【层面一】C#语言基础和核心语法-01(类型系统/面向对象/异常处理)

这是所有.NET开发的基石，必须牢固掌握。

1 类型系统

1.1 为什么需要类型？

类型系统就是一套规则，它告诉编译器和我们：

1. 数据是什么（是数字、文本、还是自定义对象？）
2. 能对它做什么（能计算吗？能比较吗？能调用它的方法吗？）
3. 它占多少空间（在内存中如何布局）
4. 它如何与其他数据交互（如何转换、继承、实现接口）

类型系统为代码提供了结构、安全性和可读性。

1.2 .NET 类型系统的两大支柱：CTS 和 CLS

为了实现“跨语言”的宏伟目标，.NET 制定了两个标准：

1. 公共类型系统 - CTS

   • 定义： 一套所有 .NET 语言都必须遵守的关于类型的定义、行为和关系的规范。
   • 目的：确保在一种语言中定义的类型（如 C# 的 class）可以在另一种语言中（如 F#）无缝使用。它定义了所有类型最终都派生自 System.Object，规定了什么是类、接口、委托、值类型、引用类型等。
   • 比喻：CTS 就像是欧盟的标准，规定了所有成员国生产的电器插头形状、电压标准。这样德国产的电器拿到法国就能直接用。

2. 公共语言规范 - CLS

   • 定义：CTS 的一个子集。它定义了所有 .NET 语言都必须支持的最小功能集。

   • 目的：确保开发者编写的代码可以被任何其他 .NET 语言使用。如果你希望代码是“符合 CLS 的”，就应该避免使用某些语言特有的特性（如 C# 的 uint 无符号整数，因为有些语言不支持）。

   • 比喻：CLS 就像是欧盟标准下的最低安全标准。一个产品只要满足这个最低标准，就可以在欧盟所有国家销售。开发者可以选择只使用这些最低标准特性，来保证最大的互操作性。

1.3 最根本的分类：值类型 vs 引用类型

这是 .NET 类型系统最核心、最重要的区别。几乎所有其他特性都源于此。

特性	值类型	引用类型
存储位置	栈	托管堆
存储内容	直接存储数据本身	存储数据的地址（引用）
赋值行为	复制整个数据（创建副本）	复制引用（指向同一对象）
默认值	所有字段为 0 或 null	null
继承	隐式密封（sealed），不能作为基类	可以派生其他类
内存管理	超出作用域时立即被回收	由垃圾回收器（GC）管理
例子	int, float, bool, char, struct, enum	class, interface, delegate, array, string

比喻：

• 值类型就像你的「身份证」：

  • 你复印身份证给别人，别人拿到的是副本。修改复印件，不影响你原来的身份证。

  • 身份证本身就在你手里（栈上）。

• 引用类型就像「银行的保险箱」：

  • 你告诉朋友保险箱的号码和钥匙（引用），你们用的是同一个保险箱。朋友取走里面的东西，你再去就没了。

  • 保险箱本身在银行金库里（堆上），你手里只拿着钥匙。

// 值类型示例 (struct)
public struct Point
{public int X;public int Y;
}Point p1 = new Point { X = 10, Y = 20 };
Point p2 = p1; // 复制！p2 是 p1 的一个完整副本p2.X = 100;    // 修改 p2 不会影响 p1
Console.WriteLine(p1.X); // 输出 10
Console.WriteLine(p2.X); // 输出 100// 引用类型示例 (class)
public class Person
{public string Name;
}Person person1 = new Person { Name = "Alice" };
Person person2 = person1; // 复制引用！现在 person2 和 person1 指向同一个对象person2.Name = "Bob";     // 通过 person2 修改对象
Console.WriteLine(person1.Name); // 输出 "Bob"，因为 person1 也指向同一个对象
Console.WriteLine(person2.Name); // 输出 "Bob"

1.4 内置类型 vs. 自定义类型

1. 内置类型（基础类型）

.NET 提供了一组现成的、最常用的类型，它们在 C# 中有关键字对应：

C# 关键字	.NET 类型	分类	说明
int	System.Int32	值类型	32 位整数
long	System.Int64	值类型	64 位整数
float	System.Single	值类型	32 位浮点数（需加 f 后缀）
double	System.Double	值类型	64 位浮点数
decimal	System.Decimal	值类型	128 位高精度小数（用于金融，需加 m 后缀）
bool	System.Boolean	值类型	布尔值（true/false）
char	System.Char	值类型	单个 Unicode 字符
string	System.String	引用类型	不可变的 Unicode 字符串序列
object	System.Object	引用类型	所有类型的终极基类

