在C++基础上理解CSharp-1

我们接下来的全部环境都是在VS2022上，前置的环境配置只需要选择C#环境开发就行了

1：C#语言介绍

C#（读作 "C Sharp"）是由微软公司在 2000 年发布的一种现代、通用、类型安全、面向对象的编程语言，由传奇程序员 Anders Hejlsberg（Delphi、Turbo Pascal、TypeScript 的主要设计者）亲自领导设计。C# 从诞生之初就定位为.NET 平台的核心语言，经过 20 多年的发展，已经成为世界上最流行的编程语言之一。

1：C#语言发展历史与版本演进

C# 的发展与.NET 平台的发展紧密相连，每个主要版本都带来了革命性的语法特性：

C# 1.0（2002 年）：基础版本，包含类、继承、接口、委托、事件等核心面向对象特性
C# 2.0（2005 年）：泛型、匿名方法、迭代器、可空类型
C# 3.0（2007 年）：LINQ、Lambda 表达式、扩展方法、自动属性、匿名类型
C# 4.0（2010 年）：动态类型、命名参数、可选参数、协变与逆变
C# 5.0（2012 年）：async/await 异步编程模型（C# 最重要的特性之一）
C# 6.0（2015 年）：字符串插值、空条件运算符、自动属性初始化器
C# 7.0-7.3（2017-2018 年）：元组、模式匹配、本地函数、ref 返回
C# 8.0（2019 年）：可空引用类型、异步流、接口默认方法、范围和索引
C# 9.0（2020 年）：顶级语句、记录类型、init-only 属性、模式匹配增强
C# 10.0（2021 年）：全局 using 指令、文件范围命名空间、结构改进
C# 11.0（2022 年）：原始字符串、必需成员、泛型数学、UTF-8 字符串字面量
C# 12.0（2023 年）：主构造函数、集合表达式、默认 lambda 参数、内联数组

2：C#与C++的对比

对比维度	C#	C++
执行模型	托管执行，运行在 CLR 上，自动内存管理	原生执行，直接编译为机器码，手动内存管理
类型系统	强类型、类型安全，所有类型最终继承自 object	强类型，但存在类型不安全的操作（如指针强制转换）
内存管理	垃圾回收 (GC) 自动回收不再使用的内存，无需手动 delete	开发者手动分配 (new) 和释放 (delete) 内存，容易出现内存泄漏和野指针
指针使用	默认禁止指针，仅在 unsafe 代码块中允许使用	指针是核心特性，可以自由操作内存地址
编译过程	两步编译：C# 代码 → IL 中间语言 → JIT 编译为机器码	一步编译：C++ 代码 → 机器码
标准库	极其丰富的基础类库 (BCL)，涵盖几乎所有常见开发需求	标准库相对较小，很多功能需要依赖第三方库
开发效率	极高，大量语法糖和工具支持	较低，需要处理很多底层细节
运行性能	接近原生，JIT 编译器可以进行运行时优化	最高，编译时可以进行深度优化
跨平台能力	现代.NET (.NET 5+) 支持 Windows、Linux、macOS、Android、iOS 等所有主流平台	原生跨平台，但需要为每个平台单独编译
错误处理	统一的异常处理机制	异常处理可选，很多 C++ 代码仍然使用返回值处理错误

3：C#的核心程序理念

生产力第一：C# 的首要设计目标是提高开发者的生产力，通过语法糖、类型推断、自动内存管理等特性减少开发者的重复劳动
类型安全：C# 在编译时和运行时都进行严格的类型检查，防止类型错误
面向对象：C# 是纯面向对象语言，所有代码都必须写在类中（除了顶级语句）
组件导向：C# 从设计之初就支持组件开发，提供了属性、事件、委托等组件级别的特性
向后兼容：微软对 C# 的向后兼容性非常重视，旧代码几乎不需要修改就能在新版本的.NET 上运行

2：C#的应用领域

1：游戏开发

C# 是Unity 游戏引擎的官方编程语言，而 Unity 占据了全球移动游戏市场 60% 以上的份额，以及 PC 和主机游戏市场的很大一部分。使用 C# 开发的知名游戏包括：

