索引和范围

范围和索引为访问序列中的单个元素或范围提供了简洁的语法。

在本教程中,你将了解:

  • 对某个序列中的范围使用该语法。
  • 了解每个序列开头和末尾的设计决策。
  • 了解 IndexRange 类型的应用场景。

对索引和范围的语言支持

此语言支持依赖于两个新类型和两个新运算符:

  • System.Index 表示一个序列索引。
  • 来自末尾运算符 ^ 的索引,指定一个索引与序列末尾相关。
  • System.Range 表示序列的子范围。
  • 范围运算符 ..,用于指定范围的开始和末尾,就像操作数一样。

让我们从索引规则开始。 请考虑数组 sequence0 索引与 sequence[0] 相同。 ^0 索引与 sequence[sequence.Length] 相同。 表达式 sequence[^0] 会引发异常,就像 sequence[sequence.Length] 一样。 对于任何数字 n,索引 ^nsequence[sequence.Length - n] 相同。

string[] words = new string[]
{
                // index from start    index from end
    "The",      // 0                   ^9
    "quick",    // 1                   ^8
    "brown",    // 2                   ^7
    "fox",      // 3                   ^6
    "jumped",   // 4                   ^5
    "over",     // 5                   ^4
    "the",      // 6                   ^3
    "lazy",     // 7                   ^2
    "dog"       // 8                   ^1
};              // 9 (or words.Length) ^0

可以使用 ^1 索引检索最后一个词。 在初始化下面添加以下代码:

Console.WriteLine($"The last word is {words[^1]}");

范围指定范围的开始和末尾。 范围是排除的,也就是说“末尾”不包含在范围内。 范围 [0..^0] 表示整个范围,就像 [0..sequence.Length] 表示整个范围。

以下代码创建了一个包含单词“quick”、“brown”和“fox”的子范围。 它包括 words[1]words[3]。 元素 words[4] 不在该范围内。 将以下代码添加到同一方法中。 将其复制并粘贴到交互式窗口的底部。

string[] quickBrownFox = words[1..4];
foreach (var word in quickBrownFox)
    Console.Write($"< {word} >");
Console.WriteLine();

以下代码使用“lazy”和“dog”返回范围。 它包括 words[^2]words[^1]。 结束索引 words[^0] 不包括在内。 同样添加以下代码:

string[] lazyDog = words[^2..^0];
foreach (var word in lazyDog)
    Console.Write($"< {word} >");
Console.WriteLine();

下面的示例为开始和/或结束创建了开放范围:

string[] allWords = words[..]; // contains "The" through "dog".
string[] firstPhrase = words[..4]; // contains "The" through "fox"
string[] lastPhrase = words[6..]; // contains "the, "lazy" and "dog"
foreach (var word in allWords)
    Console.Write($"< {word} >");
Console.WriteLine();
foreach (var word in firstPhrase)
    Console.Write($"< {word} >");
Console.WriteLine();
foreach (var word in lastPhrase)
    Console.Write($"< {word} >");
Console.WriteLine();

还可以将范围或索引声明为变量。 然后可以在 [] 字符中使用该变量:

Index the = ^3;
Console.WriteLine(words[the]);
Range phrase = 1..4;
string[] text = words[phrase];
foreach (var word in text)
    Console.Write($"< {word} >");
Console.WriteLine();

下面的示例展示了使用这些选项的多种原因。 请修改 xyz 以尝试不同的组合。 在进行实验时,请使用 x 小于 yy 小于 z 的有效组合值。 在新方法中添加以下代码。 尝试不同的组合:

int[] numbers = Enumerable.Range(0, 100).ToArray();
int x = 12;
int y = 25;
int z = 36;

Console.WriteLine($"{numbers[^x]} is the same as {numbers[numbers.Length - x]}");
Console.WriteLine($"{numbers[x..y].Length} is the same as {y - x}");

Console.WriteLine("numbers[x..y] and numbers[y..z] are consecutive and disjoint:");
Span<int> x_y = numbers[x..y];
Span<int> y_z = numbers[y..z];
Console.WriteLine($"\tnumbers[x..y] is {x_y[0]} through {x_y[^1]}, numbers[y..z] is {y_z[0]} through {y_z[^1]}");

Console.WriteLine("numbers[x..^x] removes x elements at each end:");
Span<int> x_x = numbers[x..^x];
Console.WriteLine($"\tnumbers[x..^x] starts with {x_x[0]} and ends with {x_x[^1]}");

