const、readonly和static

《叩开C#之门》系列之五

五、const、readonly和static

在第四节中，我介绍了常量的定义，其关键字就是const。在定义常量时，必须赋予其初始值。一旦赋予了初始值后，就不能修改其值。也就是所谓的常量值不能更改的含义。由于C#是一门纯粹的面向对象语言，并不存在一个常量或者变量游离于对象之外，因此，这些定义，必然都是在一个类型内完成的。

关于常量的使用，除了会用作一些算法的临时常量值以外，最重要的是定义一些全局的常量，被其他对象直接调用。而集中这些常量最好的类型是struct（结构）。关于struct我会在后面的章节详细讲解，在这里仅举一例说明常量的这种运用。例如，我们需要在.Net下使用FTP，那么一些特定的FTP代码就可以通过这种方式完成定义，如下所示：
public struct FtpCode
{
 public const string ConnectOk = "220";
 public const string RequiredPassword = "331";
 public const string LoginOk = "230";
 public const string PasvOk = "227";
 public const string CwdOk = "250";
 public const string PwdOk = "257";
 public const string TransferOk = "226";
 public const string ListOk = "150";
 public const string PortOK = "200";
 public const string NoFile = "550";
}

要使用这些常量，可以直接调用，例如FtpCode.ConnectOk。如果结构FtpCode仅用于本程序集内部，也可以把结构类型和内部的常量设置为internal。采用这种方式有三个好处：
1、集中管理全局常量，便于调用；
2、便于修改，一旦Ftp的特定代码发生变化，仅需要修改FtpCode中的常量值即可，其余代码均不受影响；
3、便于扩展。要增加新的Ftp代码，可以直接修改结构FtpCode，其余代码不受影响。

虽然说变量的值可以修改，但我们也可以定义只读的变量，方法就是在定义的时候加上关键字readonly。如下定义：
public readonly int number = 20;

变量number的值此时是只读的，不能再对其进行重新赋值的操作。在定义只读变量的时候，建议必须为变量赋予初值。如果不赋予初值，.Net会给与警告，同时根据其类型不同，赋予不同的初值。例如int类型赋初值为0，string类型赋初值为null。由于定义的只读变量其值不可修改，因此不赋初值的只读变量定义，没有任何意义，反而容易造成空引用对象的异常。

static的意义与const和readonly迥然不同。const仅用于常量定义，readonly仅用于变量定义，而static则和常量、变量无关，它是指所定义的值与类型有关，而与对象的状态无关。

前面我已介绍，所谓“对象”，可以称为一个类型的实例，以class类型为例，当定义了一个类类型之后，要创建该类型的对象，必须进行实例化，方可以调用其属性或者方法。例如User类型的Name、Password属性，SignIn和SignOut方法，就都是与对象相关的，要调用这些属性和方法，只能通过实例化对象来调用，如下所示：
User user = new User();
user.Name = "bruce zhang";
user.Password = "password";
user.SignIn();
user.SignOut();

然而，我们在定义类的成员时，也可以利用static关键字，定义一些与对象状态无关的类成员，例如下面的代码：
public class LogManager
{
 public static void Logging(string logFile,string log)
 {
  using (StreamWriter logWriter = new StreamWriter(logFile,true))
  {
   logWriter.WriteLine(log);
  }
 }
}
方法Logging为static方法（静态方法），它们与类LogManager的对象状态是无关的，因此调用这个方法时，并不需要创建LogManager的实例：
LogManager.Logging ("log.txt","test.");

所谓“与对象状态无关”，还需要从实例化谈起。在对一个类类型进行实例化操作的时候，实际上就是在内存中分配一段空间，用以创建该对象，并储存对象的一些值，如Name和Password等。对同一个类类型，如果没有特殊的限制，是可以同时创建多个对象的，这些对象被分配到不同的内存空间中，它们的类型虽然一样，却具有不同的对象状态，如内存地址、对象名、以及对象中各个成员的值等等。例如，我们可以同时创建两个User对象：
User user1 = new User();
User user2 = new User();

由于Name和Password属性是和对象紧密相关的，方法SignIn和SignOut的实现也调用了内部的Name和Password属性值，因此也和对象紧密相关，所以这些成员就不能被定义为静态成员。试想一下，如果把Name和Password属性均设置为静态属性，则设置其值时，只能采用如下形式：
User.Name = "bruce zhang";
User.Password = "password";

显然，此时设置的Name和Password就与实例user无关，也就是说无论创建了多少个User实例，Name和Password都不属于这些实例，这显然和User类的意义相悖。对于方法SignIn和SignOut，也是同样的道理。当然我们也可以更改方法的定义，使得该方法可以被定义为static，如下所示：
public class User
{
 public static void SignIn(string userName, string password)
 {
  //代码略
}
 public static void SignOut(string userName, string password)
 {
  //代码略
}
}

