C#入门经典第五版完整源代码与实践

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简介：本书是针对初学者的C#编程指南，系统介绍C#语言基础知识，并提供大量源代码实例。源程序部分通过实际操作深化理解，涵盖变量、数据类型、运算符、控制流程、函数、面向对象概念（类、对象、接口、继承、多态、封装）、异常处理等。通过实例学习，初学者能巩固理论并提升编程能力。

1. C#基础语法介绍

在开始深入探讨C#语言的面向对象编程之前，让我们先来打下一个坚实的基础，理解C#的基础语法。C#（发音为 "C Sharp"）是一种由微软开发的现代化、类型安全的编程语言。它运行在.NET框架之上，广泛应用于桌面应用程序、网站、游戏开发以及分布式应用中。C#语言强调简洁性和表达力，它的语法既熟悉又直观，对那些有过C、C++、Java编程经验的人来说很容易上手。

1.1 C# 基本元素

C#程序由以下几个基本元素构成：

• 关键字 ：C#定义了一系列保留关键字，如 public , static , void 等，用于定义语法结构和数据类型。
• 数据类型 ：包括值类型和引用类型，如 int , double , string , class , interface 等。
• 变量和常量 ：变量用于存储数据，常量用于存储不可更改的数据。
• 运算符 ：用于执行赋值、算术、逻辑等各种操作。
• 控制流语句 ：如 if 语句、 for 循环和 switch 语句等，用于控制程序的执行流程。

1.2 程序结构

C#程序通常包含一个或多个类和方法。每个程序至少有一个类，且至少有一个 Main 方法作为程序的入口点。下面是一个简单的C#程序示例，它展示了一个控制台应用程序的基本结构：

using System;

namespace HelloWorld
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello, World!");
        }
    }
}

在这个示例中：

• using System; 表示使用 System 命名空间中的类，如 Console 。
• namespace HelloWorld 定义了一个命名空间，用于组织代码。
• class Program 定义了一个类，它是程序的主要容器。
• static void Main(string[] args) 表示主入口方法，程序从这里开始执行。

通过学习和理解C#的基础语法，你将能够为进一步学习面向对象编程的高级概念奠定坚实的基础。让我们一起开始这趟旅程吧！

2. 面向对象编程概念

面向对象编程（Object-Oriented Programming，OOP）是一种将数据与行为封装在对象中的编程范式。对象是类的实例，类则是对象的蓝图。在OOP中，程序设计关注的是对象及其交互。面向对象编程的几个核心概念是：封装、继承和多态。

2.1 面向对象编程的基本原理

2.1.1 封装、继承、多态的概念

封装 是一种将数据（属性）和代码（方法）绑定到一起形成一个独立的单元的机制，这个单元即对象。封装的目的是隐藏对象的内部实现细节，仅通过对象提供的公共接口进行操作。

继承 是一种机制，允许创建一个类（子类）继承另一个类（父类）的属性和方法。继承支持代码重用，能够减少代码冗余，使程序结构更加清晰。

多态 指同一个接口使用不同的实例而实现不同的功能。多态允许将子类的对象当作父类的对象对待，增强了代码的扩展性和维护性。

2.1.2 对象和类的基本知识

在面向对象编程中， 类（Class） 是创建对象的模板或蓝图。它定义了对象将拥有的方法和字段。类可以有构造函数、属性、方法、事件等。

对象（Object） 是类的实例。在运行时，从类创建的每个对象都包含类定义的数据和行为。

2.1.1 封装、继承、多态的代码实现

下面以C#语言为例，展示封装、继承和多态的代码实现：

// 基类
public class Animal
{
    private string name; // 封装的属性

    public Animal(string name)
    {
        this.name = name;
    }

    public virtual void Speak() // 虚方法，支持多态
    {
        Console.WriteLine("This animal makes a sound.");
    }
}

// 派生类
public class Dog : Animal // 继承
{
    public Dog(string name) : base(name) { }

    public override void Speak() // 方法重写，支持多态
    {
        Console.WriteLine($"{name} barks.");
    }
}

// 使用示例
public class Program
{
    public static void Main(string[] args)
    {
        Animal myAnimal = new Animal("Generic Animal");
        myAnimal.Speak(); // 输出: This animal makes a sound.

