2.2 类型系统的特征
类型系统被分为强/弱、安全/不安全、静态/动态以及其他一些让人更不好懂的说法。
由于不同的人经常用不同的术语来指代差别不是太大的两种东西，所以很容易产生沟通障碍。
本节只适用于安全代码，如果只考虑安全代码，那么类型系统的各种特征会变得更容易描述和理解。
2.2.1 C#在类型系统世界中的位置
C# 1的类型系统是静态的、显式的和安全的
强类型存在多种不同的定义。
在某些强类型定义中，要求禁止任何形式的转换，不管是显式还是隐式转换，这明显会使C#失去资格。但在另一些定义中，却相当接近甚至等同于静态类型，这会使C#获得资格。
大多数文章和书籍都将C#描述成强类型的语言，但最终的意思实际都是指它是一种静态类型的语言。现在，让我们依次阐述上述结论中的每一个术语。
1. 静态类型和动态类型
C#是静态类型
每个变量都有一个特定的类型，而且该类型在编译时是已知的。只有该类型已知的操作才是允许的，这一点由编译器强制生效。
来看下面这个强制生效的例子：
Object o = "hello"; Console.WriteLine(o.Length);
o 的值是一个字符串，同时 string 类型有一个 Length 属性。但是编译器只把 o 看做 object 类型。
如果想访问 Length 属性，必须让编译器知道 o 的值实际是一个字符串：
Object o = "hello"; Console.WriteLine((string)o.Length);
接下来编译器会查找 System.String 的 Length 属性。以此来验证调用是否正确，生成适当的IL，并计算出整个表达式的类型。
表达式的编译时类型仍然为静态类型，因此我们可以说，“ o的静态类型为 System.Object ”。
假如C#是动态类型
动态类型的实质是变量中含有值，但那些值并不限于特定的类型，所以编译器不能执行相同形式的检查，而是试图采取一种合适的方式来理解引用值的给定表达式。
假定C# 1是动态类型的，就可以做下面的事情：
o = "hello"; Console.WriteLine(o.Length); o = new string[] {"hi", "there"}; Console.WriteLine(o.Length);
通过在执行时动态检查类型，最终会调用两个完全无关的 Length 属性—— String.Length和Array.Length 。
动态类型具有不同的级别
有的语言允许在你希望的任何地方指定类型，除了在赋值时指定。指定的类型可能仍被当作动态类型处理，但在其他地方仍然使用没有指定类型的变量。
尽管多次声明这是C# 1，但直到C# 3时它还是一门完全静态的语言。C# 4引入了动态类型，然而大多数C# 4应用程序中的大部分代码仍然是静态类型的。
2. 显式类型和隐式类型
显式类型和隐式类型的区别只有在静态类型的语言中才有意义。
对于显式类型来说，每个变量的类型都必须在声明中显式指明。隐式类型则允许编译器根据变量的用途来推断变量的类型，语言可以推断出变量的类型是用于初始赋值的那个表达式的类型。
假设一个语言，它用关键字 var 告诉编译器进行类型推断。表2-1左边一列的代码在C# 1中是不允许的，但是右边一列是等价的有效代码。
显示/隐式类型只能是静态类型
无论隐式类型还是显式类型，变量的类型在编译时都是已知的。即使在代码中没有显式地声明。在动态类型的情况下，变量根本没有一个类型可供声明或推断。
3. 类型安全与类型不安全
有的语言允许做一些非常“不正当”的事情。但在合适的时候，其功能可能会很强大。
但是所谓“合适的时候”实际很少能够遇到。如使用不当，反而极有可能“搬起石头砸自己的脚”。滥用类型系统就属于这种情况。
使用一些非正当的方法，可以使语言将一种类型的值当作另一种完全不同的类型的值，同时不必进行任何转换。
C#编译器和CLR都会检查类型安全
在完全无关的结构（struct）之间进行强制类型转换，很容易造成严重的后果。C#中虽然可以进行大量转换，但不能说一种类型的数据是全然不同的另一种类型的数据。
可以试着添加一个强制类型转换，为编译器提供这种额外的（和不正确的）信息。但是假如编译器发现这种转换实际是不可能的，就会触发一个编译时错误。如果理论上允许，但在执行时发现不正确，CLR也会抛出一个异常。
2.2.2 C# 1 的类型系统何时不够用
在两种常见的情况下，你可能想向方法的调用者揭示更多的信息，或者想强迫调用者对它们在参数值中提供的内容进行限制。
第一种情况涉及集合，第二种情况涉及继承和覆盖方法或实现接口。我们将依次进行讨论。
1. 集合，强和弱
.NET 1.1内建了以下3种集合类型：
①数组——强类型——内建到语言和运行时中。
②System.Collections 命名空间中的弱类型集合。
③System.Collections.Specialized 命名空间中的强类型集合。
数组是强类型的，所以在编译时不可能将 string[] 的一个元素设置成一个 FileStream 。
