C# 4.0: полное руководство

Связь C# со средой .NET Framework

Несмотря на то что C# является самодостаточным языком программирования, у него имеется особая взаимосвязь со средой выполнения .NET Framework. Наличие такой взаимосвязи объясняется двумя причинами. Во-первых, C# первоначально предназначался для создания кода, который должен выполняться в среде .NET Framework. И во-вторых, используемые в C# библиотеки определены в среде .NET Framework. На практике это означает, что C# и .NET Framework тесно связаны друг с другом, хотя теоретически C# можно отделить от среды .NET Framework. В связи с этим очень важно иметь хотя бы самое общее представление о среде .NET Framework и ее значении для С#.

0 среде NET Framework

Назначение .NET Framework — служить средой для поддержки разработки и выполнения сильно распределенных компонентных приложений. Она обеспечивает совместное использование разных языков программирования, а также безопасность, переносимость программ и общую модель программирования для платформы Windows. Что же касается взаимосвязи с С#, то среда .NET Framework определяет два очень важных элемента. Первым из них является общеязыковая среда выполнения (Common Language Runtime — CLR). Это система, управляющая выполнением программ. Среди прочих преимуществ — CLR как составная часть среды .NET Framework поддерживает многоязыковое программирование, а также обеспечивает переносимость и безопасное выполнение программ.

Вторым элементом среды .NET Framework является библиотека классов. Эта библиотека предоставляет программе доступ к среде выполнения. Так, если требуется выполнить операцию ввода-вывода, например вывести что-нибудь на экран, то для этой цели используется библиотека классов .NET. Для тех, кто только начинает изучать программирование, понятие класса может оказаться незнакомым. Оно подробно разъясняется далее в этой книге, а пока достаточно сказать, что класс — это объектно-ориентированная конструкция, помогающая организовать программы. Если программа ограничивается средствами, определяемыми в библиотеке классов .NET, то такая программа может выполняться везде, где поддерживается среда выполнения .NET. А поскольку в C# библиотека классов .NET используется автоматически, то программы на C# заведомо оказываются переносимыми во все имеющиеся среды .NET Framework.

Принцип действия CLR

Среда CLR управляет выполнением кода .NET. Действует она по следующему принципу. Результатом компиляции программы на C# является не исполняемый код, а файл, содержащий особого рода псевдокод, называемый Microsoft Intermediate Language, MSIL (промежуточный язык Microsoft). Псевдокод MSIL определяет набор переносимых инструкций, не зависящих от конкретного процессора. По существу, MSIL определяет переносимый язык ассемблера. Следует, однако, иметь в виду, что, несмотря на кажущееся сходство псевдокода MSIL с байт-кодом Java, это все же разные понятия.

Назначение CLR — преобразовать промежуточный код в исполняемый код по ходу выполнения программы. Следовательно, всякая программа, скомпилированная в псевдокод MSIL, может быть выполнена в любой среде, где имеется реализация CLR. Именно таким образом отчасти достигается переносимость в среде .NET Framework.

Псевдокод MSIL преобразуется в исполняемый код с помощью ]1Т-компилятора. Сокращение JIT означает точно в срок и отражает оперативный характер данного компилятора. Процесс преобразования кода происходит следующим образом. При выполнении программы среда CLR активизирует JIT-компилятор, который преобразует псевдокод MSIL в собственный код системы по требованию для каждой части программы. Таким образом, программа на C# фактически выполняется как собственный код, несмотря на то, что первоначально она скомпилирована в псевдокод MSIL. Это означает, что такая программа выполняется так же быстро, как и в том случае, когда она исходно скомпилирована в собственный код, но в то же время она приобретает все преимущества переносимости псевдокода MSIL.

Помимо псевдокода MSIL, при компилировании программы на C# получаются также метаданные, которые служат для описания данных, используемых в программе, а также обеспечивают простое взаимодействие одного кода с другим. Метаданные содержатся в том же файле, что и псевдокод MSIL. 

