C# 類別與物件深度解析：從語法到設計模式

前言

類別是 C# 面向對象程式設計的基石。本文系統梳理類別宣告、成員分類、存取修飾詞、繼承、多型、建構子/解構子、屬性/索引器/事件/運算子等核心概念，並以實務設計原則（SOLID、封裝、組合優於繼承）穿插說明，幫助你寫出可維護、可擴充的程式碼。

一、類別宣告與基本結構

[attributes] [modifiers] class Identifier [: base-class, interfaces]
{
    // 成員宣告
}

• modifiers：public、internal、abstract、sealed、static、partial。
• base-class：單一繼承，預設為 object。
• interfaces：多重實作，以逗號分隔。

二、成員完整分類表

三、存取修飾詞與可見性

原則：預設 private，需要時再放寬。欄位永遠 private readonly，對外暴露屬性。

四、繼承與多型

基礎語法

public class Point { public int X, Y; public Point(int x, int y) { X=x; Y=y; } }
public class Point3D : Point { public int Z; public Point3D(int x,int y,int z):base(x,y){ Z=z; } }

• 衍生類別隱式包含基底類別所有非建構子成員。
• Point p = new Point3D(1,2,3); 隱含向上轉型。
• virtual / override / abstract / sealed 控制多型行為。

抽象類別與介面選擇指南

現代 C# 傾向：介面定義契約，抽象類別提供共用實作（如 abstract class RepositoryBase : IRepository）。

五、欄位、常數、唯讀

public class Color
{
    public static readonly Color Red = new Color(255,0,0); // 靜態唯讀，執行期初始化
    public const string ColorSpace = "sRGB";                // 編譯期常值
    private readonly byte _r, _g, _b;                       // 實例唯讀，建構子賦值
    public Color(byte r, byte g, byte b) { _r=r; _g=g; _b=b; }
}

• const：隱含 static，值編譯期嵌入呼叫端 IL，修改需重新編譯所有參考組件。
• readonly：執行期初始化，支援建構子邏輯，二進位相容性佳。

六、方法進階

參數傳遞模式

方法多載解析優先序

1. 確切匹配 (含隱含轉換)
2. 隱含數值轉換 (int→long→float→double)
3. params 擴展
4. 使用者定義隱含轉換

避免模稜兩可的多載（如 F(object) vs F(int)），必要時用強制轉型 F((object)1) 指定。

七、屬性、索引器、事件、運算子

屬性模式

// 傳統
private int _age;
public int Age { get => _age; set => _age = value >= 0 ? value : throw new ArgumentException(); }

// C# 6+ 自動實作 + 初始化
public int Age { get; set; } = 18;

// C# 9+ init-only (不可變物件)
public int Age { get; init; }

// 唯讀自動實作 (C# 6+)
public int Id { get; } = Guid.NewGuid().GetHashCode();

索引器

public class BitArray
{
    private readonly uint[] _bits;
    public bool this[int index]
    {
        get => (_bits[index >> 5] & (1u << (index & 31))) != 0;
        set
        {
            if (value) _bits[index >> 5] |= 1u << (index & 31);
            else _bits[index >> 5] &= ~(1u << (index & 31));
        }
    }
}

事件標準模式

public class Timer
{
    public event EventHandler Elapsed;
    protected virtual void OnElapsed(ElapsedEventArgs e) => Elapsed?.Invoke(this, e);
}
// 訂閱
timer.Elapsed += (s, e) => Console.WriteLine(e.SignalTime);

運算子多載

public struct Money
{
    public decimal Amount { get; }
    public string Currency { get; }
    public static Money operator +(Money a, Money b)
    {
        if (a.Currency != b.Currency) throw new InvalidOperationException();
        return new Money(a.Amount + b.Amount, a.Currency);
    }
    public static bool operator ==(Money a, Money b) => a.Amount == b.Amount && a.Currency == b.Currency;
    public static bool operator !=(Money a, Money b) => !(a == b);
    // 必須成對多載 == !=、< >、<= >=
}

八、建構子與解構子

實例建構子

• 可多載、鏈結呼叫 this(...)、呼叫基底 base(...)。
• 無參數建構子若未顯式宣告，編譯器產生預設公用無參建構子（結構除外）。
• static 建構子：型別初始化器，執行緒安全、僅執行一次，適合靜態欄位複雜初始化。

解構子 / Finalizer

~MyClass() { /* 釋放非託管資源 */ }
// 等價於
protected override void Finalize() { try { /*...*/ } finally { base.Finalize(); } }

• 非決定性，由 GC 執行緒呼叫，順序不可預期。
• 實作 IDisposable + Dispose() 模式（含 GC.SuppressFinalize(this)）為釋放資源正規做法。

九、實務設計原則速查

1. 單一職責 (SRP)：一個類別只負責一件事。
2. 開放封閉 (OCP)：對擴充開放，對修改關閉（介面 + 策略模式）。
3. 里氏替換 (LSP)：衍生類別必須能替換基底類別不破壞行為。
4. 介面隔離 (ISP)：介面要小而精，避免胖介面。
5. 依賴反轉 (DIP)：高層模組依賴抽象，不依賴具體實作 (DI 容器)。
6. 組合優於繼承：class Car { IEngine Engine; } 而非 class Car : Engine。
7. 不可變性：readonly、init、record (C# 9+) 減少狀態 Bug。
8. 封裝欄位：永遠 private，對外用屬性/方法。

十、C# 9+ Record 型別：不可變資料的新選擇

// 位置語法
public record Person(string Name, int Age, Address Address);
// 等價於：不可變、value-based Equals/GetHashCode、with-expression、deconstruction

var p1 = new Person("Alice", 30, new Address("Taipei"));
var p2 = p1 with { Age = 31 }; // 複製並修改
Console.WriteLine(p1 == p2);   // False (值比較)

資料傳輸物件 (DTO)、實體、值物件首選 record / record struct；行為豐富的領域模型仍用 class。

總結

精通類別與物件機制，不只是記語法，更要內化「封裝變化、依賴抽象、組合復用」的設計思維。善用 readonly/init/record 推進不可變風格，配合介面導向程式設計，即能構建經得起需求變更的高品質 C# 代碼庫。