协变
如果引用类型的数组支持协变，只要元素的类型之间允许这样的转换，就能隐式将一种数组类型转换成另一种类型。执行时会进行检查，以确保类型有误的引用不会被存储下来，如代码清单2-3所示。
//应用协变式转换 string[] strings = new string[5]; object[] objects=strings; //试图存储一个按钮引用 objects[0] = new Button();
运行代码清单2-3，会抛出一个 ArrayTypeMismatchException 异常 。这是由于从string[] 转换成 object[] 会返回原始引用，无论 strings 还是 objects 都引用同一个数组。
数组本身“知道”它是一个字符串数组，所以会拒绝存储对非字符串的引用。数组协变有时会派上用场，但代价是一些类型安全性在执行时才能实现，而不能在编译时实现。
弱类型的集合
写一个 ArrayList 方法时，没有办法保证在编译时调用者会传入一个字符串列表。
虽然只要将列表的每个元素都强制转换为string ，运行时的类型安全性就会帮你强制使这个限制生效。但是，这样不会获得编译时的类型安全性。
同样，如果返回一个 ArrayList ，可以让他它只包含字符串。但是调用者必须相信你说的是实话，而且在访问列表元素时必须插入强制类型转换。
强类型的集合
如 StringCollection ，这些集合提供了一个强类型的API。所以，如果接受一个 StringCollection 作为参数或返回值，可以肯定它只包含 string 。另外，在取回集合的元素时，不需要进行强制类型转换。
这听起来似乎很理想，但有两个问题。
①它实现了 IList ，所以仍然可以为它添加非字符串（的对象），虽然运行时会失败。
②它只能处理字符串。还有一些专门的集合，但它们包括的范围不是很大。
例如，CollectionBase 类型，可以用它构建你自己的强类型集合，但那意味着要为每种元素类型都创建一个新集合，所以同样不理想。
接着看看覆盖方法和实现接口时发生的问题，它们和协变的概念有关。
2. 缺乏协变的返回类型
ICloneable 是框架中最简单的接口之一。它只有一个 Clone 方法，该方法返回调用方法的那个对象的一个副本。先看看 Clone 方法的签名：
object Clone()
这意味着它需要返回同类型的一个对象，或至少兼容类型的一个对象，具体含义要取决于类型。
返回类型的协变性
用一个覆盖方法的签名更准确地描述该方法实际的返回值，应该讲得通。比如在 Person类中，像下面这样实现 ICloneable 接口：
public Person Clone()
这应该破坏不了任何东西，代码期待的旧的对象仍然能够正常工作。这个特性称为返回类型的协变性。
但接口实现和方法覆盖不支持这一特性，正常的解决方法是使用显式接口实现来获得预期的效果。
public Person Clone() { [Implementation goes here] } object IColoneable.Clone()//显式实现接口 { return Clone();//调用非接口方法 }
这样一来，任何代码为一个表达式调用 Clone() 时，如果编译器知道这个表达式的类型是Person ，就会调用上面的方法，如果表达式的类型只是 ICloneable ，就会调用下面的方法。这虽然可行，但真的太别扭了。
参数的逆变性
假定一个接口方法或一个虚方法，其签名是 void Process(string x) ，那么在实现或者覆盖这个方法时，使用一个放宽了限制的签名应该是合乎逻辑的，如 void Process(object x) 。
这称为参数类型的逆变性。和返回类型的协变性一样，参数类型的逆变性也是不支持的。
对于接口，解决方案是一样的，同样都是进行显式接口实现。对于虚方法，解决方案则是进行普通的方法重载。虽然不是什么大问题，却着实烦人。
当然，C# 1的开发者被这些问题折磨了很长时间，Java开发者的情况类似，而且他们被折磨了更长时间。
虽然编译时的类型安全性总的来说是非常出色的一个特性，但许多bug实际上是由于在集合中放置了错误类型的元素造成的。
C# 2在这方面也不是完美的，但它确实有了相当大的改进。C# 4的改进更大，但还是不包括返回类型协变和参数逆变。
2.2.3 类型系统特征总结
本节描述了不同类型系统的一些差异，并具体描述了C# 1的特征：
①C# 1是静态类型的——编译器知道你能使用哪些成员；
②C# 1是显式的——必须告诉编译器变量具有什么类型；
③C# 1是安全的——除非存在真实的转换关系，否则不能将一种类型当做另一种类型；
④静态类型仍然不允许一个集合成为强类型的“字符串列表”或者“整数列表”，除非针对不同的元素使用大量的重复代码；
⑤方法覆盖和接口实现不允许协变性/逆变性。
下一节暂停讨论C#类型系统的高级特征。相反，让我们讨论一下最基本的概念：结构和类的差异。