Тверской государственный университет
Опубликован: 22.11.2005 | Доступ: свободный | Студентов: 30383 / 1840 | Оценка: 4.31 / 3.69 | Длительность: 28:26:00
ISBN: 978-5-9556-0050-5
Лекция 3:

Система типов языка С#

< Лекция 2 || Лекция 3: 1234 || Лекция 4 >
Аннотация: Общий взгляд. Система типов. Типы-значения и ссылочные типы. Встроенные типы. Сравнение с типами C++. Типы или классы? И типы, и классы! Преобразования переменных в объекты и vice versa. Операции "упаковать" и "распаковать". Преобразования типов. Преобразования внутри арифметического типа. Преобразования строкового типа. Класс Convert и его методы. Проверяемые преобразования. Управление проверкой арифметических преобразований.
Ключевые слова: система типов, простой тип, сложный тип, динамический тип, класс, переменная, множества, операции, определение, метод, объектный язык, CTS, свойства, тип данных, объект, встроенные типы, программирование, net, библиотека FCL, значение, тип, определенный пользователем, базис, статический тип, память, деление, значимые типы, ссылочные типы, ссылки, Паскаль, Java, Visual Basic, логический фундаментальный тип, символьный тип, массивы, структуры, знание, потомки, стандарт языка, целый тип, тип с плавающей точкой, void, указатели, типы-значения, прямая адресация, область действия, перечисления, динамическая переменная, длина, Оbject, отношение наследования, родительский класс, базовый класс, правильный ответ, теги , xml-отчет, присваивание, базовый тип, выражение, согласование по присваиванию, место, согласование типов, наследование, явное преобразование, семантика, аргумент, фактический аргумент, параметр, цель, источник, упаковать, распаковать, unboxing

Общий взгляд

Знакомство с новым языком программирования разумно начинать с изучения системы типов этого языка. Как в нем устроена система типов данных? Какие есть простые типы, как создаются сложные, структурные типы, как определяются собственные типы, динамические типы, как определяются классы?

В первых языках программирования понятие класса отсутствовало - рассматривались только типы данных. При определении типа явно задавалось только множество возможных значений, которые могут принимать переменные этого типа. Например, тип integer задает целые числа в некотором диапазоне. Неявно с типом всегда связывался и набор разрешенных операций. В типизированных языках, к которым относится большинство языков программирования, понятие переменной естественным образом связывалось с типом. Если есть тип Т и переменная x типа Т, то это означало, что переменная может принимать значения из множества, заданного типом, и к ней применимы операции, разрешенные типом.

Классы и объекты впервые появились в программировании в языке Симула 67. Произошло это спустя 10 лет после появления первого алгоритмического языка Фортран. Определение класса наряду с описанием данных содержало четкое определение операций или методов, применимых к данным. Объекты - экземпляры класса являются обобщением понятия переменной. Сегодня определение класса в C# и других объектных языках, аналогично определению типа в CTS, содержит:

  • данные, задающие свойства объектов класса ;
  • методы, определяющие поведение объектов класса ;
  • события, которые могут происходить с объектами класса.

Так есть ли различие между этими двумя основополагающими понятиями - типом и классом? На первых порах можно считать, что класс - это хорошо определенный тип данных, объект - хорошо определенная переменная. Понятия фактически являются синонимами, какое из них употреблять лишь дело вкуса. Встроенные типы, такие как integer или string, предпочитают называть по-прежнему типами, а их экземпляры - переменными. Что же касается абстракции данных, описывающей служащих и названной, например, Employee, то естественнее называть ее классом, а ее экземпляры - объектами. Такой взгляд на типы и классы довольно полезен, но он не является полным. Позже при обсуждении классов и наследования постараемся более четко определить принципиальные различия в этих понятиях.

Объектно-ориентированное программирование, доминирующее сегодня, построено на классах и объектах. Тем не менее, понятия типа и переменной все еще остаются центральными при описании языков программирования, что характерно и для языка C#. Заметьте, что и в Framework .Net предпочитают говорить о системе типов, хотя все типы библиотеки FCL являются классами.

Типы данных принято разделять на простые и сложные в зависимости от того, как устроены их данные. У простых (скалярных) типов возможные значения данных едины и неделимы. Сложные типы характеризуются способом структуризации данных - одно значение сложного типа состоит из множества значений данных, организующих сложный тип.

