【C#性能编程必修课】：如何用集合表达式高效操作交错二维数组

第一章：C#交错二维数组与集合表达式概述

在 C# 编程语言中，交错二维数组（Jagged Array）是一种特殊的多维数据结构，它由数组的数组构成，每一行可以拥有不同的长度。这种灵活性使其在处理不规则数据集时尤为高效，例如表示非对称矩阵或动态增长的数据表。

交错数组的基本定义与初始化

• 交错数组使用方括号的嵌套声明方式，外层数组的每个元素指向一个独立的一维数组
• 与矩形二维数组不同，各行长度可变，内存布局非连续

// 声明一个包含3个一维数组的交错数组
int[][] jaggedArray = new int[3][];
// 分别为每一行分配不同大小的数组
jaggedArray[0] = new int[] { 1, 2 };
jaggedArray[1] = new int[] { 3, 4, 5, 6 };
jaggedArray[2] = new int[] { 7 };

// 遍历并输出所有元素
for (int i = 0; i < jaggedArray.Length; i++)
{
    for (int j = 0; j < jaggedArray[i].Length; j++)
    {
        Console.Write(jaggedArray[i][j] + " ");
    }
    Console.WriteLine();
}

集合表达式与初始化简化

从 C# 12 开始，集合表达式（Collection Expressions）允许使用简洁语法直接初始化数组和集合，显著提升代码可读性。

写法类型	示例代码	说明
传统初始化	new int[] { 1, 2, 3 }	标准数组创建语法
集合表达式	[1, 2, 3]	C# 12 新增语法，适用于数组、列表等

结合集合表达式，交错数组的初始化可更加清晰：

int[][] matrix = [
    [1, 2],
    [3, 4, 5],
    [6]
];
// 使用集合表达式实现紧凑初始化

graph TD A[声明交错数组] --> B[为每行分配独立数组] B --> C[使用嵌套循环访问元素] C --> D[支持集合表达式简化初始化]

第二章：交错二维数组的基础操作与集合表达式集成

2.1 理解交错二维数组的内存布局与性能优势

内存布局特性

交错数组（Jagged Array）是由数组组成的数组，其每一行可独立分配不同长度。与矩形二维数组连续内存块不同，交错数组的行在堆上分散存储，通过指针引用连接。

类型	内存分布	访问速度	灵活性
矩形数组	连续	快	低
交错数组	非连续	稍慢	高

代码示例与分析

int[][] jaggedArray = new int[3][];
jaggedArray[0] = new int[2] { 1, 2 };
jaggedArray[1] = new int[4] { 1, 2, 3, 4 };
jaggedArray[2] = new int[3] { 1, 2, 3 };

上述代码创建了一个包含三行的交错数组。每行独立初始化，允许不同长度。内存中各行位于不同堆段，减少大块连续内存分配失败的风险，提升动态数据处理能力。

• 节省内存：仅分配实际所需空间
• 适合稀疏数据结构
• 支持运行时动态扩展单行长度

2.2 使用LINQ查询表达式遍历与筛选交错数组元素

在C#中，交错数组（即数组的数组）常用于表示不规则数据结构。通过LINQ查询表达式，可以简洁高效地遍历并筛选其中的元素。

基本查询语法

使用`from`子句依次访问外层数组和内层元素，实现多级遍历：

int[][] jaggedArray = new int[][]
{
    new int[] { 1, 2 },
    new int[] { 3, 4, 5 },
    new int[] { 6 }
};

var result = from row in jaggedArray
             from item in row
             where item > 3
             select item;

上述代码中，第一个`from`遍历每一行，第二个`from`遍历行内的每个元素，`where`筛选出大于3的值，最终返回序列 `{4, 5, 6}`。该方式语法清晰，逻辑直观。

投影与匿名类型

可结合索引信息进行更复杂的查询：

• 利用`Select`配合索引追踪位置
• 使用匿名类型携带原始行号与值
• 支持进一步排序或分组操作

2.3 基于集合表达式的行优先与列优先数据提取实践

在处理多维数据结构时，行优先（Row-major）与列优先（Column-major）的提取方式直接影响访问效率。使用集合表达式可精准控制数据遍历路径。

行优先提取示例

# 行优先：逐行提取二维数组元素
matrix = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]
row_major = [elem for row in matrix for elem in row]
# 输出: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

该表达式先遍历每一行，再遍历行内每个元素，符合内存连续访问模式，提升缓存命中率。

列优先提取实现

# 列优先：按列索引逐列提取
col_major = [matrix[i][j] for j in range(3) for i in range(3)]
# 输出: [1, 4, 7, 2, 5, 8, 3, 6, 9]

通过外层循环列索引、内层循环行索引，实现垂直方向数据聚合，适用于统计每列均值等场景。

方式	访问顺序	适用场景
行优先	1→2→3→4→...	逐行处理、图像扫描
列优先	1→4→7→2→...	列统计、矩阵转置

2.4 利用Select与Where实现多维条件过滤

在数据库查询中，`SELECT` 与 `WHERE` 子句的结合是实现数据精准提取的核心手段。通过构建复合逻辑表达式，可对多个字段进行联合筛选。

条件组合的基本语法

SELECT name, age, department 
FROM employees 
WHERE age > 30 
  AND department = 'Engineering' 
  OR (salary >= 80000 AND hire_date > '2020-01-01');

上述语句从员工表中筛选满足特定年龄、部门、薪资和入职时间组合条件的记录。`AND` 与 `OR` 控制逻辑优先级，括号提升子条件的运算顺序。

多维过滤的应用场景

• 按时间范围与类别双重条件检索日志
• 结合用户角色和状态筛选系统权限账户
• 在分析报表中联动地域、销售额与库存水平

通过合理使用比较操作符（如 `=`, `>`, `IN`, `LIKE`）与布尔逻辑，可构建灵活且高效的查询策略。

2.5 在集合表达式中聚合交错数组的统计值

在处理不规则数据结构时，交错数组（即“数组的数组”）常用于表示行长度不同的二维数据。通过 LINQ 的集合表达式，可高效聚合其统计信息。

基本聚合操作

使用 Select 提取每行特征，再结合 Aggregate 或标准聚合函数计算整体指标：

int[][] jaggedArray = {
    new[] {1, 2},
    new[] {3, 4, 5},
    new[] {6}
};

var totalSum = jaggedArray.Select(row => row.Sum()).Sum();
var maxRowSum = jaggedArray.Max(row => row.Length);

上述代码先对每行求和，再计算总和；Max 则返回最长行的元素个数。

多维度统计表

统计项	表达式	结果
总元素数	jaggedArray.SelectMany(r => r).Count()	6
平均行长	jaggedArray.Average(r => r.Length)	2.0

第三章：高性能场景下的优化策略

3.1 避免装箱与冗余迭代的表达式编写技巧

在高性能场景下，频繁的装箱操作和不必要的集合迭代会显著影响执行效率。应优先使用值类型和避免隐式类型转换。

减少装箱操作

避免将值类型（如 int、bool）存入引用类型容器（如 object、IEnumerable），这会导致堆分配。推荐使用泛型集合：

List numbers = new List { 1, 2, 3 };
// 而非 List