C# 语言介绍

时间:2022-05-23 人气:1

前言：

C#（读作“See Sharp”）是一种新式编程语言，不仅面向对象，还类型安全。开发人员利用 C# 能够生成在 .NET 中运行的多种安全可靠的应用程序。 C# 源于 C 语言系列，C、C++、Java 和 JavaScript 程序员很快就可以上手使用。本教程概述了 C# 8 及更高版本中该语言的主要组件。

C# 是面向对象的、面向组件的编程语言。 C# 提供了语言构造来直接支持这些概念，让 C# 成为一种非常自然的语言，可用于创建和使用软件组件。自诞生之日起，C# 就添加了支持新工作负载和新兴软件设计实践的功能。 C# 本质上是面向对象的语言。_* 你需要定义类型及其行为。

多项 C# 功能有助于创建可靠且持久的应用程序。垃圾回收自动回收不可访问的未用对象所占用的内存。可以为 null 的类型可防范不引用已分配对象的变量。异常处理提供了一种结构化且可扩展的方法来进行错误检测和恢复。 Lambda 表达式支持函数编程技术。语言集成查询 (LINQ) 语法创建一个公共模式，用于处理来自任何源的数据。异步操作语言支持提供用于构建分布式系统的语法。 C# 有统一类型系统。所有 C# 类型（包括 int 和 double 等基元类型）均继承自一个根 object 类型。所有类型共用一组通用运算。任何类型的值都可以一致地进行存储、传输和处理。此外，C# 还支持用户定义的引用类型和值类型。 C# 允许动态分配轻型结构的对象和内嵌存储。 C# 支持泛型方法和类型，因此增强了类型安全性和性能。 C# 可提供迭代器，使集合类的实现者可以定义客户端代码的自定义行为。

C# 强调版本控制，以确保程序和库以兼容方式随时间推移而变化。 C# 设计中受版本控制加强直接影响的方面包括：单独的 virtual 和 override 修饰符，关于方法重载决策的规则，以及对显式接口成员声明的支持。

一、.NET 体系结构

C# 程序在 .NET 上运行，而 .NET 是名为公共语言运行时 (CLR) 的虚执行系统和一组类库。 CLR 是 Microsoft 对公共语言基础结构 (CLI) 国际标准的实现。 CLI 是创建执行和开发环境的基础，语言和库可以在其中无缝地协同工作。

用 C# 编写的源代码被编译成符合 CLI 规范的中间语言 (IL)。 IL 代码和资源（如位图和字符串）存储在扩展名通常为 .dll 的程序集中。程序集包含一个介绍程序集的类型、版本和区域性的清单。

执行 C# 程序时，程序集将加载到 CLR。 CLR 会直接执行实时 (JIT) 编译，将 IL 代码转换成本机指令。 CLR 可提供其他与自动垃圾回收、异常处理和资源管理相关的服务。由 CLR 执行的代码有时称为“托管代码”。 “非托管代码”编译为面向特定平台的本机语言。

语言互操作性是 .NET 的一项重要功能。 C# 编译器生成的 IL 代码符合公共类型规范 (CTS)。通过 C# 生成的 IL 代码可以与通过 .NET 版本的 F#、Visual Basic、C++ 生成的代码进行交互。还有 20 多种与 CTS 兼容的语言。单个程序集可包含多个用不同 .NET 语言编写的模块。这些类型可以相互引用，就像它们是用同一种语言编写的一样。

除了运行时服务之外，.NET 还包含大量库。这些库支持多种不同的工作负载。它们已整理到命名空间中，这些命名空间提供各种实用功能。这些功能包括文件输入输出、字符串控制、XML 分析、Web 应用程序框架和 Windows 窗体控件。典型的 C# 应用程序广泛使用 .NET 类库来处理常见的“管道”零碎工作。

二、Hello world

“Hello, World”程序历来都用于介绍编程语言。

下面展示了此程序的 C# 代码：

using System;

class Hello
{
    static void Main()
    {
        Console.WriteLine("Hello, World");
    }
}

“Hello, World”程序始于引用 System 命名空间的 using 指令。命名空间提供了一种用于组织 C# 程序和库的分层方法。命名空间包含类型和其他命名空间。例如，System 命名空间包含许多类型（如程序中引用的 Console 类）和其他许多命名空间（如 IO 和 Collections）。借助引用给定命名空间的 using 指令，可以非限定的方式使用作为相应命名空间成员的类型。由于使用 using 指令，因此程序可以使用 Console.WriteLine 作为 System.Console.WriteLine 的简写。