由于SignIn和SignOut方法需要调用的Name和Password值改为从方法参数中传入，此时这两个方法就与对象的状态没有任何关系。定义好的静态方法的调用方式略有不同：
User user = new User();
user.Name = "bruce zhang";
user.Password = "password";
User.SignIn(user.Name, user.Password);
User.SignIn(user.Name, user.Password);

两相比较，这样的修改反而导致了使用的不方便。因此，当一个方法与对象的状态有较紧密的联系时，最好不要定义为静态方法。

那么为什么在LogManager类中，我将Logging方法均定义为静态方法呢？这是因为该方法与对象状态没有太大的关系，如果将方法的参数logFile和log定义为LogManager类的属性，从实际运用上也不合理，同时也会导致使用的不方便。最重要的是，一旦要调用非静态方法，不可避免的就需要创建实例对象。这会导致不必要的内存空间浪费。毕竟LogManager类型对于调用者而言，仅在于其Logging方法，而和对象的状态没有太大的关系，因此并不需要为调用这个方法专门去创建一个实例。这一点是和User类型是完全不同的。

在一个类类型的定义中，既可以允许静态成员，也可以允许非静态成员。然而在一个静态方法中，是不允许直接调用同一类型的非静态方法的，如下所示：
public class Test
{
 private void Foo1()
 {
  //代码略；
 }
 public static void Foo2()
 {
  Foo1();  //错误；
 }
 public void Foo3()
 {
  Foo1();  //正确;
 }
}

在静态方法Foo2中，直接调用了同一类型Test下的私有非静态方法Foo1，将会发生错误；而非静态方法Foo3对Foo1的调用则正确。如要在静态方法Foo2中正确调用Foo1方法，必须创建Test类的实例，通过它来调用Foo1方法，修改如下：
 public static void Foo2()
 {
  Test test = new Test();
  testFoo1();  //正确；
 }

在Foo2方法中，创建了Test的实例，通过实例对象test来调用Foo1方法。需要注意的是虽然Foo1方法是private方法，但由于Foo2方法本身就在Test对象中，所以此时的私有方法Foo1是可以被调用的，因为对象的封装仅针对外部的调用者而言，对于类型内部，即使是private，也是可以被调用的。
 
对于类型的静态属性成员而言，具有和静态方法一样的限制。毕竟，从根本上说，类型的属性，其实就是两个get和set方法。

如果在类中定义了static的字段，有两种方式对其初始化。一是在定义时初始化字段，或者是在类型的构造器中为这些静态字段赋予初始值。例如：
class ExplicitConstructor
{
private static string message;
public ExplicitConstructor()
   {
message = "Hello World";
   }
   public static string Message
   {
     get { return message; }
   }  
}
class ImplicitConstructor
{
private static string message = "Hello World"; 
public static string Message
   {
     get { return message; }
   } 
}

在类ExplicitConstructor中，是利用构造器为静态字段message初始化值，而在类ImplicitConstructor中，则是直接在定义时初始化message静态字段。虽然这两种方式均可达至初始化的目的，但后者在性能上有明显的优势（有兴趣者，可以阅读我博客上的一篇文章http://wayfarer.cnblogs.com/archive/2004/12/20/78817.html）。因此，我建议当需要初始化静态字段时，应直接初始化。

如果对于静态字段未设置值，.Net会给出警告，并根据类型的不同赋予不同的初始值。此外，static还可以和readonly结合起来使用，定义一个只读的静态变量。但是static不能应用到常量的定义中。

在C# 1.x中，static并不能用来修饰类类型，也就是说，我们不能定义一个静态类。然而对于一个类类型，如果其成员均为静态成员，则此时实例化该类是没有意义的。此时，我们常常将构造器设置为private，同时将其类设置为sealed（sealed表明该类不可继承，关于sealed会在后面介绍）。这样就可以避免对类的实例化操作，如前面定义的LogManager，即可以修改定义：
public sealed class LogManager
{
 private LogManager()
 {}
 public static void Logging(string logFile,string log)
 {
  using (StreamWriter logWriter = new StreamWriter(logFile,true))
  {
   logWriter.WriteLine(log);
  }
 }
}

C# 2.0支持静态类的定义，方法是在类前面加上static关键字，如：
public static class LogManager{}

由于静态类不支持实例化操作，因此在静态类的定义中，不允许再添加sealed或abstract关键字，也不允许继承某个类或被某个类继承，而类的成员中，也只能是静态成员，且不能定义构造器。由于不存在类的继承关系，因此，静态类成员中，也不允许有protected或protected internal作为访问限制修饰符。