Net framework 5, а также среды Visual Studio 2012 и C#

Внутренняя реализация массивов
В CLR поддерживаются массивы двух типов:
‰
Одномерные массивы с нулевым начальным индексом. Иногда их называют 
SZ-массивами
(от английского single-dimensional, zero-based), или 
векторами
.
‰
Одномерные и многомерные массивы с неизвестным начальным индексом.
Рассмотрим их на примере следующего кода (результат его выполнения при-
водится в комментариях):
using System;
public sealed class Program {
public static void Main() {
Array a;
// Создание одномерного массива с нулевым 
// начальным индексом и без элементов
продолжение


---

428
Глава.16 .Массивы
a = new String[0];
Console.WriteLine(a.GetType()); // "System.String[]"
// Создание одномерного массива с нулевым 
// начальным индексом и без элементов
a = Array.CreateInstance(typeof(String),
new Int32[] { 0 }, new Int32[] { 0 });
Console.WriteLine(a.GetType()); // "System.String[]"
// Создание одномерного массива с начальным индексом 1 и без элементов
a = Array.CreateInstance(typeof(String),
new Int32[] { 0 }, new Int32[] { 1 });
Console.WriteLine(a.GetType()); // "System.String[*]" <-- ВНИМАНИЕ!
Console.WriteLine();
// Создание двухмерного массива с нулевым 
// начальным индексом и без элементов
a = new String[0, 0];
Console.WriteLine(a.GetType()); // "System.String[,]"
// Создание двухмерного массива с нулевым 
// начальным индексом и без элементов
a = Array.CreateInstance(typeof(String),
new Int32[] { 0, 0 }, new Int32[] { 0, 0 });
Console.WriteLine(a.GetType()); // "System.String[,]"
// Создание двухмерного массива с начальным индексом 1 и без элементов
a = Array.CreateInstance(typeof(String),
new Int32[] { 0, 0 }, new Int32[] { 1, 1 });
Console.WriteLine(a.GetType()); // "System.String[,]"
}
}
Рядом с каждой инструкцией 
Console.WriteLine
в виде комментария пока-
зан результат действия. Для одномерных массивов с нулевой нижней границей 
это 
System.String[]
, если же индексация начинается с единицы, выводится уже 
System.String[*]
. Знак 
*
свидетельствует о том, что CLR знает о ненулевой 
нижней границе. Так как в C# объявить переменную типа 
String[*]
невозможно, 
синтаксис этого языка запрещает обращение к одномерным массивам с ненулевой 
нижней границей. Впрочем, обойти это ограничение можно с помощью методов 
GetValue
и 
SetValue
класса 
Array
, но дополнительные затраты на вызов метода 
снижают эффективность работы программы.
Для многомерных массивов, независимо от нижней границы, отображается один 
и тот же тип: 
System.String[,]
. Во время выполнения CLR рассматривает их как 
массивы с ненулевой нижней границей. Логично было бы предположить, что имя 
типа будет представлено как 
System.String[*,*]
, но в CLR для многомерных 
массивов не используется знак 
*
. Ведь иначе он выводился бы во всех случаях, 
создавая путаницу.

---

429
Внутренняя.реализация.массивов
Доступ к элементам одномерного массива с нулевой нижней границей осу-
ществляется немного быстрее, чем доступ к элементам многомерных массивов 
или массивов с ненулевой нижней границей. Есть несколько причин такому по-
ведению. Во-первых, специальные команды для работы с одномерными массивами 
с нулевой нижней границей (
newarr
, 
ldelem
, 
ldelema
, 
ldlen
и 
stelem
) позволяют 
JIT-компилятору генерировать оптимизированный код. При этом предполагает-
ся, что первый индекс равен нулю, то есть при доступе к элементам отсутствует 
необходимость вычислять смещение. Кроме того, в общем случае компилятор 
умеет выносить код проверки границ за пределы цикла. К примеру, рассмотрим 
следующий код:
using System;
public static class Program {
public static void Main() {
Int32[] a = new Int32[5];
for(Int32 index = 0; index < a.Length; index++) {
// Какие-то действия с элементом a[index]
}
}
}
Обратите внимание на вызов свойства 
Length
в проверочном выражении цикла 
for
. Фактически при этом вызывается метод, но JIT-компилятор «знает», что 
Length
является свойством класса 
Array
, поэтому создает код, в котором метод вызывается 
всего один раз, а полученный результат сохраняется в промежуточной переменной. 
Именно ее значение проверяется на каждой итерации цикла. В результате такой 
код работает очень быстро. Некоторые разработчики недооценивают возможности 
JIT-компилятора и пишут «умный код», пытаясь помочь его работе. Однако такие 
попытки практически всегда приводят к снижению производительности, а также 
делают готовую программу непонятной и неудобной для редактирования. Поэтому 
пусть свойство 
Length
вызывается автоматически.
Кроме того, JIT-компилятор «знает», что цикл обращается к элементам массива 
с нулевой нижней границей, указывая 
Length
-
1
. Поэтому он в процессе выполне-
ния генерирует код, проверяющий, все ли элементы находятся в границах массива. 
А именно, проверяется условие:
(0 >= a.GetLowerBound(0)) && ((Length – 1) <= a.GetUpperBound(0))
Проверка осуществляется до начала цикла. В случае положительного резуль-
тата компилятор не создает в теле цикла кода, проверяющего, не вышел ли индекс 
элемента за границы диапазона. Именно за счет этого обеспечивается высокая 
производительность доступа к массиву.
К сожалению, обращение к элементам многомерного массива или массива с не-
нулевой нижней границей происходит намного медленней. Ведь в этих случаях код 
проверки индекса не выносится за пределы цикла и проверка осуществляется на 
каждой итерации. Кроме того, компилятор добавляет код, вычитающий из текущего 

