为什么数组需要在定义时设置维度？

Question

我在想，为什么我们不能像这样定义一些东西呢：

我只是想知道，为什么我们不能像这样定义一些东西：

int[] arr = new int[];
arr[0] = 1;

就像列表一样，自动调整大小。 我想知道的是为什么这是不可能的，我们需要每次以以下方式设置大小：

int[] arr = new int[1];
arr[0] = 1;

- Jake Manet

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因为这就是数组的工作方式。它们被语言定义为固定大小的容器。 - Frédéric Hamidi

我觉得这是一个非常有趣的问题。正如你自己所说，回答“因为C#/CLR规范规定如此”并不能完全解释。尝试这样做，特别是将其与C++的数组和向量进行比较，让我有了新的见解。 - Peter - Reinstate Monica

@PeterSchneider 我部分同意这个问题本身的概念是有趣的，但是所写的问题很差，对于 OP 的技能并没有给我们任何线索。在我看来，它太过广泛，无法回答。我们不知道 OP 的技能水平，因此从头开始完全解释为什么会这样很难。一个恰当的答案可能像一本简短的书那样长，因此我认为这个问题以其当前的格式无法回答。像“因为规格如此”之类的答案表明我正在应对不能编程的程序员。 - user2140173

@Peter Schneider 我同意。这是一个“愚蠢的问题”，许多人不知道答案，因此无论有意还是无意，都是非常出色的。即使是我思考只能基于有限的信息。 - NPSF3000

@mehow，如果你能回答这个问题并提供比“规格说明”更好的答案，我将非常高兴学习。 - NPSF3000

如果你还没有阅读过的话，我建议看一下Eric Lippert的文章《Arrays Considered Somewhat Harmful》。 - Daniel Pryden

Answer 1

List<T>的调整大小基于在需要时创建一个新数组来完成。

想一想这里的底层实现是什么样子的。当你分配一个数组时，它会保留一块内存空间，并且引用实际上指向该内存空间。如果你需要存储更多值而没有预留足够的空间，就需要在其他地方分配更多的内存，但是你不能改变引用以指向新的内存，因为这些引用散布在各处。（数组不知道有哪些引用指向它。）

显然可以通过增加一层间接性来解决这个问题--使得最初的引用是指向一个对象，该对象跟踪存储真实数据的位置，因此可以在需要时重新分配内存。这正是 List<T> 做的... 但这意味着有额外的间接层次。它的效率成本较高，部分原因是实际数据可能与 List 对象相隔很远，对缓存不利……并且仅仅通过额外的间接层次也会带来一定的成本。

基本上，如果你需要一个动态大小的集合，请使用 List<T>--那就是它存在的原因。如果你从开始就知道最终大小并且想要受益于数组“更接近底层”的方面，请使用数组。

数组是一个相对较低级别的概念--如果你需要一个高级抽象，请使用其中之一……

- Jon Skeet

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也许我们应该强调你隐含的话——这是一个效率问题。List中的间接引用可能会在某个内部循环中总体上变得昂贵。我假设在许多情况下，JIT可以使数组元素访问与C数组访问一样高效，而我认为在大多数情况下访问List元素则不能。因此，C#（或CLR）本可以像许多脚本语言一样设计动态数组，但代价是运行时更慢。 - Peter - Reinstate Monica

数组分配的内存是连续的吗？即使如此，为什么编译器不将数组移动到空闲位置，让我来做呢？最终结果是相同的，但如果我这样做可能会引发一些错误。 - Jake Manet

我之所以问这个问题，是因为我不明白为什么对数组的分散引用会阻止重新分配（引用只是在幕后更新，就像在垃圾回收运行后一样）。--哦，我明白你的意思了：对于日常用途来说太昂贵了。 - Peter - Reinstate Monica

