C# 嵌套类 (Nested Classes) 使用指南

嵌套类（Nested Class）是在另一个类内部声明的类。在 C# 中，嵌套类与外部类的关系主要是访问控制的关系，而不是对象实例的关系。

C# 与 Java 的区别： 在 C# 中，嵌套类默认不会自动持有外部类实例的引用（类似于 Java 的 static inner class）。如果需要访问外部类的非静态成员，必须显式传递外部类的实例。

嵌套类的核心使用原则是：高内聚，低耦合。当一个类仅仅服务于另一个类时，嵌套是最好的选择。

当子对象离开父对象就没有独立存在的意义，或者其定义仅在父对象上下文中有效时。

public class Person
{
    public string Name { get; }
    public Address HomeAddress { get; }
 
    public Person(string name, Address homeAddress)
    {
        Name = name;
        HomeAddress = homeAddress;
    }
 
    // 嵌套类：Address 被视为 Person 的一部分
    public class Address 
    {
        public string City { get; }
        public string Street { get; }
 
        public Address(string city, string street)
        {
            City = city;
            Street = street;
        }
    }
}

核心原理：

• 封装性：将 `Address` 定义在 `Person` 内部，表明了它是 `Person` 的附属信息。
• 命名空间整洁：避免了全局命名空间中出现大量零散的小类（如 `PersonAddress`）。

这是嵌套类最经典的使用场景。Builder（构建者）或 Iterator（迭代器）通常需要访问外部类的私有构造函数或私有数据。

public class User
{
    public string Name { get; }
    public int Age { get; }
 
    // 私有构造函数：强制外部必须通过 Builder 来创建实例
    private User(string name, int age)
    {
        Name = name;
        Age = age;
    }
 
    public class Builder
    {
        private string _name;
        private int _age;
 
        public Builder SetName(string name)
        {
            _name = name;
            return this; // 链式调用
        }
 
        public Builder SetAge(int age)
        {
            _age = age;
            return this;
        }
 
        public User Build()
        {
            // 嵌套类可以访问外部类的 private 构造函数
            return new User(_name, _age);
        }
    }
}

核心原理：

• 访问权限：嵌套类拥有访问外部类 `private` 成员的特权。
• 单一职责：`Builder` 的唯一职责就是构建 `User`，放在外部没有意义。

当一个辅助类需要操作主类的内部状态（私有字段），但又不想把这些字段公开（public）给全世界时。

public class Machine
{
    private int _state = 0; // 私有状态
 
    public class Handler
    {
        private readonly Machine _machine;
 
        // C# 嵌套类不自动持有外部引用，需要手动传入
        public Handler(Machine machine)
        {
            _machine = machine;
        }
 
        public void Increase()
        {
            // 关键点：可以直接访问外部类的 private 字段 _state
            _machine._state++;
        }
    }
}

核心原理：

• 白盒操作：`Handler` 是 `Machine` 的“自己人”，可以安全地操作内部数据，而无需破坏 `Machine` 的封装性（即不需要把 `_state` 设为 public）。

滥用嵌套类会导致代码难以阅读、难以测试，甚至引发内存问题。

如果一个类不仅被外部类使用，还被其他模块使用，它就不应该被嵌套。

public class Order
{
    // 错误示范：MathUtils 是通用工具，不属于 Order 独有
    public class MathUtils  
    {
        public static int Add(int a, int b) => a + b;
    }
}

后果：其他类如果要用这个工具，必须写成 `Order.MathUtils.Add(…)`，这不仅啰嗦，而且让人困惑：为什么做加法运算需要依赖 `Order` 类？

如果嵌套类的实例生命周期比外部类长，且嵌套类持有了外部类的引用，会导致外部类无法被垃圾回收（GC）。

public class Controller
{
    // 假设这是一个很大的对象，占用大量内存
    private byte[] _largeData = new byte[1024 * 1024]; 
 
    public class BackgroundWorker 
    {
        public Controller Parent { get; set; }
 
        public void Run() {
            // 模拟长时间运行的任务
            while(true) { /* ... */ }
        }
    }
}

核心原理：

• 如果 `BackgroundWorker` 被单独传递给一个线程池运行，而它又引用了 `Controller`，那么只要任务没结束，巨大的 `Controller` 对象就永远无法释放。
• 建议：对于长期运行的后台任务，尽量使用独立的类，或者确保不持有外部类的强引用（使用 `WeakReference`）。

public class A
{
    public class B
    {
        public class C
        {
            public class D { } // A.B.C.D
        }
    }
}

核心原理：

• 可读性灾难：这种代码被称为“俄罗斯套娃”代码，极难阅读和维护。
• 重构困难：如果将来要把 `D` 移出来，所有引用它的代码都需要修改。

仅仅为了“整理代码”而把不相关的类塞进去是不对的。

public class Company
{
    // 错误示范：Logger 是通用的基础设施，不是 Company 的业务组成
    public class Logger  
    {
        public void Log(string message) => Console.WriteLine(message);
    }
}

核心原理：

• 单一职责原则 (SRP)：`Company` 应该只负责公司的业务逻辑，不应该负责定义日志工具。`Logger` 应该是一个独立的类或接口。