面向对象

当我们写完若干“函数与逻辑”，自然会问：这些函数该怎样组织？如何让“数据”和“行为”有机地待在一起？这正是面向对象（Object-Oriented）的舞台。

对象与类

在我们学习 C# 的过程中，经常会听到“对象”和“类”这两个词。那它们到底是什么呢？我们可以这样来理解：对象就像是现实生活中的一个具体事物，比如说我们班上的小明同学、图书馆里的一本《三体》、 或者你家里的那只小猫。每一个对象都有属于自己的数据（比如小明的年龄、书的名字、猫的颜色），还能做一些事情（比如小明可以自我介绍，书可以被借阅，猫可以喵喵叫）。

而类呢？类就像是制作这些对象的“设计图”或者“模板”。我们先有了“学生”这个类，才能根据它造出很多不同的学生对象； 有了“图书”这个类，才能有成千上万本不同的书。类里会详细说明：这种对象应该有哪些数据（我们叫它“属性”），还能做哪些动作（我们叫它“方法”）。比如“学生”类会规定每个学生都要有名字和年龄，还能自我介绍。

所以，我们可以把类想象成乐高的说明书，而对象就是按照说明书拼出来的每一座乐高小屋。每个对象都是独一无二的，但它们都遵循同一套蓝图——这就是类和对象的关系。

我们先写一个最小的类：

|
// Student.cs
using System;
 
namespace OopBasics
{
    // 一个简单的学生类
    public class Student
    {
        // 字段与属性
        private string _name;     // 私有字段，存储数据的“真实位置”
        public int Age { get; private set; } 

让我们来详细拆解一下上面的代码。首先，class 关键字就像是在告诉 C#：“我要造一个新的蓝图！”在这个蓝图里，我们用“字段”来悄悄地存储数据，比如学生的名字，这些字段通常是私有的，外部不能直接访问。 接着，我们用“属性”来当作数据的门卫，别人想读或者改名字，必须通过属性，这样我们就能在背后加上一些检查或者格式化的逻辑。

然后是“构造函数”，它就像是新建小屋时的必备流程，确保每个学生对象一出生就有名字和年龄，而且这些信息都是合理的。没有构造函数的把关，我们可能会得到一些奇怪的学生，比如没有名字或者年龄是负数。

最后，“方法”就是让对象能做事情的地方。比如 Introduce 方法，就是让学生自我介绍。这样一来，Student 这个类就把数据（比如名字和年龄）和行为（比如自我介绍）都装进了一个盒子里。 每当我们用 new 关键字创建一个学生对象时，就像是根据蓝图造出了一座属于自己的小屋，这个小屋既能存放信息，也能对外说话。我们只要拿到这个对象，就能让它做它该做的事情。

创建对象与调用方法

输出可能是：

字段与属性

在 C# 里，我们可以把“字段”想象成藏在仓库深处的货物，这些货物只有仓库管理员（也就是类的内部代码）才能直接接触。这样做的好处是， 外部的人（比如其他类或者外部代码）不能随意动这些货物，保证了数据的安全和完整。而“属性”就像是仓库的大门，门口有门禁和保安， 只有通过合适的方式才能进出。我们可以在属性的 get 和 set 里加上各种检查，比如验证数据是否合法、自动格式化输入，甚至可以设置成只读或者只写。 这样一来，外部想要访问或修改字段里的数据，都必须经过我们设定的“门禁”，既方便又安全。 通常我们会把字段声明为 private，只能在类内部用，然后通过 public 的属性来对外开放访问权限，这样既保护了数据，又能灵活控制外部的操作。

自动属性与带备份字段的属性

有时候，我们只是单纯地想让外部能够读取和设置某个数据，比如书名、作者这些信息，并不需要在赋值时加上特殊的检查或者处理。 这种情况下，C# 给我们提供了一种非常方便的写法，叫做“自动属性”。自动属性其实就是让编译器帮我们在背后自动生成一个私有字段， 我们只需要简单地写上 get 和 set，代码就会变得非常简洁。 比如说，我们想让每本书都能记录书名和作者，就可以直接用自动属性来实现，这样既省事又清晰，非常适合用在那些不需要额外逻辑的场景。

当需要在设置时做校验或格式化，我们使用“带备份字段”的属性：

只读与只写、计算属性

只读：

计算属性其实就像是“临时算出来的结果”，它们不会在对象里单独占用存储空间，而是每次访问时， 都会根据当前的其他字段或属性的值动态计算出结果。 举个例子，比如我们有一个长方形类，面积这个属性其实可以通过长和宽实时算出来，不需要额外保存。 这样做的好处是，数据永远不会过时，也不用担心忘记同步更新，非常安全又省心。