注意：

string 是特殊的引用类型。它的行为有时像值类型（因为它是不可变的），任何修改操作都会产生一个新的字符串对象。

2. 自定义类型
   开发者可以创建自己的复杂类型，这是面向对象编程的核心：

类型	关键字	主要目的	分类
类	class	定义数据和行为的蓝图，是OOP的主力	引用类型
结构	struct	定义轻量级的、行为简单的数据聚合	值类型
枚举	enum	定义一组命名的常数	值类型
接口	interface	定义一套公共行为的契约	引用类型
委托	delegate	定义方法签名，用于回调和方法引用	引用类型

1.5 类型转换

在不同类型之间转换是常见操作。

1. 隐式转换

   • 由编译器自动进行的安全转换，不会丢失信息。

   • 规则：从小范围类型转向大范围类型。

   • 示例：int i = 10; long l = i; (int -> long)

2. 显式转换（强制转换）

   • 可能丢失信息或失败，需要开发者明确指定。

   • 语法：(目标类型)源变量

   • 示例：double d = 3.14; int i = (int)d; (double -> int, 值变为 3)

   • 风险：可能导致精度丢失或溢出。

3. 使用转换方法

   • ToString(): 任何对象都可以转换为字符串。

   • Parse() / TryParse(): 将字符串转换为其他类型（如 int.Parse(“123”)）。

   • Convert 类: Convert.ToInt32(), Convert.ToDateTime() 等，功能更丰富。

4. as 和 is 运算符

   • as: 用于引用类型之间的安全转换，失败则返回 null。

     object obj = new Person();
     Person p = obj as Person; // 安全转换
     if (p != null) { … }

   • is: 检查对象是否与给定类型兼容，返回 bool。C# 7.0 后支持模式匹配。

     if (obj is Person p) // 检查的同时转换
     {
     // 可以直接使用 p
     }

1.6 通用基类：System.Object

所有类型都直接或间接继承自 Object 类。它提供了几个最基本的方法：

• Equals(): 判断两个对象是否“逻辑相等”。

• GetHashCode(): 获取对象的哈希码（用于哈希表等数据结构）。

• ToString(): 返回对象的字符串表示形式（默认返回类型全名，常被重写）。

• GetType(): 非常重要！返回当前实例的准确类型（Type 对象）。用于反射。

• MemberwiseClone(): 创建当前对象的浅表副本。

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总结：类型系统带来的四大好处

1. 安全性：编译器可以在编译时检查类型错误（例如，试图将字符串除以数字），将大量错误扼杀在摇篮中。

2. 可读性：代码即文档。看到变量的类型，就能清晰地知道它的用途和能进行的操作。

3. 内存管理：编译器知道类型的大小和生命周期，从而能高效地分配内存（值类型在栈上，引用类型在堆上）。

4. 抽象与组织：通过类、接口等机制，允许开发者创建复杂的领域模型，更好地组织代码。

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2 面向对象编程

2.1 类和对象

这是OOP最基础的概念，理解它就能理解OOP的整个世界。

1. 类 - 蓝图

• 是什么：类是一个模板、一个蓝图、一个定义。它本身不是一个具体的东西，它只描述一类事物应该有什么样的特征和行为。

• 生活比喻：建筑设计图。图纸上定义了房子的户型、面积、有几个卧室、几个卫生间。但图纸本身不能住人。

• 代码中：类定义了属性（数据/特征）和方法（行为/功能）。

// 这是一个“狗”类的蓝图
public class Dog
{// 属性 (特征)public string Name { get; set; } // 名字public string Breed { get; set; } // 品种// 方法 (行为)public void Bark(){Console.WriteLine($"{Name} 说：汪汪！");}public void Eat(string food){Console.WriteLine($"{Name} 正在吃 {food}");}
}

这个 Dog 类就像一张蓝图，世界上并没有一只叫“Dog”的狗，它只是规定了“狗”应该有名字、品种，会叫、会吃

2. 对象 - 房子

• 是什么：对象是类的一个具体实例。它是根据蓝图真正建造出来的、实实在在的东西。

• 生活比喻：根据建筑设计图建造出来的一栋真实的房子。你可以住进去，可以装修它。

• 代码中：使用 new 关键字来根据类创建对象。这个过程叫实例化。

// 根据“狗”的蓝图，创建两只真实的狗（对象）
Dog myDog = new Dog(); // new 关键字就是“建造”的过程
myDog.Name = "阿奇";   // 给属性赋值，相当于“装修”
myDog.Breed = "边牧";
myDog.Bark();          // 调用方法 -> 输出 "阿奇 说：汪汪！"Dog yourDog = new Dog();
yourDog.Name = "土豆";
yourDog.Breed = "柯基";
yourDog.Eat("狗粮");   // 输出 "土豆 正在吃狗粮"

