C#自定义集合入门：3步创建并实现自己的集合类

# 1. C#自定义集合的基础知识

当我们谈论C#中的集合时，我们通常指的是实现了 `IEnumerable` 接口或其衍生接口如 `ICollection` 和 `IList` 的数据结构。这些集合为我们提供了管理和操作数据组的多种方式，从简单的数组到复杂的自定义集合类。

自定义集合类允许我们封装一组特定的数据项，并为这些数据项提供一系列操作。创建这样的集合涉及定义类的基本结构、实现集合应有的行为，并通过特定的接口和成员函数来暴露集合的功能。

在本章中，我们将从最基本的自定义集合类概念出发，掌握集合类的基础知识，包括集合类的基本结构、数据存储和处理机制，为后续章节中深入理解集合类的特性和高级特性打下坚实的基础。

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;

public class CustomCollection<T> : IEnumerable<T>
{
    private List<T> items = new List<T>();
    public void Add(T item)
    {
        items.Add(item);
    }

    public IEnumerator<T> GetEnumerator()
    {
        return items.GetEnumerator();
    }

    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
    {
        return GetEnumerator();
    }
}

上述示例代码展示了一个简单的泛型自定义集合类，它继承了 `IEnumerable<T>` 接口，允许我们遍历泛型对象。通过这个例子，我们可以初步了解如何创建一个自定义的集合类，并对其基础知识有一个直观的认识。

# 2. 深入理解集合类的结构与特性

深入理解集合类的结构与特性是每一个使用C#进行开发的程序员必须掌握的技能。本章将详细剖析集合类的内部结构，探讨集合类的特性以及如何利用这些特性来满足不同的编程需求。我们会涉及到集合的可枚举性、遍历、线程安全等概念，并进一步理解集合初始化器与迭代器模式。

## 2.1 集合类的内部结构

集合类是处理一组元素的强大工具。它们通常封装了管理元素的复杂逻辑，并提供了一组丰富的接口来操纵集合中的数据。接下来，我们将探讨集合类如何与泛型结合，以及在集合类中所使用的关键接口和抽象类。

### 2.1.1 集合类与泛型的关系

C#中的集合类充分利用了泛型（Generics）来实现类型安全和性能优化。泛型允许开发者编写通用的代码，这些代码在编译时绑定到特定的数据类型。这样做有几个优点：

- **类型安全**：泛型集合确保只能添加正确类型的元素，从而避免了运行时类型转换错误。
- **性能提升**：使用泛型集合可以避免装箱和拆箱操作，这在处理值类型时尤其有用，因为它们在非泛型集合中频繁进行装箱和拆箱。
- **代码重用**：泛型代码可以重用于任何数据类型，无需为每种数据类型编写不同的集合类实现。

让我们来看一个简单的泛型集合类的例子：

public class GenericList<T>
{
    private List<T> _items = new List<T>();

    public void Add(T item) { _items.Add(item); }
    public T Get(int index) { return _items[index]; }
    public int Count { get { return _items.Count; } }
}

以上代码定义了一个泛型列表`GenericList<T>`，它能够存储任何类型的元素`T`。这使得它具有高度的通用性和可重用性。

### 2.1.2 集合类中的接口与抽象类

在设计集合类时，使用接口和抽象类是构建可维护和可扩展代码的基石。这些抽象构造允许集合类实现者定义一系列行为，这些行为可以被具体的集合类实现。

- **接口**：集合类经常实现的接口包括`IEnumerable<T>`, `ICollection<T>`, `IList<T>`, `IDictionary<TKey, TValue>`等，它们分别代表了不同类型的集合和期望的行为。
- **抽象类**：抽象类如`Collection<T>`和`ReadOnlyCollection<T>`提供了一部分实现细节，减少了开发者的工作量，同时保持了一定的灵活性。

