В чем разница между многомерным массивом и массивом массивов в С#?
В чем разница между многомерными массивами double[,] и массивом массивов double[][] в С#?
Если есть разница, для чего лучше всего использовать?
Ответы
Ответ 1
Массив массивов (зубчатые массивы) быстрее, чем многомерные массивы, и их можно использовать более эффективно. Многомерные массивы имеют более хороший синтаксис.
Если вы напишете какой-нибудь простой код, используя неровные и многомерные массивы, а затем проверите скомпилированную сборку с дизассемблером IL, вы увидите, что хранение и извлечение из зубчатых (или одномерных) массивов являются простыми инструкциями IL, тогда как одни и те же операции для многомерных массивы - это вызовы методов, которые всегда медленнее.
Рассмотрим следующие методы:
static void SetElementAt(int[][] array, int i, int j, int value)
{
array[i][j] = value;
}
static void SetElementAt(int[,] array, int i, int j, int value)
{
array[i, j] = value;
}
Их IL будет следующим:
.method private hidebysig static void SetElementAt(int32[][] 'array',
int32 i,
int32 j,
int32 'value') cil managed
{
// Code size 7 (0x7)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: ldarg.1
IL_0002: ldelem.ref
IL_0003: ldarg.2
IL_0004: ldarg.3
IL_0005: stelem.i4
IL_0006: ret
} // end of method Program::SetElementAt
.method private hidebysig static void SetElementAt(int32[0...,0...] 'array',
int32 i,
int32 j,
int32 'value') cil managed
{
// Code size 10 (0xa)
.maxstack 8
IL_0000: ldarg.0
IL_0001: ldarg.1
IL_0002: ldarg.2
IL_0003: ldarg.3
IL_0004: call instance void int32[0...,0...]::Set(int32,
int32,
int32)
IL_0009: ret
} // end of method Program::SetElementAt
При использовании зубчатых массивов вы можете легко выполнять такие операции, как изменение строк и изменение размера строки. Возможно, в некоторых случаях использование многомерных массивов будет более безопасным, но даже Microsoft FxCop говорит о том, что вместо использования многопроцессорных массивов следует использовать неровные массивы для анализа ваших проектов.
Ответ 2
Многомерный массив создает красивую линейную макет памяти, а зубчатый массив подразумевает несколько дополнительных уровней косвенности.
Поиск значения jagged[3][6] в неровном массиве var jagged = new int[10][5] работает следующим образом: Посмотрите на элемент в индексе 3 (который является массивом) и найдите элемент в индексе 6 в этом массиве (который является значением). Для каждого измерения в этом случае есть дополнительный поиск (это дорогой шаблон доступа к памяти).
Многомерный массив выкладывается линейно в памяти, фактическое значение получается путем умножения индексов. Однако, учитывая массив var mult = new int[10,30], свойство Length этого многомерного массива возвращает общее количество элементов, т.е. 10 * 30 = 300.
Свойство Rank jagged массива всегда равно 1, но многомерный массив может иметь любой ранг. Метод GetLength любого массива может использоваться для получения длины каждого измерения. Для многомерного массива в этом примере mult.GetLength(1) возвращает 30.
Индексирование многомерного массива выполняется быстрее. например учитывая многомерный массив в этом примере mult[1,7]= 30 * 1 + 7 = 37, получим элемент в этом индексе 37. Это лучший шаблон доступа к памяти, поскольку задействовано только одно место памяти, которое является базовым адресом массива.
Поэтому многомерный массив выделяет блок непрерывной памяти, в то время как зубчатый массив не должен быть квадратным, например. jagged[1].Length не должен равняться jagged[2].Length, что было бы верно для любого многомерного массива.
Производительность
Производительность, многомерные массивы должны быть быстрее. Гораздо быстрее, но из-за очень плохой реализации CLR это не так.
23.084 16.634 15.215 15.489 14.407 13.691 14.695 14.398 14.551 14.252
25.782 27.484 25.711 20.844 19.607 20.349 25.861 26.214 19.677 20.171
5.050 5.085 6.412 5.225 5.100 5.751 6.650 5.222 6.770 5.305
Первая строка - это тайминги зубчатых массивов, вторая - многомерные массивы, а третья - то, что должно быть. Программа показана ниже, FYI это было протестировано на моно. (Тайм-ауты окон сильно различаются, в основном из-за вариантов реализации CLR).
В окнах тайминги зубчатых массивов значительно превосходят, примерно так же, как моя собственная интерпретация того, что должен выглядеть многомерный массив, см. "Single()". К сожалению, JIT-компилятор окон действительно глуп, и это, к сожалению, затрудняет эти обсуждения производительности, слишком много несоответствий.
Это тайминги, которые я получил на окнах, то же самое касается здесь, первая строка - массивы с зубчатыми колесами, вторая многомерная и третья моя реализация многомерных, обратите внимание, насколько медленнее это на окнах по сравнению с моно.