核心关系：

• 类是静态的定义，在编译时就已经确定。

• 对象是动态的实例，在程序运行时被创建出来。

• 一个类可以创建无数个对象，每个对象都有自己的状态（属性值）。

2.2 接口和类

这是一个容易混淆但至关重要的概念。它们不是对立的，而是互补的。

1. 类 - 员工

• 是什么：类是一个具体的实现者。它定义了事物是什么以及它如何做事。

• 生活比喻：一个具体的员工，比如张三。他有具体的技能，能实际完成工作。

// 一个具体的“数据库日志”实现者
public class DatabaseLogger : ILogger // 实现了 ILogger 接口
{public void Log(string message){// 他知道如何把消息记录到数据库Console.WriteLine($"将消息 '{message}' 写入数据库...");// ... 实际的数据库操作代码}
}

2. 接口 - 契约/标准

• 是什么：接口是一份契约、一个标准。它只规定了实现者必须做什么，但完全不关心具体怎么做。

• 关键字：interface

• 生活比喻：职位描述（JD）。上面写着“我们需要一个会写代码的人”。它不关心你是张三还是李四，只要你能写代码就行。这份JD就是接口。

• 代码中：接口只包含方法、属性、事件或索引器的签名，没有任何实现

// 这是一个“日志记录器”的契约/标准
public interface ILogger
{// 只定义了“必须有一个Log方法，接收一个string参数”// 没有大括号 {} 实现体！void Log(string message);
}

3. 实现接口：员工满足契约
   一个类可以实现一个或多个接口，这意味着它签署了这份契约，承诺提供接口中定义的所有功能。

// FileLogger 签署了 ILogger 契约，承诺会实现 Log 方法
public class FileLogger : ILogger // 使用 ‘:‘ 表示实现接口
{public void Log(string message){// 他用自己方式实现：写入文件Console.WriteLine($"将消息 '{message}' 写入文件...");// ... 实际的文件操作代码}
}// 甚至可以有一个控制台日志器
public class ConsoleLogger : ILogger
{public void Log(string message){// 他用另一种方式实现：打印到控制台Console.WriteLine($"日志输出: {message}");}
}

4. 为什么需要接口？—— 松耦合与多态
   接口的核心威力在于它让代码极度灵活和可扩展。

想象一个业务场景：OrderService（订单服务）需要记录日志。

没有接口的糟糕写法（紧耦合）：

public class OrderService
{// 直接依赖一个具体的实现private DatabaseLogger _logger = new DatabaseLogger();public void ProcessOrder(){_logger.Log("开始处理订单..."); // 永远只能用DatabaseLogger}
}

如果想换成文件日志，必须修改 OrderService 的代码。

使用接口的强大写法（松耦合）：

public class OrderService
{// 只依赖一个抽象的契约，而不是具体的实现private readonly ILogger _logger;// 通过构造函数注入，告诉我你需要哪种日志器，但我不管具体是哪种public OrderService(ILogger logger){_logger = logger;}public void ProcessOrder(){_logger.Log("开始处理订单..."); // 神奇之处：这里不需要关心是哪个日志器}
}// 在程序入口处，我们决定用哪种具体的实现
var service = new OrderService(new FileLogger()); // 想用文件日志？注入它
// var service = new OrderService(new ConsoleLogger()); // 想用控制台？换这个
// var service = new OrderService(new DatabaseLogger()); // 想用数据库？再换这个
service.ProcessOrder();

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总结接口的好处：

• 定义标准：让多个类拥有统一的行为方式。

• 实现多态：允许不同的类对同一方法有不同的实现。OrderService 可以应对任何实现了 ILogger 的类。

• 松耦合：使代码模块之间不直接依赖具体实现，而是依赖抽象。这使得系统更灵活、更易测试（测试时可以注入一个“模拟”的日志器）和更易扩展（未来增加新的日志类型，如 EmailLogger，完全不需要修改 OrderService）。

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2.3 访问修饰符

访问修饰符决定了类、方法、属性等成员的可见性和可访问性。它实现了OOP的封装特性，就像给房子装上了不同权限的门。

修饰符	权限范围	生活比喻	代码示例
public	无限制。任何地方的代码都可以访问。	房子的前门，任何人都可以进来。	public string Name;
private	最严格。只有同一个类内部的代码可以访问。	**卧室的私人抽屉，**只有你自己能打开。	private string _secretCode;
protected	家族权限。本类内部和所有派生类（子类） 中可以访问。	家族的祖传密室，你和你的后代都可以进，外人不行。	protected inheritanceKey;
internal	项目/程序集权限。在同一个项目（程序集）内部可以访问，对外部项目不可见。	公司办公室门禁，只有本公司员工能刷开，外面的人不行。	internal EmployeeId;
protected internal	protected 或 internal。只要是本程序集内部，或者是派生类（即使在其他程序集），都可以访问。	家族公司权限：要么你是家族成员（子类），要么你是公司员工（同程序集），二者满足其一即可进入。	protected internal Fund;