“Hello, World”程序声明的 Hello 类只有一个成员，即 Main 方法。 Main 方法使用 static 修饰符进行声明。实例方法可以使用关键字 this 引用特定的封闭对象实例，而静态方法则可以在不引用特定对象的情况下运行。按照约定，Main 静态方法是 C# 程序的入口点。

程序的输出是由 System 命名空间中 Console 类的 WriteLine 方法生成。此类由标准类库提供。默认情况下，编译器会自动引用标准类库。

三、类型和变量

类型定义 C# 中的任何数据的结构和行为。类型的声明可以包含其成员、基类型、它实现的接口和该类型允许的操作。变量是用于引用特定类型的实例的标签。

C# 有两种类型：值类型和引用类型。值类型的变量直接包含它们的数据。引用类型的变量存储对数据（称为“对象”）的引用。对于引用类型，两个变量可以引用同一个对象；对一个变量执行的运算可能会影响另一个变量引用的对象。借助值类型，每个变量都有自己的数据副本；因此，对一个变量执行的运算不会影响另一个变量（ref 和 out 参数变量除外）。

标识符为变量名称。标识符是不包含任何空格的 unicode 字符序列。如果标识符的前缀为 @，则该标识符可以是 C# 保留字。在与其他语言交互时，使用保留字作为标识符很有用。

C# 的值类型进一步分为：简单类型、枚举类型、结构类型、可以为 null 的值类型和元组值类型。 C# 引用类型又细分为类类型、接口类型、数组类型和委托类型。

C# 程序使用类型声明创建新类型。类型声明指定新类型的名称和成员。用户可定义以下六种 C# 类型：类类型、结构类型、接口类型、枚举类型、委托类型和元组值类型。还可以声明 record 类型（record struct 或 record class）。记录类型具有编译器合成成员。记录主要用于存储值，关联行为最少。

class 类型定义包含数据成员（字段）和函数成员（方法、属性及其他）的数据结构。类类型支持单一继承和多形性，即派生类可以扩展和专门针对基类的机制。
struct 类型定义包含数据成员和函数成员的结构，这一点与类类型相似。不过，与类不同的是，结构是值类型，通常不需要进行堆分配。结构类型不支持用户指定的继承，并且所有结构类型均隐式继承自类型 object。
interface 类型将协定定义为一组已命名的公共成员。实现 interface 的 class 或 struct 必须提供接口成员的实现代码。 interface 可以继承自多个基接口，class 和 struct 可以实现多个接口。
delegate 类型表示引用包含特定参数列表和返回类型的方法。通过委托，可以将方法视为可分配给变量并可作为参数传递的实体。委托类同于函数式语言提供的函数类型。它们还类似于其他一些语言中存在的“函数指针”概念。与函数指针不同，委托是面向对象且类型安全的。
class、struct、interface 和 delegate 类型全部都支持泛型，因此可以使用其他类型对它们进行参数化。

C# 支持任意类型的一维和多维数组。与上述类型不同，数组类型无需先声明即可使用。相反，数组类型是通过在类型名称后面添加方括号构造而成。例如，int[] 是 int 类型的一维数组，int[,] 是 int 类型的二维数组，int[][] 是由 int 类型的一维数组或“交错”数组构成的一维数组。

可以为 null 的类型不需要单独定义。对于所有不可以为 null 的类型 T，都有对应的可以为 null 的类型 T?，后者可以包含附加值 null。例如，int? 是可保存任何 32 位整数或 null 值的类型，string? 是可以保存任何 string 或 null 值的类型。

C# 采用统一的类型系统，因此任意类型的值都可视为 object。每种 C# 类型都直接或间接地派生自 object 类类型，而 object 是所有类型的最终基类。只需将值视为类型 object，即可将引用类型的值视为对象。通过执行装箱和取消装箱操作，可以将值类型的值视为对象。在以下示例中，int 值被转换成 object，然后又恢复成 int。

int i = 123;
object o = i;    // Boxing
int j = (int)o;  // Unboxing

将值类型的值分配给 object 对象引用时，会分配一个“箱”来保存此值。该箱是引用类型的实例，此值会被复制到该箱。相反，当 object 引用被显式转换成值类型时，将检查引用的 object 是否是具有正确值类型的箱。如果检查成功，则会将箱中的值复制到值类型。

