программирование. Руководство su P# a n Reference в herbert schildt полное руководство с 0 герберт шилдт
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
Глава 1 Создание C# О является основным языком разработки программ на платформе .NET корпорации Microsoft. В нем удачно сочетаются испытанные средства программирования с самыми последними новшествами и предоставляется возможность для эффективного и очень практичного написания программ, предназначенных для вычислительной среды современных предприятий. Это, без сомнения, один из самых важных языков программирования XXI века. Назначение этой главы – представить C# в его историческом контексте, упомянув и те движущие силы, которые способствовали его созданию, выработке его конструктивных особенностей и определили его влияние на другие языки программирования. Кроме того, в этой главе поясняется взаимосвязь C# со средой .NET Framework. Как станет ясно из дальнейшего материала, C# и .NET Framework совместно образуют весьма изящную среду программирования. Генеалогическое дерево C# Языки программирования не существуют в пустоте. Напротив, они тесно связаны друг с другом таким образом, что на каждый новый язык оказывают в той или иной форме влияние его предшественники. Этот процесс сродни перекрестному опылению, в ходе которого свойства одного языка приспосабливаются к другому языку, полезные нововведения внедряются в существующий контекст, а устаревшие конструкции удаляются. Таким путем развиваются языки программирования и совершенствуется искусство программирования. И в этом отношении C# не является исключением. У языка программирования C# "богатое наследство". Он является прямым наследником двух самых удачных языков программирования: С и C++. Он также имеет тесные родственные связи с еще одним языком: Java. Ясное представление об этих взаимосвязях имеет решающее значение для понимания С#. Поэтому сначала определим, какое место занимает C# среди этих трех языков. Язык С ‑ начало современной эпохи программирования Создание С знаменует собой начало современной эпохи программирования. Язык С был разработан Деннисом Ритчи (Dennis Ritchie) в 1970‑е годы для программирования на мини‑ЭВМ DEC PDP‑11 под управлением операционной систему Unix. Несмотря на то что в ряде предшествовавших языков, в особенности Pascal, был достигнут значительный прогресс, именно С установил тот образец, которому до сих пор следуют в программировании. Язык С появился в результате революции в структурном программировании в 1960‑е годы. До появления структурного программирования писать большие программы было трудно, поскольку логика программы постепенно вырождалась в так называемый "макаронный" код – запутанный клубок безусловных переходов, вызовов и возвратов, которые трудно отследить. В структурированных языках программирования этот недостаток устранялся путем ввода строго определенных управляющих операторов, подпрограмм с локальными переменными и других усовершенствований. Благодаря применению методов структурного программирования сами программы стали более организованными, надежными и управляемыми. И хотя в то время существовали и другие структурированные языки программирования, именно в С впервые удалось добиться удачного сочетания эффективности, изящества и выразительности. Благодаря своему краткому, но простому синтаксису в сочетании с принципом, ставившим во главу угла программиста, а не сам язык, С быстро завоевал многих сторонников. Сейчас уже нелегко представить себе, что С оказался своего рода "струей свежего воздуха", которого так не хватало программистам. В итоге С стал самым распространенным языком структурного программирования в 1980‑е годы. Но даже у такого достойного языка, как С, имелись свои ограничения. К числу самых труднопреодолимых его ограничений относится неспособность справиться с большими программами. Как только проект достигает определенного масштаба, язык С тут же ставит предел, затрудняющий понимание и сопровождение программ при их последующем разрастании. Конкретный предел зависит от самой программы, программиста и применяемых инструментальных средств, тем не менее, всегда существует "порог", за которым программа на С становится неуправляемой. Появление ООП и C++ К концу 1970‑х годов масштабы многих проектов приблизились к пределам, с которыми уже не могли справиться методики структурного программирования вообще и язык С в частности. Для решения этой проблемы было открыто новое направление в программировании – так называемое объектно‑ориентированное программирование (ООП). Применяя метод ООП, программист мог работать с более "крупными" программами. Но главная трудность