Язык программирования и среда разработки. Цели курса

Метаданные

Переносимый исполняемый PE-файл является самодокументируемым файлом и, как уже говорилось, содержит код и метаданные, описывающие код. Файл начинается с манифеста и включает в себя описание всех классов, хранимых в PE-файле, их свойств, методов, всех аргументов этих методов - всю необходимую CLR информацию. Поэтому помимо PE-файла не требуется никаких дополнительных файлов, записей в реестр, вся нужная информация извлекается из самого файла. Среди классов библиотеки FCL имеется класс Reflection, методы которого позволяют извлекать необходимую информацию. Введение метаданных - не только важная техническая часть CLR, но также часть новой идеологии разработки программных продуктов. Мы увидим, что и на уровне языка C# самодокументированию уделяется большое внимание.

Мы увидим также, что при проектировании класса программист может создавать его атрибуты, добавляемые к метаданным PE-файла. Клиенты класса могут, используя класс Reflection, получать эту дополнительную информацию и на ее основании принимать соответствующие решения.

Сборщик мусора - Garbage Collector и управление памятью

Еще одной важной особенностью построения CLR является то, что исполнительная среда берет на себя часть функций, традиционно входящих в ведение разработчиков трансляторов, и облегчает тем самым их работу. Один из таких наиболее значимых компонентов CLR - сборщик мусора (Garbage Collector). Под сборкой мусора понимается освобождение памяти, занятой объектами, которые стали бесполезными и не используются в дальнейшей работе приложения. В ряде языков программирования (классическим примером является язык C/C++) память освобождает сам программист, в явной форме отдавая команды, как на создание, так и на удаление объекта. В этом есть своя логика - "я тебя породил, я тебя и убью". Однако можно и нужно освободить человека от этой работы. Неизбежные ошибки программиста при работе с памятью тяжелы по последствиям, и их крайне тяжело обнаружить. Как правило, объект удаляется в одном модуле, а необходимость в нем обнаруживается в другом далеком модуле. Обоснование того, что программист не должен заниматься удалением объектов, а сборка мусора должна стать частью исполнительной среды, дано достаточно давно. Наиболее полно оно обосновано в работах Бертрана Мейера и в его книге "Object-Oriented Construction Software", первое издание которой появилось еще в 1988 году.

В CLR эта идея реализована в полной мере. Задача сборки мусора снята не только с программистов, но и с разработчиков трансляторов; она решается в нужное время и в нужном месте - исполнительной средой, ответственной за выполнение вычислений. Здесь же решаются и многие другие вопросы, связанные с использованием памяти, в частности, проверяется и не допускается использование "чужой" памяти, не допускаются и другие нарушения. Данные, удовлетворяющие требованиям CLR и допускающие сборку мусора, называются управляемыми данными.

Но как же, спросите вы, быть с языком C++ и другими языками, где есть нетипизированные указатели, адресная арифметика, возможности удаления объектов программистом? Ответ следующий - CLR позволяет работать как с управляемыми, так и с неуправляемыми данными. Однако использование неуправляемых данных регламентируется и не поощряется. Так, в C# модуль, использующий неуправляемые данные (указатели, адресную арифметику), должен быть помечен как небезопасный (unsafe), и эти данные должны быть четко зафиксированы. Об этом мы еще будем говорить при рассмотрении языка C# в последующих лекциях. Исполнительная среда, не ограничивая возможности языка и программистов, вводит определенную дисциплину в применении потенциально опасных средств языков программирования.

Исключительные ситуации

Что происходит, когда при вызове некоторой функции (процедуры) обнаруживается, что она не может нормальным образом выполнить свою работу? Возможны разные варианты обработки такой ситуации. Функция может возвращать код ошибки или специальное значение типа HResult, может выбрасывать исключение, тип которого характеризует возникшую ошибку. В CLR принято во всех таких ситуациях выбрасывать исключение. Косвенно это влияет и на язык программирования. Выбрасывание исключений наилучшим образом согласуется с исполнительной средой. В языке C# выбрасывание исключений, их дальнейший перехват и обработка - основной рекомендуемый способ обработки исключительных ситуаций.

События

У CLR есть свое видение того, что представляет собой тип. Есть формальное описание общей системы типов CTS - Common Type System. В соответствии с этим описанием каждый тип, помимо полей, методов и свойств, может содержать и события. При возникновении событий в процессе работы с тем или иным объектом данного типа посылаются сообщения, которые могут получать другие объекты. Механизм обмена сообщениями основан на делегатах - функциональном типе. Надо ли говорить, что в язык C# встроен механизм событий, полностью согласованный с возможностями CLR. Мы подробно изучим все эти механизмы, рассматривая их на уровне языка.

Исполнительная среда CLR обладает мощными динамическими механизмами - сборки мусора, динамического связывания, обработки исключительных ситуаций и событий. Все эти механизмы и их реализация в CLR написаны на основании практики существующих языков программирования. Но уже созданная исполнительная среда в свою очередь влияет на языки, ориентированные на использование CLR. Поскольку язык C# создавался одновременно с созданием CLR, то, естественно, он стал языком, наиболее согласованным с исполнительной средой, и средства языка напрямую отображаются в средства исполнительной среды.

Общие спецификации и совместимые модули

Уже говорилось, что каркас Framework .Net облегчает межъязыковое взаимодействие. Для того чтобы классы, разработанные на разных языках, мирно уживались в рамках одного приложения, для их бесшовной отладки и возможности построения разноязычных потомков, они должны удовлетворять некоторым ограничениям. Эти ограничения задаются набором общеязыковых спецификаций - CLS (Common Language Specification). Класс, удовлетворяющий спецификациям CLS, называется CLS-совместимым. Он доступен для использования в других языках, классы которых могут быть клиентами или наследниками совместимого класса.