Управляемый и неуправляемый код

Как правило, при написании программы на C# формируется так называемый управляемый код. Как пояснялось выше, такой код выполняется под управлением среды CLR, и поэтому на него накладываются определенные ограничения, хотя это и дает ряд преимуществ. Ограничения накладываются и удовлетворятся довольно просто: ком пи-лятор должен сформировать файл MSIL, предназначенный для выполнения в среде CLR, используя при этом библиотеку классов .NET, — и то и другое обеспечивается средствами С#. Ко многим преимуществам управляемого кода относятся, в частности, современные способы управления памятью, возможность программирования на разных языках, повышение безопасности, поддержка управления версиями и четкая организация взаимодействия программных компонентов.

В отличие от управляемого кода, неуправляемый код не выполняется в среде CLR. Следовательно, до появления среды .NET Framework во всех программах для Windows применялся неуправляемый код. Впрочем, управляемый и неуправляемый коды могут взаимодействовать друг с другом, а значит, формирование управляемого кода в C# совсем не означает, что на его возможность* взаимодействия с уже существующими программами накладываются какие-то ограничения.

Общеязыковая спецификация

Несмотря на все преимущества, которые среда CLR дает управляемому коду, для максимального удобства его использования вместе с программами, написанными на других языках, он должен подчинятся общеязыковой спецификации (Common Language Specification — CLS), которая определяет ряд общих свойств для разных .NET-совместимых языков. Соответствие CLS особенно важно при создании программных компонентов, предназначенных для применения в других языках. В CLS в качестве подмножества входит общая система типов (Common Type System — CTS), в которой определяются правила, касающиеся типов данных. И разумеется, в C# поддерживается как CLS, так и CTS.

ГЛАВА 2 Краткий обзор элементов C#

Наибольшие трудности в изучении языка программирования вызывает то обстоятельство, что ни один из его элементов не существует обособленно. Напротив, все элементы языка действуют совместно. Такая взаимосвязанность затрудняет рассмотрение одного аспекта C# безотносительно к другому. Поэтому для преодоления данного затруднения в этой главе дается краткий обзор нескольких средств языка С#, включая общую форму программы на С#, ряд основных управляющих и прочих операторов. Вместо того чтобы углубляться в детали, в этой главе основное внимание уделяется лишь самым общим принципам написания любой программы на С#. А большинство вопросов, затрагиваемых по ходу изложения материала этой главы, более подробно рассматриваются в остальных главах части I.

Объектно-ориентированное программирование

Основным понятием C# является объектно-ориентированное программирование (ООП). Методика ООП неотделима от С#, и поэтому все программы на C# являются объектно-ориентированными хотя бы в самой малой степени. В связи с этим очень важно и полезно усвоить основополагающие принципы ООП, прежде чем приступать к написанию самой простой программы на С#.

ООП представляет собой эффективный подход к программированию. Методики программирования претерпели существенные изменения с момента изобретения

компьютера, постепенно приспосабливаясь, главным образом, к повышению сложности программ. Когда, например, появились первые ЭВМ, программирование заключалось в ручном переключении на разные двоичные машинные команды с переднего пульта управления ЭВМ. Такой подход был вполне оправданным, поскольку программы состояли всего из нескольких сотен команд. Дальнейшее усложнение программ привело к разработке языка ассемблера, который давал программистам возможность работать с более сложными программами, используя символическое представление отдельных машинных команд. Постоянное усложнение программ вызвало потребность в разработке и внедрении в практику программирования таких языков высокого уровня, как, например, FORTRAN и COBOL, которые предоставляли программистам больше средств для того, чтобы как-то справиться с постоянно растущей сложностью программ. Но как только возможности этих первых языков программирования были полностью исчерпаны, появились разработки языков структурного программирования, в том числе и С.