        Dog myDog = new Dog("Buddy");
        myDog.Speak(); // 输出: Buddy barks.
    }
}

在此示例中， Animal 类是基类，它具有一个受保护的属性 name 和一个虚方法 Speak() 。 Dog 类继承自 Animal 类，并重写了 Speak() 方法。当调用 Speak() 方法时，根据实际的对象类型（Animal 或 Dog），输出不同的话，展示了多态的行为。

通过这个代码示例，我们展示了类和对象的基础知识，同时演示了如何利用封装、继承和多态来设计一个简单的面向对象系统。

2.2 面向对象的高级特性

2.2.1 抽象类与接口的区别

抽象类（Abstract Class） 不能被实例化，它是为了被继承而设计的。一个抽象类可以包含抽象方法，抽象方法没有具体实现，需要由派生类提供具体的实现。

接口（Interface） 是一种引用类型，它完全由抽象成员组成，用于定义一个公共的协议，实现接口的类必须实现接口中定义的所有成员。

下面是一个抽象类和接口的简单示例：

// 抽象类
public abstract class Shape
{
    public abstract void Draw();
}

// 接口
public interface IDrawable
{
    void Draw();
}

// 实现接口和抽象类
public class Circle : Shape, IDrawable
{
    public void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing Circle");
    }
}

在这个例子中， Shape 是一个抽象类，它定义了一个抽象方法 Draw() 。 IDrawable 是一个接口，也定义了 Draw() 方法。 Circle 类继承了 Shape 并实现了 IDrawable 接口，因此它必须实现 Draw() 方法。

2.2.2 静态成员与实例成员的作用

在C#中，类的成员可以是静态的，也可以是实例的。

静态成员（Static Members） 是与类相关联的，而不是与类的实例相关联。静态成员在程序中只有一个副本，不论创建了多少个类的实例。

实例成员（Instance Members） 则属于类的具体实例。每个类的实例都拥有自己的实例成员副本。

下面是一个区分静态成员和实例成员的代码示例：

public class Person
{
    public string Name { get; set; }
    public static int NumberOfPeople { get; private set; } // 静态成员

    public Person(string name)
    {
        Name = name;
        NumberOfPeople++; // 每创建一个实例，人数加一
    }
}

// 使用示例
var person1 = new Person("Alice");
var person2 = new Person("Bob");

Console.WriteLine($"Number of people: {Person.NumberOfPeople}"); // 输出人数

在这个例子中， NumberOfPeople 是静态成员，它记录了创建的 Person 对象数量。无论创建多少个 Person 实例， NumberOfPeople 都只有一个副本，并随着对象的创建而更新。

2.2.3 事件驱动编程模型

事件驱动编程是一种编程范式，其中程序的流程是由事件驱动的。在C#中，事件是一种特殊的多播委托，它允许将多个方法绑定到一个事件上。

事件驱动模型通常用于图形用户界面（GUI）应用程序，例如Windows Forms或WPF应用程序。但是，事件驱动编程也可以用于实现各种其他类型的软件系统。

下面是一个简单的事件驱动模型的示例：

public class Publisher
{
    // 定义一个事件
    public event EventHandler MyEvent;

    public void DoSomething()
    {
        // 触发事件
        OnMyEvent(EventArgs.Empty);
    }

    protected virtual void OnMyEvent(EventArgs e)
    {
        MyEvent?.Invoke(this, e);
    }
}

public class Subscriber
{
    public void OnMyEvent(object sender, EventArgs e)
    {
        Console.WriteLine("Event handled.");
    }
}

