C# List源码分析(一)

事件原因，之前在公司写代码的时候，带我的师傅建议我对List的长度最好在初始化的时候进行优化，这样对GC更加友好，所以就有了这个文章，来理解下List 容量自适应的实现。

List 继承于IList，IReadOnlyList

// C# 源码public class List<T> : IList<T>, System.Collections.IList, IReadOnlyList<T>{    private const int _defaultCapacity = 4;    private T[] _items;    [ContractPublicPropertyName("Count")]    private int _size;    private int _version;    [NonSerialized]    private Object _syncRoot;    static readonly T[]  _emptyArray = new T[0];            // 其他内容     }

继承层次上跟JAVA差不多，继承于IList，然后在网上是ICollection

默认容量

从代码中可以看出，默认的容量是4，但是根JAVA一样，都不会立刻申请内存空间

// JAVA code    /**     * Constructs an empty list with an initial capacity of ten.     */    public ArrayList() {        // 该变量初始化为         // private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;    }// C# code    // Constructs a List. The list is initially empty and has a capacity    // of zero. Upon adding the first element to the list the capacity is    // increased to 16, and then increased in multiples of two as required.    public List() {        _items = _emptyArray;    }

但是很有意思，微软给出的官方的注释说容量会在第一次增加到16，然后每次都是加倍增加的。
但是看了代码，我觉得微软的这个注释可能需要更新了，这初始化的长度很明显是4啊，还写了注释告诉我是16。

[TestClass]public class BasicTest{    [TestMethod]    public void TestMethod1()    {        List<int> list = new List<int>();        Assert.AreEqual(list.Capacity, 0);        list.Add(1);        Assert.AreEqual(list.Capacity, 4);    }}

写了个简单的UT，没错，初始容量为0，第一次初始化容量为4.说明了代码确实比注释容易维护。

自增长实现方式

Java跟C#有的地方确实不太一样，C#的Add操作返回void，Java返回boolean，其实我觉得C#挺好的，至少Java我写add还真的从来没用过他的返回值。看了源码，我也没发现这个add操作什么情况下返回false。

参考微软提供的C# Add的代码。

// C# Code// Adds the given object to the end of this list. The size of the list is// increased by one. If required, the capacity of the list is doubled// before adding the new element.//public void Add(T item) {    if (_size == _items.Length)         EnsureCapacity(_size + 1);    _items[_size++] = item;    _version++;}// Ensures that the capacity of this list is at least the given minimum// value. If the currect capacity of the list is less than min, the// capacity is increased to twice the current capacity or to min,// whichever is larger.private void EnsureCapacity(int min) {    if (_items.Length < min) {        int newCapacity = _items.Length == 0? _defaultCapacity : _items.Length * 2;        // Allow the list to grow to maximum possible capacity (~2G elements) before encountering overflow.        // Note that this check works even when _items.Length overflowed thanks to the (uint) cast        if ((uint)newCapacity > Array.MaxArrayLength) newCapacity = Array.MaxArrayLength;        if (newCapacity < min) newCapacity = min;        Capacity = newCapacity;    }}// Gets and sets the capacity of this list.  The capacity is the size of// the internal array used to hold items.  When set, the internal // array of the list is reallocated to the given capacity.// public int Capacity {    get {        Contract.Ensures(Contract.Result<int>() >= 0);        return _items.Length;    }    set {        if (value < _size) {            ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(                ExceptionArgument.value, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_SmallCapacity);        }        Contract.EndContractBlock();        if (value != _items.Length) {            if (value > 0) {                T[] newItems = new T[value];                if (_size > 0) {                    Array.Copy(_items, 0, newItems, 0, _size);                }                _items = newItems;            }            else {                _items = _emptyArray;            }        }    }}

最初所有数据中推荐编程者使用List的一大重要原因，就是自适应。在Add执行之前一定会执行EnsureCapacity函数，来确保数组中的长度足够，可以添加新的元素进去。
从源码上看得出来，代码是线程不安全的。所以最好别使用公用的List来添加，并发情况下，无法判断_size++的执行顺序。

C# 一大特性感觉不太容易让人理解啊，就是这个属性，《CLR via C#》一书中推荐取消Property，我觉得还是有点道理的，跟field还真是傻傻分不清楚，但是本质上是一个方法。

可以看出，在配置Capacity属性的时候，会对_items进行重新new，然后复制，是一个频繁操作内存的操作。
对GC友好就是指这里吧，如果在初始化的时候配置了容量的话，内部存储的时候就不会使用Array.Copy方法，从而产生很多垃圾对象。

C# 中 List默认的容量其实是4，所以最好还是初始化容量吧，可以想象，如果一个列表里面有129个元素，那么代码中对Capacity的调用会有很多次，4->8->16->32->64->128->256，不但最后的容量中产生了大量的浪费，前面的一堆对象也都需要GC搞定了。也就是252个对象。浪费还是很严重的。

List中的Remove

List的Remove操作每次都要进行内存的整理，其实是操作消耗较大的，代码如下：

// Removes the element at the given index. The size of the list is// decreased by one.public bool Remove(T item) {    int index = IndexOf(item);    if (index >= 0) {        RemoveAt(index);        return true;    }    return false;}// Returns the index of the first occurrence of a given value in a range of// this list. The list is searched forwards from beginning to end.// The elements of the list are compared to the given value using the// Object.Equals method.// // This method uses the Array.IndexOf method to perform the// search.// public int IndexOf(T item) {    Contract.Ensures(Contract.Result<int>() >= -1);    Contract.Ensures(Contract.Result<int>() < Count);    return Array.IndexOf(_items, item, 0, _size);}// Array.cspublic static int IndexOf<T>(T[] array, T value, int startIndex, int count) {    if (array==null) {        throw new ArgumentNullException("array");    }    if (startIndex < 0 || startIndex > array.Length ) {        throw new ArgumentOutOfRangeException("startIndex",            Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_Index"));    }    if (count < 0 || count > array.Length - startIndex) {        throw new ArgumentOutOfRangeException("count",            Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_Count"));    }    Contract.Ensures(Contract.Result<int>() < array.Length);    Contract.EndContractBlock();    return EqualityComparer<T>.Default.IndexOf(array, value, startIndex, count);}// Removes the element at the given index. The size of the list is// decreased by one.public void RemoveAt(int index) {    if ((uint)index >= (uint)_size) {        ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException();    }    Contract.EndContractBlock();    _size--;    if (index < _size) {        Array.Copy(_items, index + 1, _items, index, _size - index);    }    _items[_size] = default(T);    _version++;}

从代码来看，remove操作优先看的是能否找到该元素，如果能找到，将其移除，返回True，否则，返回false
C#的索引方法有点复杂，点到EqualityComparer里面看了一下索引的方法，这也是C#跟Java的不同之处了，Java的泛型里面是不能写入Primitive类型的，因为Primitive类型其实是不继承Object的，所以无法调用其中的equals方法。
但是C#是支持的，所以，会判断元类型的Type，然后选取对应的Equals方法。

现在回头看下RemoveAt方法，该方法仍然会调用Array.Copy操作，所以，可想而知删除操作的复杂度了，内存中平均删除一个元素，要移动n/2个元素，复杂度为O(n)

而RemoveAll方法本身是复杂度为O(n)的，所以最好不要在循环中写Remove操作吧。

以下为List源码地址

List源码
Array源码