На каждом этапе развития программирования появлялись методы и инструментальные средства для "обуздания" растущей сложности программ. И на каждом таком этапе новый подход вбирал в себя все самое лучшее из предыдущих, знаменуя собой прогресс в программировании. Это же можно сказать и об ООП. До ООП многие проекты достигали (а иногда и превышали) предел, за которым структурный подход к программированию оказывался уже неработоспособным. Поэтому для преодоления трудностей, связанных с усложнением программ, и возникла потребность в ООП.

ООП вобрало в себя все самые лучшие идеи структурного программирования, объединив их с рядом новых понятий. В итоге появился новый и лучший способ организации программ. В самом общем виде программа может быть организована одним из двух способов: вокруг кода (т.е. того, что фактически происходит) или же вокруг данных (т.е. того, что подвергается воздействию). Программы, созданные только методами структурного программирования, как правило, организованы вокруг кода. Такой подход можно рассматривать "как код, воздействующий на данные".

Совсем иначе работают объектно-ориентированные программы. Они организованы вокруг данных, исходя из главного принципа: "данные управляют доступом к коду". В объектно-ориентированном языке программирования определяются данные и код, которому разрешается воздействовать на эти данные. Следовательно, тип данных точно определяет операции, которые могут быть выполнены над данными.

Для поддержки принципов ООП все объектно-ориентированные языки программирования, в том числе и С#, должны обладать тремя общими свойствами: инкапсуляцией, полиморфизмом и наследованием. Рассмотрим каждое из этих свойств в отдельности.

Инкапсуляция

Инкапсуляция — это механизм программирования, объединяющий вместе код и данные, которыми он манипулирует, исключая как вмешательство извне, так и неправильное использование данных. В объектно-ориентированном языке данные и код могут быть объединены в совершенно автономный черный ящик. Внутри такого ящика находятся все необходимые данные и код. Когда код и данные связываются вместе подобным образом, создается объект. Иными словами, объект — это элемент, поддерживающий инкапсуляцию.

В объекте код, данные или же и то и другое могут быть закрытыми или же открытыми. Закрытые данные или код известны и доступны только остальной части объекта. Это означает, что закрытые данные или код недоступны части программы, находящейся за пределами объекта. Если же данные или код оказываются открытыми, то они доступны другим частям программы, хотя и определены внутри объекта. Как правило, открытые части объекта служат для организации управляемого интерфейса с закрытыми частями.

Основной единицей инкапсуляции в C# является класс, который определяет форму объекта. Он описывает данные, а также код, который будет ими оперировать. В C# описание класса служит для построения объектов, которые являются экземплярами класса. Следовательно, класс, по существу, представляет собой ряд схематических описаний способа построения объекта.

Код и данные, составляющие вместе класс, называют членами. Данные, определяемые классом, называют полями, или переменными экземпляра. А код, оперирующий данными, содержится в функциях-членах, самым типичным представителем которых является метод. В C# метод служит в качестве аналога подпрограммы. (К числу других функций-членов относятся свойства, события и конструкторы.) Таким образом, методы класса содержат код, воздействующий на поля, определяемые этим классом.

Полиморфизм

Полиморфизм, что по-гречески означает "множество форм", — это свойство, позволяющее одному интерфейсу получать доступ к общему классу действий. Простым примером полиморфизма может служить руль автомашины, который выполняет одни и те же функции своеобразного интерфейса независимо от вида применяемого механизма управления автомашиной. Это означает, что руль действует одинаково независимо от вида рулевого управления: прямого действия, с усилением или реечной передачей. Следовательно, при вращении руля влево автомашина всегда поворачивает влево, какой бы вид управления в ней ни применялся. Главное преимущество единообразного интерфейса заключается в том, что, зная, как обращаться с рулем, вы сумеете водить автомашину любого типа.