// 使用示例
var publisher = new Publisher();
var subscriber = new Subscriber();

// 订阅事件
publisher.MyEvent += subscriber.OnMyEvent;

// 触发事件
publisher.DoSomething();

// 取消订阅事件
publisher.MyEvent -= subscriber.OnMyEvent;

在这个例子中， Publisher 类有一个名为 MyEvent 的事件，以及一个触发该事件的方法 DoSomething() 。 Subscriber 类提供了一个事件处理方法 OnMyEvent() ，它订阅并处理来自 Publisher 的事件。

通过此代码示例，展示了如何在C#中使用事件来实现事件驱动编程模型。

3. 类和对象定义

3.1 类的定义与构造

3.1.1 类的声明和字段

在C#中，类是一种引用类型，它是一种可以用来定义数据结构和方法的蓝图。类的声明包含了类名、类体和成员。类体用大括号括起来，类成员包括字段、属性、方法、构造函数等。

public class Person
{
    // 字段
    private string name;
    private int age;

    // 其他成员...
}

字段是类中定义的变量，用于存储有关对象状态的信息。在上面的例子中， name 和 age 是 Person 类的私有字段，它们只能在类的内部直接访问。

3.1.2 构造函数的作用和种类

构造函数是一个特殊的成员函数，它在创建类的新对象时被自动调用。构造函数的主要目的是初始化对象状态。它具有与类相同的名称，并且没有返回类型。

C#支持以下类型的构造函数：

• 无参构造函数 ：不接受任何参数的构造函数。
• 带参数的构造函数 ：允许传递参数以初始化对象的构造函数。
• 构造函数重载 ：根据参数的不同，可以有多个构造函数。

public class Person
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }

    // 无参构造函数
    public Person()
    {
        // 初始化代码
    }

    // 带参数的构造函数
    public Person(string name, int age)
    {
        this.Name = name;
        this.Age = age;
    }

    // 其他成员...
}

3.2 对象的创建与使用

3.2.1 对象的实例化过程

对象的实例化是指使用类创建具体对象的过程。这个过程包括两步：

1. 使用 new 关键字分配内存。
2. 调用构造函数初始化对象。

Person person1 = new Person();
Person person2 = new Person("Alice", 30);

在上面的例子中， person1 是通过无参构造函数实例化的，而 person2 是通过带参数的构造函数实例化的。

3.2.2 对象的生命周期管理

在C#中，对象的生命周期是由垃圾回收器管理的。对象不再被引用时，垃圾回收器会自动释放内存。在对象的生命周期内，我们需要管理好对象的资源，例如关闭文件或网络连接等。可以通过实现 IDisposable 接口来释放非托管资源。

public class ResourceHolder : IDisposable
{
    private bool disposed = false;

    public void Dispose()
    {
        Dispose(true);
        GC.SuppressFinalize(this);
    }

    protected virtual void Dispose(bool disposing)
    {
        if (!disposed)
        {
            if (disposing)
            {
                // 释放托管资源
            }
            // 释放非托管资源
            disposed = true;
        }
    }

    ~ResourceHolder()
    {
        Dispose(false);
    }
}

在上面的代码中， Dispose 方法用于释放资源，它有一个受保护的虚拟版本，允许派生类覆盖并添加自己的资源清理代码。 Dispose(bool disposing) 的参数指示是否释放托管资源。 GC.SuppressFinalize(this) 调用是为了防止垃圾回收器调用析构函数。

graph LR
A[开始] --> B[分配内存]
B --> C{是否需要初始化}
C -- 是 --> D[调用构造函数]
C -- 否 --> E[对象实例化完成]
D --> E
E --> F{对象是否被引用}
F -- 是 --> G[继续使用对象]
F -- 否 --> H[垃圾回收器介入]
H --> I[回收内存]

