C# 數組與字符串：全面解析與應用實踐

在C#編程語言中，數組和字符串是兩種最基礎也是最重要的數據類型。無論是簡單的控制臺應用程序，還是復雜的企業級系統，數組和字符串都扮演著不可或缺的角色。本文將全面深入地探討C#中數組和字符串的特性、使用方法、性能考量以及實際應用場景，幫助開發者掌握這些核心概念，并能在實際項目中靈活運用。

第一部分：C#數組詳解

1.1 數組的基本概念

數組是C#中用于存儲相同類型元素的固定大小的集合。它是一種引用類型，存儲在堆內存中。數組的主要特點包括：

類型統一：數組中的所有元素必須是同一數據類型
固定大小：數組在創建時就確定了長度，無法動態改變
索引訪問：通過從0開始的整數索引訪問元素
連續內存：元素在內存中是連續存儲的

1.2 一維數組的使用

一維數組是最簡單的數組形式，也是最常用的。以下是創建和使用一維數組的完整示例：

// 聲明數組的多種方式
int[] numbers1 = new int[5]; // 聲明長度為5的整型數組
int[] numbers2 = new int[] {1, 2, 3, 4, 5}; // 聲明并初始化
int[] numbers3 = {6, 7, 8, 9, 10}; // 簡化的初始化語法// 訪問和修改數組元素
numbers1[0] = 100; // 設置第一個元素
int firstElement = numbers2[0]; // 獲取第一個元素// 遍歷數組的幾種方法
// 1. 使用for循環
for (int i = 0; i < numbers1.Length; i++)
{Console.WriteLine($"Index {i}: {numbers1[i]}");
}// 2. 使用foreach循環
foreach (int num in numbers2)
{Console.WriteLine(num);
}// 3. 使用Array.ForEach方法
Array.ForEach(numbers3, Console.WriteLine);

1.3 多維數組與鋸齒數組

1.3.1 多維數組

多維數組適用于表示表格、矩陣等數據結構。C#支持二維、三維甚至更高維度的數組。

// 二維數組示例
int[,] matrix = new int[3, 4]; // 3行4列的矩陣
matrix[0, 0] = 1; // 第一行第一列
matrix[2, 3] = 12; // 最后一行最后一列// 初始化二維數組
int[,] predefinedMatrix = {{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}
};// 遍歷二維數組
for (int row = 0; row < predefinedMatrix.GetLength(0); row++)
{for (int col = 0; col < predefinedMatrix.GetLength(1); col++){Console.Write($"{predefinedMatrix[row, col]} ");}Console.WriteLine();
}

1.3.2 鋸齒數組（Jagged Array）

鋸齒數組是數組的數組，每個子數組可以有不同的長度。

// 創建鋸齒數組
int[][] jaggedArray = new int[3][];
jaggedArray[0] = new int[] {1, 2, 3};
jaggedArray[1] = new int[] {4, 5};
jaggedArray[2] = new int[] {6, 7, 8, 9};// 訪問元素
int value = jaggedArray[1][0]; // 4// 遍歷鋸齒數組
for (int i = 0; i < jaggedArray.Length; i++)
{for (int j = 0; j < jaggedArray[i].Length; j++){Console.Write($"{jaggedArray[i][j]} ");}Console.WriteLine();
}

1.4 數組的常用方法和屬性

C#數組提供了許多有用的方法和屬性：

int[] numbers = {5, 3, 8, 1, 9};// 長度屬性
int length = numbers.Length; // 5// 排序
Array.Sort(numbers); // 1, 3, 5, 8, 9// 反轉
Array.Reverse(numbers); // 9, 8, 5, 3, 1// 查找元素索引
int index = Array.IndexOf(numbers, 5); // 2// 復制數組
int[] copy = new int[numbers.Length];
Array.Copy(numbers, copy, numbers.Length);// 清空數組
Array.Clear(numbers, 0, numbers.Length);

1.5 數組的性能考量

內存效率：數組在內存中是連續存儲的，訪問速度快
固定大小：創建后無法改變大小，可能導致內存浪費或空間不足
插入/刪除成本：在數組中間插入或刪除元素需要移動后續元素
適合場景：元素數量已知且不常變化的場景

第二部分：C#字符串深入解析

2.1 字符串的基本特性

C#中的字符串是System.String類的實例，具有以下重要特性：

不可變性(Immutability)：字符串一旦創建就不能修改，任何"修改"操作都會創建新字符串
Unicode編碼：支持國際化字符集
引用類型：雖然表現類似值類型，但實際上是引用類型
字符串池(String Interning)：編譯時會優化相同字符串的內存使用

2.2 字符串的創建與初始化

// 創建字符串的多種方式
string str1 = "Hello World"; // 直接賦值
string str2 = new string('*', 10); // **********
char[] letters = {'A', 'B', 'C'};
string str3 = new string(letters); // "ABC"// 逐字字符串(@)與轉義字符
string path1 = "C:\\Windows\\System32"; // 需要轉義
string path2 = @"C:\Windows\System32"; // 不需要轉義// 多行字符串
string multiLine = @"第一行
第二行
第三行";

2.3 字符串的常用操作

2.3.1 基本操作

string text = "C# Programming Language";// 長度
int len = text.Length; // 22// 訪問字符
char firstChar = text[0]; // 'C'// 連接字符串
string combined = text + " by Microsoft"; // 使用+運算符
string concat = string.Concat(text, " ", "is powerful"); // 使用Concat方法

