C# 标准库详解

什么是 C# 标准库？

C# 标准库是 .NET 平台的核心组成部分，提供了丰富的类和方法，用于开发各种类型的应用程序。它包含在 .NET Framework、.NET Core 和 .NET 5+ 中，为 C# 程序员提供了强大的工具集。

C# 标准库的组成

C# 标准库主要由以下几个部分组成：

基础类型库：提供基本数据类型和通用工具
集合库：提供各种数据结构
IO 库：处理文件和流操作
网络库：提供网络通信功能
多线程库：支持并发编程
反射库：提供类型信息和动态操作
序列化库：支持对象的序列化和反序列化
加密库：提供安全加密功能
正则表达式库：处理字符串模式匹配
XML 库：处理 XML 数据
LINQ：语言集成查询
任务并行库：高级并行编程
WPF/WinForms：GUI 开发（仅限 Windows）

常用库的详细介绍

1. 基础类型库

基础类型库位于 System 命名空间，提供了基本数据类型和通用工具类。

常用类和方法

类/方法	功能	使用示例
`Object`	所有类型的基类	`object obj = new object();`
`String`	字符串操作	`string s = "Hello";`
`DateTime`	日期时间处理	`DateTime now = DateTime.Now;`
`Math`	数学运算	`double pi = Math.PI;`
`Convert`	类型转换	`int i = Convert.ToInt32("123");`
`Console`	控制台操作	`Console.WriteLine("Hello World");`
`Random`	随机数生成	`Random rnd = new Random();`

使用示例：

using System;

class Program {
    static void Main() {
        // 字符串操作
        string s = "Hello, World!";
        Console.WriteLine(s.Length);  // 13
        Console.WriteLine(s.Substring(7));  // World!
        Console.WriteLine(s.ToUpper());  // HELLO, WORLD!
        
        // 日期时间
        DateTime now = DateTime.Now;
        Console.WriteLine(now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
        
        // 数学运算
        double x = 3.0, y = 4.0;
        double hypotenuse = Math.Sqrt(x * x + y * y);
        Console.WriteLine(hypotenuse);  // 5
        
        // 随机数
        Random rnd = new Random();
        Console.WriteLine(rnd.Next(1, 100));  // 1-99之间的随机数
    }
}

2. 集合库

集合库位于 System.Collections 和 System.Collections.Generic 命名空间，提供了各种数据结构。

常用集合类

集合类	功能	使用示例
`List<T>`	动态数组	`List<int> list = new List<int>();`
`Dictionary<K, V>`	键值对集合	`Dictionary<string, int> dict = new Dictionary<string, int>();`
`HashSet<T>`	无序唯一元素集合	`HashSet<int> set = new HashSet<int>();`
`Queue<T>`	队列（FIFO）	`Queue<int> queue = new Queue<int>();`
`Stack<T>`	栈（LIFO）	`Stack<int> stack = new Stack<int>();`
`LinkedList<T>`	双向链表	`LinkedList<int> linkedList = new LinkedList<int>();`

使用示例：

using System;
using System.Collections.Generic;

class Program {
    static void Main() {
        // List<T>
        List<int> numbers = new List<int>();
        numbers.Add(10);
        numbers.Add(20);
        numbers.Add(30);
        
        Console.WriteLine("List elements:");
        foreach (int num in numbers) {
            Console.WriteLine(num);
        }
        
        // Dictionary<K, V>
        Dictionary<string, string> capitals = new Dictionary<string, string>();
        capitals["China"] = "Beijing";
        capitals["USA"] = "Washington";
        capitals["Japan"] = "Tokyo";
        
        Console.WriteLine("\nDictionary elements:");
        foreach (var pair in capitals) {
            Console.WriteLine($"{pair.Key}: {pair.Value}");
        }
        
        // HashSet<T>
        HashSet<int> uniqueNumbers = new HashSet<int>();
        uniqueNumbers.Add(1);
        uniqueNumbers.Add(2);
        uniqueNumbers.Add(1);  // 重复元素，不会添加
        
        Console.WriteLine("\nHashSet elements:");
        foreach (int num in uniqueNumbers) {
            Console.WriteLine(num);
        }
    }
}

3. IO 库

IO 库位于 System.IO 命名空间，提供文件和流操作功能。

常用类

类	功能	使用示例
`File`	文件操作静态方法	`File.ReadAllText("file.txt");`
`Directory`	目录操作静态方法	`Directory.CreateDirectory("folder");`
`Path`	路径操作静态方法	`Path.Combine("dir", "file.txt");`
`StreamReader`	文本文件读取	`using (StreamReader sr = new StreamReader("file.txt")) { ... }`
`StreamWriter`	文本文件写入	`using (StreamWriter sw = new StreamWriter("file.txt")) { ... }`
`FileStream`	字节流操作	`using (FileStream fs = new FileStream("file.bin", FileMode.Open)) { ... }`