通过上述流程图，我们清楚地了解了对象从实例化到垃圾回收的整个生命周期。这有助于开发者编写更高效、更安全的代码。

4. 接口使用与实现

在本章节中，我们将深入探讨C#中的接口概念及其使用方法。接口在C#中作为一种定义了方法和属性的规范而存在，它不提供这些成员的具体实现。因此，接口是用来实现多继承的一种方式，允许类实现多个接口，从而能够表现多种行为。本章节旨在解释接口的基本概念，功能以及在多继承中的应用。

4.1 接口的基本概念与功能

4.1.1 接口的定义和特性

接口是C#语言中一种特殊的引用类型，它定义了实现该接口的所有类必须实现的成员列表。接口主要定义了方法、属性、事件或索引器等成员。一个接口可以被一个或多个类实现，但不能直接被实例化。接口的特性如下：

• 抽象性： 接口中的成员都是抽象的，接口本身也不包含成员的实现。
• 多重实现： 类可以实现多个接口，这为实现多重继承提供了可能。
• 继承性： 接口可以继承自一个或多个接口，形成接口的继承层次结构。

下面是接口的基本定义示例：

public interface IAnimal
{
    string Speak();
    void Move();
}

4.1.2 接口与抽象类的比较

接口和抽象类都用于实现抽象层，但它们之间存在几个关键的差异：

• 实现数量： 类可以实现多个接口，但只能继承一个抽象类。
• 成员实现： 接口成员在没有明确定义时默认为public，而抽象类可以包含非抽象成员，并且成员的访问修饰符可以自由设置。
• 构造函数： 接口不能包含构造函数，而抽象类可以。

4.2 接口的实现和多继承

4.2.1 实现接口的方法

在C#中，实现接口需要使用 implements 关键字。一个类可以实现多个接口，实现接口的类必须提供接口定义的所有方法和属性的具体实现。以下是如何实现一个接口的示例代码：

public class Dog : IAnimal
{
    public string Speak()
    {
        return "Woof!";
    }

    public void Move()
    {
        // 跳到主人身上
        Console.WriteLine("The dog jumps on its owner.");
    }
}

4.2.2 接口在多继承中的应用

接口是实现C#语言中多继承的一种方式。一个类可以继承多个接口，从而实现多个接口提供的方法和属性。例如，如果想要一个类同时具有 IAnimal 和 IFlyable 接口的特性，可以这样实现：

public interface IFlyable
{
    void Fly();
}

public class Pegasus : IAnimal, IFlyable
{
    public string Speak()
    {
        return "Whinny";
    }

    public void Move()
    {
        // 飞跑
        Console.WriteLine("The Pegasus flaps its wings and runs.");
    }

    public void Fly()
    {
        // 在空中飞翔
        Console.WriteLine("The Pegasus takes off into the sky.");
    }
}

通过本章节的介绍，我们已经了解了接口的概念和实现机制。在下一章节中，我们将继续深入探讨继承特性，包括继承的定义、作用以及访问修饰符的使用等。

5. 继承特性讲解

5.1 继承的基本原理

5.1.1 继承的定义和作用

继承是面向对象编程中一个非常重要的概念，它允许我们创建一个新类（派生类或子类）来继承另一个类（基类或父类）的字段和方法。继承的主要目的是代码复用、实现多态以及为了维护和扩展系统时提供方便。

在C#中，继承是通过冒号（ : ）来实现的。派生类继承了基类的成员，这意味着派生类可以使用基类中的字段、属性和方法，除非这些成员被标记为 private 。继承增强了类之间的关系，使得我们能够构建一个分层的结构，这个结构在处理复杂问题时尤其有用。

继承的作用主要体现在以下几个方面：

1. 代码复用 ：派生类可以继承基类的代码，不需要重新编写，从而提高开发效率。
2. 多态性 ：通过继承，派生类可以重写基类的方法，实现同一接口的不同实现，达到多态的效果。
3. 设计灵活性 ：继承使得系统的扩展更加灵活，新的类可以继承旧类的功能，并根据需要扩展或修改。

