定義C#的類

《叩開C#之門》系列之四

四、定義C#的類

既然類類型是C#中最重要、最常見的類型，因此它是我要介紹的重點，實際上，C#中的許多特性都可以通過類類型來體現。

前面已經介紹，一個類對象中，主要包括欄位、屬性和方法。不過除此之外，在類類型中還可以定義嵌套類，也可以定義一個常量。

對於一個沒有任何編程知識的初學者而言，也許還應介紹一下常量與變數。不過從它們的名字就可以非常清晰地辨明二者的區別，常量其值是不可改變的，而變數的值則可以修改，除非該變數是唯讀（如設定為readonly）。

最好的常量的例子就是圓周率值，這個值當然是不變化的，如果保留小數點後七位，其值為3.1415926。然而如果我們要頻繁使用該值，則輸入這麼多數字自然不是好的選擇，何況一旦使用者要求圓周率更加精確，需要保留更多的小數位，要修改起來就非常困難了。因此我們需要定義一個常量：
const PI = 3.1415926;

此時pi就代表了3.1415926，要使用圓周率，直接取pi的值即可：
square = PI * radius;

注意上面的運算式，其中PI是常量，在定義它時，使用了const關鍵字；而square和radius則為變數，定義如下：
double square, radius;

一旦定義了PI為常量，那麼該類對象被建立之後，就不能修改了，而變數是可以修改的。如下的代碼是錯誤的：
PI = 3.1415926535897;
square = PI * radius;

而下面的兩行代碼則是正確的：
radius = 2.5;
square = PI * radius;

類的欄位其實也是變數。如系列三中的類User，就包含有欄位m_name，m_password，m_tryCounter。它們的類型分別為string，string，int。欄位仍然可以利用public，internal，protected，private來修飾它。不過，我建議如非特殊情況，不要將欄位修飾為public。因為，根據”對象封裝”的原則，應盡量避免將一個類型的欄位以公有方式提供給外部。畢竟，對於欄位而言，對象對它的控制非常弱，一旦公開在外，則調用者可以比較容易的對其進行操作，尤其是寫操作，從而可能會導致錯誤。例如，我們為前面定義的User類增加一個age（年齡）欄位，假如我將其定義為public欄位，如下所示：
public int Age;

那麼調用者可能會將Age的值設為負數：
user.Age = -5;

對於欄位的定義而言，並不能判斷這樣一種不合常理的操作，因為我們對欄位的寫操作的控制無能為力。

大家可以看到，這裡所謂的欄位值，其實可以對應於前面所講的對象的屬性。例如姓名，年齡，就是一個使用者的屬性。如果欄位不能設定為public，那麼調用者又如何訪問它們呢？答案就是使用C#類中的property（屬性）。

所謂“屬性”，很大程度可以看作是對“欄位”的一種封裝，它利用一種被稱為“get/set訪問器”分別控制對欄位的讀寫操作，並暴露一個屬性值，如Age屬性：
private int m_age;
public int Age
{
 get {return m_age;}
 set
 {
  if (value < 0)
  {
   throw new ArgumentOutOfRangeException("Age must be greater than or equal to 0");
  }
  m_age = value;
 }
}

上面的代碼中，throw語句的作用是拋出一個異常，我們暫時可以不去理會它，而是將注意力放到get和set訪問器上。首先，我們定義了一個私人欄位m_age，然後再定義一個公用屬性Age。在該屬性中，get返回私人欄位的值m_age，而在set中，首先會判斷value的值，如果小於0，那麼這個值是非法的，就將拋出一個異常，停止往下執行，並告訴你對Age值的設定錯誤了。當然，我們也可以為value值設定更嚴格的要求，例如不允許value大於150。至少人的年齡現在沒有超過150歲的吧。

也許會有人疑問value究竟是什嗎？它其實是C#中提供的關鍵字，代表的就是你賦給該屬性的真正的值，例如：
user.Age = 30;

此時是對Age屬性賦值，.Net會執行set訪問器，而value值就是30。然後判斷30是否小於0。顯然不符合條件，不會拋出異常，繼續執行，將value值30賦給欄位m_age。為什麼要賦給m_age呢？讓我們再看看get訪問器，它其實就是一個讀操作，返回的值是什嗎？對了，就是欄位m_age，如下所示：
user.Age = 30;     //set操作，將欄位m_age設定為30；
Console.WriteLine(“User’s Age is {0}.”, user.Age);   //get操作，將m_age的值取出；

此時就會在控制台下顯示：
User’s Age is 30.

