C#指南，重温基础，展望远方！（6）C#类和对象

类是最基本的 C# 类型。

 类是一种数据结构，可在一个单元中就将状态（字段）和操作（方法和其他函数成员）结合起来。

类为动态创建的类实例（亦称为“对象”）提供了定义。

 类支持继承和多形性，即派生类可以扩展和专门针对基类的机制。

新类使用类声明进行创建。 类声明的开头是标头，指定了类的特性和修饰符、类名、基类（若指定）以及类实现的接口。 标头后面是类主体，由在分隔符 { 和 } 内编写的成员声明列表组成。

以下是简单类 Point 的声明：

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public class Point
{
    public int x, y; public Point(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; } } 

类实例是使用 new 运算符进行创建，此运算符为新实例分配内存，调用构造函数来初始化实例，并返回对实例的引用。 以下语句创建两个 Point 对象，并将对这些对象的引用存储在两个变量中：

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Point p1 = new Point(0, 0);
Point p2 = new Point(10, 20); 

当无法再访问对象时，对象占用的内存会被自动回收。 既没必要，也无法在 C# 中显式解除分配对象。

成员

类成员要么是静态成员，要么是实例成员。 静态成员属于类，而实例成员则属于对象（类实例）。

下面概述了类可以包含的成员类型。

• 常量
  • 与类相关联的常量值
• 字段
  • 类的常量
• 方法
  • 类可以执行的计算和操作
• 属性
  • 与读取和写入类的已命名属性相关联的操作
• 索引器
  • 与将类实例编入索引（像处理数组一样）相关联的操作
• 事件
  • 类可以生成的通知
• 运算符
  • 类支持的转换和表达式运算符
• 构造函数
  • 初始化类实例或类本身所需的操作
• 终结器
  • 永久放弃类实例前要执行的操作
• 类型
  • 类声明的嵌套类型

可访问性

每个类成员都有关联的可访问性，用于控制能够访问成员的程序文本区域。 可访问性有五种可能的形式。 总结如下。

• public
  • 访问不受限
• protected
  • 只能访问此类或派生自此类的类
• internal
  • 访问限于当前程序集（.exe、.dll 等）
• protected internal
  • 访问限于包含类或派生自包含类的类
• private
  • 只能访问此类
• private protected
  • 访问限于同一程序集中的包含类或派生自包含类的类

类型参数

类定义可能会按如下方式指定一组类型参数：在类名后面用尖括号括住类型参数名称列表。 然后，可以在类声明的主体中使用类型参数来定义类成员。 在以下示例中，Pair 的类型参数是 TFirst 和 TSecond：

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public class Pair<TFirst,TSecond> { public TFirst First; public TSecond Second; } 

声明为需要使用类型参数的类类型被称为泛型类类型。 结构、接口和委托类型也可以是泛型。 使用泛型类时，必须为每个类型参数提供类型自变量：

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Pair<int,string> pair = new Pair<int,string> { First = 1, Second = "two" }; int i = pair.First; // TFirst is int string s = pair.Second; // TSecond is string 

包含类型自变量的泛型类型（如上面的 Pair<int,string>）被称为构造泛型类型。

基类

类声明可能会按如下方式指定基类：在类名和类型参数后面编写冒号和基类名。 省略基类规范与从 object 类型派生相同。在以下示例中，Point3D 的基类是 Point，Point 的基类是 object：

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public class Point
{
    public int x, y; public Point(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; } } public class Point3D: Point { public int z; public Point3D(int x, int y, int z) : base(x, y) { this.z = z; } } 

类继承其基类的成员。 继承是指隐式包含其基类的所有成员的类，实例和静态构造函数以及基类的终结器除外。 派生类可以其继承的类添加新成员，但无法删除继承成员的定义。 在上面的示例中，Point3D 从 Point 继承了 x 和 y 字段，每个 Point3D 实例均包含三个字段（x、y 和 z）。

可以将类类型隐式转换成其任意基类类型。 因此，类类型的变量可以引用相应类的实例或任意派生类的实例。 例如，类声明如上，Point 类型的变量可以引用 Point 或 Point3D：