Есть и другие критерии классификации типов. Так, типы разделяются на встроенные типы и типы, определенные программистом (пользователем). Встроенные типы изначально принадлежат языку программирования и составляют его базис. В основе системы типов любого языка программирования всегда лежит базисная система типов, встроенных в язык. На их основе программист может строить собственные, им самим определенные типы данных. Но способы (правила) создания таких типов являются базисными, встроенными в язык.

Типы данных разделяются также на статические и динамические. Для данных статического типа память отводится в момент объявления, требуемый размер данных (памяти) известен при их объявлении. Для данных динамического типа размер данных в момент объявления обычно неизвестен и память им выделяется динамически по запросу в процессе выполнения программы.

Еще одна важная классификация типов - это их деление на значимые и ссылочные. Для значимых типов значение переменной (объекта) является неотъемлемой собственностью переменной (точнее, собственностью является память, отводимая значению, а само значение может изменяться). Для ссылочных типов значением служит ссылка на некоторый объект в памяти, расположенный обычно в динамической памяти - "куче". Объект, на который указывает ссылка, может быть разделяемым. Это означает, что несколько ссылочных переменных могут указывать на один и тот же объект и разделять его значения. Значимый тип принято называть развернутым, подчеркивая тем самым, что значение объекта развернуто непосредственно в памяти, отводимой объекту. О ссылочных и значимых типах еще предстоит обстоятельный разговор.

Для большинства процедурных языков, реально используемых программистами - Паскаль, C++, Java, Visual Basic, C#, - система встроенных типов более или менее одинакова. Всегда в языке присутствуют арифметический, логический (булев), символьный типы. Арифметический тип всегда разбивается на подтипы. Всегда допускается организация данных в виде массивов и записей ( структур ). Внутри арифметического типа всегда допускаются преобразования, всегда есть функции, преобразующие строку в число и обратно. Так что, мой читатель, Ваше знание, по крайней мере, одного из процедурных языков позволяет построить общую картину системы типов и для языка C#. Отличия будут в нюансах, которые и придают аромат и неповторимость языку.

Поскольку язык C# является непосредственным потомком языка C++, то и системы типов этих двух языков близки и совпадают вплоть до названия типов и областей их определения. Но отличия, в том числе принципиального характера, есть и здесь.

Система типов

Давайте рассмотрим, как устроена система типов в языке C#, но вначале для сравнения приведу классификацию типов в стандарте языка C++.

Стандарт языка C++ включает следующий набор фундаментальных типов.

  1. Логический тип ( bool ).
  2. Символьный тип ( char ).
  3. Целые типы. Целые типы могут быть одного из трех размеров - short, int, long, сопровождаемые описателем signed или unsigned, который указывает, как интерпретируется значение, - со знаком или без оного.
  4. Типы с плавающей точкой. Эти типы также могут быть одного из трех размеров - float, double, long double. Кроме того, в языке есть тип void, используемый для указания на отсутствие информации. Язык позволяет конструировать типы.
  5. Указатели (например, int* - типизированный указатель на переменную типа int ).
  6. Ссылки (например, double& - типизированная ссылка на переменную типа double ).
  7. Массивы (например, char[] - массив элементов типа char ).

    Язык позволяет конструировать пользовательские типы

  8. Перечислимые типы ( enum ) для представления значений из конкретного множества.
  9. Структуры ( struct ).
  10. Классы.

Первые три вида типов называются интегральными или счетными. Значения их перечислимы и упорядочены. Целые типы и типы с плавающей точкой относятся к арифметическому типу. Типы подразделяются также на встроенные и типы, определенные пользователем.

Эта схема типов сохранена и в языке C#. Однако здесь на верхнем уровне используется и другая классификация, носящая для C# принципиальный характер. Согласно этой классификации все типы можно разделить на четыре категории:

  1. Типы-значения ( value ), или значимые типы.
  2. Ссылочные ( reference ).
  3. Указатели ( pointer ).
  4. Тип void.

Эта классификация основана на том, где и как хранятся значения типов. Для ссылочного типа значение задает ссылку на область памяти в "куче", где расположен соответствующий объект. Для значимого типа используется прямая адресация, значение хранит собственно данные, и память для них отводится, как правило, в стеке.

В отдельную категорию выделены указатели, что подчеркивает их особую роль в языке. Указатели имеют ограниченную область действия и могут использоваться только в небезопасных блоках, помеченных как unsafe.

Особый статус имеет и тип void, указывающий на отсутствие какого-либо значения.

