Введение в архитектуру Microsoft .NET Framework

Дополнительные элементы системы типов .NET

Из соображений эффективности выполнения программ разработчики платформы .NET добавили в общую систему типов дополнительные элементы, а именно: пользовательские типы-значения (структуры и перечисления) и указатели. Схема общей системы типов, на которой отражены эти дополнительные элементы, приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Общая система типов

Структуры и перечисления

Как показал опыт платформы Java, которая была разработана задолго до платформы .NET, одной из основных причин ухудшения производительности Java-программ является медленная работа сборщика мусора, вызванная большим количеством мелких объектов в куче. Это явление можно наблюдать в двух случаях:

1. Интенсивное создание временных объектов с очень малым временем жизни. Зачастую такие объекты создаются и используются в теле одного метода.
2. Использование гигантских массивов объектов, при котором возникает ситуация, изображенная на рис. 1.6, а именно: в массиве хранятся ссылки на огромное количество небольших объектов.

Разработчиками .NET был подмечен тот факт, что использование типов-значений вместо объектов позволяет избежать описанных выше проблем, потому что:

1. временные значения хранятся не в куче, а непосредственно в локальных переменных метода;
2. в массивах типов-значений содержатся не ссылки на значения, а непосредственно сами значения.

Поэтому в общую систему типов были добавлены так называемые пользовательские типы-значения. Эти типы могут быть объявлены программистом, но, как и встроенные типы-значения, размещаются не в куче, а в ячейках.

Пользовательские типы-значения делятся на структуры и перечисления.

Структуры являются аналогом классов. Они, как и классы, могут содержать поля, методы, свойства и события. Все структуры неявно наследуют от библиотечного класса System.ValueType, и, более того, встроенные типы-значения также наследуют от этого класса. Тут сразу следует заметить, что система типов не предусматривает никакого наследования структур, кроме данного неявного. Другими словами, структуры не могут наследоваться друг от друга и, тем более, не могут наследоваться от классов (кроме System.ValueType ).

Перечисления представляют собой структуры с одним целочисленным полем Value. Кроме того, перечисления содержат набор констант, определяющих возможные значения поля Value. При этом для каждой константы в перечислении хранится ее имя. Перечисления неявно наследуют от библиотечного класса System.Enum, который, в свою очередь, является наследником все того же класса System.ValueType.

Указатели

Использование указателей может значительно увеличить производительность, и в некоторых языках программирования указатели применяются исключительно часто (например, в C). Однако считается, что применение указателей чревато появлением в программах большого количества трудноуловимых неперехватываемых ошибок. Поэтому, например, система типов уже упоминавшейся платформы Java обходится без указателей.

Тем не менее, разработчикам .NET удалось добавить указатели в общую систему типов. При этом появилось две категории указателей: управляемые указатели (managed pointers) и неуправляемые указатели (unmanaged pointers).

Для того чтобы программы оставались безопасными, на использование управляемых указателей наложен целый ряд ограничений:

1. Управляемые указатели могут содержать только адреса ячеек, то есть они могут указывать исключительно только на глобальные и локальные переменные, параметры методов, поля объектов и ячейки массивов. Для полноты картины следует заметить, что управляемые указатели могут содержать адрес, непосредственно следующий за последним элементом массива.
2. За каждым указателем закреплен тип ячейки, на которую он может указывать. Другими словами, void-указатели запрещены.
3. Указатели могут храниться только в локальных переменных и параметрах методов.
4. Запрещены указатели на указатели.

На использование неуправляемых указателей никаких ограничений не накладывается, то есть они могут содержать абсолютно любой адрес. Программа, в которой используются неуправляемые указатели, автоматически считается небезопасной и не может пройти верификацию.

Упакованные типы-значения

Наличие в общей системе типов структур, которые во многом напоминают классы, но в действительности классами не являются, в некоторых случаях вызывает некоторые неудобства. Например, в библиотеке классов .NET существуют достаточно удобные контейнерные классы (наиболее часто используется класс ArrayList, представляющий массив с динамически меняющимся размером). Эти классы могут хранить ссылки на любые объекты, но не могут работать с типами-значениями.

Для решения этой проблемы в общей системе типов предусмотрены так называемые упакованные типы-значения. Эти типы являются ссылочными и самоописывающими. Объекты этих типов предназначены для хранения значений типов-значений.

Упакованные типы-значения не могут быть объявлены программистом. Система автоматически определяет такой тип для любого типа-значения.

Получение объекта упакованного типа-значения осуществляется путем упаковки (boxing). Упаковка заключается в том, что в куче создается пустой объект нужного размера, а затем значение копируется внутрь этого объекта.

С помощью упаковки мы можем превратить значение любого типа-значения (встроенного примитивного типа, структуры, перечисления) в объект и в дальнейшем работать с этим значением как с настоящим объектом (в том числе, мы можем положить его в ArrayList ).

Если же нам требуется произвести обратное действие, мы можем осуществить распаковку (unboxing). Распаковка заключается в том, что мы получаем управляемый указатель на содержимое объекта упакованного типа-значения.