C# 的统一类型系统实际上意味着“按需”将值类型视为 object 引用。鉴于这种统一性，使用类型 object 的常规用途库可以与派生自 object 的所有类型结合使用，包括引用类型和值类型。

C# 有多种变量，其中包括字段、数组元素、局部变量和参数。变量表示存储位置。每个变量都具有一种类型，用于确定可以在变量中存储哪些值，

如下文所述：

不可以为 null 的值类型

具有精确类型的值

可以为 null 的值类型

null 值或具有精确类型的值

object

null 引用、对任意引用类型的对象的引用，或对任意值类型的装箱值的引用

类类型

null 引用、对类类型实例的引用，或对派生自类类型的类实例的引用

接口类型

null 引用、对实现接口类型的类类型实例的引用，或对实现接口类型的值类型的装箱值的引用

数组类型

null 引用、对数组类型实例的引用，或对兼容的数组类型实例的引用

委托类型

null 引用或对兼容的委托类型实例的引用

四、程序结构

C# 中的关键组织结构概念包括程序、命名空间、类型、成员和程序集* 。程序声明类型，而类型则包含成员，并被整理到命名空间中。类型示例包括类、结构和接口。成员示例包括字段、方法、属性和事件。编译完的 C# 程序实际上会打包到程序集中。程序集的文件扩展名通常为 .exe 或 .dll，具体视其分别实现的是应用程序还是库_***而定。

作为一个小示例，请考虑包含以下代码的程序集：

namespace Acme.Collections;

public class Stack<T>
{
    Entry _top;

    public void Push(T data)
    {
        _top = new Entry(_top, data);
    }

    public T Pop()
    {
        if (_top == null)
        {
            throw new InvalidOperationException();
        }
        T result = _top.Data;
        _top = _top.Next;

        return result;
    }

    class Entry
    {
        public Entry Next { get; set; }
        public T Data { get; set; }

        public Entry(Entry next, T data)
        {
            Next = next;
            Data = data;
        }
    }
}

此类的完全限定的名称为 Acme.Collections.Stack。

此类包含多个成员：一个 _top 字段、两个方法（Push 和 Pop）和一个 Entry 嵌套类。 Entry 类还包含三个成员：一个名为 Next 的属性、一个名为 Data 的属性和一个构造函数。 Stack 是泛型类。它具有一个类型参数 T，在使用时替换为具体类型。

堆栈是一个“先进后出”(FILO) 集合。添加到堆栈顶部的新元素。删除元素时，将从堆栈顶部删除该元素。前面的示例声明定义堆栈的存储和行为的 Stack 类型。可以声明一个引用 Stack 类型的实例的变量来使用该功能。

程序集包含中间语言 (IL) 指令形式的可执行代码和元数据形式的符号信息。执行前，.NET 公共语言运行时的实时 (JIT) 编译器会将程序集中的 IL 代码转换为特定于处理器的代码。

由于程序集是包含代码和元数据的自描述功能单元，因此无需在 C# 中使用 #include 指令和头文件。只需在编译程序时引用特定的程序集，即可在 C# 程序中使用此程序集中包含的公共类型和成员。

例如，此程序使用 acme.dll 程序集中的 Acme.Collections.Stack 类：

class Example
{
    public static void Main()
    {
        var s = new Acme.Collections.Stack<int>();
        s.Push(1); // stack contains 1
        s.Push(10); // stack contains 1, 10
        s.Push(100); // stack contains 1, 10, 100
        Console.WriteLine(s.Pop()); // stack contains 1, 10
        Console.WriteLine(s.Pop()); // stack contains 1
        Console.WriteLine(s.Pop()); // stack is empty
    }
}

若要编译此程序，需要引用包含前面示例中定义的堆栈类的程序集。

C# 程序可以存储在多个源文件中。在编译 C# 程序时，将同时处理所有源文件，并且源文件可以自由地相互引用。从概念上讲，就好像所有源文件在被处理之前都连接到一个大文件。在 C# 中永远都不需要使用前向声明，因为声明顺序无关紧要（极少数例外情况除外）。 C# 并不限制源文件只能声明一种公共类型，也不要求源文件的文件名必须与其中声明的类型相匹配。

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