《王者荣耀》
《原神》
《崩坏：星穹铁道》
《Among Us》
《Hollow Knight》
《Pokémon Go》

除了 Unity，C# 还可以用于 Godot 引擎和 Unreal Engine 的脚本开发。

2：桌面应用开发

WPF(Windows Presentation Foundation)：微软推出的现代化桌面开发框架，支持 XAML 标记语言、数据绑定、动画、3D 图形等高级特性，是开发 Windows 桌面应用的首选
WinForms：传统的 Windows 窗体开发框架，简单易用，适合快速开发简单的桌面应用
MAUI(Multi-platform App UI)：微软最新的跨平台 UI 框架，一套代码可以同时运行在 Windows、macOS、Android 和 iOS 上
Avalonia UI：开源的跨平台 UI 框架，支持更多平台，包括 Linux 和 WebAssembly

3：Web应用开发

ASP.NET Core 是微软推出的跨平台 Web 开发框架，是目前性能最高的 Web 框架之一。ASP.NET Core 支持：

MVC (Model-View-Controller) 模式
Web API 开发
Razor Pages 页面开发
Blazor WebAssembly（使用 C# 开发前端应用）
SignalR 实时通信

使用ASP.NET Core 开发的知名网站包括：

Stack Overflow
Microsoft 官网
GitHub 的部分服务
国内很多大型企业的后台系统

4：移动应用开发

MAUI：微软官方的跨平台移动开发框架，替代了之前的 Xamarin
Xamarin：成熟的跨平台移动开发框架，可以使用 C# 开发原生 Android 和 iOS 应用
Unity：如前所述，也可以用于开发移动游戏和应用

5：云服务与后台开发

C# 是微软 Azure 云平台的首选语言，同时也可以很好地运行在 AWS、Google Cloud 等其他云平台上。C# 适合开发：

微服务
云函数
后端 API
消息队列处理
大数据处理

6：其他领域

物联网 (IoT)：.NET IoT 库支持在 Raspberry Pi 等设备上运行 C# 代码
人工智能与机器学习 ：ML.NET 是微软推出的.NET 机器学习框架
桌面自动化：可以使用 C# 开发自动化脚本，控制其他应用程序
数据库开发：可以使用 C# 开发 SQL Server 的存储过程和函数

3：.NET平台解析

C# 不能脱离.NET 平台运行，.NET 是一个完整的软件开发平台，包含了运行时、编译器、类库和工具链。

1：.NET平台演变

.NET Framework 时代（2002-2019 年）：最初的.NET 平台，仅支持 Windows 系统。最后一个版本是.NET Framework 4.8，现在已经进入维护模式，不再添加新功能。
.NET Core 时代（2016-2020 年）：微软推出的跨平台、开源、高性能的.NET 实现，支持 Windows、Linux 和 macOS。
统一.NET 时代（2020 年至今）：从.NET 5 开始，微软将.NET Framework 和.NET Core 统一为一个单一的.NET 平台，每年发布一个主要版本。当前最新的稳定版本是.NET 8（2023 年 11 月发布），下一个版本是.NET 9（2024 年 11 月发布）。

2：.NET平台的核心组件

一个完整的.NET 应用程序的运行依赖于以下几个核心组件：

1：CLR (Common Language Runtime) 公共语言运行时

CLR 是.NET 平台的核心，负责管理程序的执行，提供以下核心服务：

垃圾回收 (Garbage Collection)：自动检测并回收不再被引用的对象所占用的内存，彻底解决了 C++ 中常见的内存泄漏问题
类型安全检查：在编译时和运行时验证类型的正确性，防止非法的类型转换和内存访问
异常处理：提供统一的异常处理机制
JIT (Just-In-Time) 即时编译：将 IL 中间语言编译为当前平台的机器码
代码访问安全 (CAS)：控制代码的访问权限
线程管理：管理应用程序中的线程

2：BCL (Base Class Library) 基础类库

BCL 是.NET 平台提供的标准类库，包含了数千个预定义的类和方法，涵盖了几乎所有常见的开发需求：

基本数据类型（int、string、bool 等）
集合类（List、Dictionary、Queue、Stack 等）
字符串处理
文件 IO 和流操作
网络通信
日期和时间处理
数学计算
加密和解密
反射
序列化
多线程和异步编程