Спецификации CLS точно определяют, каким набором встроенных типов можно пользоваться в совместимых модулях. Понятно, что эти типы должны быть общедоступными для всех языков, использующих Framework .Net. В совместимых модулях должны использоваться управляемые данные и выполняться некоторые другие ограничения. Заметьте, ограничения касаются только интерфейсной части класса, его открытых свойств и методов. Закрытая часть класса может и не удовлетворять CLS. Классы, от которых не требуется совместимость, могут использовать специфические особенности языка программирования.

Framework .Net 3.5

Рассмотрим новинки, появившиеся в последней версии Framework .Net 3.5. Прежде всего заметим, что практически все новинки языка C# 3.0 поддержаны нововведениями в Framework .Net 3.5.

LINQ и деревья выражений

Уже говорилось, что в C# 3.0 встроен язык запросов к данным, что существенно облегчает работу с данными, поступающими из внешних источников. Этот языковый механизм поддерживается классами библиотеки FCL Framework .Net 3.5. Пространство System.Linq содержит классы, задающие типы, интерфейсы, стандартные операторы запроса. Пространства System.Data.Linq , System.Data.Linq.Mapping поддерживают работу с реляционными базами данных. Классы пространства System.XML.Linq поддерживают запросы к XML- данным. Новые классы DataRowComparer, DataRowExtensions, DataTableExtensions позволяют локально хранить данные, заменяя объекты DataSet ADO .Net. Классы из пространства System.Linq.Expressions позволяют работать с деревьями выражений, используемых в запросах.

Подробнее эти классы будут рассмотрены в соответствующей лекции, посвященной работе с данными и инструментарием Linq.

Windows Presentation Foundation

В Visual Studio 2008 появились новые типы проектов, основанные на возможностях, предоставляемых технологией WPF (Windows Presentation Foundation). Эта технология позволяет строить новое поколение систем презентации - с новыми графическими возможностями, связыванием данных и прочими элементами, придающими приложению принципиально новые свойства. Предполагается, что этот тип приложений постепенно будет вытеснять традиционные Windows-приложения, основанные на понятии окна.

Windows Communication Foundation (WCF) и Windows Workflow Foundation (WF)

Технологии WCF и WF позволяют строить специализированные приложения и службы (Services), позволяющие приложениям обмениваться данными, используя асинхронный ввод-вывод.

ASP.NET

Новые возможности Framework .Net 3.5 облегчают разработку Веб- приложений, в частности, построение сайтов с AJAX (Asynchronous Javascript and XML) - свойствами. Приложения с такими свойствами становятся более быстрыми и удобными, позволяя при взаимодействии с сервером не перезагружать всю страницу полностью.

Другие новинки

Трудно, да и не имеет особого смысла перечислять все нововведения, появившиеся в Framework .Net 3.5. При обсуждении новых возможностей построения приложений на языке C#, несомненно, речь будет идти и о том, как эти возможности поддерживаются в CLR и FCL.

Управляемый и неуправляемый код

Как уже отмечалось, результатом проекта, написанного на C# и скомпилированного в Visual Studio 2008, является сборка (assembly), которая содержит IL-код проекта и манифест, полностью описывающий сборку. Сборка может быть создана на одном компьютере, на одной платформе, а выполняться на другом компьютере с другим типом процессора, с другой операционной системой. Для выполнения сборки необходимо и достаточно установки на целевом компьютере соответствующей версии Framework .Net, представляющего надстройку над операционной системой.

Когда мы говорим о сборках, язык программирования, на котором создавался исходный код, уже не имеет значения, его особенности никак не отражаются в сборке. Сборки, созданные на VB или C++ с управляемыми расширениями, неотличимы от сборок, которые созданы на C# или других языках, включенных в состав Visual Studio 2008 и использующих каркас Framework .Net при компиляции управляемого кода.

С другой стороны, понятно, что в состав Visual Studio 2008 могут включаться языки, не применяющие Framework .Net, не создающие сборки с управляемым кодом, а использующие собственные библиотеки и собственные каркасы приложений (Framework Applications). В частности, на языке С++ в рамках Visual Studio 2008 можно писать проекты, работающие с библиотеками MFC и ATL, ориентированные исключительно на С++ и создающие в результате компиляции проекта обычные exe-файлы.

Сегодня на всех компьютерах, работающих под управлением любой из версий Windows, установлена соответствующая версия Framework .Net, так что на таких компьютерах могут выполняться и сборки, и обычные exe-файлы. Поскольку Framework .Net, так же как и C#, стандартизован и является свободно распространяемым программным продуктом, его можно встретить и на тех компьютерах, где нет Windows.

На рис. 1.1 показана схема функционирования компьютера, позволяющего выполнять как сборки - управляемый код, так и обычные exe-файлы - неуправляемый код.

Рис. 1.1. Управляемый и неуправляемый код

Заметьте: два мира программ, выполняемые по-разному, могут взаимодействовать друг с другом - из управляемого кода возможен вызов программ с неуправляемым кодом и наоборот. В проектах, написанных на C#, можно управлять офисными приложениями - документами Word и Excel. Офисные документы - это COM-объекты, принадлежащие миру неуправляемого кода, а проекты C# - это сборки, жители страны с управляемым кодом.