Chapter 2. C# Language Basics

为什么基础语法必须用Storage与Boundary来学

语言基础不是标点速查表。真正造成错误的是“赋值复制了什么”“转换是否丢信息”“表达式何时求值”“变量是否一定已赋值”“using改变的是name lookup还是dependency”。本章用copy/alias、range/precision、evaluation/scope三个模型串起原书13个一级主题。

先预测：所有value type都在stack吗；string变量赋值会复制字符吗；decimal能精确表示所有除法吗；array covariance是完全type-safe的吗；null-conditional会吞掉receiver以外的异常。答案都是否。

A First C# Program

Top-level statements减少入口样板，compiler仍生成assembly、entry point和metadata。Program从statement开始执行，method把input映射到output，type declaration提供可复用shape。第一段代码就应显式区分process exit、console I/O和pure calculation；否则测试只能启动整个进程。

Console.WriteLine(FeetToInches(30));
 
static int FeetToInches(int feet)
{
    checked { return feet * 12; }
}

把calculation提成static function后可测normal/negative/overflow；Console留在boundary。Top-level syntax不能与同文件的explicit entry point任意混用，file order与generated context仍受compiler rules约束。

Compilation

Build经历parse、binding/type checking、lowering、emit；project references/reference assemblies决定可解析symbols，LangVersion决定syntax，TFM决定API surface。Warnings可通过nullable/analyzers提升为errors。Runtime load/JIT是之后阶段，不能用运行错误解释compile-time name/type failure。

验收保存exact SDK、command、configuration和generated diagnostics。多target project为每个TFM编译；conditional compilation会形成不同programs，也要分别测试。若IDE成功而CI失败，先比较SDK/workload/global.json与restore inputs。

Syntax

Identifiers区分大小写，keywords可用@转义但不宜滥用；literals、punctuators与operators由grammar结合。Whitespace多数不影响syntax，但line directives、preprocessor和string literals例外。Comments不应承担会过期的type contract，public behavior写入tests/docs/analyzers。

Syntax sugar需知道observable lowering boundary：using statement涉及finally disposal，interpolated string可能使用handler，range/index转换为相应types。无需背compiler字段名，但必须知道allocation、evaluation order和exception可能变化。

Type Basics

Type定义possible values与allowed operations。Value type variable包含value representation，assignment通常复制该value；reference type variable包含reference，assignment产生alias。Value type也可box到heap object，reference可存于stack/local/register或object field，所以“struct在stack、class在heap”不是可靠semantics。

Ref local/parameter/return别名化storage location，lifetime由compiler escape analysis限制。Readonly ref防止经该alias写，但不保证referent深度immutable。Default value、definite assignment和nullable annotation是三种不同问题。

Numeric Types

Integral types有固定range与signedness，conversion分implicit/explicit；arithmetic overflow在checked context抛出，在unchecked可能wrap。8/16-bit operands常先提升为int。Floating-point遵循binary representation，NaN不等于自身且ordering特殊；decimal更适合base-10 financial quantities，但仍有有限scale与rounding。

int wrapped = unchecked(int.MaxValue + 1);
decimal money = decimal.Round(10m / 3m, 2, MidpointRounding.ToEven);
double approximate = 0.1 + 0.2;
 
bool sameMoney = money == 3.33m;
bool closeDouble = Math.Abs(approximate - 0.3) < 1e-12;

Parsing使用culture和NumberStyles，serialization固定invariant/wire format，domain value携带unit/currency。Boundary tests覆盖min/max、zero、negative、NaN/infinity、midpoint与cross-culture。不要用epsilon万能比较money，也不要用exact equality比较所有measured double。

Boolean Type and Operators

bool只有true/false，不与integer隐式互换。&&/||short-circuit，右侧可能不执行；&/|用于bool时会评价两边。Nullable bool有three-state lifted semantics，业务上需说明unknown如何处理。把effect放在condition右侧会让执行次数依赖左侧value，review时应显式。