5.1.2 访问修饰符的使用

在C#中，访问修饰符控制了类成员的访问级别。在继承的上下文中，访问修饰符决定了派生类能否访问基类的成员。有以下几种访问修饰符：

• public ：公开的，可以被任何其他代码访问。
• protected ：受保护的，只能被派生类和基类访问。
• internal ：内部的，只能在同一程序集内被访问。
• protected internal ：受保护的内部的，可以在同一程序集或派生类中被访问。
• private ：私有的，只能在定义它的类内部被访问。

以下是一段示例代码，展示了如何使用访问修饰符：

public class BaseClass
{
    public int PublicField; // 公共字段，任何地方都能访问
    protected int ProtectedField; // 受保护字段，只能在派生类中访问
    internal int InternalField; // 内部字段，只能在同一程序集中访问
    private int PrivateField; // 私有字段，只能在BaseClass中访问

    public BaseClass()
    {
        PublicField = 1;
        ProtectedField = 2;
        InternalField = 3;
        PrivateField = 4;
    }
}

public class DerivedClass : BaseClass
{
    public void AccessFields()
    {
        PublicField = 10; // 可以访问
        // ProtectedField = 20; // 可以访问，因为是派生类
        // InternalField = 30; // 不能访问，除非在同一程序集
        // PrivateField = 40; // 不能访问
    }
}

派生类 DerivedClass 可以访问基类 BaseClass 的 PublicField 和 ProtectedField ，但是不能访问 InternalField 和 PrivateField 。

5.2 继承的高级用法

5.2.1 方法覆盖和重载

在继承中，派生类可以覆盖基类的方法，这通常用于提供特定于派生类的实现。方法覆盖通过使用 override 关键字来实现，而方法重载则是在同一个类中使用相同的方法名实现不同的功能。

方法覆盖 要求基类中的方法是 virtual （虚拟的），这意味着它可以被派生类重写。如果一个派生类中定义了一个 override 方法，那么该方法会替换基类中相应的 virtual 方法。以下是一个简单的方法覆盖示例：

public class Animal
{
    public virtual void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine("This animal makes a sound");
    }
}

public class Dog : Animal
{
    public override void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine("The dog barks");
    }
}

// 使用
Animal myDog = new Dog();
myDog.MakeSound(); // 输出 "The dog barks"

在这个例子中， Dog 类重写了 Animal 类的 MakeSound 方法。

方法重载 与方法覆盖不同，它允许在同一个类中定义多个同名方法，只要它们的参数列表不同即可。方法重载可以增加方法的灵活性，它使得类能够接受不同类型的输入，执行相似的操作。

5.2.2 抽象类与密封类的区别

在C#中，类可以通过使用 abstract （抽象）和 sealed （密封）关键字来增加继承的控制。

• 抽象类 不能被实例化，它们通常用于定义抽象的属性和方法，这些抽象成员必须在派生类中被实现。抽象类可以包含抽象成员和实现的成员。

public abstract class Shape
{
    public abstract double Area(); // 抽象方法
    public virtual void Display() // 实现的虚拟方法
    {
        Console.WriteLine("Displaying shape");
    }
}

public class Circle : Shape
{
    private double radius;

    public Circle(double radius)
    {
        this.radius = radius;
    }

    public override double Area()
    {
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

• 密封类 不能被继承，如果你希望防止某个类被继承，可以将其声明为 sealed 。密封类可以包含非抽象成员，这些成员可以在派生类中被调用。

public sealed class Book
{
    private string title;

    public Book(string title)
    {
        this.title = title;
    }

    public void DisplayTitle()
    {
        Console.WriteLine($"Book title: {title}");
    }
}

