C# 语言介绍

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。 如果想要通过交互式示例探索语言,请尝试 C# 简介教程。

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 intdouble 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 virtualoverride 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。

.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。 CLR 执行的代码有时称为“托管代码”。而“非托管代码”被编译成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。

有关 .NET 的详细信息,请参阅 .NET 概述

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 IOCollections)。 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。

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(refout 参数变量除外)。

标识符是变量名称。 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。

以下大纲概述了 C# 的类型系统。

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 structrecord 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 interfaceclassstruct 必须提供接口成员的实现代码。 interface 可以继承自多个基接口,classstruct 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。

classstructinterfacedelegate 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[]int 类型的一维数组,int[,]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 stringnull 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

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.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(PushPop)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。

本教程中的后续文章介绍了这些组织块。