下面是一个集合类实现`IEnumerable<T>`接口的例子：

public class MyCollection<T> : IEnumerable<T>
{
    private List<T> _items = new List<T>();

    public IEnumerator<T> GetEnumerator()
    {
        return _items.GetEnumerator();
    }

    System.Collections.IEnumerator System.Collections.IEnumerable.GetEnumerator()
    {
        return _items.GetEnumerator();
    }
}

这段代码展示了如何让`MyCollection<T>`类遵循`IEnumerable<T>`接口，这样就能够使用foreach循环遍历集合中的元素。

## 2.2 集合的特性及其用途

在软件开发中，选择合适的集合类型对实现高效的数据操作至关重要。本小节将探究集合的可枚举性、遍历、线程安全与并发访问等特性，以及它们在实际开发中的应用。

### 2.2.1 可枚举性与遍历

集合的可枚举性指的是能够列举集合中的所有元素。这是通过实现`IEnumerable`接口来达成的。遍历指的是对集合中的每个元素进行操作的过程。在C#中，遍历集合的最常见方式是使用foreach语句。

让我们以一个具体的例子来理解可枚举性：

var genericList = new GenericList<int> { 1, 2, 3 };
foreach (var item in genericList)
{
    Console.WriteLine(item);
}

这段代码创建了一个`GenericList<int>`实例，并遍历其中的每个元素。`GenericList<T>`实现了`IEnumerable<T>`接口，允许它被直接用于foreach循环。

### 2.2.2 线程安全与并发访问

随着多核处理器和多线程编程的普及，集合的线程安全变得越来越重要。线程安全意味着多个线程可以同时访问和修改集合而不引起数据损坏或其他错误。

C# 提供了各种线程安全的集合类，如`ConcurrentQueue<T>`, `ConcurrentBag<T>`, 和 `ConcurrentDictionary<TKey,TValue>`，这些类在设计上支持多线程操作。下面的代码展示了如何使用线程安全的`ConcurrentBag<T>`：

var bag = new ConcurrentBag<int>();
Parallel.For(0, 1000, i => bag.Add(i));

在这段代码中，我们使用了`Parallel.For`来并行添加1000个元素到`ConcurrentBag<int>`。因为`ConcurrentBag<T>`是为并行操作设计的，所以这段代码不会遇到线程安全问题。

## 2.3 理解集合初始化器与迭代器

C#语言为集合操作提供了语法上的便利，例如集合初始化器和迭代器模式。本小节将解析这两者的概念、工作原理以及它们在代码中的应用。

### 2.3.1 集合初始化器的工作原理

集合初始化器允许开发者在创建集合实例的同时添加元素。这是通过在大括号内列出元素来完成的。编译器会将这些元素的添加转换为对集合类的`Add`方法的调用。

下面是一个使用集合初始化器的例子：

var list = new List<int> { 1, 2, 3 };

编译器将上述代码转换成类似下面的代码：

var list = new List<int>();
list.Add(1);
list.Add(2);
list.Add(3);

这种方式不仅代码更简洁，而且直观易懂。

### 2.3.2 迭代器模式及其应用

迭代器模式提供了一种方法，用于顺序访问集合中的元素，同时不需要暴露集合的内部表示。迭代器由`yield return`语句实现，可以让我们创建自定义的枚举器。

下面是一个迭代器方法的例子：

public IEnumerator<int> GetEnumerator()
{
    yield return 1;
    yield return 2;
    yield return 3;
}

这个方法返回了一个迭代器，它在被遍历时会按顺序返回1、2和3。

### *.*.*.* 迭代器工作原理

迭代器的工作原理是编译器在背后生成了一个状态机。每次调用`MoveNext()`方法时，迭代器会继续执行到下一个`yield return`语句，返回一个值，并保存当前的状态。当再次调用`MoveNext()`时，它会从保存的状态继续执行，直到达到下一个`yield return`或`yield break`语句。

### *.*.*.* 应用迭代器模式

迭代器模式非常适用于自定义集合类。例如，如