关于C#List底层原理-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了关于C#List底层原理。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

因为最近在面试过程中有问到是否知道List底层是如何实现的，但由于本人非科班出身也只是自学C#，日常也只是使用并没有从底层特地了解过C#很多底层逻辑。感觉这部分知识比较欠缺，所以博客记录一下。

首先List是C#中非常常见的一个数据结构类型，相比于普通数组，他是可以伸缩的，在平常使用中我经常使用它去代替数组，但并不了解其底层是如何做到自动扩展的。接下来分析一下。

剖析底层代码

构造部分：

 public class List<T> : 
    IList<T>,
    ICollection<T>,
    IEnumerable<T>,
    IEnumerable,
    IList,
    ICollection,
    IReadOnlyList<T>,
    IReadOnlyCollection<T>
  {
    private const int _defaultCapacity = 4;
    private T[] _items;
    private int _size;
    private int _version;
    [NonSerialized]
    private object _syncRoot;
    private static readonly T[] _emptyArray = new T[0];

    [__DynamicallyInvokable]
    public List() => this._items = List<T>._emptyArray;

    [__DynamicallyInvokable]
    public List(int capacity)
    {
      if (capacity < 0)
        ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.capacity, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum);
      if (capacity == 0)
        this._items = List<T>._emptyArray;
      else
        this._items = new T[capacity];
    }

首先这是List的构造部分，我们可以发现，List内部是用数组实现的，当没有给定初始大小的时候，初始容量为0。因此可以推测出，当我们使用Add或者Remove等方法对List进行扩容的时候，本质上是对现有的数组复制然后放入新生成的数组中。

Add方法：

    public void Add(T item)
    {
      if (this._size == this._items.Length)
        this.EnsureCapacity(this._size + 1);
      this._items[this._size++] = item;
      ++this._version;
    }

    private void EnsureCapacity(int min)
    {
      if (this._items.Length >= min)
        return;
      int num = this._items.Length == 0 ? 4 : this._items.Length * 2;
      if ((uint) num > 2146435071U)
        num = 2146435071;
      if (num < min)
        num = min;
      this.Capacity = num;
    }

同个上面的源码中，我们可以发现，每次增加一个元素时，首先会检查容量是否足够，若不足够，会调用

EnsureCapacity()方法来进行扩容。在EnsureCapacity()方法中我们可以发现，当每次容量不足的时候，整个数组会扩容一倍，因此可以发现整个扩容是呈现2的指数次幂。

由此我们可以发现，List其实和数组一样，有这索引快的优点，但同时在扩容方面效果也是一样的，因为每次针对数组进行new的操作都会造成内存垃圾，但是在List中因为是按2的指数扩容，可以略微降低GC的负担，但是若频繁的申请扩容依然会造成较大的GC开销。例如在代码中频繁的使用Add。与此同时，当我们数量设置的不合理的时候会造成内存空间的浪费。例如，当我们List中拥有514个元素的时候，此时List会被扩容到1024个，但我们不使用到后面510个内存空间，这就造成了内存空间的浪费。

Remove方法：

    public bool Remove(T item)
    {
      int index = this.IndexOf(item);
      if (index < 0)
        return false;
      this.RemoveAt(index);
      return true;
    }
    
    public int IndexOf(T item) => Array.IndexOf<T>(this._items, item, 0, this._size);
    
    public void RemoveAt(int index)
    {
      if ((uint) index >= (uint) this._size)
        ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException();
      --this._size;
      if (index < this._size)
        Array.Copy((Array) this._items, index + 1, (Array) this._items, index, this._size - index);
      this._items[this._size] = default (T);
      ++this._version;
    }

Remove()方法中运用了两个函数方法分别是IndexOf()，RemoveAt()。其中IndexOf()是为了查找元素的索引位置，然后使用RemoveAt()可以移除指定位置的元素。

再由RemoveAt()方法中我们可以发现，其删除的原理就是使用Array.Copy对原数组进行覆盖，容器的大小也不会发生改变。

Insert方法：

    public void Insert(int index, T item)
    {
      if ((uint) index > (uint) this._size)
        ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.index, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_ListInsert);
      if (this._size == this._items.Length)
        this.EnsureCapacity(this._size + 1);
      if (index < this._size)
        Array.Copy((Array) this._items, index, (Array) this._items, index + 1, this._size - index);
      this._items[index] = item;
      ++this._size;
      ++this._version;
    }

该方法和Add一样，首先需要检查当前容量是否足够，若不足则扩容。同时我们可以发现，在使用Insert进行插入时，使用的是复制数组的形式，将数组中指定位置的元素后面的所有元素都向后移一位。

对以上三个方法剖析后，我们可以发现在List中这些增加，移除，查找，插入的方法都是没有做过任何形式优化的，若我们使用的过于频繁，效率会变低的同时也会造成不少的内存冗余和导致CG的压力变大。

小结

当我们再看其他List的方法时候，我们还可以发现List的效率并不高，同时它的内存分配也不合理，当List元素不断增加的时候，就会重新分配更长长度的数组，那么每次就会重新开辟一段新的内存空间，原来的内存空间就会被GC回收，那么就造成了GC回收的压力。当然我们可以在每次创建List的时候对List长度进行初始化。

此外List的线程是不安全的，其没有对多线程做任何加锁或其他同步操作。由于并发的情况下我们无法判断_size++的执行顺序，因此在多线程中使用List应该加上安全机制。

最后，List只是一个兼容性强的容器而不是一个高效的容器，反而比数组的效率还要低。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-736817.html

到了这里，关于关于C#List底层原理的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！