Переменные и выражения

Объявление переменных

В лекции 4 рассматривались типы языка C#. Естественным продолжением этой темы является рассмотрение переменных языка. Переменные и типы - тесно связанные понятия. С объектной точки зрения переменная - это экземпляр типа. Скалярную переменную можно рассматривать как сущность, обладающую именем, значением и типом. Имя и тип задаются при объявлении переменной и остаются неизменными на все время ее жизни. Значение переменной может меняться в ходе вычислений, эта возможность вариации значений и дала имя понятию переменная (Variable) в математике и программировании. Получение начального значения переменной называется ее инициализацией. Важной новинкой языка C# является требование обязательной инициализации переменной до начала ее использования. Попытка использовать неинициализированную переменную приводит к ошибкам, обнаруживаемым еще на этапе компиляции. Инициализация переменных, как правило, выполняется в момент объявления, хотя и может быть отложена.

Тесная связь типов и классов в языке C# обсуждалась в предыдущей лекции. Не менее тесная связь существует между переменными и объектами. Так что, когда речь идет о переменной значимого типа, то во многих ситуациях она может играть роль объекта некоторого класса. В этой лекции обсуждение будет связано со скалярными переменными встроенных типов. Все переменные, прежде чем появиться в вычислениях, должны быть объявлены. Давайте рассмотрим, как это делается в C#.

Проект Variables

Как обычно, для рассмотрения примеров построен специальный проект. В данной лекции это консольный проект с именем Variables. Построенный по умолчанию класс Class1 содержит точку входа Main. Добавленный в проект класс Testing содержит набор скалярных переменных и методов, тестирующих разные аспекты работы со скалярными переменными в C#. В процедуре Main создается объект класса Testing и поочередно вызываются его методы, каждый из которых призван проиллюстрировать те или иные моменты работы.

Синтаксис объявления

Общий синтаксис объявления сущностей в C# похож на синтаксис объявления в C++, хотя и имеет ряд отличий. Вот какова общая структура объявления:

[<атрибуты>] [<модификаторы>] <тип> <объявители>;

Об атрибутах - этой новинке языка C# - уже шла речь, о них будем говорить и в последующих лекциях курса. Модификаторы будут появляться по мере необходимости. При объявлении переменных чаще всего задаются модификаторы доступа - public, private и другие. Если атрибуты и модификаторы могут и не указываться в объявлении, то задание типа необходимо всегда. Ограничимся пока рассмотрением уже изученных встроенных типов. Когда в роли типа выступают имена типов из таблицы 3.1, это означает, что объявляются простые скалярные переменные. Структурные типы - массивы, перечисления, структуры и другие пользовательские типы - будут изучаться в последующих лекциях.

При объявлении простых переменных указывается их тип и список объявителей, где объявитель - это имя или имя с инициализацией. Список объявителей позволяет в одном объявлении задать несколько переменных одного типа. Если объявитель задается именем переменной, то имеет место объявление с отложенной инициализацией. Хороший стиль программирования предполагает задание инициализации переменной в момент ее объявления. Инициализацию можно осуществлять двояко - обычным присваиванием или в объектной манере. Во втором случае для переменной используется конструкция new и вызывается конструктор по умолчанию. Процедура SimpleVars класса Testing иллюстрирует различные способы объявления переменных и простейшие вычисления над ними:

public void SimpleVars()
{
	//Объявления локальных переменных
	int x, s; //без инициализации
	int y =0, u = 77; //обычный способ инициализации
	//допустимая инициализация
	float w1=0f, w2 = 5.5f, w3 =w1+ w2 + 125.25f;
	//допустимая инициализация в объектном стиле
	int z= new int();
	//Недопустимая инициализация.
	//Конструктор с параметрами не определен
	//int v = new int(77);
		x=u+y; //теперь x инициализирована
	if(x> 5) s = 4;
	for (x=1; x<5; x++)s=5;
	//Инициализация в if и for не рассматривается,
	//поэтому s считается неинициализированной переменной
	//Ошибка компиляции:использование неинициализированной переменной
	//Console.WriteLine("s= {0}",s);
}  //SimpleVars

В первой строке объявляются переменные x и s с отложенной инициализацией. Заметьте (и это важно!), что всякая попытка использовать еще не инициализированную переменную в правых частях операторов присваивания, в вызовах функций, вообще в вычислениях приводит к ошибке уже на этапе компиляции.

Последующие объявления переменных эквивалентны по сути, но демонстрируют два стиля инициализации - обычный и объектный. Обычная форма инициализации предпочтительнее не только в силу своей естественности, но она и более эффективна, поскольку в этом случае инициализирующее выражение может быть достаточно сложным, с переменными и функциями. На практике объектный стиль для скалярных переменных используется редко. Вместе с тем полезно понимать, что объявление с инициализацией int y =0 можно рассматривать как создание нового объекта ( new ) и вызова для него конструктора по умолчанию. При инициализации в объектной форме может быть вызван только конструктор по умолчанию, другие конструкторы с параметрами для встроенных типов не определены. В примере закомментировано объявление переменной v с инициализацией в объектном стиле, приводящее к ошибке, где делается попытка дать переменной значение, передавая его конструктору в качестве параметра.