В языке C# жестко определено, какие типы относятся к ссылочным, а какие - к значимым. К значимым типам относятся: логический, арифметический, структуры, перечисление. Массивы, строки и классы относятся к ссылочным типам. На первый взгляд, такая классификация может вызывать некоторое недоумение, почему это структуры, которые в C++ близки к классам, относятся к значимым типам, а массивы и строки - к ссылочным. Однако ничего удивительного здесь нет. В C# массивы рассматриваются как динамические, их размер может определяться на этапе вычислений, а не в момент трансляции. Строки в C# также рассматриваются как динамические переменные, длина которых может изменяться. Поэтому строки и массивы относятся к ссылочным типам, требующим распределения памяти в "куче".

Со структурами дело сложнее. Структуры C# представляют частный случай класса. Определив свой класс как структуру, программист получает возможность отнести класс к значимым типам, что иногда бывает крайне полезно. Замечу, что в хорошем объектном языке Eiffel программист может любой класс объявить развернутым ( expanded ), что эквивалентно отнесению к значимому типу. У программиста C# только благодаря структурам появляется возможность управлять отнесением класса к значимым или ссылочным типам. Правда, это неполноценное средство, поскольку на структуры накладываются дополнительные ограничения по сравнению с обычными классами.

Рассмотрим классификацию, согласно которой все типы делятся на встроенные и определенные пользователем. Все встроенные типы C# однозначно отображаются, и фактически совпадают с системными типами каркаса Net Framework, размещенными в пространстве имен System. Поэтому всюду, где можно использовать имя типа, например, - int, с тем же успехом можно использовать и имя System.Int32.

Замечание:

Следует понимать тесную связь и идентичность встроенных типов языка C# и типов каркаса. Какими именами типов следует пользоваться в программных текстах - это спорный вопрос. Джеффри Рихтер в своей известной книге "Программирование на платформе Framework .Net" рекомендует использовать системные имена. Другие авторы считают, что следует пользоваться именами типов, принятыми в языке. Возможно, в модулях, предназначенных для межъязыкового взаимодействия, разумны системные имена, а в остальных случаях - имена конкретного языка программирования.

В заключение этого раздела приведу таблицу (3.1), содержащую описание всех встроенных типов языка C# и их основные характеристики.

Логический тип
Имя типа Системный тип Значения Размер
bool System.Boolean true, false 8 бит
Арифметические целочисленные типы
Имя типа Системный тип Диапазон Размер
sbyte System.SByte -128 — 127 Знаковое, 8 Бит
byte System.Byte 0 — 255 Беззнаковое, 8 Бит
short System.Short -32768 —32767 Знаковое, 16 Бит
ushort System.UShort 0 — 65535 Беззнаковое, 16 Бит
int System.Int32 \approx (-2*10^9 — 2*10^9) Знаковое, 32 Бит
uint System.UInt32 \approx (0 — 4*10^9) Беззнаковое, 32 Бит
long System.Int64 \approx (-9*10^18 — 9*10^18) Знаковое, 64 Бит
ulong System.UInt64 \approx (0— 18*10^18) Беззнаковое, 64 Бит
Арифметический тип с плавающей точкой
Имя типа Системный тип Диапазон Точность
float System.Single +1.5*10^-45 -/+3.4*10^38 7 цифр
double System.Double +5.0*10^-324 -/+1.7*10^308 15-16 цифр
Арифметический тип с фиксированной точкой
Имя типа Системный тип Диапазон Точность
decimal System.Decimal +1.0*10^-28 - +7.9*10^28 28-29 значащих цифр
Символьные типы
Имя типа Системный тип Диапазон Точность
char System.Char U+0000 - U+ffff 16 бит Unicode символ
string System.String Строка из символов Unicode
Объектный тип
Имя типа Системный тип Примечание
object System.Object Прародитель всех встроенных и пользовательских типов

Система встроенных типов языка C# не только содержит практически все встроенные типы (за исключением long double ) стандарта языка C++, но и перекрывает его разумным образом. В частности тип string является встроенным в язык, что вполне естественно. В области совпадения сохранены имена типов, принятые в C++, что облегчает жизнь тем, кто привык работать на C++, но собирается по тем или иным причинам перейти на язык C#.

< Лекция 2 || Лекция 3: 1234 || Лекция 4 >
Александр Галабудник
Александр Галабудник

Не обнаружил проекты, которые используются в примерах в лекции, также не увидел список задач.

Александра Гусева
Александра Гусева