C# 类型系统

C# 是一种强类型语言。每个变量和常量都有一个类型，每个求值的表达式也是如此。每个方法声明都为每个输入参数和返回值指定名称、类型和种类（值、引用或输出）。.NET 类库定义了内置数值类型和表示各种构造的复杂类型。其中包括文件系统、网络连接、对象的集合和数组以及日期。典型的 C# 程序使用类库中的类型，以及对程序问题域的专属概念进行建模的用户定义类型。.

编译器使用类型信息来确保在代码中执行的所有操作都是类型安全的。例如，如果声明 int 类型的变量，那么编译器允许在加法和减法运算中使用此变量。如果尝试对 bool 类型的变量执行这些相同操作，则编译器将生成错误，如以下示例所示：

int a = 5;int b = a + 2; //OKbool test = true;// Error. Operator '+' cannot be applied to operands of type 'int' and 'bool'.int c = a + test;

C 和 C++ 请注意，在 C# 中，bool 不能转换为 int。

编译器将类型信息作为元数据嵌入可执行文件中。公共语言运行时 (CLR) 在运行时使用元数据，以在分配和回收内存时进一步保证类型安全性。

当在程序中声明变量或常量时，必须指定其类型或使用 var 关键字让编译器推断类型。以下示例显示了一些使用内置数值类型和复杂用户定义类型的变量声明：

// Declaration only:float temperature;string name;MyClass myClass;// Declaration with initializers (four examples):char firstLetter = 'C';var limit = 3;int[] source = { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };var query = from item in source            where item <= limit            select item;

public string GetName(int ID){    if (ID < names.Length)        return names[ID];    else        return String.Empty;}private string[] names = { "Spencer", "Sally", "Doug" };

声明变量后，不能使用新类型重新声明该变量，并且不能分配与其声明的类型不兼容的值。例如，不能声明 int 后再向它分配 true 的布尔值。不过，可以将值转换成其他类型。例如，在将值分配给新变量或作为方法自变量传递时。编译器会自动执行不会导致数据丢失的类型转换。如果类型转换可能会导致数据丢失，必须在源代码中进行显式转换。

下图展示了 CTS 中值类型和引用类型之间的关系。

最常用的类型全都被整理到了 System 命名空间中。不过，包含类型的命名空间与类型是值类型还是引用类型没有关系。

类和结构是 .NET 通用类型系统的两种基本构造。C# 9 添加记录，记录是一种类。每种本质上都是一种数据结构，其中封装了同属一个逻辑单元的一组数据和行为。数据和行为是类、结构或记录的成员。这些行为包括方法、属性和事件等。

类、结构或记录声明类似于一张蓝图，用于在运行时创建实例或对象。如果定义名为 Person 的类、结构或记录，则 Person 是类型的名称。如果声明和初始化 Person 类型的变量 p，那么 p 就是所谓的 Person 对象或实例。可以创建同一 Person 类型的多个实例，每个实例都可以有不同的属性和字段值。

类是引用类型。创建类型的对象后，向其分配对象的变量仅保留对相应内存的引用。将对象引用分配给新变量后，新变量会引用原始对象。通过一个变量所做的更改将反映在另一个变量中，因为它们引用相同的数据。

结构是值类型。创建结构时，向其分配结构的变量保留结构的实际数据。将结构分配给新变量时，会复制结构。因此，新变量和原始变量包含相同数据的副本（共两个）。对一个副本所做的更改不会影响另一个副本。

记录类型可以是引用类型 (record class) 或值类型 (record struct)。

一般来说，类用于对更复杂的行为建模。类通常存储计划在创建类对象后进行修改的数据。结构最适用于小型数据结构。结构通常存储不打算在创建结构后修改的数据。记录类型是具有附加编译器合成成员的数据结构。记录通常存储不打算在创建对象后修改的数据。

值类型派生自System.ValueType（派生自 System.Object）。派生自 System.ValueType 的类型在 CLR 中具有特殊行为。值类型变量直接包含其值。结构的内存在声明变量的任何上下文中进行内联分配。对于值类型变量，没有单独的堆分配或垃圾回收开销。可以声明属于值类型的 record struct 类型，并包括记录的合成成员。

