多维数组

C#语言中的数组不必只有一个维度。也可以创建二维数组。正如你将看到的，多维数组非常有用，并且在开发各种应用程序时经常被使用。

想象一个二维数组

如果你想想象一个二维数组，可以休息一下，闭上眼睛，玩数独游戏。如果你不知道这是什么，数独是一种流行的游戏，它要求你用1到9的数字填满一个9x9棋盘的空格。然而，每一行、每一列以及每一个3x3的格子只能包含唯一的数字。惊喜——这个棋盘形成了一个二维数组！你可以通过指定它的行和列来指向棋盘上的任何位置，就像在二维数组的情况下一样。如果你有点厌倦了用铅笔和纸解决这样的谜题，那么请看第9章，动手实践，你将学习如何创建一个解决数独谜题的算法！

下面展示了一个存储整数值的二维数组示例:

首先，你需要声明并初始化一个具有5行3列的二维数组，如下所示的代码行：

int[,] numbers = new int[5, 3];
numbers[0, 0] = 9; (...)

你也可以以一种略有不同的方式将声明与初始化结合起来：

int[,] numbers = new int[,]
{
 { 9, 5, -9 },
 { -11, 4, 0 },
 { 6, 115, 3 },
 { -12, -9, 71 },
 { 1, -6, -1 }
};

访问二维数组中特定元素的方式需要一个小的解释。让我们来看以下示例：

int number = numbers[2, 1];
numbers[1, 0] = 11;

在代码的第一行中，获取了第三行（索引等于2）和第二列（索引等于1）的值（即115），并将其设置为number变量的值。另一行将第二行和第一列中的-11替换为11。

现在你已经了解了一维和二维数组，让我们继续学习三维数组。你知道如何理解这个结构吗？

想象一个三维数组

如果你想更好地想象一个三维数组，启动一个你可以用积木创建建筑物的游戏。你将每个积木放置在棋盘上指定的位置，使用X和Y坐标。然而，你还可以建造建筑物的下一层，所以你也可以指定积木的Z坐标。在这种情况下，你在一个三维世界中操作，使用三维数组！

下面的图中展示了一个三维数组的例子:

如果你想创建一个三维数组，你可以使用以下代码：

int[,,] numbers = new int[3, 2, 3];

剩余的操作可以像处理不同维度的数组一样进行。当然，在访问数组的特定元素时，你需要指定三个索引。

到目前为止，你已经了解了一维、二维和三维数组。但是，使用四维数组可能吗？当然可以！

想象一个四维数组

想象一个四维数组可能不太容易，但让我们尝试一下！再次想象我们之前提到的三维游戏棋盘，但是内容会根据你在游戏中的等级而变化。这样，你可以使用X、Y和Z坐标来访问三维世界中的特定方块。为了得到目标值，你需要使用另一个维度，即提供你当前的等级。这样，根据第四维度，你会得到不同的结果。不那么难，对吧？

你可以使用以下代码行声明这样一个数组：

int[,,,] numbers = new int[5, 4, 3, 2];

如果你需要更多的维度，你可以应用它们。然而，请记住，使用更多的维度可能会难以理解，而且你的代码在未来可能更难以跟踪和维护。

介绍多维数组的话题已经结束，让我们来看一些例子。这些例子将向你展示如何在现实世界中使用这样的数据结构。

例子 - 乘法表

这个第一个例子展示了在二维数组上执行基本操作以呈现乘法表。它将1到10范围内所有整数值的乘积结果存储在数组中，并在控制台中呈现它们:

让我们来看看数组的声明和初始化：

int[,] results = new int[10, 10];

这里，创建了一个具有10行和10列的二维数组，并将其元素初始化为默认值——即零。当数组准备好后，你用乘法的结果填充它，并在控制台中展示结果。这样的任务可以使用两个for循环来完成，如下所示：

for (int i = 0; i < results.GetLength(0); i++)
{
    for (int j = 0; j < results.GetLength(1); j++)
    {
        results[i, j] = (i + 1) * (j + 1);
        Console.Write(#34;{results[i, j],4}");
    }
    Console.WriteLine();
}