在 Book 类中，我们不需要继承，也不希望其他类继承这个类，所以我们将其声明为 sealed 。

通过这些高级用法，继承特性能够帮助我们更好地设计和实现面向对象的程序。理解它们的使用场景和限制对于编写健壮和可维护的代码至关重要。

6. 多态概念与应用

多态是面向对象编程的核心概念之一，它允许我们以统一的方式处理不同类型的对象。本章将探讨多态的定义、原理以及在实际开发中的应用。

6.1 多态的定义和原理

6.1.1 多态的含义和实现机制

多态是指同一操作作用于不同的对象，可以有不同的解释和不同的执行结果。在C#中，多态主要是通过方法重载（overloading）和方法重写（overriding）来实现的。

方法重载 发生在同一个类中，允许有多个同名方法，但它们的参数列表必须不同。

public class Calculator
{
    public int Add(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
    public double Add(double a, double b)
    {
        return a + b;
    }
}

方法重写 则是在子类中重新实现继承自父类的方法。在C#中，使用 override 关键字来实现方法的重写，父类中被重写的成员使用 virtual 关键字声明。

public class Animal
{
    public virtual void Speak()
    {
        Console.WriteLine("This animal makes a sound.");
    }
}

public class Dog : Animal
{
    public override void Speak()
    {
        Console.WriteLine("The dog barks.");
    }
}

6.1.2 虚方法和抽象方法的使用

虚方法允许在派生类中提供特定的实现。而抽象方法是一个没有实现的方法，它要求派生类提供具体实现。在C#中，通过在方法声明前加上 abstract 关键字来定义抽象方法。

public abstract class Shape
{
    public abstract void Draw();
}

public class Circle : Shape
{
    public override void Draw()
    {
        Console.WriteLine("Drawing a circle.");
    }
}

6.2 多态在实际开发中的应用

6.2.1 案例分析：多态在设计模式中的应用

多态在设计模式中扮演了重要角色，比如策略模式。策略模式允许在运行时选择算法的行为，将算法的定义与其使用分离，使它们可以互换。

public interface IStrategy
{
    void AlgorithmInterface();
}

public class ConcreteStrategyA : IStrategy
{
    public void AlgorithmInterface()
    {
        Console.WriteLine("Called ConcreteStrategyA Algorithm.");
    }
}

public class ConcreteStrategyB : IStrategy
{
    public void AlgorithmInterface()
    {
        Console.WriteLine("Called ConcreteStrategyB Algorithm.");
    }
}

public class Context
{
    private IStrategy strategy;

    public Context(IStrategy strategy)
    {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void ContextInterface()
    {
        strategy.AlgorithmInterface();
    }
}

// 使用策略模式
IStrategy strategy = new ConcreteStrategyA();
Context context = new Context(strategy);
context.ContextInterface();

strategy = new ConcreteStrategyB();
context = new Context(strategy);
context.ContextInterface();

6.2.2 策略模式与工厂模式中的多态应用

工厂模式是一种创建型模式，通过定义一个创建对象的接口，但让实现这个接口的类来决定实例化哪一个类。工厂模式同样利用多态机制，可以提供不同产品的对象。

public abstract class Product
{
}

public class ConcreteProductA : Product
{
}

public class ConcreteProductB : Product
{
}

public abstract class Creator
{
    public abstract Product FactoryMethod();
}

public class ConcreteCreatorA : Creator
{
    public override Product FactoryMethod()
    {
        return new ConcreteProductA();
    }
}

public class ConcreteCreatorB : Creator
{
    public override Product FactoryMethod()
    {
        return new ConcreteProductB();
    }
}

// 使用工厂模式
Creator creatorA = new ConcreteCreatorA();
Product productA = creatorA.FactoryMethod();

Creator creatorB = new ConcreteCreatorB();
Product productB = creatorB.FactoryMethod();

通过多态和抽象的运用，工厂模式能够解耦产品的创建逻辑和使用逻辑，提高了代码的扩展性和可维护性。

在讨论多态时，我们发现它不仅是一个理论概念，而是能够在不同的场景中实际应用，显著提升程序设计的灵活性和代码的复用性。

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