使用示例：

using System;
using System.IO;

class Program {
    static void Main() {
        string filePath = "example.txt";
        
        // 写入文件
        File.WriteAllText(filePath, "Hello, C# IO!");
        
        // 读取文件
        string content = File.ReadAllText(filePath);
        Console.WriteLine("File content:");
        Console.WriteLine(content);
        
        // 追加内容
        File.AppendAllText(filePath, "\nAppended text.");
        
        // 读取所有行
        string[] lines = File.ReadAllLines(filePath);
        Console.WriteLine("\nFile lines:");
        foreach (string line in lines) {
            Console.WriteLine(line);
        }
        
        // 删除文件
        File.Delete(filePath);
        Console.WriteLine($"\nFile exists: {File.Exists(filePath)}");
    }
}

4. 网络库

网络库位于 System.Net 和 System.Net.Sockets 命名空间，提供网络通信功能。

常用类

类	功能	使用示例
`WebClient`	简单的 HTTP 客户端	`using (WebClient client = new WebClient()) { ... }`
`HttpClient`	现代 HTTP 客户端	`using (HttpClient client = new HttpClient()) { ... }`
`TcpClient`	TCP 客户端	`using (TcpClient client = new TcpClient()) { ... }`
`TcpListener`	TCP 服务器	`using (TcpListener listener = new TcpListener(port)) { ... }`
`Socket`	底层套接字操作	`Socket socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, ...);`

使用示例：

using System;
using System.Net.Http;
using System.Threading.Tasks;

class Program {
    static async Task Main() {
        // 使用 HttpClient 发送 HTTP 请求
        using (HttpClient client = new HttpClient()) {
            try {
                HttpResponseMessage response = await client.GetAsync("https://api.github.com/users/octocat");
                response.EnsureSuccessStatusCode();
                string responseBody = await response.Content.ReadAsStringAsync();
                Console.WriteLine("GitHub API response:");
                Console.WriteLine(responseBody);
            } catch (HttpRequestException e) {
                Console.WriteLine($"Error: {e.Message}");
            }
        }
    }
}

5. 多线程库

多线程库位于 System.Threading 命名空间，提供并发编程功能。

常用类和方法

类/方法	功能	使用示例
`Thread`	线程操作	`Thread thread = new Thread(Work);`
`Task`	异步任务	`Task.Run(() => { ... });`
`ThreadPool`	线程池	`ThreadPool.QueueUserWorkItem(Work);`
`Mutex`	互斥锁	`using (Mutex mutex = new Mutex()) { ... }`
`Monitor`	同步锁	`lock (obj) { ... }`
`Semaphore`	信号量	`using (Semaphore semaphore = new Semaphore(1, 1)) { ... }`
`AutoResetEvent`	自动重置事件	`using (AutoResetEvent evt = new AutoResetEvent(false)) { ... }`

使用示例：

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program {
    static void Main() {
        // 使用 Task 并行执行
        Console.WriteLine("Main thread started");
        
        Task task1 = Task.Run(() => {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Console.WriteLine($"Task 1: {i}");
                Thread.Sleep(100);
            }
        });
        
        Task task2 = Task.Run(() => {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Console.WriteLine($"Task 2: {i}");
                Thread.Sleep(100);
            }
        });
        
        Task.WaitAll(task1, task2);
        Console.WriteLine("Main thread completed");
        
        // 使用 async/await
        AsyncExample().Wait();
    }
    
    static async Task AsyncExample() {
        Console.WriteLine("\nAsync example started");
        await Task.Delay(1000);
        Console.WriteLine("Async example completed");
    }
}

6. 反射库

反射库位于 System.Reflection 命名空间，提供类型信息和动态操作功能。

常用类

类	功能	使用示例
`Type`	类型信息	`Type type = typeof(string);`
`Assembly`	程序集信息	`Assembly assembly = Assembly.GetExecutingAssembly();`
`MethodInfo`	方法信息	`MethodInfo method = type.GetMethod("ToString");`
`PropertyInfo`	属性信息	`PropertyInfo property = type.GetProperty("Length");`
`Activator`	动态创建实例	`object obj = Activator.CreateInstance(type);`