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Point a = new Point(10, 20);
Point b = new Point3D(10, 20, 30); 

字段

字段是与类或类实例相关联的变量。

使用静态修饰符声明的字段定义的是静态字段。 静态字段只指明一个存储位置。 无论创建多少个类实例，永远只有一个静态字段副本。

不使用静态修饰符声明的字段定义的是实例字段。 每个类实例均包含相应类的所有实例字段的单独副本。

在以下示例中，每个 Color 类实例均包含 r、g 和 b 实例字段的单独副本，但分别只包含 Black、White、Red、Green 和 Blue 静态字段的一个副本：

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public class Color
{
    public static readonly Color Black = new Color(0, 0, 0); public static readonly Color White = new Color(255, 255, 255); public static readonly Color Red = new Color(255, 0, 0); public static readonly Color Green = new Color(0, 255, 0); public static readonly Color Blue = new Color(0, 0, 255); private byte r, g, b; public Color(byte r, byte g, byte b) { this.r = r; this.g = g; this.b = b; } } 

如上面的示例所示，可以使用 readonly 修饰符声明只读字段。 只能在字段声明期间或在同一个类的构造函数中向 readonly 字段赋值。

方法

方法是实现对象或类可执行的计算或操作的成员。 静态方法是通过类进行访问。 实例方法是通过类实例进行访问。

方法可能具有参数列表，用于表示传递给方法的值或变量引用；并具有返回类型，用于指定方法计算并返回的值的类型。 如果方法未返回值，则其返回类型为 void。

方法可能也包含一组类型参数，必须在调用方法时指定类型自变量，这一点与类型一样。 与类型不同的是，通常可以根据方法调用的自变量推断出类型自变量，无需显式指定。

在声明方法的类中，方法的签名必须是唯一的。 方法签名包含方法名称、类型参数数量及其参数的数量、修饰符和类型。 方法签名不包含返回类型。

参数

参数用于将值或变量引用传递给方法。 方法参数从调用方法时指定的自变量中获取其实际值。 

有四类参数：（1）值参数、（2）引用参数、（3）输出参数和（4）参数数组。

（1）值参数用于传递输入自变量。 值参数对应于局部变量，从为其传递的自变量中获取初始值。 修改值参数不会影响为其传递的自变量。

可以指定默认值，从而省略相应的自变量，这样值参数就是可选的。

（2）引用参数用于按引用传递自变量。 为引用参数传递的自变量必须是具有明确值的变量，并且在方法执行期间，引用参数指明的存储位置与自变量相同。 引用参数使用 ref 修饰符进行声明。 下面的示例展示了如何使用 ref 参数。

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using System;
class RefExample
{
    static void Swap(ref int x, ref int y) { int temp = x; x = y; y = temp; } public static void SwapExample() { int i = 1, j = 2; Swap(ref i, ref j); Console.WriteLine($"{i} {j}"); // Outputs "2 1" } } 

（3）输出参数用于按引用传递自变量。 输出参数与引用参数类似，不同之处在于，不要求向调用方提供的自变量显式赋值。 输出参数使用 out 修饰符进行声明。 下面的示例演示如何通过 C# 7 中引入的语法使用 out 参数。

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    using System;
    class OutExample
    {
        static void Divide(int x, int y, out int result, out int remainder) { result = x / y; remainder = x % y; } public static void OutUsage() { Divide(10, 3, out int res, out int rem); Console.WriteLine("{0} {1}", res, rem); // Outputs "3 1" } } } 

（4）参数数组允许向方法传递数量不定的自变量。 参数数组使用 params 修饰符进行声明。 参数数组只能是方法的最后一个参数，且参数数组的类型必须是一维数组类型。 System.Console 类的 Write 和 WriteLine 方法是参数数组用法的典型示例。 它们的声明方式如下。

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public class Console
{
    public static void Write(string fmt, params object[] args) { } public static void WriteLine(string fmt, params object[] args) { } // ... } 