Тот же самый принцип может быть применен и в программировании. Рассмотрим для примера стек, т.е. область памяти, функционирующую по принципу "последним пришел — первым обслужен". Допустим, что в программе требуются три разных типа стеков: один — для целых значений, другой — для значений с плавающей точкой, третий — для символьных значений. В данном примере алгоритм, реализующий все эти стеки, остается неизменным, несмотря на то, что в них сохраняются разнотипные данные. В языке, не являющемся объектно-ориентированным, для этой цели пришлось бы создать три разных набора стековых подпрограмм с разными именами. Но благодаря полиморфизму для реализации всех трех типов стеков в C# достаточно создать лишь один общий набор подпрограмм. Зная, как пользоваться одним стеком, вы сумеете воспользоваться и остальными.

В более общем смысле понятие полиморфизма нередко выражается следующим образом: "один интерфейс — множество методов". Это означает, что для группы взаимосвязанных действий можно разработать общий интерфейс. Полиморфизм помогает упростить программу, позволяя использовать один и тот же интерфейс для описания общего класса действий. Выбрать конкретное действие (т.е. метод) в каждом отдельном случае — это задача компилятора. Программисту не нужно делать это самому. Ему достаточно запомнить и правильно использовать общий интерфейс.

Наследование

Наследование представляет собой процесс, в ходе которого один объект приобретает свойства другого объекта. Это очень важный процесс, поскольку он обеспечивает принцип иерархической классификации. Если вдуматься, то большая часть знаний поддается систематизации благодаря иерархической классификации по нисходящей. Например, сорт яблок "Джонатан" входит в общую классификацию сортов яблок, которые, в свою очередь, относятся к классу фруктов, а те — к еще более крупному классу пищевых продуктов. Это означает, что класс пищевых продуктов обладает рядом свойств (съедобности, питательности и т.д.), которые по логике вещей распространяются и на его подкласс фруктов. Помимо этих свойств, класс фруктов обладает своими собственными свойствами (сочностью, сладостью и т.д.), которыми он отличается от других пищевых продуктов. У класса яблок имеются свои характерные особенности (растут на деревьях, не в тропиках и т.д.). Таким образом, сорт яблок "Джонатан" наследует свойства всех предшествующих классов, обладая в то же время свойствами, присущими только этому сорту яблок, например красной окраской кожицы с желтым бочком и характерным ароматом и вкусом.

Если не пользоваться иерархиями, то для каждого объекта пришлось бы явно определять все его свойства. А если воспользоваться наследованием, то достаточно определить лишь те свойства, которые делают объект особенным в его классе. Он может также наследовать общие свойства своего родителя. Следовательно, благодаря механизму наследования один объект становится отдельным экземпляром более общего класса.

Первая простая программа

А теперь самое время перейти к примеру конкретной программы на С#. Для начала скомпилируем и выполним короткую программу.

/*

Это простая программа на С#.

Назовем ее Example.cs.

*/

using System;

class Example {

    // Любая программа на C# начинается с вызова метода Main().

  static void Main() {

    Console.WriteLine("Простая программа на С#.");

  }

}

Основной средой для разработки программ на C# служит Visual Studio корпорации Microsoft. Для компилирования примеров всех программ, приведенных для примера в этой книге, в том числе и тех, где используются новые средства C# 4.0, вам потребуется Visual Studio 2010 или же более поздняя версия, поддерживающая С#.

Создавать, компилировать и выполнять программы на С#, используя Visual Studio, можно двумя способами: пользуясь, во-первых, интегрированной средой разработки Visual Studio, а во-вторых, — компилятором командной строки csc.ехе. Далее описываются оба способа.

Применение компилятора командной строки csc.ехе

Для коммерческой разработки программ вам, скорее всего, придется пользоваться интегрированной средой Visual Studio, хотя для некоторых читателей более удобным может оказаться компилятор, работающий в режиме командной строки, особенно для компилирования и выполнения примеров программ, приведенных в этой книге. Объясняется это тем, что для работы над отдельной программой не нужно создавать целый проект. Для этого достаточно написать программу, а затем скомпилировать и выполнить ее, причем все это делается из командной строки. Таким образом, если вы умеете пользоваться окном Командная строка (Command Prompt) и его интерфейсом в Windows, то компилятор командной строки окажется для вас более простым и оперативным инструментальным средством, чем интегрированная среда разработки.

