在讲C#之前，我们有必要先了解一下.NET的体系结构，因为C#虽然是一门独立的语言，但其编译、运行都要依赖于.NET或者说其基类库。因此，有必要先对.NET进行简要介绍。
提示 第1章的内容是学习C#语言的基础，如果你之前没有接触过.NET，建议认真阅读；如果你已经对.NET有足够的了解，则可以略过本章，但仍然建议通读一遍，相信会有不同的收获。
.NET是微软在互联网时代的一个战略性产品，它是微软继Windows DNA之后的一个全新的、集成的、面向对象的开发平台。它以通用语言运行时（Common Language Runtime）为基础，支持多种编程语言，包括C#、F#、VB.NET、C++、Python，等等。.NET战略由微软在2000年6月22日提出，2000年发布了首个.NET版本（.NET 1.0 beta），2002年正式问世，至今近十载，其间大小更新无数，表1-1是其中的几个重要版本的更新，如下所示。
我们接下来看看.NET的体系结构，如图1-1所示。
从图1-1中可以看出，.NET框架是在操作系统之上、应用程序之下的一个抽象层，它就像一台虚拟的电脑，负责管理运行在它之上的各种.NET应用程序的方方面面。理论上，该框架是跨平台的，基于其上的应用程序也是跨平台的。只是微软官方只提供了基于Windows平台的.NET框架实现，同时，由其他开源团体提供了基于非Widows平台的.NET框架实现，例如Mono。另外，从图1-1中还可以看到，.NET框架自身的功能随着版本的升级而变得越来越丰富，.NET框架的每一次升级都会给我们带来许多惊喜，最近的4.0也不例外，提供了很多好用的新功能，具体内容会在后面的章节中一一介绍。使用.NET可以开发各种各样的程序，从网络应用到桌面应用，再到嵌入式系统应用和手机应用，甚至是分布式的企业级应用。
下面我们将重点讨论.NET的核心------.NET框架。
1.1 .NET框架概述
从某种意义上说，.NET框架可以看作是.NET应用程序运行的虚拟机环境，它为.NET应用程序提供编译、运行、内存管理、垃圾收集、安全等服务。换句话说，.NET程序不需要与操作系统直接打交道，只需要和.NET框架打交道就可以了。从这个意义上讲，基于.NET框架开发的应用程序在理论上都是跨平台的，只需要.NET框架有相应平台的实现版本即可。这就是.NET的"平台无关性"，具体内容会在1.2节中介绍，如图1-2所示。
现实的情况是，截止到目前，微软官方并没有提供在非Windows操作系统平台上的.NET框架实现，但开源界有两个项目正在致力于实现这一目标，它们是：Mono和Portable.NET。在后面的章节中我们会了解到，其实这两者和微软提供的CLR一样都属于对CLI的实现，感兴趣的读者可以自行查阅相关资料。如果你以前是做C、C++开发的，可能习惯于为应用程序申请内存并对之进行管理和释放，现在不需要这样做了，.NET框架会自动为应用程序分配内存并负责管理和回收。当然，这种自动内存管理的特性在带来方便的同时，也会带来一定的性能损失，正所谓"鱼与熊掌不可兼得"。
.NET框架主要由两个部分组成：
❑公共语言运行时（Common Language Runtime，CLR）
❑.NET框架类库
这里还有两个很重要的概念需要大家了解：
❑托管代码
❑非托管代码
什么是托管代码呢？一般来说，仅仅使用.NET公共语言运行时提供的功能的代码叫做托管代码；反之，就是非托管代码。换句话说，在公共语言运行时控制之下运行的代码就是托管代码；反之，则是非托管代码，比如使用VisualBasic 6.0编写的代码、ActiveX控件以及Win32 API都是非托管代码。
另外，托管代码和非托管代码还可以互相调用，具体内容会在1.6节介绍，如图1-3所示。
注意并非.NET框架中的所有类库就都是纯粹的托管代码编写的，.NET框架中有相当数量的类是对Win32 API的封装，例如ProtectedData类。