在使用参数数组的方法中，参数数组的行为与数组类型的常规参数完全相同。 不过，在调用包含参数数组的方法时，要么可以传递参数数组类型的一个自变量，要么可以传递参数数组的元素类型的任意数量自变量。 在后一种情况中，数组实例会自动创建，并初始化为包含给定的自变量。 以下示例：

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Console.WriteLine("x={0} y={1} z={2}", x, y, z);

等同于编写以下代码：

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string s = "x={0} y={1} z={2}";
object[] args = new object[3]; args[0] = x; args[1] = y; args[2] = z; Console.WriteLine(s, args); 

方法主体和局部变量

方法主体指定了在调用方法时执行的语句。

方法主体可以声明特定于方法调用的变量。 此类变量称为局部变量。 局部变量声明指定了类型名称、变量名称以及可能的初始值。 下面的示例声明了初始值为零的局部变量 i 和无初始值的局部变量 j。

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using System;
class Squares
{
    public static void WriteSquares() { int i = 0; int j; while (i < 10) { j = i * i; Console.WriteLine($"{i} x {i} = {j}"); i = i + 1; } } } 

C# 要求必须先明确赋值局部变量，然后才能获取其值。 例如，如果上面的 i 声明未包含初始值，那么编译器会在后面使用 i 时报告错误，因为在后面使用时 i 不会在程序中进行明确赋值。

方法可以使用 return 语句将控制权返回给调用方。 在返回 void 的方法中，return 语句无法指定表达式。 在不返回 void 的方法中，return 语句必须包括用于计算返回值的表达式。

静态和实例方法

使用静态修饰符声明的方法是静态方法。 静态方法不对特定的实例起作用，只能直接访问静态成员。

不使用静态修饰符声明的方法是实例方法。 实例方法对特定的实例起作用，并能够访问静态和实例成员。 其中调用实例方法的实例可以作为 this 显式访问。 在静态方法中引用 this 会生成错误。

以下 Entity 类包含静态和实例成员。

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class Entity
{
    static int nextSerialNo;
    int serialNo; public Entity() { serialNo = nextSerialNo++; } public int GetSerialNo() { return serialNo; } public static int GetNextSerialNo() { return nextSerialNo; } public static void SetNextSerialNo(int value) { nextSerialNo = value; } } 

每个 Entity 实例均有一个序列号（很可能包含此处未显示的其他一些信息）。 Entity 构造函数（类似于实例方法）将新实例初始化为包含下一个可用的序列号。 由于构造函数是实例成员，因此可以访问 serialNo 实例字段和 nextSerialNo 静态字段。

GetNextSerialNo 和 SetNextSerialNo 静态方法可以访问 nextSerialNo 静态字段，但如果直接访问 serialNo 实例字段，则会生成错误。

下面的示例展示了如何使用 Entity 类。

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using System;
class EntityExample
{
    public static void Usage() { Entity.SetNextSerialNo(1000); Entity e1 = new Entity(); Entity e2 = new Entity(); Console.WriteLine(e1.GetSerialNo()); // Outputs "1000" Console.WriteLine(e2.GetSerialNo()); // Outputs "1001" Console.WriteLine(Entity.GetNextSerialNo()); // Outputs "1002" } } 

请注意，SetNextSerialNo 和 GetNextSerialNo 静态方法是在类中调用，而 GetSerialNo 实例方法则是在类实例中调用。

虚方法、重写方法和抽象方法

如果实例方法声明中有 virtual 修饰符，可以将实例方法称为“虚方法”。 如果没有 virtual 修饰符，可以将实例方法称为“非虚方法”。

调用虚方法时，为其调用方法的实例的运行时类型决定了要调用的实际方法实现代码。 调用非虚方法时，实例的编译时类型是决定性因素。

可以在派生类中重写虚方法。 如果实例方法声明中有 override 修饰符，那么实例方法可以重写签名相同的继承虚方法。 但如果虚方法声明中引入新方法，重写方法声明通过提供相应方法的新实现代码，专门针对现有的继承虚方法。

抽象方法是没有实现代码的虚方法。 抽象方法使用 abstract 修饰符进行声明，只能在同样声明了 abstract 的类中使用。 必须在所有非抽象派生类中重写抽象方法。