---

430
Глава.16 .Массивы
индекса нижнюю границу массива. Это также замедляет работу программы даже 
в случае многомерных массивов с нулевой нижней границей. Если вы серьезно оза-
бочены проблемой производительности, имеет смысл использовать нерегулярные 
массивы (массивы массивов).
Кроме того, в C# и CLR возможен доступ к элементам массива при помощи 
небезопасного (неверифицируемого) кода. В этом случае процедура проверки 
индексов массива просто отключается. Данная техника применима только к мас-
сивам типа 
SByte
, 
Byte
, 
Int16
, 
UInt16
, 
Int32
, 
UInt32
, 
Int64
, 
UInt64
, 
Char
, 
Single
, 
Double
, 
Decimal
, 
Boolean
, а также к массивам перечислимого типа или структуры 
значимого типа с полями одного из вышеуказанных типов.
Эту мощную возможность следует использовать крайне осторожно, так как 
она дает прямой доступ к памяти. При этом выход за границы массива не сопрово-
ждается появлением исключения; вместо этого происходит повреждение памяти, 
нарушение безопасности типов и, скорее всего, в системы безопасности программы 
появляется дефект. Поэтому сборке, содержащей небезопасный код, следует обе-
спечить полное доверие или же предоставить разрешение 
Security
Permission
, 
включив свойство 
Skip
Verification
.
Следующий код демонстрирует три варианта доступа к двухмерному массиву, 
включая безопасный доступ, доступ через нерегулярный массив и небезопасный 
доступ:
using System;
using System.Diagnostics;
public static class Program {
private const Int32 c_numElements = 10000;
public static void Main() {
// Объявление двухмерного массива
Int32[,] a2Dim = new Int32[c_numElements, c_numElements];
// Объявление нерегулярного двухмерного массива (вектор векторов)
Int32[][] aJagged = new Int32[c_numElements][];
for (Int32 x = 0; x < c_numElements; x++)
aJagged[x] = new Int32[c_numElements];
// 1: Обращение к элементам стандартным, безопасным способом
Safe2DimArrayAccess(a2Dim);
// 2: Обращение к элементам с использованием нерегулярного массива
SafeJaggedArrayAccess(aJagged);
// 3: Обращение к элементам небезопасным методом
Unsafe2DimArrayAccess(a2Dim);
}
private static Int32 Safe2DimArrayAccess(Int32[,] a) {

---

431
Внутренняя.реализация.массивов
Int32 sum = 0;
for (Int32 x = 0; x < c_numElements; x++) {
for (Int32 y = 0; y < c_numElements; y++) {
sum += a[x, y];
}
}
return sum;
}
private static Int32 SafeJaggedArrayAccess(Int32[][] a) {
Int32 sum = 0;
for (Int32 x = 0; x < c_numElements; x++) {
for (Int32 y = 0; y < c_numElements; y++) {
sum += a[x][y];
}
}
return sum;
}
private static unsafe Int32 Unsafe2DimArrayAccess(Int32[,] a) {
Int32 sum = 0;
fixed (Int32* pi = a) {
for (Int32 x = 0; x < c_numElements; x++) {
Int32 baseOfDim = x * c_numElements;
for (Int32 y = 0; y < c_numElements; y++) {
sum += pi[baseOfDim + y];
}
}
}
return sum;
}
}
Метод 
Unsafe2DimArrayAccess
имеет модификатор 
unsafe
, который необходим 
для инструкции 
fixed
языка C#. При вызове компилятора следует установить 
переключатель 
/unsafe
или флажок 
Allow.Unsafe.Code
на вкладке 
Build
окна свойств 
проекта в программе Microsoft Visual Studio.
Существуют ситуации, в которых «небезопасный» доступ оказывается опти-
мальным, но у него есть три серьезных недостатка:
‰
код обращения к элементам массива менее читабелен и более сложен в написании 
из-за присутствия инструкции 
fixed
и вычисления адресов памяти;
‰
ошибка в расчетах может привести к перезаписи памяти, не принадлежащей 
массиву, в результате возможны разрушение памяти, нарушение безопасности 
типов и потенциальные бреши в системе безопасности;
‰
из-за высокой вероятности проблем CLR запрещает работу небезопасного 
кода в средах с пониженным уровнем безопасности (таких, как Microsoft 
Silverlight).

---