使用示例：

using System;
using System.Reflection;

class Person {
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
    
    public void SayHello() {
        Console.WriteLine($"Hello, my name is {Name}!");
    }
}

class Program {
    static void Main() {
        // 获取类型信息
        Type personType = typeof(Person);
        
        // 创建实例
        object personObj = Activator.CreateInstance(personType);
        
        // 设置属性
        PropertyInfo nameProperty = personType.GetProperty("Name");
        nameProperty.SetValue(personObj, "John");
        
        PropertyInfo ageProperty = personType.GetProperty("Age");
        ageProperty.SetValue(personObj, 30);
        
        // 调用方法
        MethodInfo sayHelloMethod = personType.GetMethod("SayHello");
        sayHelloMethod.Invoke(personObj, null);
        
        // 获取属性值
        Console.WriteLine($"Name: {nameProperty.GetValue(personObj)}");
        Console.WriteLine($"Age: {ageProperty.GetValue(personObj)}");
    }
}

7. 序列化库

序列化库位于 System.Runtime.Serialization 和 System.Text.Json（.NET Core 3.0+）命名空间。

常用类

类	功能	使用示例
`JsonSerializer`	JSON 序列化/反序列化	`JsonSerializer.Serialize(obj);`
`XmlSerializer`	XML 序列化/反序列化	`XmlSerializer serializer = new XmlSerializer(typeof(T));`
`BinaryFormatter`	二进制序列化/反序列化	`BinaryFormatter formatter = new BinaryFormatter();`

使用示例：

using System;
using System.Text.Json;

class Person {
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
}

class Program {
    static void Main() {
        // 创建对象
        Person person = new Person { Name = "John", Age = 30 };
        
        // 序列化为 JSON
        string json = JsonSerializer.Serialize(person);
        Console.WriteLine("Serialized JSON:");
        Console.WriteLine(json);
        
        // 反序列化为对象
        Person deserializedPerson = JsonSerializer.Deserialize<Person>(json);
        Console.WriteLine("\nDeserialized object:");
        Console.WriteLine($"Name: {deserializedPerson.Name}");
        Console.WriteLine($"Age: {deserializedPerson.Age}");
    }
}

8. 正则表达式库

正则表达式库位于 System.Text.RegularExpressions 命名空间。

常用类

类	功能	使用示例
`Regex`	正则表达式操作	`Regex regex = new Regex(@"\d+");`
`Match`	匹配结果	`Match match = regex.Match(input);`
`MatchCollection`	多个匹配结果	`MatchCollection matches = regex.Matches(input);`

使用示例：

using System;
using System.Text.RegularExpressions;

class Program {
    static void Main() {
        string input = "Contact: John (555-1234), Jane (555-5678)";
        
        // 匹配电话号码
        Regex phoneRegex = new Regex(@"\d{3}-\d{4}");
        MatchCollection matches = phoneRegex.Matches(input);
        
        Console.WriteLine("Found phone numbers:");
        foreach (Match match in matches) {
            Console.WriteLine(match.Value);
        }
        
        // 替换文本
        string replaced = phoneRegex.Replace(input, "[REDACTED]");
        Console.WriteLine("\nAfter replacement:");
        Console.WriteLine(replaced);
        
        // 验证邮箱
        string email = "user@example.com";
        Regex emailRegex = new Regex(@"^[\w.-]+@[\w.-]+\.\w+$");
        bool isValid = emailRegex.IsMatch(email);
        Console.WriteLine($"\nEmail '{email}' is valid: {isValid}");
    }
}

9. LINQ（语言集成查询）

LINQ 位于 System.Linq 命名空间，提供统一的查询语法。

常用方法

方法	功能	使用示例
`Where`	筛选元素	`var result = list.Where(x => x > 5);`
`Select`	投影元素	`var result = list.Select(x => x * 2);`
`OrderBy`	排序元素	`var result = list.OrderBy(x => x);`
`GroupBy`	分组元素	`var result = list.GroupBy(x => x % 2);`
`First`	获取第一个元素	`var result = list.First();`
`Last`	获取最后一个元素	`var result = list.Last();`
`Count`	计算元素数量	`int count = list.Count();`
`Sum`	计算元素总和	`int sum = list.Sum();`

使用示例：

using System;
using System.Linq;
using System.Collections.Generic;

class Program {
    static void Main() {
        List<int> numbers = new List<int> { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
        
        // 筛选偶数
        var evenNumbers = numbers.Where(n => n % 2 == 0);
        Console.WriteLine("Even numbers:");
        foreach (var num in evenNumbers) {
            Console.WriteLine(num);
        }
        