-----------------------------------------------

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ

Если вы не знаете, как пользоваться окном Командная строка, то вам лучше работать в интегрированной среде разработки Visual Studio. Ведь пытаться усвоить одновременно команды интерфейса Командная строка и элементы языка C# не так-то просто, несмотря на то, что запомнить эти команды совсем нетрудно.

-----------------------------------------------

Для написания и выполнения программ на C# с помощью компилятора командной строки выполните следующую несложную процедуру.

1. Введите исходный текст программы, используя текстовый редактор.

2. Скомпилируйте программу с помощью компилятора csc.ехе.

3. Выполните программу.

Ввод исходного текста программы

Исходный текст примеров программ, приведенных в этой книге, доступен для загрузки по адресу www.mhprofessional.com. Но при желании вы можете сами ввести исходный текст этих программ вручную. Для этого воспользуйтесь избранным текстовым редактором, например Notepad. Но не забывайте, что вы должны создать файлы, содержащие простой, а не отформатированный текст, поскольку информация форматирования текста, сохраняемая в файле для обработки текста, может помешать нормальной работе компилятора С#. Введя исходный текст программы, присвойте ее файлу имя Example.cs.

Компилирование программы

Для компилирования программы на C# запустите на выполнение компилятор csc.ехе, указав имя исходного файла в командной строке.

C:\>csc Example.cs

Компилятор csc создаст файл Example.ехе, содержащий версию MSIL данной программы. Несмотря на то что псевдокод MSIL не является исполняемым кодом, он содержится в исполняемом файле с расширением .ехе. Среда CLR автоматически вызывает JIT-компилятор при попытке выполнить файл Example.ехе. Следует, однако, иметь в виду, что если попытаться выполнить файл Example.ехе (или любой другой исполняемый файл, содержащий псевдокод MSIL) на том компьютере, где среда .NET Framework не установлена, то программа не будет выполнена, поскольку на этом компьютере отсутствует среда CLR.

-----------------------------------------------

ПРИМЕЧАНИЕ

Прежде чем запускать на выполнение компилятор csc. ехе, откройте окно Командная строка, Настроенное на VisualStudio. Для этого проще всего выбрать команду Visual Studios => Инструменты Visual Studio => Командная строка Visual Studio (Visual Studio => Visual Studio Tools => Visual Studio Command Prompt) из меню Пуск => Все программы (Start => AII Programs) на панели задач Windows. Кроме того, вы можете открыть ненастроенное окно Командная строка, а затем выполнить командный файл vsvars32.bat, входящий в состав Visual Studio.

-----------------------------------------------

Выполнение программы

Для выполнения программы введите ее имя в командной строке следующим образом.

С:\>Ехаmplе

В результате выполнения программы на экране появится такая строка.

Простая программа на С#.

Применение интегрированной среды разработки Visual Studio

Visual Studio представляет собой интегрированную среду разработки программ, созданную корпорацией Microsoft. Такая среда дает возможность править, компилировать, выполнять и отлаживать программы на С#, не покидая эту грамотно организованную среду. Visual Studio предоставляет не только все необходимые средства для работы с программами, но и помогает правильно организовать их. Она оказывается наиболее эффективной для работы над крупными проектами, хотя может быть с тем же успехом использована и для разработки небольших программ, например, тех, которые приведены в качестве примера в этой книге.

Ниже приведена краткая процедура правки, компилирования и выполнения программы на C# в интегрированной среде разработки Visual Studio 2010. При этом предполагается, что интегрированная среда разработки входит в состав пакета Visual Studio 2010 Professional. В других версиях Visual Studio возможны незначительные отличия.

1. Создайте новый (пустой) проект С#, выбрав команду Файл => Создать=> Проект (File => New => Project). Затем выберите элемент Windows из списка Установленные шаблоны (Installed Templates) и далее — шаблон Пустой проект (Empty Project), как показано на рисунке.

-----------------------------------------------

ПРИМЕЧАНИЕ