FCL研究-集合- System.Collections 接口和对象集合

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发现自己已经有很长一段时间写代码没什么进步了，随便读读FCL的源码，看看之前一直用的方法是如何实现的，也顺便提高下自己。FCL很是庞大，很难下口，于是用最笨的办法，先看常见的命名空间，逐个展开。战五渣的水平，必定有很多理解上的错误，欢迎斧正，不胜感激。

System.Collections  命名空间中的集合包含（如列表、队列、位数组、哈希表和字典）的集合。

本篇目录：

IEnumerable，ICollection，IList，IDictionary

ArrayList

Queue

Stack

SortedList

集合的接口

在刚开始写程序的时候的时候经常会写一些接口，哪怕这个接口只被用到了一次，也要抽象一个接口出来，这样显得牛X一些。到后来，接口几乎从日常的代码中消失，能简单就简单。看了FCL的源码，发现，这些接口很有必要，而且抽象的恰到好处，不经拍案叫绝。

很难想象，如果没有这些接口，庞大的FCL将如何构建，如何约束那些类。每个集合的操作方法类似，名称各不相同，对于使用者来说，也绝对是件很苦逼的事情。接口是一种规范，实现了某一个接口，便具备了改接口的功能。所以了解某一个集合的性质和功能，首先需要了解它实现了哪些接口。

集合中常见的接口有IEnumerable，IEnumerator，ICollection，IComparer，IDictionary，IDictionaryEnumerator，ListDictionaryInternal，IEnumerator，IHashCodeProvider，IList，IStructuralComparable等。彻底晕菜了！新建 Class Diagram ，将几个主要接口拖入后，结构便很清晰了。

所有的集合都是继承了IEnumerable,逐个分析每个接口的实现。IEnumerable的源码，其中 PureAttribute来表示自己是很纯的，协定的东西。DispId 属性被用来指定一个OLE 的自动化 DISPID，COM交互时会使用。查了下使用的地方在 ComAwareEventInfo.cs 中，请自行查阅。 IEnumerator GetEnumerator(); 使用了组合模式，正是因为这个方法，所有的集合才可以使用Foreach方法。在后面研究集合的时候会详细的看下IEnumerator的实现。

IEnumerable源码

  public interface IEnumerable
    {
        // Interfaces are not serializable
        // Returns an IEnumerator for this enumerable Object.  The enumerator provides
        // a simple way to access all the contents of a collection.
        [Pure]
        [DispId(-4)]
        IEnumerator GetEnumerator();
    }

IEnumerator源码

   public interface IEnumerator
    {

        bool MoveNext();//索引位置向后移

        Object Current {//当前对象
            get;
        }

        void Reset();//重置索引到第一个位置
    }

接口ICollection 继承了IEnumerable，定义了集合基本的元素，大小（count）枚举器（继承自IEnumerable 的GetEnumerator），同步方法（使用 IsSynchronized，SyncRoot），这里涉及一个锁的问题，如果对这个集合元素锁定后不可读与写，那么锁定这个集合的本身，如果锁定这个集合，不可写，可以读，那么锁定这个集合的SyncRoot。为什么使用Synchronized 方法返回的类是线程安全的呢，来看下具体的实现方式吧，以ArrayList为例

var al=  ArrayList.Synchronized(new ArrayList());

 public static ArrayList Synchronized(ArrayList list) {
            if (list==null)
                throw new ArgumentNullException("list");
            Contract.Ensures(Contract.Result<ArrayList>() != null);
            Contract.EndContractBlock();
            return new SyncArrayList(list);
        }

具体的实现在SyncArrayList中下面是部分源码：

 private class SyncArrayList : ArrayList
        {
            private ArrayList _list;
            private Object _root;

            internal SyncArrayList(ArrayList list)
                : base( false )
            {
                _list = list;
                _root = list.SyncRoot;
            }

            public override int Capacity {
                get {
                    lock(_root) {
                        return _list.Capacity;
                    }
                }
                [SuppressMessage("Microsoft.Contracts", "CC1055")]  // Skip extra error checking to avoid *potential* AppCompat problems.
                set {
                    lock(_root) {
                        _list.Capacity = value;
                    }
                }
            }

            public override int Count {
                get { lock(_root) { return _list.Count; } }
            }

            public override bool IsReadOnly {
                get { return _list.IsReadOnly; }
            }

            public override bool IsFixedSize {
                get { return _list.IsFixedSize; }
            }

            public override bool IsSynchronized {
                get { return true; }
            }

             public override Object this[int index] {
                get {
                    lock(_root) {
                        return _list[index];
                    }
                }
                set {
                    lock(_root) {
                        _list[index] = value;
                    }
                }
            }

            public override Object SyncRoot {
                get { return _root; }
            }

            public override int Add(Object value) {
                lock(_root) {
                    return _list.Add(value);
                }
            }

           ...