заключалась в том, что С, самый распространенный в то время язык, не поддерживал ООП. Стремление к созданию объектно‑ориентированного варианта С в конечном итоге привело к появлению C++. Язык C++ был разработан в 1979 году Бьярне Страуструпом (Bjarne Stroustrup), ра‑бртавшим в компании Bell Laboratories, базировавшейся в Мюррей‑Хилл, шт. Нью‑Джерси. Первоначально новый язык назывался "С с классами", но в 1983 году он был переименован в C++. Язык С полностью входит в состав C++, а следовательно, С служит основанием, на котором зиждется C++. Большая часть дополнений, введенных Страуструпом, обеспечивала плавный переход к ООП. И вместо того чтобы изучать совершенно новый язык, программирующему на С требовалось лишь освоить ряд новых свойств, чтобы воспользоваться преимуществами методики ООП. В течение 1980‑х годов C++ все еще оставался в тени, интенсивно развиваясь, но к началу 1990‑х годов, когда он уже был готов для широкого применения, его популярность в области программирования заметно возросла. К концу 1990‑х годов он стал наиболее широко распространенным языком программирования и в настоящее время по‑прежнему обладает неоспоримыми преимуществами языка разработки высокопроизводительных программ системного уровня. Важно понимать, что разработка C++ не была попыткой создать совершенно новый язык программирования. Напротив, это была попытка усовершенствовать уже существовавший довольно удачный язык. Такой подход к разработке языков программирования, основанный на уже существующем языке и совершенствующий его далее, превратился в упрочившуюся тенденцию, которая продолжается до сих пор. Появление Интернета и Java Следующим важным шагом в развитии языков программирования стала разработка Java. Работа над языком Java, который первоначально назывался Oak (Дуб), началась в 1991 году в компании Sun Microsystems. Главной "движущей силой" в разработке Java был Джеймс Гослинг (James Gosling), но не малая роль в работе над этим языком принадлежит также Патрику Ноутону (Patrick Naughton), Крису Уорту (Chris Warth), Эду Фрэнку (Ed Frank) и Майку Шеридану (Mike Sheridan). Java представляет собой структурированный, объектно‑ориентированный язык с синтаксисом и конструктивными особенностями, унаследованными от C++. Нововведения в Java возникли не столько в результате прогресса в искусстве программирования, хотя некоторые успехи в данной области все же были, сколько вследствие перемен в вычислительной среде. До появления на широкой арене Интернета большинство программ писалось, компилировалось и предназначалось для конкретного процессора и операционной системы. Как известно, программисты всегда стремились повторно использовать свой код, но, несмотря на это, легкой переносимости программ из одной среды в другую уделялось меньше внимания, чем более насущным задачам. Тем не менее с появлением Интернета, когда в глобальную сеть связывались разнотипные процессоры и операционные системы, застаревшая проблема переносимости программ вновь возникла с неожиданной остротой. Для решения проблемы переносимости потребовался новый язык, и им стал Java. Самым важным свойством (и причиной быстрого признания) Java является способность создавать межплатформенный, переносимый код, тем не менее, интересно отметить, что первоначальным толчком для разработки Java послужил не Интернет, а потребность в независящем от платформы языке, на котором можно было бы разрабатывать программы для встраиваемых контроллеров. В 1993 году стало очевидно, что вопросы межплатформенной переносимости, возникавшие при создании кода для встраиваемых контроллеров, стали актуальными и при попытке написать код для Интернета. Напомним, что Интернет – это глобальная распределенная вычислительная среда, в которой работают и мирно "сосуществуют" разнотипные компьютеры. И в итоге оказалось, что теми же самыми методами, которыми решалась проблема переносимости программ в мелких масштабах, можно решать аналогичную задачу в намного более крупных масштабах Интернета. Переносимость программ на Java достигалась благодаря преобразованию исходного кода в промежуточный, называемый байт‑кодом. Этот байт‑код затем выполнялся виртуальной машиной Java (JVM) – основной частью исполняющей системы Java. Таким образом, программа на Java могла выполняться в любой среде, для которой была доступна JVM. А поскольку JVM реализуется относительно просто, то она сразу же стала доступной для большого числа сред. Применением байт‑кода Java коренным образом отличается от С и C++, где исходный код практически всегда компилируется в исполняемый машинный код, который, в свою очередь, привязан к конкретному процессору