Console.WriteLine("numbers[..x] means numbers[0..x] and numbers[x..] means numbers[x..^0]");
Span<int> start_x = numbers[..x];
Span<int> zero_x = numbers[0..x];
Console.WriteLine($"\t{start_x[0]}..{start_x[^1]} is the same as {zero_x[0]}..{zero_x[^1]}");
Span<int> z_end = numbers[z..];
Span<int> z_zero = numbers[z..^0];
Console.WriteLine($"\t{z_end[0]}..{z_end[^1]} is the same as {z_zero[0]}..{z_zero[^1]}");

索引和范围的类型支持

索引和范围提供清晰、简洁的语法来访问序列中的单个元素或元素的范围。 索引表达式通常返回序列元素的类型。 范围表达式通常返回与源序列相同的序列类型。

若任何类型提供带 IndexRange 参数的索引器,则该类型可分别显式支持索引或范围。 采用单个 Range 参数的索引器可能会返回不同的序列类型,如 System.Span<T>

重要

使用范围运算符的代码的性能取决于序列操作数的类型。

范围运算符的时间复杂度取决于序列类型。 例如,如果序列是 string 或数组,则结果是输入中指定部分的副本,因此,时间复杂度为 O(N)(其中 N 是范围的长度)。 另一方面,如果它是 System.Span<T>System.Memory<T>,则结果引用相同的后备存储,这意味着没有副本且操作为 O(1)。

除了时间复杂度外,这还会产生额外的分配和副本,从而影响性能。 在性能敏感的代码中,考虑使用 Span<T>Memory<T> 作为序列类型,因为不会为其分配范围运算符。

若类型包含名称为 LengthCount 的属性,属性有可访问的 Getter 并且其返回类型为 int,则此类型为可计数类型。 不显式支持索引或范围的可计数类型可能为它们提供隐式支持。 有关详细信息,请参阅功能建议说明隐式索引支持隐式范围支持部分。 使用隐式范围支持的范围将返回与源序列相同的序列类型。

例如,以下 .NET 类型同时支持索引和范围:StringSpan<T>ReadOnlySpan<T>List<T> 支持索引,但不支持范围。

Array 具有更多的微妙行为。 单个维度数组同时支持索引和范围。 多维数组不支持索引器或范围。 多维数组的索引器具有多个参数,而不是一个参数。 交错数组(也称为数组的数组)同时支持范围和索引器。 下面的示例演示如何循环访问交错数组的矩形子节。 它循环访问位于中心的节,不包括前三行和后三行,以及每个选定行中的前两列和后两列:

var jagged = new int[10][]
{
   new int[10] { 0,  1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9},
   new int[10] { 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19},
   new int[10] { 20,21,22,23,24,25,26,27,28,29},
   new int[10] { 30,31,32,33,34,35,36,37,38,39},
   new int[10] { 40,41,42,43,44,45,46,47,48,49},
   new int[10] { 50,51,52,53,54,55,56,57,58,59},
   new int[10] { 60,61,62,63,64,65,66,67,68,69},
   new int[10] { 70,71,72,73,74,75,76,77,78,79},
   new int[10] { 80,81,82,83,84,85,86,87,88,89},
   new int[10] { 90,91,92,93,94,95,96,97,98,99},
};

var selectedRows = jagged[3..^3];

foreach (var row in selectedRows)
{
    var selectedColumns = row[2..^2];
    foreach (var cell in selectedColumns)
    {
        Console.Write($"{cell}, ");
    }
    Console.WriteLine();
}

在所有情况下,Array 的范围运算符都会分配一个数组来存储返回的元素。

索引和范围的应用场景

要分析较大序列的一部分时,通常会使用范围和索引。 在准确读取所涉及的序列部分这一方面,新语法更清晰。 本地函数 MovingAverageRange 为参数。 然后,该方法在计算最小值、最大值和平均值时仅枚举该范围。 在项目中尝试以下代码:

int[] sequence = Sequence(1000);

for(int start = 0; start < sequence.Length; start += 100)
{
    Range r = start..(start+10);
    var (min, max, average) = MovingAverage(sequence, r);
    Console.WriteLine($"From {r.Start} to {r.End}:    \tMin: {min},\tMax: {max},\tAverage: {average}");
}

for (int start = 0; start < sequence.Length; start += 100)
{
    Range r = ^(start + 10)..^start;
    var (min, max, average) = MovingAverage(sequence, r);
    Console.WriteLine($"From {r.Start} to {r.End}:  \tMin: {min},\tMax: {max},\tAverage: {average}");
}

(int min, int max, double average) MovingAverage(int[] subSequence, Range range) =>
    (
        subSequence[range].Min(),
        subSequence[range].Max(),
        subSequence[range].Average()
    );

int[] Sequence(int count) =>
    Enumerable.Range(0, count).Select(x => (int)(Math.Sqrt(x) * 100)).ToArray();