            }
        }

实现的方式也很简单，所有的数据操作全部上锁，所以就线程安全了

学习数据结构的时候，线性表有几种操作，初始化，清空，获取某一个位置元素，判断元素是否存在，插入，删除，获取长度。很多元素是可以标准化的，IList就是干这个的。

IList的具体实现：

  public interface IList : ICollection
    {
       //索引器
        Object this[int index] {
            get;
            set;
        }
      //插入
        int Add(Object value);
      //判断是否包含
        bool Contains(Object value);
      //清空
        void Clear();

      //判断是否为只读 只读集合在创建之后不允许添加、移除或修改元素。
        bool IsReadOnly
        { get; }
       //是否是固定大小
        bool IsFixedSize
        {
            get;
        }
       //取元素索引值
        int IndexOf(Object value);
      //指定索引位置插入元素
        void Insert(int index, Object value);
      //删除某个元素
        void Remove(Object value);
       //删除指定索引的元素
        void RemoveAt(int index);
    }

字典集合的抽象接口为IDictionary，字典类型的操作有，获取keys，获取values，添加，删除，清空等。实现源码如下：

  public interface IDictionary : ICollection
    {
        // Interfaces are not serializable
        // The Item property provides methods to read and edit entries
        // in the Dictionary.
        Object this[Object key] {
            get;
            set;
        }
        // Returns a collections of the keys in this dictionary.
        ICollection Keys {
            get;
        }
        // Returns a collections of the values in this dictionary.
        ICollection Values {
            get;
        }
        // Returns whether this dictionary contains a particular key.
        //
        bool Contains(Object key);
        // Adds a key-value pair to the dictionary.
        void Add(Object key, Object value);
        // Removes all pairs from the dictionary.
        void Clear();
        bool IsReadOnly
        { get; }
        bool IsFixedSize
        { get; }
        // Returns an IDictionaryEnumerator for this dictionary.
        new IDictionaryEnumerator GetEnumerator();
        // Removes a particular key from the dictionary.
        //
        void Remove(Object key);
    }

ArrayList

ArrayList动态容量的实现

ArrayList方法底层实现探究

ArrayList动态容量的实现

ArrayList  为动态数组，动态的添加和减少线性表的长度，不用担心长度不够而抛异常。首先我们来探究下，这个动态的长度是如何实现的。查看arraylist.cs文件。

        public virtual int Add(Object value) {
            Contract.Ensures(Contract.Result<int>() >= 0);
            if (_size == _items.Length) EnsureCapacity(_size + 1);
            _items[_size] = value;
            _version++;
            return _size++;
        }

ArrayList添加元素方法， Contract.Ensures(Contract.Result<int>() >= 0);这句可以忽略，契约式编程，可以自己搜索。顺腾摸瓜，进入EnsureCapacity函数：

private void EnsureCapacity(int min) {
            if (_items.Length < min) {
                int newCapacity = _items.Length == 0? _defaultCapacity: _items.Length * 2;//定义一个新的容量，如果当然容量是0，就用默认的，否则就当前容量*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;//如果新的容量比Array数组的最大值还大，那么就赋最大的值
                if (newCapacity < min) newCapacity = min;//如果新的容量比传入的最小值要小，那么赋最小值
                Capacity = newCapacity;//容量等于新的容量
            }
        }

学过数据结构我们都知道，线性表增加容量，肯定要移动元素的。这个地方没看到，那么在找Capacity的Set方法。如下：

 public virtual int Capacity {
            get {
                Contract.Ensures(Contract.Result<int>() >= Count);
                return _items.Length;
            }
            set {
                if (value < _size) {
                    throw new ArgumentOutOfRangeException("value", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_SmallCapacity"));
                }
                Contract.Ensures(Capacity >= 0);
                Contract.EndContractBlock();
                // We don't want to update the version number when we change the capacity.
                // Some existing applications have dependency on this.
                if (value != _items.Length) {
                    if (value > 0) {
                        Object[] newItems = new Object[value];
                        if (_size > 0) {
                          Array.Copy(_items, 0, newItems, 0, _size);//ArrayList的长度发生改变时，就要来一次迁移
                        }
                        _items = newItems;
                    }
                    else {
                        _items = new Object[_defaultCapacity];
                    }
                }
            }
        }

private const int _defaultCapacity = 4;默认的容量是4.不管容量是变大还是变小，都要移动元素，性能肯定是会有到影响的。

ArrayList方法底层实现探究

继续跟踪Array.Copy 来看下具体是怎么实现的，最后跟踪的代码:

        [System.Security.SecurityCritical]  // auto-generated
        [ReliabilityContract(Consistency.MayCorruptInstance, Cer.MayFail)]
        [ResourceExposure(ResourceScope.None)]
        [MethodImplAttribute(MethodImplOptions.InternalCall)]
        internal static extern void Copy(Array sourceArray, int sourceIndex, Array destinationArray, int destinationIndex, int length, bool reliable);