и операционной системе. Так, если требуется выполнить программу на С или C++ в другой системе, ее придется перекомпилировать в машинный код специально для данной вычислительной среды. Следовательно, для создания программы на С или C++, которая могла был выполняться в различных средах, потребовалось бы несколько разных исполняемых версий этой программы. Это оказалось бы не только непрактично, но и дорого. Изящным и рентабельным решением данной проблемы явилось применение в Java промежуточного кода. Именно это решение было в дальнейшем приспособлено для целей языка С#. Как упоминалось ранее, Java происходит от С и C++. В основу этого языка положен синтаксис С, а его объектная модель получила свое развитие из C++. И хотя код Java не совместим с кодом С или C++ ни сверху вниз, ни снизу вверх, его синтаксис очень похож на эти языки, что позволяет большому числу программирующих на С или C++ без особого труда перейти на Java. Кроме того, Java построен по уже существующему образцу, что позволило разработчикам этого языка сосредоточить основное внимание на новых и передовых его свойствах. Как и Страуструпу при создании C++, Гослингу и его коллегам не пришлось изобретать велосипед, т.е. разрабатывать Java как совершенно новый язык. Более того, после создания Java языки С и C++ стали признанной основой, на которой можно разрабатывать новые языки программирования. Создание C# Несмотря на то что в Java успешно решаются многие вопросы переносимости программ в среде Интернета, его возможности все же ограничены. Ему, в частности, недостает межъязыковой возможности взаимодействия, называемой также многоязыковым программированием. Это возможность кода, написанного на одном языке, без труда взаимодействовать с кодом, написанным на другом языке. Межъязыковая возможность взаимодействия требуется для построения крупных, распределенных программных систем. Она желательна также для создания отдельных компонентов программ, поскольку наиболее ценным компонентом считается тот, который может быть использован в самых разных языках программирования и в самом большом числе операционных сред. Другой возможностью, отсутствующей в Java, является полная интеграция с платформой Windows. Несмотря на то что программы на Java могут выполняться в среде Windows, при условии, что установлена виртуальная машина Java, среды Java и Windows не являются сильно связанными. А поскольку Windows является самой распространенной операционной системой во всем мире, то отсутствие прямой поддержки Windows является существенным недостатком Java. Для удовлетворения этих и других потребностей программирования корпорация Microsoft разработала в конце 1990‑х годов язык C# как часть общей стратегии .NET. Впервые он был выпущен в виде альфа‑версии в середине 2000 года. Главным разработчиком C# был Андерс Хейльсберг – один из ведущих в мире специалистов по языкам программирования, который может похвалиться рядом заметных достижений в данной области. Достаточно сказать, что в 1980‑е годы он был автором очень удачной и имевшей большое значение разработки – языка Turbo Pascal, изящная реализация которого послужила образцом для создания всех последующих компиляторов. Язык C# непосредственно связан с С, C++ и Java. И это не случайно. Ведь это три самых широко распространенных и признанных во всем мире языка программирования. Кроме того, на момент создания C# практически все профессиональные программисты уже владели С, C++ или Java. Благодаря тому что C# построен на столь прочном и понятном основании, перейти на этот язык из С, C++ или Java не представляло особого труда. А поскольку и Хейльсбергу не нужно (да и нежелательно) было изобретать велосипед, то он мог сосредоточиться непосредственно на усовершенствованиях и нововведениях в С#. На рис. 1.1 приведено генеалогическое дерево С#. Предком C# во втором поколении является С, от которого он унаследовал синтаксис, многие ключевые слова и операторы. Кроме того, C# построен на усовершенствованной объектной модели, определенной в C++. Если вы знаете С или C++, то будете чувствовать себя уютно и с языком С#.  