Класс Array и новые возможности массивов

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();
}//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:

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.

Array myCol = new int[2];
lock( myCol.SyncRoot ) {
foreach ( Object item in myCol )
{
// безопасная обработка массива }

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

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.

col1.CopyTo(col2,0);

Класс 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:

Массивы 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.

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:

Массивы. 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:

Заметьте, если T - это родительский класс, а S - 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.