[MethodImplAttribute(MethodImplOptions.InternalCall)]由这个属性猜出来，这个是CLR内部实现的，没法看。好奇心有强怎么办，好吧，拿出sscli(.net 2.0 的clr源码)，在ecall.cpp里面看到这个

 FCFuncElement("Copy", SystemNative::ArrayCopy)//

仔细看，能看出个大概。经过阅读FCL源码会发现，几乎所有的集合Copy,CopyTo 方法，最终都是调用Array.Copy,Array.Copy最终调用的是下面这个CLR中的方法

CLR中的源码如下：

FCIMPL6(void, SystemNative::ArrayCopy, ArrayBase* m_pSrc, INT32 m_iSrcIndex, ArrayBase* m_pDst, INT32 m_iDstIndex, INT32 m_iLength, CLR_BOOL reliable)
{
    BYTE *src;
    BYTE *dst;
    int  size;

    struct _gc
    {
        BASEARRAYREF pSrc;
        BASEARRAYREF pDst;
    } gc;

    gc.pSrc = (BASEARRAYREF)m_pSrc;
    gc.pDst = (BASEARRAYREF)m_pDst;

    //
    // creating a HelperMethodFrame is quite expensive,
    // so we want to delay this for the most common case which doesn't trigger a GC.
    // FCThrow is needed to throw an exception without a HelperMethodFrame
    //
    WRAPPER_CONTRACT;
    STATIC_CONTRACT_SO_TOLERANT;

    // cannot pass null for source or destination
    if (gc.pSrc == NULL || gc.pDst == NULL) {
        FCThrowArgumentNullVoid(gc.pSrc==NULL ? L"source" : L"dest");
    }

    // source and destination must be arrays
    _ASSERTE(gc.pSrc->GetMethodTable()->IsArray());
    _ASSERTE(gc.pDst->GetMethodTable()->IsArray());

    g_IBCLogger.LogEEClassAndMethodTableAccess(gc.pSrc->GetArrayClass());

    // Equal method tables should imply equal rank
    _ASSERTE(!(gc.pSrc->GetMethodTable() == gc.pDst->GetMethodTable() && gc.pSrc->GetRank() != gc.pDst->GetRank()));

    // Which enables us to avoid touching the EEClass in simple cases
    if (gc.pSrc->GetMethodTable() != gc.pDst->GetMethodTable() && gc.pSrc->GetRank() != gc.pDst->GetRank()) {
        FCThrowResVoid(kRankException, L"Rank_MustMatch");
    }

    // Variant is dead.
    _ASSERTE(gc.pSrc->GetMethodTable() != COMVariant::s_pVariantClass);
    _ASSERTE(gc.pDst->GetMethodTable() != COMVariant::s_pVariantClass);

    int srcLB = gc.pSrc->GetLowerBoundsPtr()[0];
    int destLB = gc.pDst->GetLowerBoundsPtr()[0];
    // array bounds checking
    const unsigned int srcLen = gc.pSrc->GetNumComponents();
    const unsigned int destLen = gc.pDst->GetNumComponents();
    if (m_iLength < 0)
        FCThrowArgumentOutOfRangeVoid(L"length", L"ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum");

    if (m_iSrcIndex < srcLB || (m_iSrcIndex - srcLB < 0))
        FCThrowArgumentOutOfRangeVoid(L"srcIndex", L"ArgumentOutOfRange_ArrayLB");

    if (m_iDstIndex < destLB || (m_iDstIndex - destLB < 0))
        FCThrowArgumentOutOfRangeVoid(L"dstIndex", L"ArgumentOutOfRange_ArrayLB");

    if ((DWORD)(m_iSrcIndex - srcLB + m_iLength) > srcLen)
        FCThrowResVoid(kArgumentException, L"Arg_LongerThanSrcArray");

    if ((DWORD)(m_iDstIndex - destLB + m_iLength) > destLen)
        FCThrowResVoid(kArgumentException, L"Arg_LongerThanDestArray");

    int r = 0;