此外，對於一些特殊的要求，我們在將欄位封裝為屬性時，可以只設定它的get訪問器或者set訪問器，這樣這個屬性就是唯讀屬性，或者唯寫屬性了。這樣顯然更有利於對象的封裝。畢竟對於公用欄位而言，我們最能可以控制它為唯讀（設定為readonly），卻無法設定為唯寫。

從上可以看到，實際上屬性就是對欄位進行一次封裝。通過這個封裝，使我們對欄位m_age的讀寫都具有了控制功能，至少現在的Age屬效能夠控制賦值為負數的情況了。這就是屬性的好處。

在C# 2.0中，除了可以對整個屬性設定public等存取修飾詞外，對內部的get/set訪問器同樣可以設定存取修飾詞，當然它要受到一定的限制。由於有些限制和介面、重寫有關，我暫時不會介紹，在這裡，我僅介紹訪問器和屬性的存取修飾詞衝突問題。
1、如果整個屬性被設定為public，則其訪問器沒有限制；
2、如果整個屬性被設定為protected internal，則訪問器的訪問修飾僅能設定為internal，protected或者private中的一種；
3、如果整個屬性被設定為internal或者protected，那麼訪問器的訪問修飾只能是private。
如下例：
public Class A
{
 private string m_text;
 private int m_count;
 public string Text
 {
  get {return m_text;}
  protected set { m_text = value;}
 }
 internal int Count
 {
  private get {return 5;}
  private set {m_count = value}
}
}

從程式的實質來看，其實屬性就是一種特殊的方法，它等同於下面的代碼：
public int GetAge()
{
 return m_age;
}
public void SetAge(int age)
{
 m_age = age;
}

從這個意義上來理解get/set訪問器的存取層級修飾，就更容易理解了。實質上，所謂的訪問器的存取層級修飾，不外乎就是對方法進行存取層級修飾罷了。當然，C#中提供的屬性要比訪問欄位的get/set方法更加簡便。一般而言，如要定義方法，應該是和一個對象的行為有關，例如系列三定義的User類中的SignIn()和SignOut()方法，它們代表的是對象User的行為：登入和退出。

定義一個類的方法，必須包括五個要素：方法修飾符，方法名，傳回型別，參數，以及方法體，例如Add方法：
public int Add(int x, int y)
{
 return x + y;
}

public即為我們的方法修飾符，它代表了該方法能被訪問的層級。當然，修飾的方法的關鍵字還包括static，virtual，abstract等，不過這些內容會在以後介紹。方法名自然是Add了，自然屬於方法的名字。傳回型別為int，代表該方法會返回一個結果，該結果類型為int類型。參數有兩個，分別為x和y，它們的類型都是int。調用者可以通過參數傳遞值到方法體中，並對它們進行操作。方法體則是花括弧中的內容。

假設Add方法是定義在類Calculator中，那麼該方法的調用為：
Calculator cal = new Calculator();
int result = cal.Add(3,5);

通過對Add的調用，並傳入3和5的參數，最後得到結果8，並返回。因此，此時變數result的值就為8。而第一行代碼，則是利用new關鍵字對Calculator類進行執行個體化，獲得一個對象cal。通過對象cal，才可以調用Calculator類的公用方法、屬性或欄位。

為什麼要進行執行個體化呢？我們定義一個類類型，是為調用者所使用的，否則就失去其意義了。但我們定義的這樣一個類類型，僅僅是代表了某種格式而已，例如User類說明它是一個class，它擁有了一些欄位、屬性和方法。通過這樣的定義，我們在使用這些類型的對象時，.Net能夠識別它。而如果真正要調用這些類型對象，就必須進行”執行個體化”，這個操作就會在運行期間，建立一個個對象，並被放在記憶體空間中供程式調用。就好比”人”就是一個類類型，而某一個具體的人，才是被執行個體化的、真正存在的對象。要使得一個類類型被執行個體化，就需要為該類型提供”構造器”。構造器是一種特殊的方法，它沒有傳回型別，且其方法名和類型名保持一致，如Calculator類的定義以及它的構造器：
public class Calculator
{
 public Calculator()
 {
 }
 public int Add(int x, int y)
 {
  return x + y;
 }
}