8.438 2.004 8.439 4.362 4.936 4.533 4.751 4.776 4.635 5.864
7.414 13.196 11.940 11.832 11.675 11.811 11.812 12.964 11.885 11.751
11.355 10.788 10.527 10.541 10.745 10.723 10.651 10.930 10.639 10.595
Исходный код:
using System;
using System.Diagnostics;
static class ArrayPref
{
const string Format = "{0,7:0.000} ";
static void Main()
{
Jagged();
Multi();
Single();
}
static void Jagged()
{
const int dim = 100;
for(var passes = 0; passes < 10; passes++)
{
var timer = new Stopwatch();
timer.Start();
var jagged = new int[dim][][];
for(var i = 0; i < dim; i++)
{
jagged[i] = new int[dim][];
for(var j = 0; j < dim; j++)
{
jagged[i][j] = new int[dim];
for(var k = 0; k < dim; k++)
{
jagged[i][j][k] = i * j * k;
}
}
}
timer.Stop();
Console.Write(Format,
(double)timer.ElapsedTicks/TimeSpan.TicksPerMillisecond);
}
Console.WriteLine();
}
static void Multi()
{
const int dim = 100;
for(var passes = 0; passes < 10; passes++)
{
var timer = new Stopwatch();
timer.Start();
var multi = new int[dim,dim,dim];
for(var i = 0; i < dim; i++)
{
for(var j = 0; j < dim; j++)
{
for(var k = 0; k < dim; k++)
{
multi[i,j,k] = i * j * k;
}
}
}
timer.Stop();
Console.Write(Format,
(double)timer.ElapsedTicks/TimeSpan.TicksPerMillisecond);
}
Console.WriteLine();
}
static void Single()
{
const int dim = 100;
for(var passes = 0; passes < 10; passes++)
{
var timer = new Stopwatch();
timer.Start();
var single = new int[dim*dim*dim];
for(var i = 0; i < dim; i++)
{
for(var j = 0; j < dim; j++)
{
for(var k = 0; k < dim; k++)
{
single[i*dim*dim+j*dim+k] = i * j * k;
}
}
}
timer.Stop();
Console.Write(Format,
(double)timer.ElapsedTicks/TimeSpan.TicksPerMillisecond);
}
Console.WriteLine();
}
}
Ответ 3
Проще говоря, многомерные массивы похожи на таблицу в СУБД.
Массив массива (массив с заусенцами) позволяет каждому элементу удерживать другой массив с одинаковой переменной длины.
Итак, если вы уверены, что структура данных выглядит как таблица (фиксированные строки/столбцы), вы можете использовать многомерный массив. Массив Jagged - это фиксированные элементы, и каждый элемент может содержать массив переменной длины
например. Psuedocode:
int[,] data = new int[2,2];
data[0,0] = 1;
data[0,1] = 2;
data[1,0] = 3;
data[1,1] = 4;
Подумайте об этом как о таблице 2x2:
1 | 2
3 | 4
int[][] jagged = new int[3][];
jagged[0] = new int[4] { 1, 2, 3, 4 };
jagged[1] = new int[2] { 11, 12 };
jagged[2] = new int[3] { 21, 22, 23 };
Подумайте об этом как о каждой строке с переменным числом столбцов:
1 | 2 | 3 | 4
11 | 12
21 | 22 | 23
Ответ 4
Предисловие: Этот комментарий предназначен для решения ответа, предоставленного okutane, но из-за SO глупой системы репутации я не могу опубликовать где он принадлежит.
Ваше утверждение о том, что одно медленнее, чем другое из-за вызовов метода, неверно. Один из них медленнее, чем другой, из-за более сложных алгоритмов проверки границ. Вы можете легко убедиться в этом, глядя не на IL, а на сборку сборки. Например, при установке версии 4.5 доступ к элементу (через указатель в edx), хранящийся в двумерном массиве, на который указывает ecx с индексами, хранящимися в eax и edx, выглядит так:
sub eax,[ecx+10]
cmp eax,[ecx+08]
jae oops //jump to throw out of bounds exception
sub edx,[ecx+14]
cmp edx,[ecx+0C]
jae oops //jump to throw out of bounds exception
imul eax,[ecx+0C]
add eax,edx
lea edx,[ecx+eax*4+18]
Здесь вы можете видеть, что от вызовов метода нет накладных расходов. Проверка границ очень сложна благодаря возможности ненулевых индексов, что является функциональностью, не предлагаемой с зубчатыми массивами. Если мы удалим sub, cmp и jmps для ненулевых случаев, код в значительной степени разрешит (x*y_max+y)*sizeof(ptr)+sizeof(array_header). Этот расчет примерно так же быстро (одно умножение может быть заменено сдвигом, так как все мы выбираем байты размером до двух бит) как что-либо еще для случайного доступа к элементу.