        // 投影和排序
        var squaredNumbers = numbers.Select(n => n * n).OrderBy(n => n);
        Console.WriteLine("\nSquared numbers (sorted):");
        foreach (var num in squaredNumbers) {
            Console.WriteLine(num);
        }
        
        // 聚合操作
        int sum = numbers.Sum();
        double average = numbers.Average();
        int max = numbers.Max();
        int min = numbers.Min();
        
        Console.WriteLine($"\nSum: {sum}");
        Console.WriteLine($"Average: {average}");
        Console.WriteLine($"Max: {max}");
        Console.WriteLine($"Min: {min}");
        
        // 对象集合查询
        List<Person> people = new List<Person> {
            new Person { Name = "John", Age = 30 },
            new Person { Name = "Jane", Age = 25 },
            new Person { Name = "Bob", Age = 35 }
        };
        
        var adults = people.Where(p => p.Age >= 30).OrderBy(p => p.Name);
        Console.WriteLine("\nAdults (sorted by name):");
        foreach (var person in adults) {
            Console.WriteLine($"{person.Name}, {person.Age}");
        }
    }
}

class Person {
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
}

C# 标准库与 Java 标准库的对比

1. 整体架构

特性	C# 标准库	Java 标准库
运行环境	.NET Framework / .NET Core / .NET 5+	JVM
版本控制	.NET 版本号（如 .NET 8.0）	Java SE 版本号（如 Java 21）
模块化	.NET Core 开始采用模块化设计	Java 9+ 引入模块系统
跨平台	.NET Core/5+ 支持跨平台	支持跨平台
性能	近年来性能显著提升，部分场景超越 Java	成熟稳定，JIT 优化优秀

2. 核心组件对比

2.1 基础类型

功能	C#	Java	对比
字符串	`string` / `String`	`String`	C# 有 `string` 别名，更简洁
日期时间	`DateTime`	`LocalDateTime`, `Date`	C# 的 `DateTime` 更统一
数学运算	`Math`	`Math`	功能相似
控制台	`Console`	`System.out`	C# 的 `Console` 功能更丰富
随机数	`Random`	`Random`	C# 的 `Random` 更易用

2.2 集合框架

集合类型	C#	Java	对比
列表	`List<T>`	`ArrayList`, `LinkedList`	C# 的 `List<T>` 更常用
字典	`Dictionary<K, V>`	`HashMap`, `TreeMap`	功能相似，C# 语法更简洁
集合	`HashSet<T>`	`HashSet`, `TreeSet`	功能相似
队列	`Queue<T>`	`Queue`	功能相似
栈	`Stack<T>`	`Stack`	功能相似
链表	`LinkedList<T>`	`LinkedList`	功能相似
并发集合	`ConcurrentDictionary<T>`, etc.	`ConcurrentHashMap`, etc.	功能相似

2.3 IO 操作

功能	C#	Java	对比
文件操作	`File`, `FileInfo`	`Files`, `Path`	C# 有静态类和实例类两种方式
目录操作	`Directory`, `DirectoryInfo`	`Files`, `Paths`	功能相似
流操作	`StreamReader`, `StreamWriter`	`BufferedReader`, `BufferedWriter`	功能相似
二进制操作	`BinaryReader`, `BinaryWriter`	`DataInputStream`, `DataOutputStream`	功能相似

2.4 网络编程

功能	C#	Java	对比
HTTP 客户端	`HttpClient`	`HttpClient`	功能相似，C# 的 `HttpClient` 更现代
TCP 客户端	`TcpClient`	`Socket`	C# 的 `TcpClient` 更高级
TCP 服务器	`TcpListener`	`ServerSocket`	C# 的 `TcpListener` 更易用
套接字	`Socket`	`Socket`	功能相似

2.5 多线程

功能	C#	Java	对比
线程	`Thread`	`Thread`	功能相似
异步任务	`Task`	`CompletableFuture`	C# 的 `async/await` 语法更简洁
线程池	`ThreadPool`	`Executors`	Java 的 `Executors` 提供更多工厂方法
锁机制	`lock`, `Monitor`, `Mutex`	`synchronized`, `ReentrantLock`	C# 的 `lock` 语法更简洁
并发工具	`Semaphore`, `AutoResetEvent`	`Semaphore`, `CountDownLatch`	功能相似