构造函数

构造函数其实就像是我们给新对象举办的“出生典礼”。每当我们用 new 关键字创建一个类的实例时，构造函数就会被自动调用，帮我们把对象的各个属性都安排妥当。 我们要记住一个核心原则：对象一旦被创建出来，里面的数据就应该是完整且有效的，不能让它处于“半成品”或者“脏数据”的状态。

在 C# 里，构造函数的名字和类名是一样的，没有返回值。我们可以根据需要，写出多个参数不同的构造函数，这叫做“构造函数重载”。 这样一来，别人用我们这个类的时候，可以根据实际情况选择不同的初始化方式，非常灵活。

举个生活中的例子：就像我们给新同学建档案，最起码要有姓名、城市这些基本信息，不能只写一半。构造函数就是帮我们把这些“必填项”一次性填好，保证每个新同学的档案都是完整的。 我们在写构造函数时，还可以加上一些校验，比如不允许名字为空、等级不能为负数等等，这样可以防止无效数据混进来，让我们的对象更安全、更可靠。

下面是一个简单的例子：

常见误区：在构造函数里做“联网下载”或“昂贵操作”。建议分离昂贵动作到显式方法，保持构造稳定快速。

方法

方法命名应像自然语言：EnrollCourse、Deposit、Withdraw。方法的参数与返回值应传达清晰意图。我们看看一个“银行账户”的行为设计：

我们使用 TryXxx 风格避免异常驱动正常分支。ToString 提供友好的打印形式，稍后我们会更系统地讨论。

访问修饰符

在 C# 里，访问修饰符（Access Modifiers）用来控制类、成员变量和方法的可见范围。我们最常用的有四种，下面我们详细聊聊它们各自的作用和使用场景：

• public：公开的，任何地方都能访问。比如我们希望某个方法或属性能被外部代码自由调用，就会用 public。
• private：私有的，只能在当前类的内部访问。我们通常把不希望外部直接操作的细节（比如内部状态、辅助方法）设为 private，这样可以保护数据，防止被误用。
• protected：受保护的，当前类和它的子类都能访问。这个修饰符常用于基类和继承场景，比如我们希望子类能复用或扩展父类的某些功能，但又不想让外部直接访问。
• internal：内部的，只能在同一个程序集（通常是同一个项目）里访问。适合团队内部模块之间的协作，但不希望暴露给外部使用者。

举个例子，如果我们写一个用户类，用户名可以公开（public），密码字段就应该是私有的（private）；如果有些方法只给子类用，就可以用 protected；而一些只在本项目内部流转的数据结构，可以用 internal。

总的来说，建议我们在写代码时，优先选择最“封闭”的修饰符（比如 private），只有在确实需要对外开放时，再逐步放宽可见性。这样做可以让我们的代码更安全、更易维护，也能减少模块之间的耦合。

实例成员与静态成员

在 C# 里，我们经常会遇到“实例成员”和“静态成员”这两个概念。那它们到底有什么区别呢？

首先，实例成员（比如实例字段、属性、方法）是和具体的对象实例绑定在一起的。也就是说，每当我们用 new 关键字创建一个类的对象时，这个对象就会拥有自己独立的一份实例成员。 举个例子，如果我们有一个 Student 类，每个学生对象都有自己的姓名和学号，这些就是典型的实例成员。每个对象的数据互不影响，互相独立。

而静态成员（用 static 关键字修饰）则属于类本身，而不是某个具体的对象。无论我们创建多少个对象，静态成员只有一份，大家共享。 我们可以直接通过类名来访问静态成员，而不需要先创建对象。静态成员常常用来实现一些“全局工具方法”或者“全局状态”，比如数学计算、日志记录、或者工厂方法等。

下面是一个简单的例子：

值类型与引用类型

在 C# 里，struct 定义值类型，class 定义引用类型。值类型通常体量小、表示“一个值”（如点、颜色、时间段），在赋值与传参时会“复制一份”；引用类型表示“对象实体”，赋值与传参是“引用同一份”。

可空性与空引用安全

在启用可空引用类型的项目里（#nullable enable 或项目默认），string? 表示“可能为空”，而 string 表示“非空”。我们应在构造与属性设置时做充分校验，避免空引用异常。

封装

在面向对象编程（OOP）中，封装就像是给我们的对象装上一扇门，把那些容易变化、容易出错的内部细节都藏在门后面，只让外部看到我们精心设计的“按钮”——也就是公开的方法和属性。 这样一来，外部使用者只需要关心“我能做什么”，而不用担心“怎么做”或者“内部怎么变化”。 比如说，我们想实现一个图书借阅的功能，图书的库存怎么存、借书还书时怎么校验，这些细节都应该被封装在类的内部。 外部的人只需要调用“借书”或“还书”的方法，不用操心库存变量怎么变动。接下来，我们就用一个具体的“图书借阅”例子：