Calculator()方法就是一個”構造器”，這個構造器並沒有參數，在C#中，也被稱為預設的構造器，即使不定義該構造器，.Net也會為它預設建立。例如在Calculator類中，我們完全可以刪去Calculator()構造器的定義。然而，一旦我們定義了有參數的構造器時，則該預設構造器將不存在，如果我們再需要不帶參數建立執行個體的話，就需要顯式建立該構造器了。例如之前的User類。如果姓名和密碼是該類一個非常重要的屬性，大部分情況下，如果要建立User對象時，都需要這兩個屬性的值時，我們就可以為User類專門建立一個構造器：
public class User
{
 public User(string name, string password)
 {
  m_name = name;
  m_password = password;
 } 
}

注意在這個構造器中，接收兩個參數name和password，並將其值賦給User類的欄位m_name，m_password。因此，當我們通過如下的方式建立User類的執行個體時，我們建立的對象就已經具有Name和Password的值了：
User specUser = new User("bruce zhang", "password");

然而此時如果利用下面的方式建立User的執行個體，就會出現錯誤：
User user = new User();
因為此時User類的預設構造器（即無參的構造器）已經不存在，如要支援上面的執行個體化方式，就需要在User類的定義中添加無參構造器。

是否需要為一個類定義有參的構造器，應根據具體的需要而定。以User類而言，由於該類的Name和Password屬性是一個對象必備的，那麼建立這樣一個構造器是有必要的。因為如果不具備這樣的構造器，那麼如前構造的specUser就需要用下面三行代碼來完成：
User specUser = new User();
specUser.Name = "bruce zhang";
specUser.Password = "password";

注意，在一個類的定義中，我們可以使用this關鍵字來代表其類對象本身，通過this，可以訪問到這個類的所有常量、欄位、屬性和方法，不管它們是public還是private，或者其他存取層級。雖然這個this指代的是類對象本身，也就是說它代表的就是執行個體化所產生的對象，但this的含義也僅僅限於對象的內部，從對象封裝的思想來看，它是被封裝了的，在對象外部是無法看到的。

例如下面的定義：
public class Visitor
{
 public void Visit(Element e)
 {
  Console.WriteLine("I was visited.");
 }
}
public class Element
{
 public void Accept(Visitor v)
 {
  v.Visit(this);
 }
}

在Element類中，Accept方法則傳入一個Visitor類型的參數值，在該方法中，調用參數v的方法Visit，而Visit方法傳入的是Element類型的值，由於Accept方法本身就屬於Element類，因此，我們可以把其自身傳遞到Visit方法中，也就是代碼中的this。

分析如下的程式碼片段：
Visitor v = new Visitor();
Element e = new Element();
e.Accept(v);

Element的執行個體e，執行了Accept()方法，該方法傳入的參數是Visitor類的執行個體v。那麼執行Accept方法，實質就是在其方法內部執行v.Visit()方法，並通過this關鍵字將對象e本身傳入，所以最後的結果是，列印如下的字串：
I was visited。

這這裡順便提一下命名的要求。所謂命名規範，在作為團隊開發的時候，是非常重要的。以本文為例，如何定義類名、欄位名、屬性名稱和方法名，都是有講究的。通常來說，類名、屬性名稱和方法名都要求所有單詞的首字母大寫。如果是欄位，那麼除非是公用欄位，一般而言，應將第一個單詞的首字母小寫。不過這也是變數命名的要求。由於在一個類中，可能會臨時用到一些變數，而不是欄位，為了區別一般變數和欄位，C++的程式員喜歡在變數名前加上“_”符號，許多C#程式員也沿用了這個習慣。不過我更喜歡為這些欄位名前加上“m_”。命名一定要統一，尤其是在一個團隊中，不過類似於這些臨時變數，或者非公有變數，對名字的限制要少一些，畢竟這些變數不會被類的調用者使用。此外，對於常量而言，最好定義為全部大寫的名字，如前面的定義的常量PI。

C#專門有一套完整的命名規範，有興趣的可以自己去查閱一下專門的資料。此外，不同的公司可能還有一些特定的命名規範，在這裡就不再贅述了。