    // Small perf optimization - we copy from one portion of an array back to
    // itself a lot when resizing collections, etc.  The cost of doing the type
    // checking is significant for copying small numbers of bytes (~half of the time
    // for copying 1 byte within one array from element 0 to element 1).
    if (gc.pSrc == gc.pDst)
        r = AssignWillWork;
    else
        r = CanAssignArrayTypeNoGC(gc.pSrc, gc.pDst);

    if (r == AssignWrongType) {
        FCThrowResVoid(kArrayTypeMismatchException, L"ArrayTypeMismatch_CantAssignType");
    }

    if (r == AssignWillWork) {
        src = (BYTE*)gc.pSrc->GetDataPtr();
        dst = (BYTE*)gc.pDst->GetDataPtr();
        size = gc.pSrc->GetMethodTable()->GetComponentSize();
        g_IBCLogger.LogMethodTableAccess(gc.pSrc->GetMethodTable());
        m_memmove(dst + ((m_iDstIndex - destLB) * size), src + ((m_iSrcIndex - srcLB) * size), m_iLength * size);
        if (gc.pDst->GetMethodTable()->ContainsPointers())
        {
            GCHeap::GetGCHeap()->SetCardsAfterBulkCopy( (Object**) (dst + (m_iDstIndex * size)), m_iLength * size);
        }
        FC_GC_POLL();
        return;
    }
    else if (reliable) {
        FCThrowResVoid(kArrayTypeMismatchException, L"ArrayTypeMismatch_ConstrainedCopy");
    }

    BOOL castEachElement = false;
    BOOL boxEachElement = false;
    BOOL unboxEachElement = false;
    BOOL primitiveWiden = false;

    HELPER_METHOD_FRAME_BEGIN_PROTECT(gc);
    if (r == AssignDontKnow)
    {
        r = CanAssignArrayType(gc.pSrc, gc.pDst);
    }
    CONSISTENCY_CHECK(r != AssignDontKnow);

    switch (r)
    {
        case AssignWrongType:
            COMPlusThrow(kArrayTypeMismatchException, L"ArrayTypeMismatch_CantAssignType");
            break;

        case AssignMustCast:
            castEachElement = true;
            break;

        case AssignWillWork:
            break;

        case AssignBoxValueClassOrPrimitive:
            boxEachElement = true;
            break;

        case AssignUnboxValueClassAndCast:
            castEachElement = true;
            unboxEachElement = true;
            break;

        case AssignPrimitiveWiden:
            primitiveWiden = true;
            break;

        default:
            _ASSERTE(!"Fell through switch in Array.Copy!");
    }
    // If we were called from Array.ConstrainedCopy, ensure that the array copy
    // is guaranteed to succeed.
    _ASSERTE(!reliable || r == AssignWillWork);

    if (m_iLength > 0)
    {
        // Casting and boxing are mutually exclusive.  But casting and unboxing may
        // coincide -- they are handled in the UnboxEachElement service.
        _ASSERTE(!boxEachElement || !castEachElement);

        if (r == AssignWillWork)
        {
            src = (BYTE*)gc.pSrc->GetDataPtr();
            dst = (BYTE*)gc.pDst->GetDataPtr();
            size = gc.pSrc->GetMethodTable()->GetComponentSize();
            g_IBCLogger.LogMethodTableAccess(gc.pSrc->GetMethodTable());
            m_memmove(dst + ((m_iDstIndex - destLB) * size), src + ((m_iSrcIndex - srcLB) * size), m_iLength * size);
            if (gc.pDst->GetMethodTable()->ContainsPointers())
            {
                GCHeap::GetGCHeap()->SetCardsAfterBulkCopy( (Object**) (dst + (m_iDstIndex * size)), m_iLength * size);
            }
        }
        else if (unboxEachElement)
        {
            UnBoxEachElement(gc.pSrc, m_iSrcIndex - srcLB, gc.pDst, m_iDstIndex - destLB, m_iLength, castEachElement);
        }
        else if (boxEachElement)
        {
            BoxEachElement(gc.pSrc, m_iSrcIndex - srcLB, gc.pDst, m_iDstIndex - destLB, m_iLength);
        }
        else if (castEachElement)
        {
            _ASSERTE(!unboxEachElement);   // handled above
            CastCheckEachElement(gc.pSrc, m_iSrcIndex - srcLB, gc.pDst, m_iDstIndex - destLB, m_iLength);
        }
        else if (primitiveWiden)
        {
            PrimitiveWiden(gc.pSrc, m_iSrcIndex - srcLB, gc.pDst, m_iDstIndex - destLB, m_iLength);
        }
    }

    HELPER_METHOD_FRAME_END();
}
FCIMPLEND

IndexOf 的具体实现如下，为了更容易阅读，我把里面的前置判断去掉了。可以看到一个简单的函数，但是极为严谨，再回想自己写的代码，弱爆了。加了一点注释。

  public static int IndexOf(Array array, Object value, int startIndex, int count) {
            int lb = array.GetLowerBound(0);
            // Try calling a quick native method to handle primitive types.
            int retVal;
            bool r = TrySZIndexOf(array, startIndex, count, value, out retVal);
            if (r)
                return retVal; 