1.2 .NET的平台无关性
在1.1节中提到了"平台无关性"这个特性，知道了.NET应用程序并不直接依赖操作系统，而是依赖中间层------.NET框架而实现的，如图1-2所示。我们都知道，Java的跨平台特性是靠虚拟机实现的，虚拟机就像一台虚拟的电脑，它负责与具体的操作系统、硬件设备打交道，.NET程序和Java程序采用的方式类似，操作系统和硬件设备对它们来讲是透明的，它们被虚拟机加载、编译、运行和卸载。因此，只需要为不同的操作系统和硬件设备开发相应的虚拟机（对于.NET来说是.NET运行时，对于Java来说是JVM）。要了解.NET是如何实现的，就需要了解一个新概念：通用语言基础架构（Common Language Infrastructure，CLI），CLI是微软联合惠普等巨头于2000年向ECMA提交的技术规范，该规范是开放的。CLI定义于.NET框架的一个子集，它规定了如何在运行库中声明、使用和管理类型，同时也是运行库支持跨语言互操作的一个重要组成部分。CLI要达到的目的如下：
❑建立一个支持跨语言集成、类型安全和高性能代码执行的框架。
❑提供一个支持完整实现多种编程语言的面向对象的模型。
❑定义各语言必须遵守的规则，有助于确保用不同语言编写的对象能够交互作用。
CLR是CLI这一规范的一种实现，前面提到的Mono和Portable.NET是另外两种实现，它们的关系如图1-4所示。
1.3 公共语言运行时
公共语言运行时（CLR）主要负责管理.NET应用程序的编译、运行以及其他基础服务，它为.NET应用程序提供了一个虚拟的运行环境------实际上是VES（虚拟执行系统）。CLR还负责为应用程序提供内存分配、线程管理、安全以及垃圾回收等服务，以及负责对代码实施严格的类型安全检查，以保证代码安全、正确地运行。
公共语言运行时的功能通过编译器和工具公开，可以编写利用此托管执行环境的代码。使用基于公共语言运行时的语言编译器开发的代码称为托管代码。托管代码具有许多优点，例如：跨语言集成、跨语言异常处理、增强的安全性、版本控制和部署支持、简化的组件交互模型、调试和分析服务等。
公共语言运行时自动处理对象布局并管理对象引用，当不再使用对象时释放它们。按这种方式实现生存期管理的对象称为托管对象。垃圾回收消除了内存泄漏以及其他一些常见的编程错误。
.NET Framework应用程序建立在公共语言运行时的服务之上，并利用了.NET Framework类库。在.NET Framework 4中，一种新运行时环境------动态语言运行时（DLR），将一组适用于动态语言的服务添加到了CLR中。借助于DLR，可以更轻松地开发要在.NET Framework上运行的动态语言，而且向静态类型化语言添加动态功能也会更容易。
总之，公共语言运行时提供了如下优点和特性：
❑基于公共语言运行时开发的应用程序性能得到了改进。
❑允许使用用其他语言开发的组件。
❑.NET类库提供可扩展类型。
❑具有语言功能，如面向对象编程的继承、接口和重载特性。
❑允许创建多线程的可伸缩应用程序，具有显式的自由线程处理支
持。
❑结构化的异常处理支持。
❑自定义特性（Attribute）支持，特性是一种用户自定义的元数
据。
❑垃圾回收特性。
❑使用委托取代函数指针，从而增强了类型安全和安全性。
1.4 通用类型系统
