深入理解 C# 中的集合与数据结构

在日常开发中，集合与数据结构是处理数据的基础工具。C# 提供了一系列强大而灵活的集合类型，帮助我们存储、访问和管理数据。这篇文章将带你了解 C# 中常用的数组、列表、字典、队列、栈、集合和链表的特性和用法。

1. 数组（Array）

数组是一种定长的数据结构，用于存储相同类型的数据。数组的大小在创建时必须指定，并且一旦创建后无法更改大小。

int[] numbers = new int[5] { 1, 2, 3, 4, 5 };

// 访问数组元素
Console.WriteLine(numbers[0]);  // 输出：1

// 修改数组元素
numbers[0] = 10;
Console.WriteLine(numbers[0]);  // 输出：10

特点：数组的存储是连续的，索引访问速度非常快（O(1) 时间复杂度）。
缺点：大小固定，无法动态扩展。

数组适合用于需要知道数据大小的场景，并且访问速度非常关键的情况。

2. 列表（List<T>）

列表（List<T>） 是一种动态数组，它的大小可以在运行时根据需要自动调整。列表在 C# 中非常常用，因为它提供了更多的灵活性。

List<int> numbers = new List<int>() { 1, 2, 3, 4, 5 };

// 添加元素
numbers.Add(6);

// 移除元素
numbers.Remove(3);

// 访问列表元素
Console.WriteLine(numbers[0]);  // 输出：1

特点：支持动态调整大小，具有丰富的操作方法，如添加、删除、插入等。内部基于数组实现。
适用场景：当你需要一个大小可变的集合时，List<T> 是理想选择。

3. 字典（Dictionary<TKey, TValue>）

字典（Dictionary<TKey, TValue>） 是一种键值对集合，允许通过键快速访问值。字典中的键是唯一的，值可以重复。

Dictionary<string, int> ages = new Dictionary<string, int>()
{
    { "Alice", 25 },
    { "Bob", 30 }
};

// 通过键访问值
Console.WriteLine(ages["Alice"]);  // 输出：25

// 添加键值对
ages["Charlie"] = 35;

// 移除键值对
ages.Remove("Bob");

特点：基于哈希表实现，提供 O(1) 时间复杂度的键值访问。
适用场景：需要根据唯一键快速查找值时，字典是最佳选择。

4. 队列与栈（Queue<T> 和 Stack<T>）

队列（Queue<T>） 是一种先进先出（FIFO）的数据结构。栈（Stack<T>） 则是后进先出（LIFO）的数据结构。

队列的使用场景通常是处理排队、任务调度等操作。

Queue<string> queue = new Queue<string>();
queue.Enqueue("first");
queue.Enqueue("second");
Console.WriteLine(queue.Dequeue());  // 输出：first

栈的典型应用场景包括撤销操作、表达式求值等。

Stack<int> stack = new Stack<int>();
stack.Push(1);
stack.Push(2);
Console.WriteLine(stack.Pop());  // 输出：2

特点：队列和栈都支持 O(1) 的入队/出队和入栈/出栈操作。
适用场景：队列适合需要按顺序处理的任务，栈适合需要倒序处理的场景。

5. 集合（HashSet<T> 和 SortedSet<T>）

集合是一种不允许重复元素的数据结构。C# 提供了两种常用的集合类型：HashSet<T> 和 SortedSet<T>。

HashSet<T>：基于哈希表实现，提供 O(1) 时间复杂度的插入、删除和查找操作。

HashSet<int> set = new HashSet<int>() { 1, 2, 3 };
set.Add(4);
Console.WriteLine(set.Contains(2));  // 输出：True

SortedSet<T>：基于二叉树实现，元素按照自然顺序排序，提供 O(log n) 时间复杂度的操作。

SortedSet<int> sortedSet = new SortedSet<int>() { 3, 1, 2 };
foreach (int num in sortedSet)
{
    Console.WriteLine(num);  // 输出：1, 2, 3
}

适用场景：当需要确保元素唯一性时，HashSet<T> 是首选；当需要元素有序存储时，SortedSet<T> 是理想选择。

6. 链表（LinkedList<T>）

链表是一种通过节点连接的线性数据结构，每个节点包含一个值和一个指向下一个节点的指针。C# 中的 LinkedList<T> 是一个双向链表，允许在链表的头部或尾部快速添加和删除元素。

LinkedList<string> linkedList = new LinkedList<string>();
linkedList.AddLast("first");
linkedList.AddLast("second");
linkedList.AddFirst("zero");

foreach (var item in linkedList)
{
    Console.WriteLine(item);  // 输出：zero, first, second
}