Learning hard C#学习笔记 C#简介

第 1 章　你真的了解C#吗

在正式介绍C#的语法和特性之前，让我们首先来了解下它的发展历程。因为只有知道了C#的概貌和由来，积累了必要的背景知识，我们才能更好地掌握C#，进而使用C#来编程。

1.1　什么是C#

C#（发音为C Sharp）是由微软公司开发的一种面向对象且运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言。它的基本语法与C和C++类似，但相比较而言，C#更加简单易学。如果你之前已经对上述的任何一种语言有所了解，就可以通过学习，在很短的时间里使用C#来编程。

C#还具有很多特性，例如封装方法签名的委托（类似于C++中的方法指针）、可为空的值类型、泛型方法和Lambda表达式等，这些特性都是其他语言所不具有的。C# 2.0支持泛型类型，从而避免了强制类型转换带来的性能损失；还提供了迭代器，因此可更简单地为集合类型实现自定义的迭代行为。在C# 3.0中，语言集成查询（LINQ）表达式使查询操作更为简单。C# 4.0中提供的动态类型，可以让开发者为类型实现自定义的动态行为，从而使在C#这样的静态语言中调用诸如Python的动态语言成为可能。

使用C#开发应用程序也比使用其他语言更简单、快速，因为C#语言是基于.NET Framework的。.NET Framework为开发应用程序提供了丰富的类库和图形控件，利用这些现有的控件就可以开发出一些应用程序。而且，C#的开发工具Visual Studio也提供了很多应用程序的模块，我们可以利用模块快速创建应用程序。

1.1.1　C#语言的发展历程

了解C#语言的发展历程具有重要的意义，因为只有当你知道了C#语言所具有的特性，才能更好地学习和掌握它们。

C#是微软公司在2000年6月发布的全新编程语言。在其诞生后的14年里，为了帮助开发人员更好地使用C#语言来编写应用程序，微软不断地更新C#语言的版本，每次升级都能带来让我们眼前一亮的新特性。表1-1列出了C#每个版本中所更新的特性和对应的.NET Framework版本。

表 1-1　C#各版本的新特性及对应的.NET Framework版本

C# 版本	.NET Framework版本	Visual Studio版本	发布日期	特性
C# 1.0	.NET Framework 1.0	Visual Studio .NET 2002	2002.1	委托事件
C# 1.1	.NET Framework 1.1	Visual Studio .NET 2003	2003.4	APM
C# 2.0	.NET Framework 2.0	Visual Studio 2005（开始命名为Visual Studio）	2005.11	泛型匿名方法迭代器可空类型
C# 3.0	.NET Framework 3.0 .NET Framework 3.5	Visual Studio 2008	2007.11	隐式类型的局部变量对象集合初始化自动实现属性匿名类型扩展方法查询表达式 Lambda表达式表达式树分部类和分部方法 Linq
C# 4.0	.NET Framework 4.0	Visual Studio 2010	2010.4	动态绑定命名和可选参数泛型的协变和逆变互操作性
C# 5.0	.NET Framework 4.5	Visual Studio 2012	2012.8	异步和等待调用方信息

从表1-1可以看出，对于C#的每一个版本，微软都是围绕某个主题进行更新的，图1-1更形象地总结了每个C#版本的主题。

图　1-1

1.1.2　C#能编写哪些应用程序

对于读者来说，最想达到的效果莫过于学完C#之后能立刻去开发应用程序。可以这么说，只要掌握了C#，你就能编写所看到的任何应用程序了，比如音乐播放器、电子商务平台，以及一些服务程序等。下面就介绍几种常见的应用程序类型。

1. Windows桌面应用程序

用C#实现Windows桌面应用程序较其他语言来说更为简单快速。主要原因在于，Windows Forms模块提供了一个强大的控件库，其中包含按钮、菜单等常用控件，用户可使用这些控件，通过拖拉的方式轻松地建立Windows用户界面。

另一方面，C#开发环境Visual Studio也很好地集成了Windows Forms模块，方便我们创建这类应用程序；而在.NET 3.0之后（对应于Visual Studio 2008），我们还可以使用Windows Presentation Foundation（WPF）来实现Windows桌面应用程序，WPF提供了更大的灵活性和更漂亮的外观，如图1-2所示。