Equality与comparison需要区分value/reference/operator overload。String ==比较内容，普通class默认reference equality；NaN特殊。Complex predicates提取named functions，并用truth table覆盖每个组合与short-circuit effect count。

Strings and Characters

char是UTF-16 code unit，不等于Unicode scalar或用户感知grapheme；一个emoji可能占两个chars，组合字符可能多个scalars。String immutable，赋值复制reference，concatenation产生new string或被compiler优化。大量构造用StringBuilder，文本边界明确Encoding。

Comparison必须指定ordinal/culture与case policy。Identifier/token/protocol通常用Ordinal/OrdinalIgnoreCase；用户排序/搜索用明确CultureInfo。测试补充surrogate、combining marks、Turkish casing、empty与invalid bytes。

Arrays

Array是reference type，长度固定，elements连续存储；element本身保留value/reference semantics。Rectangular multidimensional array与jagged array shape不同。Index/Range简化访问，但slice是否copy取决于receiver API；array range通常创建new array，Span slice是view。

Array covariance允许string[]赋给object[]，写入不兼容对象会运行时ArrayTypeMismatchException。Generic collections通常更安全。Bounds checks提供memory safety但可能抛；performance优化先measurement，再考虑Span/ref与JIT elimination。

Variables and Parameters

Local variable必须definitely assigned后读取；fields有default value。Value parameter复制value/reference，ref alias caller storage，out要求callee赋值，in提供readonly ref view但可能产生defensive copy。Optional/named arguments影响call-site metadata/API compatibility。

static void Swap<T>(ref T left, ref T right) => (left, right) = (right, left);
 
int x = 1, y = 2;
Swap(ref x, ref y);
 
ReadOnlySpan<char> token = "abc".AsSpan(1);

Ref escape rules防止返回已失效storage；closure capture通常捕获variable而非当时value。Loop/deferred invocation需测试capture timing。API设计优先普通return/tuple，只有性能与mutation semantics明确时使用ref/out。

Expressions and Operators

Expression产生value或void，operator precedence决定parse tree，associativity不等于operand evaluation可随意重排。C#通常按左到右评价operands，但overload、short-circuit、null propagation和exceptions会影响observable flow。复杂expression若含多次I/O/allocation/mutation，应拆出named steps。

Assignment本身是expression；increment同时读写；conditional expression与switch expression有target typing。测试不只结果，还可用recording operands验证evaluation order，尤其在重构LINQ/async前。

Null Operators

??只在左侧null时评价右侧；??=按需赋值；?./?[]传播receiver null，但后续method内部异常仍抛出。Nullable reference types是compile-time flow analysis/annotation，不改变CLR reference representation。!只抑制warning，不产生runtime check。

Null policy应在boundary把absence转Option/result/default或拒绝，core避免null sentinel。与database/JSON interop时区分missing、explicit null、default和empty，contract tests覆盖round trip。

Statements

Declaration/expression/selection/iteration/jump statements控制flow。if、switch、loops形成definite-assignment与reachability graph；break/continue/return/throw改变exit paths。using、lock、try/finally建立cleanup/synchronization semantics，不只是缩进结构。

Loop选择取决于ownership和enumeration：foreach会获取enumerator并在适用时dispose；修改collection可能使enumerator失效。Cancellation/exception path也必须释放resource。Complex loop先写invariant与termination，再考虑LINQ重构。

Namespaces

Namespace组织logical names，不建立assembly/security/deployment boundary。Using directive只影响name lookup；global using作用于compilation，file-scoped namespace减少嵌套；alias解决collision但不改变runtime type identity。Assembly由project/build决定，一个namespace可跨多个assemblies。

本章回顾：基础规则决定高级抽象的边界

1. Assignment可能复制value、reference或建立storage alias，先画对象图再推理。
2. Numeric correctness需要range、overflow、precision、rounding和culture policy。
3. String的char不是完整Unicode字符，array是reference type且covariance有运行时风险。
4. Expressions产值，statements控制flow，namespace只组织names，compilation建立type/API证据。
5. Null operators、ref参数与using等便利syntax都有明确evaluation/lifetime边界。

术语表