой разницы при работе с массивами нет. Но один важный нюанс все же есть, и его стоит отметить. Он связан с инициализацией элементов по умолчанию. Уже говорилось о том, что компилятор не следит за инициализацией элементов массива и доверяет инициализации, выполненной конструктором массива по умолчанию. Но для массивов ссылочного типа инициализация по умолчанию присваивает ссылкам значение Null. Это означает, что создаются только ссылки, но не сами объекты. По этой причине, пока не будет проведена настоящая инициализация с созданием объектов и заданием ссылок на конкретные объекты, работать с массивом ссылочного типа будет невозможно.
Рассмотрим детали этой проблемы на примере. Определим достаточно простой и интуитивно понятный класс, названный Winners, свойства которого задают имя победителя и его премию, а методы позволяют установить размер премии для каждого победителя и распечатать его свойства. Приведу код, описывающий этот класс:
/// <summary>
/// Класс победителей с именем и премией
/// </summary>
public class Winners
{
//поля класса
string name;
int price;
//статическое или динамическое поле rnd?
//static Random rnd = new Random();
Random rnd = new Random();
// динамические методы
public void SetVals(string name)
{
this.name = name;
this.price = rnd.Next(5,10)* 1000;
}//SetVals
public void PrintWinner(Winners win)
{
Console.WriteLine("Имя победителя: {0}," +
" его премия - {1}", win.name, win.price);
}//PrintWinner
}//class Winners
Коротко прокомментирую этот текст.

  1. Свойство name описывает имя победителя, а свойство price - величину его премии.
  2. Свойство rnd необходимо при работе со случайными числами.
  3. Метод SetVals выполняет инициализацию. Он присваивает полю name значение, переданное в качестве аргумента, и полю price - случайное значение.
  4. Метод PrintWinner - метод печати свойств класса. Без подобного метода не обходится ни один класс.
  5. В классе появится еще один статический метод InitAr, но о нем скажу чуть позже.

Пусть теперь в одном из методов нашего тестирующего класса Testing предполагается работа с классом Winners, начинающаяся с описания победителей. Естественно, задается массив, элементы которого имеют тип Winners. Приведу начало тестирующего метода, в котором дано соответствующее объявление:
public void TestWinners()
{
//массивы объектов
int nwin = 3;
Winners[] wins = new Winners[nwin];
string[] winames = {"Т. Хоар", "Н. Вирт", "Э. Дейкстра"};
В результате создан массив wins, состоящий из объектов класса Winners. Что произойдет, если попытаться задать значения полей объектов, вызвав специально созданный для этих целей метод SetVals? Рассмотрим фрагмент кода, осуществляющий этот вызов:
//создание значений элементов массива
for(int i=0; i < wins.Length; i++)
wins[i].SetVals(winames[i]);
На этапе выполнения будет сгенерировано исключение - нулевая ссылка. Причина понятна: хотя массив wins и создан, но это массив ссылок, имеющих значение null. Сами объекты, на которые должны указывать ссылки, не создаются в момент объявления массива ссылочного типа. Их нужно создавать явно. Ситуация аналогична объявлению массива массивов. И там необходим явный вызов конструктора для создания каждого массива на внутреннем уровне.
Как же создавать эти объекты? Конечно, можно возложить эту обязанность на пользователя, объявившего массив wins, - пусть он и создаст экземпляры для каждого элемента массива. Правильнее все-таки иметь в классе соответствующий метод. Метод должен быть статическим, чтобы его можно было вызывать еще до того, как созданы экземпляры класса, поскольку метод предназначен для создания этих самых экземпляров. Так в нашем классе появился статический метод InitAr:
//статический метод
public static Winners[] InitAr(Winners[] Winar)
{
for(int i=0; i < Winar.Length; i++)
Winar[i] = new Winners();
return(Winar);
}//InitAr
Методу передается массив объектов, возможно, с нулевыми ссылками. Он возвращает тот же массив, но уже с явно определенными ссылками на реально созданные объекты. Теперь достаточно вызвать этот метод, после чего можно спокойно вызывать и метод SetVals. Вот как выглядит правильная последовательность вызовов методов класса Winners:
Winners.InitAr(wins);
//создание значений элементов массива
for(int i=0; i < wins.Length; i++)
wins[i].SetVals(winames[i]);
//печать значений элементов массива
for(int i=0; i < wins.Length; i++)
wins[i].PrintWinner(wins[i]);
}//TestWinners
Теперь все корректно, массивы создаются, элементы заполняются нужными значениями, их можно распечатать:


Обратите внимание, что всем победителям назначена одна и та же премия. Хотя понятно, что дело в программной ошибке, но в ней можно видеть и знак свыше. Коль скоро для победителей выбраны такие имена, почитаемые всеми программистами, то негоже пытаться расставить их по ранжиру даже в примере.
Что же касается ошибки, то она связана с тем, что в данном случае свойство rnd следует сделать статическим, чтобы оно было одно на все экземпляры класса. В тексте описания варианта класса приведены оба варианта объявления свойства, один из которых закомментирован.

http://localhost:3232/img/empty.gifhttp://localhost:3232/img/empty.gifМассивы. Семантика присваивания

Преобразования между классами массивов и родительскими классами Array и Object уже рассматривались. А существуют ли другие преобразования между классами массивов? Что происходит при присваивании x=e; (передаче аргументов в процедуру), если x и e - это массивы разных классов? Возможно ли присваивание? Ответ на этот вопрос положительный, хотя накладываются довольно жесткие ограничения на условия, когда такие преобразования допустимы. Известно, например, что между классами Int и Object существуют взаимные преобразования - в одну сторону явное, в другую неявное. А вот между классами Int[] и Object[] нет ни явных, ни неявных преобразований. С другой стороны, такое преобразование существует между классами String[] и Object[]. В чем же тут дело, и где логика? Запомните, главное ограничение на возможность таких преобразований состоит в том, что элементы массивов должны иметь ссылочный тип. А теперь притянем сюда логику. Крайне желательно обеспечить возможность проведения преобразований между массивами, элементы которых принадлежат одному семейству классов, связанных отношением наследования. Такая возможность и была реализована. А вот для массивов с элементами значимых типов подобную же возможность не захотели или не смогли реализовать.
Сформулируем теперь точные правила, справедливые для присваивания и передачи аргументов в процедуру. Для того, чтобы было возможным неявное преобразование массива с элементами класса S в массив с элементами класса T, необходимо выполнение следующих условий:

  • классы S и T должны быть ссылочного типа;
  • размерности массивов должны совпадать;
  • должно существовать неявное преобразование элементов класса S в элементы класса T.

Заметьте, если S - это родительский класс, а T - его потомок, то для массивов одной размерности остальные условия выполняются. Вернемся теперь к примеру с классами Int[], String[] и Object[]. Класс Int не относится к ссылочным классам, и потому преобразования класса Int[] в Object[] не существует. Класс string является ссылочным классом и потомком класса Object, а потому существует неявное преобразование между классами String[] и Object[].
Правило для явного преобразования можно сформулировать, например, так. Если существует неявное преобразование массива с элементами класса S в массив с элементами класса T, то существует явное преобразование массива с элементами класса T в массив с элементами класса S.
Для демонстрации преобразований между массивами написана еще одна процедура печати. Вот ее текст:
public static void PrintArObj(string name,object[] A)
{
Console.WriteLine(name);
foreach (object item in A )
Console.Write("\t {0}", item);
Console.WriteLine();
}//PrintArObj
Как видите, формальный аргумент этой процедуры принадлежит классу Object[]. При ее вызове фактическими аргументами могут быть массивы, удовлетворяющие выше указанным условиям. Вот пример кода, в котором вызывается эта процедура. В этом же фрагменте показаны и присваивания массива одного класса другому, где выполняются явные и неявные преобразования массивов.
public void TestMas()
{
string[] winames = {"Т. Хоар", "Н. Вирт", "Э. Дейкстра"};
Arrs.PrintArObj("winames", winames);
object[] cur = new object[5];
cur = winames;
Arrs.PrintArObj("cur", cur);
winames = (string[])cur;
Arrs.PrintArObj("winames", winames);
}//TestMas
Взгляните на результаты работы этой процедуры.
Приступая к описаниям массивов, я полагал, что 10 страниц одной лекции будет вполне достаточно. Оказалось, что массивы C# более интересны. Надеюсь, с этим согласятся и читатели.
http://localhost:3232/img/empty.gif

 
На главную | Содержание | < Назад....Вперёд >
С вопросами и предложениями можно обращаться по nicivas@bk.ru. 2013 г.Яндекс.Метрика