在前面的代码中，你可以看到调用在结果数组上的 GetLength 方法。这个方法返回特定维度中的元素数量——也就是说，第一个（当传递0作为参数时）和第二个（传递1作为参数时）。在这两种情况下，根据数组初始化时指定的值，都返回了10。代码的另一个重要部分是设置元素值的方式。为此，你必须提供两个索引。

将乘法结果转换为字符串值后，它们的长度各不相同，从一个字符（如2*2的结果4）到三个字符（10*10的结果100）。为了改善它们的展示效果，你需要将每个结果都写成4个字符的长度。因此，如果整数值占用的空间较少，就应该添加前导空格。例如，1将显示为带有三个前导空格（___1，其中_代表空格），而100将只显示一个空格（_100）。你可以通过在插值字符串中使用适当的复合格式字符串（即，,4）来实现这一目标。

示例 - 游戏地图

另一个例子是一个程序，它展示了一个游戏的地图。这个地图是一个长方形，有6行和8列。数组中的每个元素指定了一种地形类型，比如草地、沙地、水或砖块（也被称为墙）。地图上的每个位置都应该用特定的颜色显示（比如草地用绿色），同时使用一个自定义字符来描绘地形类型（比如水用≈表示），如下图所示:

让我们开始创建两个辅助方法，这些方法使得根据地形类型获取特定颜色和字符成为可能（分别命名为GetColor和GetChar）。这些方法的代码如下：

ConsoleColor GetColor(char terrain)
{
    return terrain switch
    {
        'g' => ConsoleColor.Green,
        's' => ConsoleColor.Yellow,
        'w' => ConsoleColor.Blue,
        _ => ConsoleColor.DarkGray
    };
}
char GetChar(char terrain)
{
    return terrain switch
    {
        'g' => '\u201c',
        's' => '\u25cb',
        'w' => '\u2248',
        _ => '\u25cf'
    };
}

正如你所见，GetColor方法的代码是不言自明的。然而，GetChar方法根据字符的值（g、s、w或b）返回适当的Unicode字符。例如，在水的情况下，返回的是'\u2248'值，这是≈字符的表示。

让我们来看看代码的其余部分。在这里，你配置了地图，并且在控制台中展示它。代码如下：

using System.Text;
char[,] map = {
 { 's', 's', 's', 'g', 'g', 'g', 'g', 'g' },
 { 's', 's', 's', 'g', 'g', 'g', 'g', 'g' },
 { 's', 's', 's', 's', 's', 'b', 'b', 'b' },
 { 's', 's', 's', 's', 's', 'b', 's', 's' },
 { 'w', 'w', 'w', 'w', 'w', 'b', 'w', 'w' },
 { 'w', 'w', 'w', 'w', 'w', 'b', 'w', 'w' }
};
Console.OutputEncoding = Encoding.UTF8;
for (int r = 0; r < map.GetLength(0); r++)
{
    for (int c = 0; c < map.GetLength(1); c++)
    {
        Console.ForegroundColor = GetColor(map[r, c]);
        Console.Write(GetChar(map[r, c]) + " ");
    }
    Console.WriteLine();
}
Console.ResetColor();

这段代码不应该需要额外的注释或解释。只需记住，在控制台输出中使用Unicode值时，不要忘记通过将OutputEncoding属性设置为Encoding.UTF8来选择UTF-8编码。你可以使用ForegroundColor属性为控制台设置前景色。如果你想将这种颜色重置为默认颜色，只需像最后一行中展示的那样调用ResetColor方法即可。