            Object[] objArray = array as Object[]; //转换为object 数组
            int endIndex = startIndex + count;
            if (objArray != null) { //转换之后不为null
                if (value == null) { //如果传入的值为null，则查找objArray里面为null的，返回改值的位置
                    for (int i = startIndex; i < endIndex; i++) {
                        if (objArray[i] == null) return i;
                    }
                }
                else {//如果传入的值不为null，则逐个查找，找到后返回该值的位置
                    for (int i = startIndex; i < endIndex; i++) {
                        Object obj = objArray[i];  //这个地方为什么要单独出来呢，直接这样  if (objArray[i]!= null && objArray[i].Equals(value)) ，之前自己的代码全是这么写的。
                                                   // 仔细推敲下，在if()里面只要取一次就好，性能应该可以稍微快一点。
                        if (obj != null && obj.Equals(value)) return i;
                    }
                }
            }
            else {
                for (int i = startIndex; i < endIndex; i++) {
                    Object obj = array.GetValue(i);//这个地方应该和上面类似
                    if( obj == null) {
                        if(value == null) return i;
                    }
                    else {
                        if( obj.Equals(value)) return i;
                    }
                }
            }
            // Return one less than the lower bound of the array.  This way,
            // for arrays with a lower bound of -1 we will not return -1 when the
            // item was not found.  And for SZArrays (the vast majority), -1 still
            // works for them.
            return lb-1;
        }

里面的调用，可以在sscli中找到具体的实现

  bool r = TrySZIndexOf(array, startIndex, count, value, out retVal);

最终的c++代码，很简单不是么

  static int IndexOf(KIND array[], UINT32 index, UINT32 count, KIND value) {
        LEAF_CONTRACT;

        _ASSERTE(array != NULL && index >= 0 && count >= 0);
        for(UINT32 i=index; i<index+count; i++)
            if (array[i] == value)
                return i;
        return -1;
    }

LastIndexOf方法和IndexOf方法类似，不详细看了。看下Add和Insert方法的实现：

 public virtual int Add(Object value) {
      if (_size == _items.Length) EnsureCapacity(_size + 1);//首先确保容量要够，不够会自动成倍添加，上面说过
            _items[_size] = value;
            _version++;
            return _size++;
        }

 public virtual void Insert(int index, Object value) {

           if (index < 0 || index > _size) throw new ArgumentOutOfRangeException("index", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_ArrayListInsert"));

            if (_size == _items.Length) EnsureCapacity(_size + 1);
            if (index < _size) {//如果插入的index比当前的长度要小，那么index之后的元素要后移
                Array.Copy(_items, index, _items, index + 1, _size - index); //调用内部方法，上面已给出
            }
            _items[index] = value;
            _size++;
            _version++;
        }

有源码可以看出，Add方法是直接添加到线性表的表尾，Insert方法是直接插入到指定位置，制定位置之后的元素要依次后移。显然Add方法的效率要高一些。用于添加的方法还有  AddRange和InsertRange，顾名思义就是插入一个范围数据即插入集合。那这两个方法有什么异同呢？先看AddRange吧

 public virtual void AddRange(ICollection c) {
            InsertRange(_size, c);
        }

AddRange的方法是直接调用的InsertRange，从末尾插入一个集合。InsertRange源码如下：

 public virtual void InsertRange(int index, ICollection c) {
            int count = c.Count;
            if (count > 0) {
                EnsureCapacity(_size + count);
                // shift existing items
                if (index < _size) {//依次向后移位，腾出位置
                    Array.Copy(_items, index, _items, index + count, _size - index);
                } 

                Object[] itemsToInsert = new Object[count];//新建一个object数组
                c.CopyTo(itemsToInsert, 0);//将新加的集合拷贝到新建的object数组中
                itemsToInsert.CopyTo(_items, index);//再讲这个新建的数组拷贝到源列表中
                _size += count;
                _version++;
            }
        }

下面看下ArrayList的排序方法的实现Sort:

 public virtual void Sort()
        {
            Sort(0, Count, Comparer.Default);
        }
//fcl里的最终的实现
 public static void Sort(Array keys, Array items, int index, int length, IComparer comparer) { 

            if (length > 1) {
                //如果是默认的，那么调用内部方法，下面会详细给出
                if (comparer == Comparer.Default || comparer == null) {
                    bool r = TrySZSort(keys, items, index, index + length - 1);
                    if (r)
                        return;
                }

                Object[] objKeys = keys as Object[];
                Object[] objItems = null;
                if (objKeys != null)
                    objItems = items as Object[];
                if (objKeys != null && (items==null || objItems != null)) {
                    SorterObjectArray sorter = new SorterObjectArray(objKeys, objItems, comparer);
                    sorter.QuickSort(index, index + length - 1);
                }
                else {
                    SorterGenericArray sorter = new SorterGenericArray(keys, items, comparer);
                    sorter.QuickSort(index, index + length - 1);
                }
            }
        }

可以自己实现一个比较器IComparer，也可以使用默认的比较器。如果使用的是默认的比较器，那么将会调用clr底层的快速排序方法，下面是从sscli中查到的C++源码：

  static void QuickSort(KIND keys[], KIND items[], int left, int right) {//KIND 在头部给出了定义 template <class KIND>
        WRAPPER_CONTRACT;