图　1-2

2. Web应用程序

Web应用程序就是一些Web页面，通过浏览器可以查看这些Web页面。.NET Framework提供了ASP.NET技术来帮助我们实现该类应用程序。ASP.NET模块中包含丰富的控件库，我们可以利用这个控件库来制作出漂亮的Web页面。此外，Visual Studio也集成了该类应用程序的模板（如图1-3所示），使用模板来建立Web应用程序速度更快。

图　1-3

3. Web服务

Web服务是实现分布式应用程序的一种方式。这里举一个生活中的例子，帮助大家理解什么是服务：我们去饭店吃饭，就会有服务员来为我们服务点单。可以发现，服务即指我们不想自己去做，而希望别人帮助我们完成某件事情。

在开发过程中，我们也需要实现那些为其他应用程序提供服务的程序，C#语言可以帮助我们实现这类应用程序。在.NET Framework 3.0之后，微软提供了Windows Communication Foundation（WCF）技术来实现Web服务，Visual Studio中也集成了该应用程序的模板（如图1-4所示）。

图　1-4

C#可以实现任何类型的应用程序，上面只是简单介绍了其中最常见的3类应用程序。对于上面介绍的3种具体的技术，本书不会多作介绍，请读者朋友们参考相关图书和资料进行学习。

1.2　什么是.NET Framework

在前面的介绍中，.NET Framework这个词已经出现过多次了，然而它到底是什么呢？

我们可以这样去理解.NET Framework（.NET框架）：C#是一门编程语言，它用于实现与计算机的对话，但C#编写的程序是需要编译和运行的，.NET Framework就是应用程序运行时的执行环境，为应用程序的执行提供以下几种服务。

全面的类库　.NET Framework提供了丰富的类库以供调用，这使我们不必再去编写大量代码去处理常见的操作。
内存管理　在许多其他的编程语言中，开发人员需要负责内存的分配和释放，以及对象生命周期的处理等任务。.NET Framework为了减轻开发人员的工作，提供了内存管理服务。
通用类型系统（Common Type System，CTS）　CTS定义了可以在中间语言中使用的预定义数据类型。
开发结构和技术　.NET Framework提供了开发特定应用程序所需的库，如Web应用程序的ASP.NET技术。
语言互操作性　面向.NET Framework的语言编译器都提供了生成中间语言代码的机制，这种机制使得不同语言之间进行互操作成为可能。

1.2.1　.NET Framework的组成

前面简单介绍了.NET Framework的概念，接下来，让我们看看.NET Framework具体是由哪几部分组成的。

.NET Framework包括公共语言运行时（Common Language Runtime，CLR）和.NET Framework类库（Framework Class Library，FCL）。

1. 公共语言运行时

公共语言运行时是.NET Framework的核心基础。我们可以将CLR看成一个在执行时管理代码的代理，它提供了内存管理、线程管理和异常处理等服务，而且还负责对代码实施严格的类型安全检查，保证了代码的正确性。我们将受CLR管理的代码称为托管代码（managed code），将不受CLR管理的代码称为非托管代码（unmanaged code）。

CLR包含两个组成部分：通用类型系统（Common Type System，CTS）和公共语言规范（Common Language Specification，CLS）。下面来具体了解这两个组件的功能。

CTS

C#和VB.NET都是由CLR进行管理的，但是它们的语法和数据类型各不相同，CLR是如何对这两种不同的语言进行托管的呢？

这得益于CTS。CTS用于解决不同语言之间数据类型不同的问题，如C#中整型是int，而VB.NET中的整型却是Integer，通过CTS可以把这两个类型变成通用类型Int32。所有.NET语言都共享CTS这一类型系统，从而使它们之间能够实现无缝互操作。

CTS类型主要分为两大类：引用类型和值类型。如图1-5所示，这两种类型之间存在着相互转化，转化方法分别为装箱（box）和拆箱（unbox）。更多有关两类CTS类型转换的内容将在第10章中介绍。