下面的示例声明了一个抽象类 Expression，用于表示表达式树节点；还声明了三个派生类（Constant、VariableReference 和 Operation），用于实现常量、变量引用和算术运算的表达式树节点。 （这与表达式树类型相似，但不能与之混淆）。

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using System;
using System.Collections.Generic;
public abstract class Expression { public abstract double Evaluate(Dictionary<string,object> vars); } public class Constant: Expression { double value; public Constant(double value) { this.value = value; } public override double Evaluate(Dictionary<string,object> vars) { return value; } } public class VariableReference: Expression { string name; public VariableReference(string name) { this.name = name; } public override double Evaluate(Dictionary<string,object> vars) { object value = vars[name]; if (value == null) { throw new Exception("Unknown variable: " + name); } return Convert.ToDouble(value); } } public class Operation: Expression { Expression left; char op; Expression right; public Operation(Expression left, char op, Expression right) { this.left = left; this.op = op; this.right = right; } public override double Evaluate(Dictionary<string,object> vars) { double x = left.Evaluate(vars); double y = right.Evaluate(vars); switch (op) { case '+': return x + y; case '-': return x - y; case '*': return x * y; case '/': return x / y; } throw new Exception("Unknown operator"); } } 

上面的四个类可用于进行算术表达式建模。 例如，使用这些类的实例，可以按如下方式表示表达式 x + 3。

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Expression e = new Operation(
    new VariableReference("x"),
    '+',
    new Constant(3)); 

调用 Expression 实例的 Evaluate 方法可以计算给定的表达式并生成 double 值。 此方法需要使用自变量 Dictionary，其中包含变量名称（作为项键）和值（作为项值）。 因为 Evaluate 是一个抽象方法，因此派生自 Expression 的非抽象类必须替代 Evaluate。

Constant 的 Evaluate 实现代码只返回存储的常量。 VariableReference 实现代码查找字典中的变量名称，并返回结果值。 Operation 实现代码先计算左右操作数（以递归方式调用其 Evaluate 方法），然后执行给定的算术运算。

以下程序使用 Expression 类根据不同的 x 和 y 值计算表达式 x * (y + 2)。

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using System;
using System.Collections.Generic;
class InheritanceExample
{
    public static void ExampleUsage() { Expression e = new Operation( new VariableReference("x"), '*', new Operation( new VariableReference("y"), '+', new Constant(2) ) ); Dictionary<string,object> vars = new Dictionary<string, object>(); vars["x"] = 3; vars["y"] = 5; Console.WriteLine(e.Evaluate(vars)); // Outputs "21" vars["x"] = 1.5; vars["y"] = 9; Console.WriteLine(e.Evaluate(vars)); // Outputs "16.5" } } 

方法重载

借助方法重载，同一类中可以有多个同名的方法，只要这些方法具有唯一签名即可。 编译如何调用重载的方法时，编译器使用重载决策来确定要调用的特定方法。 重载决策查找与自变量最匹配的方法；如果找不到最佳匹配项，则会报告错误。 下面的示例展示了重载决策的实际工作方式。 Main 方法中每个调用的注释指明了实际调用的方法。

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using System;
class OverloadingExample
{
    static void F() { Console.WriteLine("F()"); } static void F(object x) { Console.WriteLine("F(object)"); } static void F(int x) { Console.WriteLine("F(int)"); } static void F(double x) { Console.WriteLine("F(double)"); } static void F<T>(T x) { Console.WriteLine("F<T>(T)"); } static void F(double x, double y) { Console.WriteLine("F(double, double)"); } public static void UsageExample() { F(); // Invokes F() F(1); // Invokes F(int) F(1.0); // Invokes F(double) F("abc"); // Invokes F<string>(string) F((double)1); // Invokes F(double) F((object)1); // Invokes F(object) F<int>(1); // Invokes F<int>(int) F(1, 1); // Invokes F(double, double) } } 