公共语言运行时的一个重要组成部分称为通用类型系统（Common Type System，CTS）。.NET在设计中博采众长，借鉴了各种主流编程语言的长处，包括C++、Java等。CTS定义了一个类型库，无论是VisualBasic.NET还是C#，它们的类型系统大体类似，因此.NET将各种不同的编程语言的数据类型进行抽象，就有了CTS。CTS为.NET平台上的各种编程语言提供了支持，这样虽然每种编程语言都有自己独特的类型系统，但编译后都会转换成CTS类型，此时就可以实现不同语言编写的程序之间的互操作性。例如，一个使用Visual Basic.NET编写的类的某个方法返回值类型为Integer，而C#中某方法的参数类型为System.Int32，这两个类型看起来似乎并不一致，好像不能相互调用，但由于Integer和System.Int32都对应CTS里的System.Int32类型，因此它们的类型实际上是一致的，故而，相互调用的拦路虎------类型不一致问题就迎刃而解了。
CTS类型主要分成两大类：引用类型和值类型，如图1-5所示。这两种类型之间也可以相互转换，方法是装箱（Boxing）和拆箱（UnBoxing），这两个概念将在1.4.2节详细介绍。
从图1-5我们可以得出如下几点结论：
❑CTS类型不是引用类型就是值类型；
❑引用类型直接继承自Object对象，值类型继承自ValueType对象，而ValueType对象继承自Object对象；
❑CTS类型不管是否直接继承自Object对象，最终都继承自Object。
1.4.1 值类型和引用类型
值类型的变量直接存储数据，而引用类型的变量持有的是数据的引用，数据存储在堆中。例如我们常见到的String、Class、Interface等就是引用类型，而Char、Int32、Boolean等都是值类型。对于引用类型数据而言，由于数据存储在堆中，指向它的引用可能不止一个，因此当其他引用对数据进行修改时会影响到别的引用，如图1-6所示。
在托管代码中，CTS为每种类型分配内存的方式只有两种：
❑分配在托管栈（Stack）中
❑分配在托管堆（Heap）中
前面已经提到，内存的分配是由CLR管理的。这两种方式的区别是：
❑分配在托管栈中的变量会在创建它们的方法返回时自动被释放，例如在一个方法中声明一个Char型的变量UserInput，它的值是C，当实例化它的方法结束时，UserInput变量在栈上占用的内存就会自动释放，如图1-6所示。
❑分配在托管堆中的变量并不会在创建它们的方法结束时释放内存，它们所占用的内存会被CLR中的垃圾回收（GC）机制释放。假如有一个String类型的变量Name，它指向托管堆中的数据"Hello World"，当方法调用结束的时候，Name在托管栈上所占的内存会立即被释放，但它在托管堆上的数据"Hello World"还会依然存在，只不过此时可能没有变量引用指向它了，它将持续等待直到未来某个时候被GC回收并释放所占内存，如图1-6所示。
注意 系统GC的执行是不可预期的，也可以通过调用System.GC.Collect（）来强制执行GC。
1.4.2 装箱和拆箱
当值类型的数据转换为引用类型时，CLR会先在托管堆配置一块内存，将值类型的数据复制到这块内存，然后再让托管栈上引用类型的变量指向这块内存，这样的过程称为装箱（Boxing），反之则是拆箱（UnBoxing）。
如图1-7所示，托管栈中类型为Int32（值为1023）的变量，装箱后引用类型变量位于栈中，原来值类型变量的值被放入到托管堆的一个对象中，其内容为1023，类型为Object，然后将位于托管栈中的引用类型变量指向堆中的这个Object类型的对象，这就是装箱的整个过程。
一般来说，装箱操作不需要我们主动去做，当将一个值类型的变量赋值给一个引用类型的变量时，.NET框架会自动帮我们做装箱处理，但拆箱操作并非自动的，我们必须知道被拆箱的对象的实际类型，然后明确地去执行拆箱操作，如代码清单1-1所示。
代码清单1-1 装箱和拆箱
cs
Int32 BirthdayNumber=1023；//Int32类型变量BirthdayNumber
Object BoxingBirthdayNumber=BirthdayNumber；//系统自动装箱