为什么需要访问修饰符？—— 封装与安全

1. 隐藏复杂性：只暴露必要的部分（public 方法），隐藏内部复杂的实现细节（private 字段和方法）。使用者只需要知道怎么用，不需要知道为什么能这么用。

2. 防止误操作：将重要的数据字段设为 private，然后通过 public 的属性（Property）来控制访问和验证逻辑，防止外部代码将其设置为无效值。

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总结与关系

• 类和对象是OOP的基础，类是蓝图，对象是实例。

• 接口是OOP的灵魂，它定义了契约，实现了松耦合和多态，让程序变得灵活而强壮。

• 访问修饰符是OOP的卫士，它通过封装保护了对象的内部状态，确保了代码的安全性和健壮性。

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2.4 (OOP）三大特性：封装、继承、多态

面向对象的特性：封装、继承、多态

2.5 其他成员：索引器、运算符重载

C# 中的两个强大特性：索引器 和 运算符重载。
它们都能让你自定义的类用起来更像内置类型，更加直观和优雅。

2.5.1 索引器：让对象像数组一样访问

1. 核心概念：什么是索引器？

• 是什么：索引器允许你的对象能够像数组或字典一样，使用 [ ] 符号来访问其内部的元素或数据。

• 目的：提供一种更直观、更简洁的方式来访问对象内部封装的集合或数据。

• 本质：索引器本质上是一个特殊的属性，它拥有 get 和 set 访问器，但其访问方式不是通过属性名，而是通过索引（可以是任何类型）。

2. 生活比喻：智能储物柜
   想象一个智能储物柜，它有一排排的箱子。你不是通过属性（如 Locker1，Locker2）来访问每个箱子，而是通过箱子的编号来存取物品。

• myLocker[101] = “书包”; // 把书包存进 101 号箱子

• string item = myLocker[101]; // 从 101 号箱子取回物品

这个 [101] 就是索引器。储物柜对象内部管理着所有箱子，但对外只暴露这个简单的索引接口。

3. 语法与实现
   索引器的声明类似于属性，但使用 this 关键字，并在方括号 [ ] 中定义参数。

public class StringArray
{// 内部实际存储数据的数组private string[] _array = new string[10];// 索引器定义// 返回值类型： string// 参数： int indexpublic string this[int index]{get{// 读取逻辑：检查索引范围if (index < 0 || index >= _array.Length)throw new IndexOutOfRangeException();return _array[index];}set{// 写入逻辑：检查索引范围if (index < 0 || index >= _array.Length)throw new IndexOutOfRangeException();_array[index] = value;}}
}

4. 如何使用

// 创建对象
StringArray myArray = new StringArray();// 使用索引器赋值 (调用 set 访问器)
myArray[0] = "Hello";
myArray[1] = "World";// 使用索引器读取 (调用 get 访问器)
Console.WriteLine(myArray[0]); // 输出 "Hello"
Console.WriteLine(myArray[1]); // 输出 "World"// 尝试越界访问
// Console.WriteLine(myArray[100]); // 会抛出 IndexOutOfRangeException

5. 高级用法

• 不同类型索引：索引不一定是 int，可以是 string 或其他类型，常用于实现字典行为。

public class PersonCollection
{private Dictionary<string, Person> _people = new Dictionary<string, Person>();// 以字符串（如名字）作为索引public Person this[string name]{get { return _people[name]; }set { _people[name] = value; }}
}// 使用
var collection = new PersonCollection();
collection["Alice"] = new Person("Alice", 30);
Person p = collection["Alice"];

• 多参数索引：例如，模拟一个二维表格或棋盘。

public class GameBoard
{private int[,] _board = new int[3, 3];public int this[int row, int column]{get { return _board[row, column]; }set { _board[row, column] = value; }}
}// 使用
var board = new GameBoard();
board[1, 2] = 5; // 在第 2 行，第 3 列放置一个棋子