        // Make sure left != right in your own code.
        _ASSERTE(keys != NULL && left < right);
        do {
            int i = left;
            int j = right;
            KIND x = keys[i + ((j - i) >> 1)];
            do {
                while (keys[i] < x) i++;
                while (x < keys[j]) j--;
                _ASSERTE(i>=left && j<=right);
                if (i > j) break;
                if (i < j) {
                    KIND key = keys[i];
                    keys[i] = keys[j];
                    keys[j] = key;
                    if (items != NULL) {
                        KIND item = items[i];
                        items[i] = items[j];
                        items[j] = item;
                    }
                }
                i++;
                j--;
            } while (i <= j);
            if (j - left <= right - i) {
                if (left < j) QuickSort(keys, items, left, j);
                left = i;
            }
            else {
                if (i < right) QuickSort(keys, items, i, right);
                right = j;
            }
        } while (left < right);
    }

和Sort方法类似，BinarySearch（二分查找）方法也可以使用自定义的比较器看下BinarySearch的具体实现：

 public static int BinarySearch(Array array, int index, int length, Object value, IComparer comparer) {
           //去掉一些前置判断
            if (comparer == null) comparer = Comparer.Default;
            if (comparer == Comparer.Default) {
                int retval;
                bool r = TrySZBinarySearch(array, index, length, value, out retval);
                if (r)
                    return retval;
            } 

            int lo = index;
            int hi = index + length - 1;
            Object[] objArray = array as Object[];
            if(objArray != null) {
                while (lo <= hi) {
                    // i might overflow if lo and hi are both large positive numbers.
                    int i = GetMedian(lo, hi);//取中位数 

                    int c;
                    try {
                        c = comparer.Compare(objArray[i], value);//比较这个中间值是否是要查找的值，c=0找到 c为负数在右边，c为正数在左边
                    }
                    catch (Exception e) {
                        throw new InvalidOperationException(Environment.GetResourceString("InvalidOperation_IComparerFailed"), e);
                    }
                    if (c == 0) return i; //找到，返回下标
                    if (c < 0) {
                        lo = i + 1;
                    }
                    else {
                        hi = i - 1;
                    }
                }
            }
            else {
                while (lo <= hi) {
                    int i = GetMedian(lo, hi);

                    int c;
                    try {
                        c = comparer.Compare(array.GetValue(i), value);
                    }
                    catch (Exception e) {
                        throw new InvalidOperationException(Environment.GetResourceString("InvalidOperation_IComparerFailed"), e);
                    }
                    if (c == 0) return i;
                    if (c < 0) {
                        lo = i + 1;
                    }
                    else {
                        hi = i - 1;
                    }
                }
            }
            return ~lo;
        }

看下这个TrySZBinarySearch在clr中的具体实现吧，同样很易懂。

  static int BinarySearchBitwiseEquals(KIND array[], int index, int length, KIND value) {
        WRAPPER_CONTRACT;

        _ASSERTE(array != NULL && length >= 0 && index >= 0);
        int lo = index;
        int hi = index + length - 1;
        // Note: if length == 0, hi will be Int32.MinValue, and our comparison
        // here between 0 & -1 will prevent us from breaking anything.
        while (lo <= hi) {
            int i = lo + ((hi - lo) >> 1);
            if (array[i] < value) {
                lo = i + 1;
            }
            else if (array[i] > value){
                hi = i - 1;
            }
            else {
                return i;
            }
        }
        return ~lo;
    }

ArrayList的其他方法，也极为易懂和类似，不在罗列。

Queue

队列是特殊的线性表，先进先出的结构。从源码中可以看出，FCL中的Queue是一种循环队列。先看Queue的属性

        private Object[] _array; //存储的数据
        private int _head;       // 对一个有效元素
        private int _tail;       // 最后一个有效元素
        private int _size;       // 元素数量
        private int _growFactor; // 增长因素 100 == 1.0, 130 == 1.3, 200 == 2.0，取值范围 1.0到10.0之间
        private int _version;
        [NonSerialized]
        private Object _syncRoot;

        private const int _MinimumGrow = 4; //最小增长量
        private const int _ShrinkThreshold = 32;//这个地方极为扯淡，定义了没用，下面直接写死32

初始化：

  public Queue()
            : this(32, (float)2.0) {
        }
        // Creates a queue with room for capacity objects. The default grow factor
        // is used.
        //
        public Queue(int capacity)
            : this(capacity, (float)2.0) {
        }