Int32 UnBoxingBirthdayNumber=（Int32）BoxingBirthdayNumber；//明确地拆箱图1-8演示了拆箱的过程。
有一点需要注意的是，装箱和拆箱对性能是有影响的，因为它花费了更多的时间。
1.5 公共语言规范
CTS中定义了大量的类型，要求每种语言都全部实现并不现实，亦无必要，例如Visual Basic.NET就没有完全实现CTS，因此在CTS这个大的集合中，撷取其中的一部分，要求各种语言都支持，否则无法实现互操作，这一小部分称作公共语言规范（Common Language
Specification，CLS），术语比较多，大家可能一时难以理清它们之间的关系，一图胜千言，CLR、CTS、（Common Language Specification，CLS）这"3C"之间的关系如图1-9所示：
从图1-9可以看出，CLS是CTS的子集，它还有了一些使用上的约定。CLS的终极目标就是要让.NET平台上用不同编程语言编写的对象之间可以互相调用。基于这个目标，这就要求两种编程语言编写的对象中彼此公开的部分------类、接口、方法、字段等使用的都是CLS这个规范规定的数据类型，并且遵守CLS的约定，如图1-10所示。
注意 并非每个程序集的公共部分都必须严格使用符合CLS规范的类型，但这会让程序集在跨语言互操作性上受影响，并影响潜在的客户群数量。
1.6 语言的互操作性
在1.5节中已经介绍了CLS的终极目标就是实现语言的互操作性，那么CLS在语言的互操作性上起的作用可见一斑。语言的互操作性，主要分下面两种情况。
❑不同的.NET语言间互相调用
我们先来看下图1-11，使用C#编写的对象B可以从Visual Basic.NET编写的对象A继承，还可以在对象B中对基类A中的方法执行重载、覆写等操作；另外，使用J#编写的对象C可以访问对象A，并调用A的方法。可见，语言的互操作性给我们的工作带来了非常大的灵活性。
❑通过P/Invoke服务调用非托管代码编写的组件或服务，例如COM组件，具体请参阅第28章。
1.7 即时编译
在前文中，我们从各个角度学习了.NET，包括.NET的历史、体系结构和运行机制等，不一而足，接下来将探讨JIT机制。这里我们以C#代码的编译为例，先简单介绍下C#，C#被设计为一种简单的、现代的、通用的以及面向对象的编程语言，它运行于公共语言运行时之上，也就是说C#无法离开公共语言运行时而单独运行。
C#在.NET框架上从编译到运行的过程如下：
（1）在编译期，CLR对C#代码进行第一次编译，生成中间代码的DLL或者EXE。
（2）在运行期，CLR将针对特定的硬件环境使用JIT（即时编译引擎），将中间代码编译为二进制代码并执行。
（3）编译好的二进制代码被放到一个缓冲区缓存，下次再调用相同的代码就直接从缓冲区调用，也就是说相同代码的编译只会执行一次。
图1-12演示了上述过程。
1.8 中间语言
中间语言以前曾经叫做MSIL，现在统一称为CIL[1]。CIL与处理器的指令集非常相似，它是CLR的汇编语言，但它比真正的汇编语言要简单许多，CIL甚至支持直接操作对象。CIL和CTS的关系十分密切。需要说明的是，无论是C#还是Visual Basic.NET，编译后的结果都是CIL。CIL指令集非常多，表1-2是其中的一小部分。
1.9 基类库
使用Microsoft.NET的每个人几乎都会用到基类库（Base Class Library，BCL）。BCL类似于SDK或者JDK，它封装了大量的基础功能，如文件操作、图形操作、网络连接、XML文档解析、安全加密，等等。BCL的内容就好比一块块的积木，我们可以对这些积木进行排列
组合，以实现我们的编程目标，如图1-13所示。
在.NET 4.0中，BCL也新增了一些功能，这些新功能的讲解分布在本书后面的各个章节中，例如在第26章讲解了文件操作中的一些新增功能。