Рис. 1.1. Генеалогическое дерево C# Родственные связи C# и Java более сложные. Как пояснялось выше, Java также происходит от С и C++ и обладает общим с ними синтаксисом и объектной моделью. Как и Java, C# предназначен для получения переносимого кода, но C# не происходит непосредственно от Java. Напротив, C# и Java – это близкие, но не кровные родственники, имеющие общих предков, но во многом отличающиеся друг от друга. Впрочем, если вы знаете Java, то многие понятия C# окажутся вам знакомыми. С другой стороны, если вам в будущем придется изучать Java, то многие понятия, усвоенные в С#, могут быть легко распространены и на Java. В C# имеется немало новых средств, которые будут подробно рассмотрены на страницах этой книги, но самое важное из них связано со встроенной поддержкой программных компонентов. В действительности C# может считаться компонентноориентированным языком программирования, поскольку в него внедрена встроенная поддержка написания программных компонентов. Например, в состав C# входят средства прямой поддержки таких составных частей программных компонентов, как свойства, методы и события. Но самой важной компонентно‑ориентированной особенностью этого языка, вероятно, является возможность работы в безопасной среде многоязыкового программирования. Развитие C# С момента выпуска исходной версии 1.0 развитие C# происходило быстро. Вскоре после версии 1.0 корпорация Microsoft выпустила версию 1.1, в которую было внесено немало корректив, но мало значительных возможностей. Однако ситуация совершенно изменилась после выпуска версии C# 2.0. Появление версии 2.0 стало поворотным моментом в истории развития С#, поскольку в нее было введено много новых средств, в том числе обобщения, частичные типы и анонимные методы, которые основательно расширили пределы возможностей и область применения этого языка, а также повысили его эффективность. После выпуска версии 2.0 "упрочилось" положение С#. Ее появление продемонстрировало также приверженность корпорации Microsoft к поддержке этого языка в долгосрочной перспективе. Следующей значительной вехой в истории развития C# стал выпуск версии 3.0. В связи с внедрением многих новых свойств в версии C# 2.0 можно было ожидать некоторого замедления в развитии С#, поскольку программистам требовалось время для их освоения, но этого не произошло. С появлением версии 3.0 корпорация Microsoft внедрила ряд новшеств, совершенно изменивших общее представление о программировании. К числу этих новшеств относятся, среди прочего, лямбда‑выражения, язык интегрированных запросов (LINQ), методы расширения и неявно типизированные переменные. Конечно, все эти новые возможности очень важны, поскольку они оказали заметное влияние на развитие данного языка, но среди них особенно выделяются две: язык интегрированных запросов (LINQ) и лямбда‑выражения. Язык LINQ и лямбда‑выражения вносят совершенно новый акцент в программирование на C# и еще глубже подчеркивают его ведущую роль в непрекращающейся эволюции языков программирования. Текущей является версия C# 4.0, о которой и пойдет речь в этой книге. Эта версия прочно опирается на три предыдущие основные версии С#, дополняя их целым рядом новых средств. Вероятно, самыми важными среди них являются именованные и необязательные аргументы. В частности, именованные аргументы позволяют связывать аргумент с параметром по имени. А необязательные аргументы дают возможность указывать для параметра используемый по умолчанию аргумент. Еще одним важным новым средством является тип dynamic, применяемый для объявления объектов, которые проверяются на соответствие типов во время выполнения, а не компиляции. Кроме того, ковариантность и контравариантность параметров типа поддерживается благодаря новому применению ключевых слов in и out. Тем, кто пользуется моделью СОМ вообще и прикладными интерфейсами Office Automation API в частности, существенно упрощен доступ к этим средствам, хотя они и не рассматриваются в этой книге. В целом, новые средства, внедренные в версии C# 4.0, способствуют дальнейшей рационализации программирования и повышают практичность самого языка С#. Еще два важных средства, внедренных в версии 4.0 и непосредственно связанных с программированием на С#, предоставляются не самим языком, а средой .NET Framework 4.0. Речь идет о поддержке параллельного программирования с помощью библиотеки распараллеливания задач (TPL) и параллельном варианте языка интегрированных запросов (PLINQ). Оба эти средства позволяют существенно усовершенствовать и упростить процесс создания программ, в которых применяется принцип параллелизма. И то и другое средство упрощает создание многопоточного кода, который масштабируется автоматически для использования нескольких процессоров, доступных на компьютере. В настоящее время широкое распространение получили компьютеры с многоядерными процессорами, и поэтому возможность распараллеливать выполнение кода среди всех доступных процессоров приобретает все большее значение практически для всех, кто программирует на С#. В силу этого особого обстоятельства средства TPL и PLINQ рассматриваются в данной книге. 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. |