深入理解C#语言特性：面向对象编程与LINQ

开场白

大家好，欢迎来到今天的讲座！今天我们要聊的是C#这门语言中的两个重要特性：面向对象编程（OOP）和LINQ。如果你已经对C#有所了解，那么你可能会觉得这两个特性并不陌生。但是，我们今天的目标是“深入”理解它们，不仅仅是停留在表面，而是要挖掘出一些你可能还没有注意到的细节和技巧。

为了让这个讲座更加有趣，我会尽量用轻松诙谐的语言来讲解，同时也会穿插一些代码示例，帮助你更好地理解和应用这些概念。准备好了吗？让我们开始吧！

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1. 面向对象编程（OOP）：不只是类和对象

1.1 OOP的基本概念

面向对象编程（Object-Oriented Programming, OOP）是C#的核心编程范式之一。它通过将数据和操作封装在一起，形成“对象”，从而让程序更加模块化、易于维护和扩展。

在C#中，OOP的四个基本特性是：

• 封装：将数据和操作封装在一个类中，外部只能通过公开的方法访问内部数据。
• 继承：子类可以继承父类的属性和方法，从而实现代码复用。
• 多态：同一个方法可以在不同的对象上表现出不同的行为。
• 抽象：通过抽象类或接口定义通用的行为，而不关心具体的实现。

这些概念听起来可能有点抽象（哈哈，双关语），但别担心，接下来我们会通过代码来具体说明。

1.2 封装：保护你的数据

封装是OOP中最基础的概念之一。它允许你将类的内部状态隐藏起来，只暴露必要的方法给外界使用。这样做的好处是，你可以控制类的内部逻辑，防止外部代码随意修改类的状态。

public class Person
{
    // 私有字段，外部无法直接访问
    private string _name;

    // 公开属性，提供对外部的访问
    public string Name
    {
        get { return _name; }
        set 
        {
            if (string.IsNullOrEmpty(value))
            {
                throw new ArgumentException("Name cannot be empty.");
            }
            _name = value;
        }
    }

    // 构造函数
    public Person(string name)
    {
        Name = name;
    }

    // 公开方法
    public void SayHello()
    {
        Console.WriteLine($"Hello, my name is {_name}.");
    }
}

在这个例子中，_name 是一个私有字段，外部无法直接访问。我们通过 Name 属性提供了对外部的访问，并且在设置 Name 时进行了验证，确保它不会为空。这就是封装的力量——你可以控制类的内部逻辑，而不仅仅是暴露数据。

1.3 继承：代码复用的艺术

继承是OOP中非常强大的特性之一。通过继承，你可以让一个类继承另一个类的属性和方法，从而实现代码复用。C# 支持单继承，也就是说，一个类只能继承一个父类，但可以通过接口实现多重继承的效果。

public class Animal
{
    public void Eat()
    {
        Console.WriteLine("This animal is eating.");
    }
}

public class Dog : Animal
{
    public void Bark()
    {
        Console.WriteLine("Woof woof!");
    }
}

public class Cat : Animal
{
    public void Meow()
    {
        Console.WriteLine("Meow meow!");
    }
}

// 使用继承
Dog dog = new Dog();
dog.Eat();  // 输出: This animal is eating.
dog.Bark(); // 输出: Woof woof!

Cat cat = new Cat();
cat.Eat();  // 输出: This animal is eating.
cat.Meow(); // 输出: Meow meow!

在这个例子中，Dog 和 Cat 都继承了 Animal 类，因此它们都可以调用 Eat 方法。同时，Dog 和 Cat 还有自己的特有方法 Bark 和 Meow。通过继承，我们可以避免重复编写相同的代码，从而使代码更加简洁和易维护。

1.4 多态：同一方法，不同行为

多态是OOP中最有趣的特性之一。它允许你在不同的对象上调用同一个方法，但表现出不同的行为。C# 中的多态主要通过虚方法（virtual method）和重写（override）来实现。

public class Animal
{
    public virtual void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine("This animal makes a sound.");
    }
}

public class Dog : Animal
{
    public override void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine("Woof woof!");
    }
}

public class Cat : Animal
{
    public override void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine("Meow meow!");
    }
}

// 使用多态
List<Animal> animals = new List<Animal>
{
    new Dog(),
    new Cat()
};

foreach (var animal in animals)
{
    animal.MakeSound();
}

在这个例子中，Animal 类定义了一个虚方法 MakeSound，而 Dog 和 Cat 分别重写了这个方法。当我们遍历 animals 列表并调用 MakeSound 时，实际调用的是每个对象自己的实现，而不是 Animal 类的默认实现。这就是多态的魅力——同一个方法，不同的行为！

1.5 抽象：定义通用行为

有时候，我们不想让某个类被实例化，而是希望它作为一个“模板”，定义一些通用的行为。这时，我们可以使用抽象类或接口。

• 抽象类：不能被实例化，但可以包含部分实现。子类必须实现抽象类中的抽象方法。
• 接口：完全抽象，没有任何实现。实现接口的类必须实现接口中的所有方法。

public abstract class Vehicle
{
    public abstract void Start();

    public void Drive()
    {
        Console.WriteLine("The vehicle is driving.");
    }
}

public class Car : Vehicle
{
    public override void Start()
    {
        Console.WriteLine("Car engine started.");
    }
}

public interface IRunnable
{
    void Run();
}

public class Robot : IRunnable
{
    public void Run()
    {
        Console.WriteLine("Robot is running.");
    }
}

// 使用抽象类和接口
Car car = new Car();
car.Start(); // 输出: Car engine started.
car.Drive(); // 输出: The vehicle is driving.