图　1-5
CLS

.NET下的语言不仅仅存在数据类型的不同，语言规范上也有显著的区别，公共语言规范（CLS）就是为了解决这个问题而诞生的。

CLS是一种最低的语言标准，它制定了以.NET平台为目标的语言所必须支持的最小特征，以及某一语言与其他.NET语言之间实现互操作所需要的完备特征。凡是遵守这个标准的语言，在.NET框架下都可以实现互相调用；不符合公共语言规范的代码就不能被其他语言调用，继而不能与其他语言进行互操作。

比如在C#中，变量命名是区分大小写的，而VB.NET却不区分大小写，这样CLS就规定，编译后的IL代码除了大小写之外必须还有其他的不同。图1-6很好地演示了两者之间的区别。

图　1-6

2. .NET Framework

.NET Framework类库就是一组DLL程序集的集合，其中包含了大量定义好的类型，这些类型都公开了一些功能。我们可以使用这些公开的功能开发出多种应用程序，例如前面介绍的Windows Forms和ASP.NET应用程序。

由于FCL中包含了数量极多的类型，因此有必要将相关的一组类型放到一个单独的命名空间中加以区分，例如System.IO命名空间中就包含了用于执行I/O操作的类型。因此，在使用FCL中某个类时，还必须知道该类所在的命名空间。

图1-7可以帮助大家更好地理解公共语言运行时、类库与应用程序之间以及与整个操作系统之间的关系。

图　1-7

1.2.2　C#与.NET Framework的关系

C#是面向.NET Framework的语言，除了C#之外，VB.NET和F#也都是面向.NET Framework的语言。.NET Framework为这些语言提供了执行环境，这些语言则可以调用.NET Framework所提供的类库来开发各种应用程序。大家可以通过图1-8更好地理解两者之间的关系。

图　1-8

1.2.3　C#代码的执行过程

在Visual Studio开发工具下，我们只需要按F5就可以编译和执行C#代码了，但是C#代码到底是如何执行的呢？为了使C#代码能够运行，必须将其转换为目标操作系统能够理解的语言，即本机代码（native code）。在.NET Framework平台下，该过程包括两个阶段。

C#代码编译为中间语言代码的阶段——在编译C#代码时，并不是立即创建专用于操作系统的本机代码，而是由C#编译器（Visual Studio中集成了C#编译器）把代码编译为通用中间语言（Common Intermediate Language，CIL）代码。
中间语言代码编译为本机代码的阶段——要使C#代码能够运行，还需进一步将CIL代码转换为特定CPU的本机代码，该过程由即时编译器（Just-In-Time，JIT）来完成。

下面详细介绍C#代码的编译和执行过程。

1. C#代码编译为中间语言代码阶段

并不是只有C#代码才能被编译为中间语言代码，其他面向.NET的语言（如VB .NET）在执行之前也都需要先编译为中间语言代码。该过程由对应的编译器去完成，具体过程如图1-9所示。

最终创建的IL代码将存储在一个程序集中，程序集中除IL代码外，还将包括元数据和可选的资源文件。元数据用来描述代码中的类型，这种描述针对3个方面：类型定义的描述、类型成员的描述和类型引用成员的描述。可选的资源文件指IL代码中使用的其他数据，如图片文件等。

图　1-9

程序集分为两种：扩展名为.exe的可执行文件，以及扩展名为.dll的可供其他程序调用的库文件。

2. 中间语言代码编译为本机代码阶段

为了使IL代码能够运行，必须把它编译为本机代码，即CPU指令。这个过程由CLR的JIT编译器来完成。其编译过程如图1-10所示。

图　1-10

3. 执行本机代码

JIT编译生成本机代码之后，编译好的本机代码会被放置到一个缓冲区中缓存，下次再调用相同的代码时，可直接运行缓冲区中现有的本机代码，从而避免重新验证IL代码以及把它编译为本机代码的过程。使用这种方法，系统只在首次调用时才会造成一些性能损失（即发生JIT过程）。

1.3　归纳总结

本章简单介绍了C#语言的特点和发展历程，阐释了.NET Framework与C#之间的关系，并给出了C#代码的执行过程。相信通过本章的学习，你已经对C#有了一个全面的认识。下一章将带领大家创建一个简单的控制台程序。

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