如何创建多维ImmutableArray？是否存在更优实现方案？

微软官方的ImmutableArray仅支持一维数组，你当前用ImmutableArray<T[,]>包装整个多维数组的方式虽然可行，但存在修改时需复制整个多维数组、性能开销大的问题。以下是几种更优的实现方式：

1. 自定义不可变二维数组类型 #

最贴近原生多维数组体验的方案，通过封装只读多维数组实现不可变性，修改操作返回新实例：

public class Immutable2DArray<T>
{
    private readonly T[,] _array;

    public Immutable2DArray(int rows, int cols)
    {
        _array = new T[rows, cols];
    }

    private Immutable2DArray(T[,] array)
    {
        _array = array;
    }

    public T this[int row, int col] => _array[row, col];

    public int Rows => _array.GetLength(0);
    public int Columns => _array.GetLength(1);

    // 修改指定位置的值，返回新的不可变数组
    public Immutable2DArray<T> Set(int row, int col, T value)
    {
        var newArray = (T[,])_array.Clone();
        newArray[row, col] = value;
        return new Immutable2DArray<T>(newArray);
    }
}

// 使用示例
var immutable2D = new Immutable2DArray<int>(3, 3);
immutable2D = immutable2D.Set(0, 0, 1);
int val = immutable2D[0, 0]; // 1

2. 使用嵌套的ImmutableArray #

用ImmutableArray<ImmutableArray<T>>模拟二维数组，符合Immutable集合的设计理念，修改某一行时仅需替换对应的子数组：

// 创建初始二维不可变数组
var rows = ImmutableArray.Create(
    ImmutableArray.Create(1, 2, 3),
    ImmutableArray.Create(4, 5, 6),
    ImmutableArray.Create(7, 8, 9)
);

// 获取值
int value = rows[i][j];

// 修改指定位置的值：先复制目标行并修改，再替换原数组中的该行
var updatedRow = rows[i].SetItem(j, newValue);
var updatedRows = rows.SetItem(i, updatedRow);

这种方式的优势是修改时无需复制整个二维结构，仅复制修改的行，性能更优，且支持LINQ操作。

3. 用ImmutableDictionary模拟稀疏多维数组 #

如果你的多维数组是稀疏的（大部分位置为空值），用ImmutableDictionary<(int Row, int Col), T>存储有效数据更节省空间：

var sparseImmutable = ImmutableDictionary<(int, int), int>.Empty
    .Add((0, 0), 1)
    .Add((2, 2), 9);

// 获取值
if (sparseImmutable.TryGetValue((i, j), out int val))
{
    // 处理值
}

// 修改值
sparseImmutable = sparseImmutable.SetItem((i, j), newValue);

方案对比 #

• 自定义不可变类型：性能最优，体验最接近原生多维数组，适合密集型、固定维度的场景。
• 嵌套ImmutableArray：灵活性高，支持LINQ，适合需要频繁操作行数据的场景。
• ImmutableDictionary：空间效率高，适合稀疏多维数据场景。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者DavidY