到目前为止，你已经了解了单维和多维数组，但本书还剩下一种变体需要介绍，那就是锯齿数组。让我们继续阅读以了解更多关于它们的信息。

锯齿数组

本书中要描述的数组的最后一种变体是锯齿数组，也被称为数组的数组。听起来很复杂，但幸运的是，它非常简单。锯齿数组可以理解为一个单维数组，其中每个元素都是另一个数组。当然，这些内部数组可以有不同的长度，甚至可以未初始化。

想象一个不规则数组

如果你想更好地想象一个不规则数组，暂时停止阅读这本书，打开你的日历，并切换其视图以展示整个年份。它包含365或366个盒子，取决于年份。对于每一天，你都有不同数量的会议。在某些日子里，你有三个会议，而在其他日子，只有一个甚至零个。你的假期在日历中标记并为会议预留。你可以很容易地想象到不规则数组在这个情况下的应用。每一天的盒子都是这个数组的一个元素，它包含一个数组，里面是特定一天组织的会议数据。如果这一天是在你的假期中，相关的条目没有初始化。这使得不规则数组更容易可视化。

一个不规则数组的例子在下图中展示:

这个锯齿数组包含四个元素。第一个包含一个有两个元素的数组（9和5）。第二个元素包含一个有三个元素的数组（0, -3和12）。第三个未初始化（null），而最后一个是一个只有一个元素的数组（54）。

在继续示例之前，值得一提的是声明和初始化锯齿数组的方式，因为它与我们已经描述的数组有所不同。让我们来看一下以下代码片段：

int[][] numbers = new int[4][]; 
numbers[0] = new int[] { 9, 5 }; 
numbers[1] = new int[] { 0, -3, 12 }; 
numbers[3] = new int[] { 54 };

这段代码可以用集合表达式简化，如下所示：

int[][] numbers = new int[4][];
numbers[0] = [9, 5];
numbers[1] = [0, -3, 12];
numbers[3] = [54];

在第一行中，我们声明了一个包含四个元素的一维数组。每个元素都是另一个整数值的一维数组。当执行第一行代码时，numbers数组被初始化为默认值，即null。因此，我们需要手动初始化特定的数组和元素，如下三行代码所示。值得注意的是，第三个元素没有被初始化。

你也可以用不同的方式编写前面的代码，如下所示：

int[][] numbers =
{
    new int[] { 9, 5 },
    new int[] { 0, -3, 12 },
    null!,
    new int[] { 54 }
};

不仅如此——还有一个更短的变体可用：

int[][] numbers =
[
 [9, 5],
 [0, -3, 12],
 null!,
 [54]
];

如何从不规则数组中访问特定元素？让我们看看：

int number = numbers[1][2];
numbers[1][1] = 50;

第一行代码将number变量的值设置为12——即，从数组中获取第三个元素（索引等于2）的值，这是锯齿数组的第二个元素。另一行代码将数组中的第二个元素的值从-3更改为50，这是锯齿数组的第二个元素。

现在我们已经介绍了锯齿数组，让我们来看一个例子。

示例 – 年度运输计划

在这个示例中，你将学习如何开发一个程序，该程序为你全年的交通制定计划。对于每个月的每一天，应用程序都会选择一种可用的交通方式，比如开车、乘公交、乘地铁、骑自行车，或者干脆步行。最终，程序将展示生成的计划，如下图所示:

首先，让我们声明一个枚举类型，其中包含代表各种交通工具类型的常量：

public enum MeanEnum { Car, Bus, Subway, Bike, Walk }

代码的下一部分如下：

Random random = new();
int meansCount = Enum.GetNames<MeanEnum>().Length;
int year = DateTime.Now.Year;
MeanEnum[][] means = new MeanEnum[12][];
for (int m = 1; m <= 12; m++)
{
    int daysCount = DateTime.DaysInMonth(year, m);
    means[m - 1] = new MeanEnum[daysCount];
    for (int d = 1; d <= daysCount; d++)
    {
        int mean = random.Next(meansCount);
        means[m - 1][d - 1] = (MeanEnum)mean;
    }
}