        // Creates a queue with room for capacity objects. When full, the new
        // capacity is set to the old capacity * growFactor.
        //
        public Queue(int capacity, float growFactor) {
            if (capacity < 0)
                throw new ArgumentOutOfRangeException("capacity", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum"));
            if (!(growFactor >= 1.0 && growFactor <= 10.0))
                throw new ArgumentOutOfRangeException("growFactor", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_QueueGrowFactor", 1, 10));
            Contract.EndContractBlock();

            _array = new Object[capacity];
            _head = 0;
            _tail = 0;
            _size = 0;
            _growFactor = (int)(growFactor * 100);
        }

入队操作：

 public virtual void Enqueue(Object obj) {
            if (_size == _array.Length) {//如果队满，则重新分配容量
                int newcapacity = (int)((long)_array.Length * (long)_growFactor / 100);
                if (newcapacity < _array.Length + _MinimumGrow) {//如果新分配的容量小于当前容量加上最小增长量，那么把当前容量加最小增长量分配给新分配的容量
                    newcapacity = _array.Length + _MinimumGrow;
                }
                SetCapacity(newcapacity);//重新设置容量
            }

            _array[_tail] = obj;
            _tail = (_tail + 1) % _array.Length;//如果_taill+1<_array.Length 那么 _tail=_tail+1;否则，_tail=0;表示队列已满。
                                                //循环队列的写法
            _size++;
            _version++;
        }
    
private void SetCapacity(int capacity) {
            Object[] newarray = new Object[capacity];
            if (_size > 0) {
                if (_head < _tail) {//环形队列头部项索引在尾部索引前面
                    Array.Copy(_array, _head, newarray, 0, _size);
                } else {//环形队列头部项索引在尾部索引后面
                    Array.Copy(_array, _head, newarray, 0, _array.Length - _head);//copy _head 到 Length部分

                    Array.Copy(_array, 0, newarray, _array.Length - _head, _tail);//copy 0 到_tail 部分
                }
            }

            _array = newarray;
            _head = 0;
            _tail = (_size == capacity) ? 0 : _size;
            _version++;
        }

出队操作Dequeue()，出队，并从队列中删除；Peek()方法，取队列的第一位元素，不从队列中删除。

public virtual Object Dequeue() {
            if (Count == 0)
                throw new InvalidOperationException(Environment.GetResourceString("InvalidOperation_EmptyQueue"));
            Contract.EndContractBlock(); 

            Object removed = _array[_head]; //取元素
            _array[_head] = null;  //删除元素
            _head = (_head + 1) % _array.Length;//循环队列，头部索引移到下一位
            _size--;
            _version++;
            return removed;
        }

    public virtual Object Peek() {
            if (Count == 0)
                throw new InvalidOperationException(Environment.GetResourceString("InvalidOperation_EmptyQueue"));
            Contract.EndContractBlock();

            return _array[_head];
        }

可以看出队列的入队和出队的时间复杂度是O(1);但是入列的时候如果需要重置容量，那么时间复杂度会变为O(n)

队列中的其他操作：

//是否包含
public virtual bool Contains(Object obj) {
            int index = _head;
            int count = _size;

            while (count-- > 0) {
                if (obj == null) {
                    if (_array[index] == null)
                        return true;
                } else if (_array[index] != null && _array[index].Equals(obj)) {
                    return true;
                }
                index = (index + 1) % _array.Length;//index向后移
            }

            return false;
        }
//取某个元素
internal Object GetElement(int i){
      return _array[(_head + i) % _array.Length]
       } 

和ArrayList类似，Queue也有线程安全的实现，Queue.Synchronized(),返回一个 同步Queue。实现的方式就是在队列的操作上加锁。

Stack

栈，先进后出，像弹夹。属性定义：

        private Object[] _array;     // Storage for stack elements
        private int _size;           // Number of items in the stack.
        private int _version;        // Used to keep enumerator in [....] w/ collection.
        private Object _syncRoot;
        private const int _defaultCapacity = 10;

可以看出栈的结构属性更为简单，默认的容量是10；初始化操作：

  public Stack() {
            _array = new Object[_defaultCapacity];
            _size = 0;
            _version = 0;
        }

        // Create a stack with a specific initial capacity.  The initial capacity
        // must be a non-negative number.
        public Stack(int initialCapacity) {
            if (initialCapacity < 0)
                throw new ArgumentOutOfRangeException("initialCapacity", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum"));
            Contract.EndContractBlock();
            if (initialCapacity < _defaultCapacity)
                initialCapacity = _defaultCapacity;  // Simplify doubling logic in Push.
            _array = new Object[initialCapacity];
            _size = 0;
            _version = 0;
        }

入栈操作：

  public virtual void Push(Object obj) {
            //Contract.Ensures(Count == Contract.OldValue(Count) + 1);
            if (_size == _array.Length) {//如果容量满了，那么成2倍增加
                Object[] newArray = new Object[2*_array.Length];
                Array.Copy(_array, 0, newArray, 0, _size);
                _array = newArray;
            }
            _array[_size++] = obj;
            _version++;
        }