2.6 反射

功能	C#	Java	对比
类型信息	`Type`	`Class`	C# 的 `Type` 更统一
程序集	`Assembly`	`ClassLoader`, `Module`	C# 的 `Assembly` 概念更清晰
创建实例	`Activator.CreateInstance`	`Class.newInstance`, `Constructor.newInstance`	C# 的方式更简洁
方法调用	`MethodInfo.Invoke`	`Method.invoke`	功能相似

2.7 序列化

功能	C#	Java	对比
JSON 序列化	`System.Text.Json`	`Jackson`, `Gson`	C# 内置 JSON 支持，Java 常用第三方库
XML 序列化	`XmlSerializer`	`JAXB`	功能相似
二进制序列化	`BinaryFormatter`	`ObjectOutputStream`	功能相似

2.8 其他功能

功能	C#	Java	对比
正则表达式	`Regex`	`Pattern`, `Matcher`	C# 的 `Regex` 使用更简洁
LINQ	`System.Linq`	流 API (`Stream`)	C# 的 LINQ 语法更强大，Java 的流 API 更函数式
异步编程	`async/await`	`CompletableFuture`, `CompletableStage`	C# 的 `async/await` 语法更简洁
扩展方法	支持	不支持（Java 8+ 有默认方法）	C# 的扩展方法更灵活
委托和事件	`delegate`, `event`	接口 + 匿名内部类，lambda	C# 的委托和事件语法更简洁
特性（注解）	`Attribute`	`Annotation`	功能相似

3. 语法和使用风格对比

3.1 语法风格

C#：更注重语法简洁性和表达力，如 var 类型推断、async/await 异步语法、扩展方法等
Java：更注重代码的清晰性和一致性，语法相对保守但更严谨

3.2 异常处理

C#：区分检查异常和非检查异常，但语法更简洁
Java：强制要求处理检查异常，代码更冗长但更安全

3.3 泛型实现

C#：运行时泛型，保留类型信息
Java：类型擦除，运行时不保留类型信息

3.4 内存管理

C#：垃圾回收器，支持析构函数和 IDisposable 接口
Java：垃圾回收器，支持 finalize() 方法

3.5 跨平台支持

C#：.NET Core/5+ 支持跨平台
Java：原生支持跨平台

最佳实践

1. 选择合适的库

根据应用场景选择合适的库组件
优先使用 .NET Core/5+ 中的现代 API
对于性能敏感的场景，选择更底层的 API

2. 性能优化

使用 async/await 处理 I/O 操作
合理使用缓存减少重复计算
选择合适的集合类型
避免不必要的装箱和拆箱
合理使用并行编程

3. 代码质量

遵循 .NET 设计规范
使用 using 语句管理资源
合理处理异常
编写单元测试
使用代码分析工具

4. 安全性

避免使用不安全的代码
注意输入验证
使用安全的加密算法
遵循最佳安全实践

总结

C# 标准库是一个功能强大、设计优雅的库集合，它为 C# 开发者提供了丰富的工具和功能，涵盖了从基础类型操作到高级网络编程的各个方面。

与 Java 标准库相比，C# 标准库在以下方面具有优势：

语法简洁性：如 var 类型推断、async/await 异步语法等
统一的 API 设计：如 DateTime 类的统一设计
强大的 LINQ：提供了更灵活的查询语法
现代的异步编程模型：async/await 语法更简洁易用
扩展方法：允许向现有类型添加方法

同时，Java 标准库在以下方面具有优势：

更成熟的生态系统：第三方库更丰富
更严格的类型系统：强制检查异常
更统一的集合框架：设计更一致
更好的跨平台支持：原生支持跨平台

无论是 C# 还是 Java，它们的标准库都是各自语言的重要组成部分，掌握它们的使用对于提高开发效率和代码质量至关重要。

C# 标准库详解

什么是 C# 标准库？

C# 标准库的组成

常用库的详细介绍

1. 基础类型库

常用类和方法

2. 集合库

常用集合类

3. IO 库

常用类

4. 网络库

常用类

5. 多线程库

常用类和方法

6. 反射库

常用类

7. 序列化库

常用类

8. 正则表达式库

常用类

9. LINQ（语言集成查询）

常用方法

C# 标准库与 Java 标准库的对比

1. 整体架构

2. 核心组件对比

2.1 基础类型

2.2 集合框架

2.3 IO 操作

2.4 网络编程

2.5 多线程

2.6 反射

2.7 序列化

2.8 其他功能

3. 语法和使用风格对比

3.1 语法风格

3.2 异常处理

3.3 泛型实现

3.4 内存管理

3.5 跨平台支持

最佳实践

1. 选择合适的库

2. 性能优化

3. 代码质量

4. 安全性

总结

参考资料