如示例所示，可以随时将自变量显式转换成确切的参数类型，并/或显式提供类型自变量，从而选择特定的方法。

其他函数成员

包含可执行代码的成员统称为类的函数成员。 上一部分介绍了作为主要函数成员类型的方法。 此部分将介绍 C# 支持的其他类型函数成员：构造函数、属性、索引器、事件、运算符和终结器。

下面的示例展示了 List 泛型类，用于实现对象的可扩充列表。 此类包含最常见类型函数成员的多个示例。

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public class List<T>
{
    // Constant const int defaultCapacity = 4; // Fields T[] items; int count; // Constructor public List(int capacity = defaultCapacity) { items = new T[capacity]; } // Properties public int Count => count; public int Capacity { get { return items.Length; } set { if (value < count) value = count; if (value != items.Length) { T[] newItems = new T[value]; Array.Copy(items, 0, newItems, 0, count); items = newItems; } } } // Indexer public T this[int index] { get { return items[index]; } set { items[index] = value; OnChanged(); } } // Methods public void Add(T item) { if (count == Capacity) Capacity = count * 2; items[count] = item; count++; OnChanged(); } protected virtual void OnChanged() => Changed?.Invoke(this, EventArgs.Empty); public override bool Equals(object other) => Equals(this, other as List<T>); static bool Equals(List<T> a, List<T> b) { if (Object.ReferenceEquals(a, null)) return Object.ReferenceEquals(b, null); if (Object.ReferenceEquals(b, null) || a.count != b.count) return false; for (int i = 0; i < a.count; i++) { if (!object.Equals(a.items[i], b.items[i])) { return false; } } return true; } // Event public event EventHandler Changed; // Operators public static bool operator ==(List<T> a, List<T> b) => Equals(a, b); public static bool operator !=(List<T> a, List<T> b) => !Equals(a, b); } 

构造函数

C# 支持实例和静态构造函数。 实例构造函数是实现初始化类实例所需执行的操作的成员。 静态构造函数是实现在首次加载类时初始化类本身所需执行的操作的成员。

构造函数的声明方式与方法一样，都没有返回类型，且与所含类同名。 如果构造函数声明包含静态修饰符，则声明的是静态构造函数。 否则，声明的是实例构造函数。

实例构造函数可以重载，并能包含可选参数。 例如，List<T> 类声明两个实例构造函数：一个没有参数，另一个需要使用 int 参数。 实例构造函数使用 new 运算符进行调用。 下面的语句使用包含和不包含可选自变量的 List 类构造函数来分配两个 List<string> 实例。

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List<string> list1 = new List<string>();
List<string> list2 = new List<string>(10); 

与其他成员不同，实例构造函数不能被继承，且类中只能包含实际已声明的实例构造函数。 如果没有为类提供实例构造函数，则会自动提供不含参数的空实例构造函数。

属性

属性是字段的自然扩展。 两者都是包含关联类型的已命名成员，用于访问字段和属性的语法也是一样的。 不过，与字段不同的是，属性不指明存储位置。 相反，属性包含访问器，用于指定在读取或写入属性值时要执行的语句。

属性的声明方式与字段类似，不同之处在于，属性声明以在分隔符 { 和 } 内写入的 get 访问器和/或 set 访问器结束，而不是以分号结束。 同时包含 get 访问器和 set 访问器的属性是读写属性，仅包含 get 访问器的属性是只读属性，仅包含 set 访问器的属性是只写属性。

get 访问器对应于包含属性类型的返回值的无参数方法。 如果在表达式中引用属性，除了作为赋值目标以外，调用的属性 get 访问器还可用于计算属性值。

set 访问器对应于包含一个名为 value 的参数但不含返回类型的方法。 如果将属性引用为赋值目标或 ++/-- 的操作数，将调用 set 访问器（由自变量提供新值）。

List<T> 类声明以下两个属性：Count 和 Capacity（分别是只读和只写属性）。 下面的示例展示了如何使用这些属性。

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List<string> names = new List<string>();
names.Capacity = 100;   // Invokes set accessor int i = names.Count; // Invokes get accessor int j = names.Capacity; // Invokes get accessor 