Откладывать инициализацию не стоит, как показывает пример с переменной s, объявленной с отложенной инициализацией. В вычислениях она дважды получает значение: один раз в операторе if, другой - в операторе цикла for. Тем не менее, при компиляции возникнет ошибка, утверждающая, что в процедуре WriteLine делается попытка использовать неинициализированную переменную s. Связано это с тем, что для операторов if и for на этапе компиляции не вычисляются условия, зависящие от переменных. Поэтому компилятор предполагает худшее - условия ложны, инициализация s в этих операторах не происходит. А за инициализацией наш компилятор следит строго, ты так и знай!

Время жизни и область видимости переменных

Давайте рассмотрим такие важные характеристики переменных, как время их жизни и область видимости. Зададимся вопросом, как долго живут объявленные переменные и в какой области программы видимы их имена? Ответ зависит от того, где и как, в каком контексте объявлены переменные. В языке C# не так уж много возможностей для объявления переменных, пожалуй, меньше, чем в любом другом языке. Открою "страшную" тайну, - здесь вообще нет настоящих глобальных переменных. Их отсутствие не следует считать некоторым недостатком C#, это достоинство языка. Но обо всем по порядку.

Поля

Первая важнейшая роль переменных, - они задают свойства структур, интерфейсов, классов. В языке C# такие переменные называются полями (fields). Структуры, интерфейсы, классы, поля - рассмотрению этих понятий будет посвящена большая часть этого курса, а сейчас сообщу лишь некоторые минимальные сведения, связанные с рассматриваемой темой. Поля объявляются при описании класса (и его частных случаев - интерфейса, структуры). Когда конструктор класса создает очередной объект - экземпляр класса, то он в динамической памяти создает набор полей, определяемых классом, и записывает в них значения, характеризующие свойства данного конкретного экземпляра. Так что каждый объект в памяти можно рассматривать как набор соответствующих полей класса со своими значениями. Время существования и область видимости полей определяются объектом, которому они принадлежат. Объекты в динамической памяти, с которыми не связана ни одна ссылочная переменная, становятся недоступными. Реально они оканчивают свое существование, когда сборщик мусора (garbage collector) выполнит чистку "кучи". Для значимых типов, к которым принадлежат экземпляры структур, жизнь оканчивается при завершении блока, в котором они объявлены.

Есть одно важное исключение. Некоторые поля могут жить дольше. Если при объявлении класса поле объявлено с модификатором static, то такое поле является частью класса и единственным на все его экземпляры. Поэтому static - поля живут так же долго, как и сам класс. Более подробно эти вопросы будут обсуждаться при рассмотрении классов, структур, интерфейсов.

Глобальные переменные уровня модуля. Существуют ли они в C#?

Где еще могут объявляться переменные? Во многих языках программирования переменные могут объявляться на уровне модуля. Такие переменные называются глобальными. Их область действия распространяется, по крайней мере, на весь модуль. Глобальные переменные играют важную роль, поскольку они обеспечивают весьма эффективный способ обмена информацией между различными частями модуля. Обратная сторона эффективности аппарата глобальных переменных, - их опасность. Если какая-либо процедура, в которой доступна глобальная переменная, некорректно изменит ее значение, то ошибка может проявиться в другой процедуре, использующей эту переменную. Найти причину ошибки бывает чрезвычайно трудно. В таких ситуациях приходится проверять работу многих компонентов модуля.

В языке C# роль модуля играют классы, пространства имен, проекты, решения. Поля классов, о которых шла речь выше, могут рассматриваться как глобальные переменные класса. Но здесь у них особая роль. Данные ( поля ) являются тем центром, вокруг которого вращается мир класса. Заметьте, каждый экземпляр класса - это отдельный мир. Поля экземпляра (открытые и закрытые) - это глобальная информация, которая доступна всем методам класса, играющим второстепенную роль - они обрабатывают данные.

Статические поля класса хранят информацию, общую для всех экземпляров класса. Они представляют определенную опасность, поскольку каждый экземпляр способен менять их значения.

В других видах модуля - пространствах имен, проектах, решениях - нельзя объявлять переменные. В пространствах имен в языке C# разрешено только объявление классов и их частных случаев: структур, интерфейсов, делегатов, перечислений. Поэтому глобальных переменных уровня модуля, в привычном для других языков программирования смысле, в языке C# нет. Классы не могут обмениваться информацией, используя глобальные переменные. Все взаимодействие между ними обеспечивается способами, стандартными для объектного подхода. Между классами могут существовать два типа отношений - клиентские и наследования, а основной способ инициации вычислений - это вызов метода для объекта-цели или вызов обработчика события. Поля класса и аргументы метода позволяют передавать и получать нужную информацию. Устранение глобальных переменных как источника опасных, трудно находимых ошибок существенно повышает надежность создаваемых на языке C# программных продуктов.

Введем в класс Testing нашего примера три закрытых поля и добавим конструктор с параметрами, инициализирующий значения полей при создании экземпляра класса:

//fields
		int x,y; //координаты точки
		string name; //имя точки
		//конструктор с параметрами
		public Testing(int x, int y, string name)
		{
			this.x = x; this.y = y; this.name = name;
		}

В процедуре Main первым делом создается экземпляр класса Testing, а затем вызываются методы класса, тестирующие различные ситуации:

Testing ts = new Testing(5,10,"Точка1");
			ts.SimpleVars();