Еще одно осложнение состоит в том, что существует множество случаев, когда современный компилятор оптимизирует прохождение вложенных ограничений - проверка доступа к элементу при повторении по одномерному массиву. Результатом является код, который в основном просто продвигает указатель указателя на непрерывную память массива. Наивная итерация по многомерным массивам обычно включает дополнительный слой вложенной логики, поэтому компилятор с меньшей вероятностью оптимизирует работу. Таким образом, несмотря на то, что накладные расходы, связанные с проверкой границ доступа к одному элементу, амортизируются до постоянной времени выполнения в отношении размеров и размеров массива, простой тестовый пример для измерения разности может занять много времени дольше.
Ответ 5
Я хотел бы обновить это, потому что в .NET Core многомерные массивы быстрее, чем зубчатые массивы. Я провел тесты из John Leidegren, и это результаты на предварительном просмотре .NET Core 2.0 2. Я увеличил значение измерения, чтобы сделать любые возможные влияния из фоновых приложений менее заметными.
Debug (code optimalization disabled)
Running jagged
187.232 200.585 219.927 227.765 225.334 222.745 224.036 222.396 219.912 222.737
Running multi-dimensional
130.732 151.398 131.763 129.740 129.572 159.948 145.464 131.930 133.117 129.342
Running single-dimensional
91.153 145.657 111.974 96.436 100.015 97.640 94.581 139.658 108.326 92.931
Release (code optimalization enabled)
Running jagged
108.503 95.409 128.187 121.877 119.295 118.201 102.321 116.393 125.499 116.459
Running multi-dimensional
62.292 60.627 60.611 60.883 61.167 60.923 62.083 60.932 61.444 62.974
Running single-dimensional
34.974 33.901 34.088 34.659 34.064 34.735 34.919 34.694 35.006 34.796
Я искал разборки, и вот что я нашел
jagged[i][j][k] = i * j * k; необходимо выполнить 34 команды для выполнения
multi[i, j, k] = i * j * k; необходимо выполнить 11 команд для выполнения
single[i * dim * dim + j * dim + k] = i * j * k; необходимо выполнить 23 команды для выполнения
Мне не удалось определить, почему одномерные массивы еще быстрее, чем многомерные, но я предполагаю, что это связано с некоторой оптимизацией, сделанной на процессоре
Ответ 6
Многомерные массивы являются (n-1) -мерными матрицами.
So int[,] square = new int[2,2] - квадратная матрица 2x2, int[,,] cube = new int [3,3,3] - квадратная матрица 3x3. Пропорциональность не требуется.
Массированные массивы - это всего лишь массив массивов - массив, в котором каждая ячейка содержит массив.
Итак, MDA пропорциональны, JD может и не быть! Каждая ячейка может содержать массив произвольной длины!
Ответ 7
Это можно было бы упомянуть в приведенных выше ответах, но не явно: с помощью jagged array вы можете использовать array[row] для ссылки на целую строку данных, но это не допускается для массивов multi-d.
Ответ 8
В дополнение к другим ответам обратите внимание, что многомерный массив выделяется как один большой кусок объекта в куче. Это имеет некоторые последствия:
- Некоторые многомерные массивы получат выделение в кучке больших объектов (LOH), где в противном случае их эквивалентные дробленые сопоставления массива не будут иметь.
- GC должен будет найти единый непрерывный свободный блок памяти для размещения многомерного массива, тогда как неровный массив может заполнить пробелы, вызванные фрагментацией кучи... это обычно не проблема .NET. из-за уплотнения, но LOH не уплотняется по умолчанию (вы должны его просить, и вы должны спрашивать каждый раз, когда вы этого хотите).
- Вы хотите посмотреть
<gcAllowVeryLargeObjects> для многомерных массивов способ, прежде чем проблема когда-либо появится если вы только когда-либо используете зубчатые массивы.
Ответ 9
Я разбираю файлы .il, сгенерированные ildasm, для создания базы данных assemnblies, классов, методов и хранимых процедур для использования при выполнении преобразования. Я наткнулся на следующее, что нарушило мой синтаксический анализ.
.method private hidebysig instance uint32[0...,0...]
GenerateWorkingKey(uint8[] key,
bool forEncryption) cil managed
В книге Expert.NET 2.0 IL Assembler, автор: Serge Lidin, Apress, опубликованная в 2006 году, глава 8, Primitive Types and Signatures, стр. 149-150.
<type>[] называется вектором <type>,
<type>[<bounds> [<bounds>**] ] называется массивом <type>
** может повторяться, [ ] означает необязательный.
Примеры: Пусть <type> = int32.
1) int32[...,...] представляет собой двумерный массив undefined нижних границ и размеров
2) int32[2...5] является одномерным массивом нижней границы 2 и размером 4.
3) int32[0...,0...] - это двумерный массив нижних границ 0 и undefined size.
Tom