出栈操作：

  public virtual Object Pop() {
            _version++;
            Object obj = _array[--_size];//取元素并将长度减1
            _array[_size] = null;     // 删除元素
            return obj;
        }

和Queue类似，Stack也有Peek操作，实现方式类似，同样也有Synchronized方法，实现方式也是类似的。

SortedList

属性：

        private Object[] keys;//键数组
        private Object[] values;//值数组
        private int _size;
        private int version;
        private IComparer comparer;
        private KeyList keyList;//建集合 继承IList 内部使用 SortList 与keys关联
        private ValueList valueList;//值集合 继承IList 内部使用 SortList 与 values关联
        [NonSerialized]
        private Object _syncRoot;
        private const int _defaultCapacity = 16;//默认容量 16
        private static Object[] emptyArray = EmptyArray<Object>.Value;//空数组 等效 New Object[0];

SortedList的容量也是动态的

  private void EnsureCapacity(int min) {
            int newCapacity = keys.Length == 0? 16: keys.Length * 2;//2倍增上
            // 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;
        }

public virtual int Capacity {
            get {
                return keys.Length;
            }
            set {
                if (value < Count) {
                    throw new ArgumentOutOfRangeException("value", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_SmallCapacity"));
                }
                Contract.EndContractBlock();

                if (value != keys.Length) {
                    if (value > 0) {//如果容量发生改变，新建键数组和值指数组，并将源键值数组复制进去。如果新的容量不大于0则将键数组和值数组置空
                        Object[] newKeys = new Object[value];
                        Object[] newValues = new Object[value];
                        if (_size > 0) {
                            Array.Copy(keys, 0, newKeys, 0, _size);
                            Array.Copy(values, 0, newValues, 0, _size);
                        }
                        keys = newKeys;
                        values = newValues;
                    }
                    else {
                        // size can only be zero here.
                        Contract.Assert( _size == 0, "Size is not zero");
                        keys = emptyArray;
                        values = emptyArray;
                    }
                }
            }
        }

SortedList 的IndexOfKey方法，可以发现内部使用二分法查找，具体C++代码上面ArrayList中已经给出。

   public virtual int IndexOfKey(Object key) {
            if (key == null)
                throw new ArgumentNullException("key", Environment.GetResourceString("ArgumentNull_Key"));
            Contract.EndContractBlock();
            int ret = Array.BinarySearch(keys, 0, _size, key, comparer);
            return ret >=0 ? ret : -1;
        }

SortedList的IndexOfValue方法内部也是调用的IndexOfKey这个方法，如下：

  public virtual int IndexOfValue(Object value) {
            return Array.IndexOf(values, value, 0, _size);
        }

插入操作如下，很易懂。可以看出，Add一个元素的时候

private void Insert(int index, Object key, Object value) {
            if (_size == keys.Length) EnsureCapacity(_size + 1);
            if (index < _size) {
                Array.Copy(keys, index, keys, index + 1, _size - index);
                Array.Copy(values, index, values, index + 1, _size - index);
            }
            keys[index] = key;
            values[index] = value;
            _size++;
            version++;
        }
 public virtual void Add(Object key, Object value) {
         if (key == null) throw new ArgumentNullException("key", Environment.GetResourceString("ArgumentNull_Key"));
           Contract.EndContractBlock();
           int i = Array.BinarySearch(keys, 0, _size, key, comparer);//这个地方是二分法查找。comparer是排序器，可以自己实现。默认的是按照key来排序。每次新添加元素都会重新排序。
            if (i >= 0)
             throw new ArgumentException(Environment.GetResourceString("Argument_AddingDuplicate__", GetKey(i), key));
           Insert(~i, key, value);//这个地方比较绕，Array.BinarySearch 如果找不到，返回的是index取反，结果为-1，在对这个-1取反，结果为0.在0这个位置插入
        }
 

删除操作，同样也很易懂，代码如下：

    public virtual void RemoveAt(int index) {
            if (index < 0 || index >= Count) throw new ArgumentOutOfRangeException("index", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_Index"));
            Contract.EndContractBlock();
            _size--;
            if (index < _size) {
                Array.Copy(keys, index + 1, keys, index, _size - index);
                Array.Copy(values, index + 1, values, index, _size - index);
            }
            keys[_size] = null;
            values[_size] = null;
            version++;
        }

   public virtual void Remove(Object key) {
            int i = IndexOfKey(key);
            if (i >= 0)
            RemoveAt(i);
        }

同样的，SortedList也有线程同步的方法 SortedList.Synchronized() 实现方式和ArrayList，Queue，Stack 并无二致。

至此，告一段落。几个常用的集合，自己有了更为深刻的理解。阅读优秀的代码是一种享受，阅读渣渣的代码，是虐心！