总结索引器：
它完美体现了封装的思想。类内部可以用任何复杂的数据结构（数组、列表、字典、数据库连接）来存储数据，但对外提供了极其简单统一的数组式访问接口。

2.5.2 运算符重载：让对象支持数学运算

1. 核心概念：什么是运算符重载？

• 是什么：允许你为你自定义的类或结构体定义诸如 +, -, ==, !=, <, > 等运算符的行为。

• 目的：让你自定义的类型用起来像内置类型（如 int, double）一样自然，支持直观的数学或逻辑运算。

• 本质：运算符重载实际上是一个特殊的静态方法。

2. 生活比喻：货币兑换
   你有人民币（MoneyRMB）和美元（MoneyUSD）两种对象。100 RMB + 50 USD 应该如何计算？

• 直接相加是毫无意义的。

• 但如果你定义了 MoneyRMB 和 MoneyUSD 之间的 + 运算符，让它自动按汇率进行转换再计算，这个操作就变得非常直观和有用。

3. 语法与实现
   运算符重载使用 operator 关键字，并声明为 public static。

public class Vector2D
{public double X { get; set; }public double Y { get; set; }public Vector2D(double x, double y){X = x;Y = y;}// 重载加法运算符 ‘+’public static Vector2D operator +(Vector2D v1, Vector2D v2){return new Vector2D(v1.X + v2.X, v1.Y + v2.Y);}// 重载减法运算符 ‘-’public static Vector2D operator -(Vector2D v1, Vector2D v2){return new Vector2D(v1.X - v2.X, v1.Y - v2.Y);}// 重载一元取反运算符 ‘-’public static Vector2D operator -(Vector2D v){return new Vector2D(-v.X, -v.Y);}
}

4. 如何使用

Vector2D point1 = new Vector2D(1.0, 2.0);
Vector2D point2 = new Vector2D(3.0, 4.0);// 使用重载的 ‘+’ 运算符
Vector2D result1 = point1 + point2; // result1.X = 4.0, result1.Y = 6.0
Console.WriteLine($"({result1.X}, {result1.Y})"); // 输出 (4, 6)// 使用重载的 ‘-’ 运算符
Vector2D result2 = point1 - point2; // result2.X = -2.0, result2.Y = -2.0// 使用重载的一元 ‘-’ 运算符
Vector2D result3 = -point1; // result3.X = -1.0, result3.Y = -2.0

5. 重载关系运算符（==, !=, <, > 等）

重载关系运算符通常需要成对重载（如重载 == 就必须重载 !=），并且最好同时重写 Equals() 和 GetHashCode() 方法，以保持逻辑一致性。

public class Vector2D
{// ... 之前的代码 ...// 重载 ‘==’ 运算符public static bool operator ==(Vector2D v1, Vector2D v2){// 处理 null 情况if (ReferenceEquals(v1, v2)) return true;if (v1 is null || v2 is null) return false;// 定义相等的逻辑：X 和 Y 都相等return v1.X == v2.X && v1.Y == v2.Y;}// 重载 ‘!=’ 运算符 (必须与 ‘==’ 逻辑相反)public static bool operator !=(Vector2D v1, Vector2D v2){return !(v1 == v2);}// 重写 Equals 方法，保持与 ‘==’ 逻辑一致public override bool Equals(object obj){if (obj is Vector2D other){return this == other; // 调用上面重载的 ‘==’ 运算符}return false;}// 重写 GetHashCode，如果两个对象相等，它们的哈希码也必须相等public override int GetHashCode(){return HashCode.Combine(X, Y);}
}

6. 可重载的运算符

类别	运算符	备注
算术运算符	+, -, *, /, %
递增/递减	++, –
位运算符	&,	,^,~,<<,>>
关系运算符	==, !=, <, >, <=, >=	必须成对重载
true/false	true, false	极少使用

不可重载的运算符：.（成员访问）、()（调用）、new（对象创建）、&&, ||（条件逻辑，但它们会通过 & 和 | 来计算）、=（赋值）等。

总结与最佳实践

特性	索引器	运算符重载
目的	让对象像数组/集合一样访问	让对象像基本数值类型一样运算
核心语法	public T this[P index] { get; set; }	public static T operator +(T a, T b) { … }
适用场景	自定义集合类、封装了内部数组/字典的类	数学对象（向量、矩阵、复数）、物理量（长度、重量）、货币等
优点	简化访问，隐藏内部数据结构的复杂性	代码直观，更符合数学和物理直觉
注意事项	确保索引有效性检查，避免抛出令人困惑的异常	谨慎使用，确保运算逻辑对使用者来说显而易见。切忌滥用，例如重载 + 来表示不相关的操作（如合并两个订单）会大大降低代码可读性。始终成对重载关系运算符并重写 Equals/GetHashCode。

3. 异常处理

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