3：编译器

.NET 平台为不同的语言提供了各自的编译器：

Roslyn：C# 和 Visual Basic 的编译器，本身也是用 C# 编写的，提供了丰富的代码分析和生成 API
F# 编译器：用于编译 F# 语言
IL 编译器：将 IL 中间语言编译为机器码

4：工具链

.NET 平台提供了完整的开发工具链：

Visual Studio 2022：功能最强大的 IDE，提供了代码编辑、调试、测试、部署等一站式服务
.NET CLI：跨平台的命令行工具，可以在任何操作系统上创建、构建、运行和发布.NET 应用
NuGet：.NET 的包管理器，包含了数百万个第三方库

3：.NET程序的编译与执行过程

C# 程序的执行过程与 C++ 有很大的不同，分为两个阶段：

编译阶段 ：C# 编译器 (csc.exe) 将 C# 源代码编译为IL (Intermediate Language) 中间语言，同时生成元数据 (Metadata)。IL 是一种与平台无关的低级语言，类似于汇编语言。
运行阶段 ：当用户运行程序时，CLR 的 JIT 编译器将 IL 中间语言即时编译为当前 CPU 架构的机器码。JIT 编译器可以进行运行时优化，例如根据当前 CPU 的特性生成优化的代码，或者根据程序的运行情况进行热点优化。

这种编译方式结合了解释型语言和编译型语言的优点：

跨平台：一次编译，到处运行
高性能：JIT 编译生成的机器码性能接近原生代码
运行时优化：可以进行静态编译器无法进行的优化

4：第一个C#项目

我们已经在 VS2022 中创建了一个传统风格的 C# 控制台应用项目，项目名称为CppToCSharp.Basics。现在我们来详细解析这个项目的每一个部分。

1：项目结构

复制代码

解决方案 'CppToCSharp.Basics' (1个项目)
└── CppToCSharp.Basics
    ├── 依赖项
    │   ├── 框架
    │   │   └── Microsoft.NETCore.App
    │   └── 包
    ├── Properties
    │   └── launchSettings.json
    └── Program.cs

1：解决方案文件(.sln)

解决方案文件是一个文本文件，包含了一个或多个项目的信息，以及它们之间的依赖关系。VS2022 通过解决方案文件来管理多个项目。

2：项目文件（.csproj）

项目文件是一个 XML 文件，包含了项目的所有配置信息：

目标框架（例如 net8.0）
输出类型（控制台应用、类库、Web 应用等）
引用的程序集和 NuGet 包
编译选项
项目中包含的文件

3：Properties文件夹

Properties 文件夹包含项目的属性文件，其中最重要的是launchSettings.json，它包含了项目的调试配置，例如：

启动时的命令行参数
工作目录
环境变量
要使用的浏览器（对于 Web 应用）

4：项目项依赖文件夹

依赖项文件夹显示了项目引用的所有依赖项，包括：

框架依赖：.NET 基础类库
NuGet 包：第三方库
项目引用：同一解决方案中的其他项目

5：Program.cs文件

Program.cs 是主程序文件，包含了程序的入口点。我们当前的代码是：

cs 复制代码

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

这是传统的 C# 控制台应用程序结构，我们来逐行详细解释：

namespace CppToCSharp.Basics
- 定义了一个命名空间，命名空间用于组织代码，避免命名冲突
- 类似于 C++ 的namespace关键字
- 命名空间可以嵌套，使用点号分隔
- 按照约定，命名空间使用公司名称。项目名称的格式
internal class Program
- 定义了一个名为Program的类
- internal是访问修饰符，表示这个类只能在当前程序集中访问
- C# 是纯面向对象语言，所有代码都必须写在类中
- 类名通常使用 PascalCase 命名法（首字母大写）
static void Main(string[] args)
- 这是程序的入口点方法，每个 C# 应用程序必须有且只有一个入口点
- static表示这个方法属于类本身，而不是类的实例
- void表示这个方法没有返回值
- Main是入口点方法的固定名称，大小写敏感
- string[] args是命令行参数数组，类似于 C++ 的char* argv[]
Console.WriteLine("Hello, World!");
- 调用System.Console类的WriteLine方法，向控制台输出一行文本
- Console类位于System命名空间中
- 类似于 C++ 的std::cout << "Hello, World!" << std::endl;