值类型分为两类：struct 和 enum。

内置的数值类型是结构，它们具有可访问的字段和方法：

// constant field on type byte.byte b = byte.MaxValue;

但可将这些类型视为简单的非聚合类型，为其声明并赋值：

byte num = 0xA;int i = 5;char c = 'Z';

public struct Coords{    public int x, y;    public Coords(int p1, int p2){        x = p1;        y = p2;    }}

另一种值类型是enum。枚举定义的是一组已命名的整型常量。例如，.NET 类库中的 System.IO.FileMode 枚举包含一组已命名的常量整数，用于指定打开文件应采用的方式。下面的示例展示了具体定义：

System.IO.FileMode.Create 常量的值为 2。不过，名称对于阅读源代码的人来说更有意义，因此，最好使用枚举，而不是常量数字文本。

所有枚举从 System.Enum（继承自 System.ValueType）继承。适用于结构的所有规则也适用于枚举。

定义为 class、record、delegate、数组或 interface 的类型是 reference type。

MyClass myClass = new MyClass();MyClass myClass2 = myClass;

无法使用 new 运算符直接实例化 interface。而是创建并分配实现接口的类实例。请考虑以下示例：

MyClass myClass = new MyClass();// Declare and assign using an existing value.IMyInterface myInterface = myClass;// Or create and assign a value in a single statement.IMyInterface myInterface2 = new MyClass();

所有数组都是引用类型，即使元素是值类型，也不例外。数组隐式派生自 System.Array 类。可以使用 C# 提供的简化语法声明和使用数组，如以下示例所示：

// Declare and initialize an array of integers.int[] nums = { 1, 2, 3, 4, 5 };// Access an instance property of System.Array.int len = nums.Length;

引用类型完全支持继承。创建类时，可以从其他任何未定义为密封的接口或类继承。其他类可以从你的类继承并替代虚拟方法。 

在 C# 中，文本值从编译器接收类型。可以通过在数字末尾追加一个字母来指定数字文本应采用的类型。例如，若要指定应按 float 来处理值 4.56，则在该数字后追加一个“f”或“F”，即 4.56f。如果没有追加字母，那么编译器就会推断文本值的类型。

string s = "The answer is " + 5.ToString();// Outputs: "The answer is 5"Console.WriteLine(s);Type type = 12345.GetType();// Outputs: "System.Int32"Console.WriteLine(type);

可使用一个或多个类型参数声明的类型，用作实际类型（具体类型）的占位符 。客户端代码在创建类型实例时提供具体类型。这种类型称为泛型类型。例如，.NET 类型

ListstringList = new List();stringList.Add("String example");// compile time error adding a type other than a string:stringList.Add(4);

通过使用类型参数，可重新使用相同类以保存任意类型的元素，且无需将每个元素转换为对象。泛型集合类称为强类型集合，因为编译器知道集合元素的具体类型，并能在编译时引发错误，例如当尝试向上面示例中的 stringList 对象添加整数时。

使用 var 关键字隐式键入一个局部变量（但不是类成员）。变量仍可在编译时获取类型，但类型是由编译器提供。不方便为不打算存储或传递外部方法边界的简单相关值集合创建命名类型。因此，可以创建 匿名类型。

变量可以具有不同的编译时和运行时类型。编译时类型是源代码中变量的声明或推断类型。运行时类型是该变量所引用的实例的类型。这两种类型通常是相同的，如以下示例中所示：

string message = "This is a string of characters";

object anotherMessage = "This is another string of characters";IEnumerablesomeCharacters = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";

在上述两个示例中，运行时类型为 string。编译时类型在第一行中为 object，在第二行中为 IEnumerable。

如果变量的这两种类型不同，请务必了解编译时类型和运行时类型的应用情况。编译时类型确定编译器执行的所有操作。这些编译器操作包括方法调用解析、重载决策以及可用的隐式和显式强制转换。运行时类型确定在运行时解析的所有操作。这些运行时操作包括调度虚拟方法调用、计算 is 和 switch 表达式以及其他类型的测试 API。为了更好地了解代码如何与类型进行交互，请识别哪个操作应用于哪种类型。