类似于字段和方法，C# 支持实例属性和静态属性。 静态属性使用静态修饰符进行声明，而实例属性则不使用静态修饰符进行声明。

属性的访问器可以是虚的。 如果属性声明包含 virtual、abstract 或 override 修饰符，则适用于属性的访问器。

索引器

借助索引器成员，可以将对象编入索引（像处理数组一样）。 索引器的声明方式与属性类似，不同之处在于，索引器成员名称格式为后跟分隔符 [ 和 ]，其中写入参数列表。 这些参数在索引器的访问器中可用。 类似于属性，索引器分为读写、只读和只写索引器，且索引器的访问器可以是虚的。

List 类声明一个需要使用 int 参数的读写索引器。 借助索引器，可以使用 int 值将 List 实例编入索引。 例如:

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List<string> names = new List<string>();
names.Add("Liz");
names.Add("Martha"); names.Add("Beth"); for (int i = 0; i < names.Count; i++) { string s = names[i]; names[i] = s.ToUpper(); } 

索引器可以进行重载。也就是说，类可以声明多个索引器，只要其参数的数量或类型不同即可。

事件

借助事件成员，类或对象可以提供通知。 事件的声明方式与字段类似，不同之处在于，事件声明包括事件关键字，且类型必须是委托类型。

在声明事件成员的类中，事件的行为与委托类型的字段完全相同（前提是事件不是抽象的，且不声明访问器）。 字段存储对委托的引用，委托表示已添加到事件的事件处理程序。 如果没有任何事件处理程序，则字段为 null。

List<T> 类声明一个 Changed 事件成员，指明已向列表添加了新项。 Changed 事件由 OnChanged 虚方法引发，此方法会先检查事件是否是 null（即不含任何处理程序）。 引发事件的概念恰恰等同于调用由事件表示的委托，因此，没有用于引发事件的特殊语言构造。

客户端通过事件处理程序响应事件。 使用 += 和 -= 运算符分别可以附加和删除事件处理程序。 下面的示例展示了如何向 List<string> 的 Changed 事件附加事件处理程序。

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class EventExample
{
    static int changeCount;
    static void ListChanged(object sender, EventArgs e) { changeCount++; } public static void Usage() { List<string> names = new List<string>(); names.Changed += new EventHandler(ListChanged); names.Add("Liz"); names.Add("Martha"); names.Add("Beth"); Console.WriteLine(changeCount); // Outputs "3" } } 

对于需要控制事件的基础存储的高级方案，事件声明可以显式提供 add 和 remove 访问器，这在某种程度上与属性的 set 访问器类似。

运算符

运算符是定义向类实例应用特定表达式运算符的含义的成员。 可以定义三种类型的运算符：一元运算符、二元运算符和转换运算符。 所有运算符都必须声明为 public 和 static。

List<T> 类声明两个运算符（operator == 和 operator !=），因此定义了向 List 实例应用这些运算符的表达式的新含义。 具体而言，这些运算符定义的是两个 List<T> 实例的相等性（使用其 Equals 方法比较所包含的每个对象）。 下面的示例展示了如何使用 == 运算符比较两个 List<int> 实例。

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List<int> a = new List<int>();
a.Add(1);
a.Add(2); List<int> b = new List<int>(); b.Add(1); b.Add(2); Console.WriteLine(a == b); // Outputs "True" b.Add(3); Console.WriteLine(a == b); // Outputs "False" 

第一个 Console.WriteLine 输出 True，因为两个列表包含的对象不仅数量相同，而且值和顺序也相同。 如果 List<T> 未定义 operator ==，那么第一个 Console.WriteLine 会输出 False，因为 a 和 b 引用不同的 List<int> 实例。

终结器

终结器是实现完成类实例所需的操作的成员。 终结器既不能包含参数和可访问性修饰符，也不能进行显式调用。 实例的终结器在垃圾回收期间自动调用。

垃圾回收器在决定何时收集对象和运行终结器时有很大自由度。 具体来说，终结器的调用时间具有不确定性，可以在任意线程上执行终结器。 因为这样或那样的原因，只有在没有其他可行的解决方案时，类才能实现终结器。

处理对象析构的更好方法是使用 using 语句。