Robot robot = new Robot();
robot.Run(); // 输出: Robot is running.

在这个例子中，Vehicle 是一个抽象类，它定义了一个抽象方法 Start 和一个普通方法 Drive。Car 类继承了 Vehicle 并实现了 Start 方法。而 IRunnable 是一个接口，Robot 类实现了这个接口。通过抽象类和接口，我们可以定义通用的行为，而不必关心具体的实现。

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2. LINQ：查询集合的利器

2.1 什么是LINQ？

LINQ（Language Integrated Query）是C# 3.0引入的一个强大特性，它允许你以一种类似SQL的方式查询集合。LINQ不仅可以用于查询内存中的集合（如数组、列表等），还可以用于查询数据库、XML、文件系统等。

LINQ 的核心思想是将查询表达式嵌入到编程语言中，使得查询操作更加直观和简洁。你可以使用两种方式来编写LINQ 查询：

• 查询语法：类似于SQL的语法，适合复杂的查询。
• 方法语法：基于Lambda表达式和扩展方法，适合简单的查询。

2.2 查询语法 vs 方法语法

让我们来看一个简单的例子，比较一下查询语法和方法语法的区别。

假设我们有一个包含多个学生的列表，我们想要找出所有年龄大于18岁的学生。

查询语法

var students = new List<Student>
{
    new Student { Name = "Alice", Age = 20 },
    new Student { Name = "Bob", Age = 17 },
    new Student { Name = "Charlie", Age = 22 }
};

var adults = from student in students
             where student.Age > 18
             select student;

foreach (var student in adults)
{
    Console.WriteLine($"{student.Name} is an adult.");
}

方法语法

var adults = students.Where(student => student.Age > 18);

foreach (var student in adults)
{
    Console.WriteLine($"{student.Name} is an adult.");
}

可以看到，查询语法更接近于SQL，而方法语法则更像是一串方法调用。这两种方式本质上是等价的，选择哪种方式取决于个人偏好和具体场景。

2.3 LINQ 的常用操作符

LINQ 提供了许多有用的操作符，可以帮助你轻松地对集合进行各种操作。以下是一些常用的LINQ操作符：

操作符	描述
Where	过滤集合中的元素
Select	选择元素或投影新对象
OrderBy	对集合进行排序
GroupBy	对集合进行分组
Join	连接两个集合
Any	检查集合是否包含任何元素
All	检查集合中的所有元素是否满足条件
First	获取集合中的第一个元素
Last	获取集合中的最后一个元素
Count	获取集合中的元素数量
Sum	计算集合中元素的总和
Average	计算集合中元素的平均值

2.4 实战：复杂查询

现在，让我们来看一个稍微复杂一点的例子。假设我们有一个包含多个订单的列表，每个订单都有一个客户和多个商品。我们想要找出每个客户的总消费金额，并按降序排列。

public class Order
{
    public string Customer { get; set; }
    public List<Item> Items { get; set; }
}

public class Item
{
    public string Product { get; set; }
    public decimal Price { get; set; }
}

var orders = new List<Order>
{
    new Order
    {
        Customer = "Alice",
        Items = new List<Item>
        {
            new Item { Product = "Laptop", Price = 999.99m },
            new Item { Product = "Mouse", Price = 19.99m }
        }
    },
    new Order
    {
        Customer = "Bob",
        Items = new List<Item>
        {
            new Item { Product = "Phone", Price = 699.99m },
            new Item { Product = "Charger", Price = 29.99m }
        }
    },
    new Order
    {
        Customer = "Alice",
        Items = new List<Item>
        {
            new Item { Product = "Headphones", Price = 149.99m }
        }
    }
};

var customerSpending = from order in orders
                       group order by order.Customer into g
                       select new
                       {
                           Customer = g.Key,
                           TotalSpent = g.SelectMany(o => o.Items).Sum(i => i.Price)
                       };

foreach (var customer in customerSpending.OrderByDescending(c => c.TotalSpent))
{
    Console.WriteLine($"{customer.Customer} spent ${customer.TotalSpent:F2}");
}

在这个例子中，我们首先使用 group by 按客户分组，然后使用 SelectMany 将每个订单的商品展开为一个单一的序列，最后使用 Sum 计算每个客户的总消费金额。最后，我们使用 OrderByDescending 按总消费金额降序排列。

2.5 异步LINQ：异步查询的威力

从C# 8.0开始，LINQ 支持异步查询，这意味着你可以在不阻塞主线程的情况下执行查询操作。这对于处理I/O密集型任务（如数据库查询、网络请求等）非常有用。

async Task Main()
{
    var data = await GetDataAsync();

    var result = await data.WhereAwait(async item => await IsItemValidAsync(item))
                           .ToListAsync();

    foreach (var item in result)
    {
        Console.WriteLine(item);
    }
}

async Task<bool> IsItemValidAsync(Item item)
{
    // 模拟异步验证
    await Task.Delay(100);
    return item.Price > 0;
}

在这个例子中，我们使用了 WhereAwait 来异步过滤集合中的元素，并使用 ToListAsync 将结果转换为列表。通过这种方式，我们可以在不阻塞主线程的情况下执行查询操作，从而提高应用程序的响应速度。

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结语

好了，今天的讲座就到这里。我们不仅深入探讨了C#中的面向对象编程（OOP），还介绍了LINQ这一强大的查询工具。通过这些特性，你可以编写更加简洁、高效和可维护的代码。

如果你还有任何问题，或者想了解更多关于C#的高级特性，欢迎随时提问！谢谢大家的参与，期待下次再见！