@PeterSchneider：关键是你不希望每次有人向集合中添加一个项目时都进行协调（检查整个堆是否有对数组的引用！）。 - Jon Skeet

@JonSkeet 是的，这正是我所期望的。 - dcastro

Answer 2

因为数组在内存中是连续的，所以在创建数组时必须分配足够的内存来存储其内容。

假设你有一个包含100个项目的数组。现在你再添加一个项目，就必须要声明第101个项目之后的内存地址。如果该地址已被使用，怎么办？

这就是为什么不能动态调整数组大小的原因。

- dcastro

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但在C#中，你有各种愿意自动调整大小的容器，其中一些还是连续的（比如List）。那么它们之间有什么区别呢？也许可以将原始问题重新表达为“为什么还需要数组？”考虑到数组和列表之间广泛的功能重叠。（Jon Skeet给出了答案，并进行了后续讨论。） - Peter - Reinstate Monica

我认为这是一个后续问题，而不是主要问题。但我的答案是 - 它们是不同抽象级别。这就像问我们为什么需要一个 Queue<T> 当我们已经有了一个 ConcurrentQueue<T>？不同的抽象级别。 - dcastro

数组存在的原因是有时候，这就是你所需要的 - 你不需要 List<T> 给你的任何花哨的东西。它们也是大多数其他集合的构建块。 - dcastro

Answer 3

我的猜测是“因为它被指定为这样”-这使得数组具有特定的性能特征和高度理想的优化能力。虽然这些优点可能已经被设计者注意到，并影响了使用类似结构的其他语言（如C、C++、Java-Footnote 1），但他们确实可以定义它来做 任何事情。

例如，List<T>必须调整内部数组的大小，通常会分配比必要更多的内存（除非您刚好使用了分配的空间），同时创建垃圾。

C#语言规范的1.8节中有以下内容：

一个数组是一种数据结构，包含通过计算的索引访问的多个变量。数组中包含的变量，也称为数组的元素，都是相同类型的，这种类型称为数组的元素类型。

数组类型是引用类型，数组变量的声明只是为数组实例保留了引用空间。实际的数组实例是在运行时使用new运算符动态创建的。新操作指定了新数组实例的长度，该长度在实例的生命周期内保持不变。数组元素的索引范围从0到Length-1。new运算符会自动将数组的元素初始化为它们的默认值，例如，对于所有数值类型，其默认值为零，对于所有引用类型，其默认值为null。

此外，没有提到的是，数组边界检查被认为是“软件工程原则”之一-如ECMA 334规范中描述设计目标时所述：

语言及其实现应支持软件工程原则，如强类型检查、数组边界检查、检测未初始化变量的尝试以及自动垃圾回收。软件健壮性、耐久性和程序员生产力都很重要。

C#（发音为“See Sharp”）是一种简单、现代、面向对象和类型安全的编程语言。C#起源于C家族语言，对C、C++和Java程序员来说将会非常熟悉。脚注1 - C#语言规范介绍

- NPSF3000

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@mwhow，为什么会这样呢？你知道吗？John Skeet的回答指向了实现方式，我的也是，但如果他们愿意，他们可以采用不同的实现方式。 - NPSF3000

“将会立即熟悉C、C++和Java程序员。”这完全是题外话。在C#中，数组与C、Java等的数组实际上有些不同。 - user2140173

@Mehow，与其完全偏离主题，这是C#的一个关键设计目标。 C、C++或Java是否非固定长度？注意：“熟悉”≠“相同”。 - NPSF3000

Answer 4

那是因为数组需要分配内存，框架需要知道需要多少内存。

如果你想要一个动态大小的“数组”，请使用List。

列表实际上包装了一个数组。当添加的项目超过当前数组时，会创建一个新数组（通常是两倍大小），旧项目会移动到新数组中。删除则相反。

- Patrick Hofman

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OP 想知道为什么。 - Sam Leach

@Sam，“因为规范这样说”？说真的，这就像问“为什么int是32位宽度？”一样。语言就是这样工作的。 - Frédéric Hamidi

Answer 5

因为数组的大小是静态的，定义时不可变的。如果您想要一个动态大小的集合，有其他的选择，比如您提到的列表。

但是您可以延迟声明数组的大小。

int[] numbers;
numbers = new int[10];  
numbers = new int[20];  

- ManOnAMission

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OP 想知道为什么。 - Sam Leach