2.3.2 字符串比較

string a = "hello";
string b = "HELLO";// 區分大小寫比較
bool equal1 = a.Equals(b); // false
bool equal2 = a.Equals(b, StringComparison.OrdinalIgnoreCase); // true// == 運算符
bool equal3 = (a == b); // false// Compare方法
int result = string.Compare(a, b, StringComparison.OrdinalIgnoreCase); // 0表示相等

2.3.3 字符串查找與截取

string sentence = "The quick brown fox jumps over the lazy dog";// 查找子字符串
int index1 = sentence.IndexOf("fox"); // 16
int index2 = sentence.LastIndexOf("the"); // 31// 檢查開頭和結尾
bool starts = sentence.StartsWith("The"); // true
bool ends = sentence.EndsWith("dog"); // true// 子字符串
string sub1 = sentence.Substring(4, 5); // "quick"
string sub2 = sentence[16..19]; // C# 8.0的切片語法 "fox"

2.3.4 字符串修改

string original = "   Hello World   ";// 修剪空白
string trimmed = original.Trim(); // "Hello World"// 替換
string replaced = original.Replace("World", "C#"); // "   Hello C#   "// 大小寫轉換
string upper = original.ToUpper(); // "   HELLO WORLD   "
string lower = original.ToLower(); // "   hello world   "// 插入和刪除
string inserted = original.Insert(5, ","); // "   He,llo World   "
string removed = original.Remove(5, 3); // "   He World   "

2.3.5 字符串分割與連接

// 分割字符串
string csv = "apple,orange,banana,grape";
string[] fruits = csv.Split(','); // ["apple", "orange", "banana", "grape"]// 連接字符串數組
string[] words = {"The", "quick", "brown", "fox"};
string joined1 = string.Join(" ", words); // "The quick brown fox"
string joined2 = string.Join("-", words); // "The-quick-brown-fox"

2.4 字符串格式化

// 復合格式化
string formatted1 = string.Format("Today is {0:yyyy-MM-dd}", DateTime.Now);// 字符串插值(C# 6.0+)
string name = "Alice";
int age = 25;
string formatted2 = $"My name is {name} and I'm {age} years old";// 數字格式化
double price = 19.99;
string priceStr = price.ToString("C"); // "$19.99"
string percent = 0.25.ToString("P"); // "25.00%"

2.5 StringBuilder類

由于字符串的不可變性，頻繁修改字符串會導致性能問題。StringBuilder類提供了高效的字符串構建方式：

using System.Text;StringBuilder sb = new StringBuilder();// 追加內容
sb.Append("Hello");
sb.AppendLine(" World!"); // 自動添加換行
sb.AppendFormat("Today is {0:dddd}", DateTime.Now);// 插入和刪除
sb.Insert(5, ",");
sb.Remove(5, 1);// 容量管理
sb.EnsureCapacity(100); // 確保最小容量// 獲取最終字符串
string result = sb.ToString();

StringBuilder特別適用于：

需要大量字符串連接的循環中
構建大型或復雜的字符串
需要頻繁修改字符串內容的場景

第三部分：數組與字符串的交互

3.1 字符串與字符數組的轉換

// 字符串轉字符數組
string str = "Hello";
char[] chars = str.ToCharArray();// 字符數組轉字符串
char[] letters = {'A', 'B', 'C'};
string newStr = new string(letters); // "ABC"// 修改字符串中的字符(通過字符數組)
char[] temp = str.ToCharArray();
temp[0] = 'J'; // 修改第一個字符
string modified = new string(temp); // "Jello"

3.2 字符串與字節數組的轉換

// 字符串轉字節數組
string text = "Hello";
byte[] bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(text);// 字節數組轉字符串
string decoded = Encoding.UTF8.GetString(bytes);// 不同編碼的轉換
byte[] unicodeBytes = Encoding.Unicode.GetBytes(text);
string fromUnicode = Encoding.Unicode.GetString(unicodeBytes);

3.3 字符串分割為數組與數組合并為字符串

// 復雜字符串分割
string data = "Name:John;Age:30;City:New York";
string[] pairs = data.Split(';'); // ["Name:John", "Age:30", "City:New York"]// 進一步分割
foreach (string pair in pairs)
{string[] keyValue = pair.Split(':');Console.WriteLine($"Key: {keyValue[0]}, Value: {keyValue[1]}");
}// 多維數組轉換為字符串
int[,] matrix = { {1, 2}, {3, 4} };
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < matrix.GetLength(0); i++)
{for (int j = 0; j < matrix.GetLength(1); j++){sb.Append(matrix[i, j] + " ");}sb.AppendLine();
}
string matrixString = sb.ToString();

第四部分：實際應用場景

4.1 數組的應用場景

數據處理：存儲和處理大量同類型數據
算法實現：排序、搜索等算法的基礎數據結構
游戲開發：存儲游戲對象、地圖數據等
圖像處理：像素數據的存儲和處理
數學計算：矩陣運算、向量計算等

4.2 字符串的應用場景

文本處理：日志分析、文檔處理
數據序列化：JSON、XML等格式的字符串處理
用戶輸入驗證：表單驗證、數據清洗
報告生成：動態構建報告內容
網絡通信：HTTP請求和響應的處理

4.3 性能優化建議

數組優化：
- 預分配足夠大的數組以避免頻繁擴容
- 考慮使用Buffer.BlockCopy進行字節數組的高效復制
- 對于數值計算，考慮使用Span<T>或Memory<T>減少內存分配
字符串優化：
- 避免在循環中使用字符串連接，改用StringBuilder
- 使用StringComparison.Ordinal進行不需要文化敏感性的比較
- 考慮使用string.Create方法減少內存分配
- 對于只讀場景，考慮使用ReadOnlySpan<char>處理字符串