首先，创建了Random类的一个新实例。这将用于从可用的交通方式中随机选择一种。

接下来的一步是获取可用交通类型的数量。

然后，创建了一个不规则数组。假设它有12个元素，代表当前年份的所有月份。

接下来，使用for循环遍历一年中的所有月份。在每次迭代中，使用DateTime的DaysInMonth静态方法获取天数。不规则数组的每个元素是一个单维数组，包含MeanEnum值。这样的内部数组的长度取决于一个月中的天数。例如，一月设置为31个元素，四月设置为30个元素。

下一个for循环遍历月份中的所有天数。在这个循环内，你随机选择一种交通方式，并将其设置为不规则数组中某个元素的值。

代码的下一部分与在控制台中展示计划有关:

string[] months = GetMonthNames();
int nameLength = months.Max(n => n.Length) + 2;
for (int m = 1; m <= 12; m++)
{
    string month = months[m - 1];
    Console.Write(#34;{month}:".PadRight(nameLength));
    for (int d = 1; d <= means[m - 1].Length; d++)
    {
        MeanEnum mean = means[m - 1][d - 1];
        (char character, ConsoleColor color) = Get(mean);
        Console.ForegroundColor = ConsoleColor.White;
        Console.BackgroundColor = color;
        Console.Write(character);
        Console.ResetColor();
        Console.Write(" ");
    }
    Console.WriteLine();
}

首先，使用GetMonthNames方法创建一个包含月份名称的一维数组，稍后将展示并描述该方法。然后，将nameLength变量的值设置为存储月份名称所需的最长文本长度。为此，使用Max扩展方法从包含月份名称的集合中找到最长的文本长度。得到的结果增加了2，以预留冒号和空格的空间。

使用for循环遍历锯齿数组的所有元素——即所有月份。在每次迭代中，将月份名称显示在控制台上。接下来的for循环用于遍历锯齿数组当前元素的所有项——即月份的所有天数。对于每一天，都会设置适当的前景色和背景色，并显示一个合适的字符。这两个颜色和字符由Get方法返回，该方法以MeanEnum值作为参数。稍后将展示这个方法的实现。

现在，让我们来看看GetMonthNames方法的实现：

string[] GetMonthNames()
{
    CultureInfo culture = new("en");
    string[] names = new string[12];
    foreach (int m in Enumerable.Range(1, 12))
    {
        DateTime firstDay = new(DateTime.Now.Year, m, 1);
        string name = firstDay.ToString("MMMM", culture);
        names[m - 1] = name;
    }
    return names;
}

这段代码是不言自明的，但让我们专注于调用Range方法的那一行。它返回一个从1到12的整数集合。因此，我们可以将它与foreach循环一起使用，而不是使用简单的从1到12的for循环。只需将其视为解决同一问题的另一种方式。

最后，值得一提的是Get方法。它允许我们使用一个方法而不是两个，即为给定的运输类型返回一个字符和颜色。通过以值元组的形式返回数据，代码更短更简单，如下所示:

(char Char, ConsoleColor Color) Get(MeanEnum mean)
{
    return mean switch
    {
        MeanEnum.Bike => ('B', ConsoleColor.Blue),
        MeanEnum.Bus => ('U', ConsoleColor.DarkGreen),
        MeanEnum.Car => ('C', ConsoleColor.Red),
        MeanEnum.Subway => ('S', ConsoleColor.Magenta),
        MeanEnum.Walk => ('W', ConsoleColor.DarkYellow),
        _ => throw new Exception("Unknown type")
    };
}

数组在本章中无处不在！现在我们已经学习了这种数据结构及其C#实现的相关主题，我们可以专注于一些与数组紧密相关的算法，即排序算法。你准备好了解其中的一些了吗？如果是的话，让我们继续进入下一节。