使用者只需要关心“能不能借、怎么还”，无需知道库存字段如何存放、如何校验。

在 .NET 里，大多数对象由 GC 自动管理，不需要我们手动释放；当对象不再被引用，它会在某个时刻被回收。 对于持有非托管资源（文件句柄、数据库连接等）的类，应实现 IDisposable 并在 Dispose 里释放资源；调用方使用 using 块确保及时释放。

小练习

4. 记账本练习

设计一个 Ledger 类，实现以下功能：

• 支持 AddIncome(decimal amount, string description) 方法：记录收入，需要记录金额、描述和时间
• 支持 AddExpense(decimal amount, string description) 方法：记录支出，需要记录金额、描述和时间
• 支持 GetBalance() 方法：返回当前余额（总收入 - 总支出）
• 支持 Print() 方法：打印所有明细，包括时间、类型（收入/支出）、金额、描述和余额
• 使用 List 或 List<(DateTime, string, decimal, string)> 存储明细记录
• 每条记录应包含：时间戳、类型（"收入"/"支出"）、金额、描述

5. 课程表练习

设计 Course 类和 Schedule 类，实现以下功能：

• Course 类包含：课程名称（Name）、开始时间（StartTime）、结束时间（EndTime）
• Schedule 类支持：
  • AddCourse(Course course) 方法：添加课程，如果与已有课程时间冲突则返回 false
  • RemoveCourse(string name) 方法：根据课程名称移除课程
  • HasConflict(Course course) 方法：检查新课程是否与已有课程时间冲突（区间重叠）
• 时间冲突判断：如果两个课程的时间段有重叠（一个的结束时间 > 另一个的开始时间，且一个的开始时间 < 另一个的结束时间），则冲突
• 在 Main 方法中测试：添加多个课程，尝试添加冲突的课程，然后移除课程

6. 待办清单练习

设计 TodoItem（使用 record）和 TodoList（使用 class），实现以下功能：

• TodoItem record 包含：标题（Title）、描述（Description）、是否完成（IsCompleted）、创建时间（CreatedAt）
• TodoList 类支持：
  • Add(string title, string description) 方法：添加待办事项
  • Complete(string title) 方法：标记指定标题的待办为完成
  • GetPending() 方法：返回所有未完成的待办列表
  • GetCompleted() 方法：返回所有已完成的待办列表
  • Print() 方法：打印漂亮的清单，区分已完成和未完成
• 在 Main 方法中测试：添加多个待办，完成部分，然后打印清单

7. 打分系统练习

基于 record 设计 ScoreItem，实现以下功能：

• ScoreItem record 包含：学生姓名（StudentName）、科目（Subject）、分数（Score）
• record 自动实现值相等性，相同姓名和科目的记录会被视为相等
• 在 Main 方法中：
  • 创建多个 ScoreItem 对象（包括重复的）
  • 使用 HashSet<ScoreItem> 去重
  • 输出去重后的统计信息：总记录数、去重后数量、各科目平均分

8. 坐标点练习

设计不可变 struct Point2D，实现以下功能：

• Point2D struct 包含：X 坐标（X）、Y 坐标（Y）
• 所有字段都是只读的（使用 readonly 或 { get; }）
• 支持 MoveBy(int dx, int dy) 方法：返回移动后的新点（不修改原对象）
• 重写 ToString() 方法：返回格式化的字符串，如 "(3, 5)"
• 在 Main 方法中测试：创建点，移动点，验证原对象不变

说明：

• 使用 List<(DateTime, string, decimal, string)> 存储明细记录
• DateTime.Now 获取当前时间戳
• Sum() 方法计算余额，收入为正，支出为负
• {amount:C} 格式化输出货币格式
• 每条记录显示时间、类型、金额、描述和累计余额

说明：

• TimeSpan 用于表示时间段
• 时间冲突判断：newCourse.StartTime < existing.EndTime && newCourse.EndTime > existing.StartTime
• 使用 List<Course> 存储课程列表
• FirstOrDefault() 查找课程，Any() 检查是否存在冲突
• OrderBy() 按开始时间排序显示

说明：

• record 用于定义不可变数据，自动实现值相等性
• with 表达式创建修改后的 record 副本
• GetPending() 和 GetCompleted() 使用 LINQ 筛选
• Print() 方法格式化输出，区分已完成和未完成
• record 的不可变性保证了数据安全

说明：

• record 自动实现值相等性，相同字段值的记录被视为相等
• HashSet<T> 自动去重，利用 record 的值相等性
• GroupBy() 按科目分组，Average() 计算平均分
• OrderBy() 和 ThenBy() 多级排序
• record 的值相等性让去重变得简单高效

说明：

• readonly struct 确保结构体不可变
• MoveBy() 返回新对象，不修改原对象（不可变性）
• ToString() 重写提供友好的字符串表示
• struct 是值类型，赋值时复制值，不是引用
• 不可变设计让代码更安全，避免意外修改