2：运行程序

点击 VS2022 工具栏中的绿色 "启动调试" 按钮，或者按 F5 键，程序会编译并运行。你会看到一个控制台窗口弹出，显示 "Hello, World!"，然后窗口会立即关闭。

为了让窗口保持打开状态，你可以在代码末尾添加一行Console.ReadKey();：

Console.ReadKey()方法会等待用户输入一个字符，然后返回。这样你就有足够的时间看到程序的输出。

5：C#的基础语法入门

1：注释

C#的注释和C++完全一样

2：变量声明和初始化

C# 的变量声明语法与 C++ 类似，但有一些重要区别：

cs 复制代码

// 显式类型声明
int age = 25;
string name = "张三";
double height = 1.75;
bool isStudent = true;
char gender = 'M';

// 隐式类型声明（var关键字）
var score = 95.5; // 编译器自动推断为double类型
var message = "Hello C#"; // 编译器自动推断为string类型
var numbers = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 }; // 编译器自动推断为int[]类型

注意：

C# 中的变量必须先声明后使用
C# 不允许使用未初始化的变量，这一点比 C++ 更严格
var关键字只是语法糖，变量仍然是强类型的，编译时类型就确定了
变量名通常使用 camelCase 命名法（首字母小写，后续单词首字母大写）

3：控制台输入输出

C# 提供了Console类来处理控制台输入输出：

cs 复制代码

// 输出
Console.WriteLine("这是一行文本，输出后自动换行");
Console.Write("这是一行文本，输出后不换行");

// 输入
Console.WriteLine("请输入你的名字：");
string userName = Console.ReadLine(); // 读取一行输入，返回字符串

Console.WriteLine("请输入你的年龄：");
string ageInput = Console.ReadLine();
int userAge = int.Parse(ageInput); // 将字符串转换为整数

// 字符串插值（C# 6.0+）
Console.WriteLine($"你好，{userName}，你今年{userAge}岁了");

4：算术运算符

C# 的算术运算符与 C++ 完全相同：

cs 复制代码

int a = 10;
int b = 3;

int sum = a + b; // 13
int difference = a - b; // 7
int product = a * b; // 30
int quotient = a / b; // 3（整数除法，与C++相同）
int remainder = a % b; // 1（取余）

a++; // 自增
b--; // 自减

a += 5; // 等价于 a = a + 5;
b *= 2; // 等价于 b = b * 2;

6：简单计算器（C#）

cs 复制代码

namespace CppToCSharp.Basics
{
    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("简单计算器");
            Console.WriteLine("----------");
            Console.WriteLine("请输入第一个数字");
            double num1 = double.Parse(Console.ReadLine());

            Console.WriteLine("请输入第二个数字");
            double num2= double.Parse(Console.ReadLine());
            Console.WriteLine("请选择运算");
            Console.WriteLine("1. 加法");
            Console.WriteLine("2. 减法");
            Console.WriteLine("3. 乘法");
            Console.WriteLine("4. 除法");
            Console.Write("请输入选项(1-4)：");

            int choice = int.Parse(Console.ReadLine());

            double result = 0.0;
            switch (choice)
            {
                case 1:
                    result = num1 + num2;
                    Console.WriteLine($"{num1}+{num2}={result}");
                    break;
                case 2:
                    result = num1 - num1;
                    Console.WriteLine($"{num1}-{num2}={result}");
                    break;
                case 3:
                    result = num1 * num2;
                    Console.WriteLine($"{num1} * {num2} = {result}");
                    break;
                case 4:
                    if (num2 == 0)
                    {
                        Console.WriteLine("错误：除数不能为零");
                    }
                    else
                    {
                        result = num1 / num2;
                        Console.WriteLine($"{num1} / {num2} = {result}");
                    }
                    break;
                default:
                    Console.WriteLine("无效选项");
                    break;
            }
        }
    }
}

下一篇博客我们将创建一个名为CSharpDataTypes的新项目，深入学习 C# 的数据类型系统，重点讲解 C# 特有的值类型与引用类型的区别，这是理解 C# 的关键。我们还会详细介绍 C# 的所有基本数据类型、变量与常量、以及类型转换机制。