Основы программирования на C#

Основы программирования на C#

2-е издание, исправленное

Биллиг В.А.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Основы программирования на C#/ В.А. Биллиг - М.: Национальный Открытый Университет
“ИНТУИТ”, 2016

В учебном курсе представлено полное описание языка C#. Подробно рассматриваются классы,
структуры, интерфейсы, делегаты. Особое внимание уделяется наследованию и универсальным
классам.
Рассматривается среда разработки Visual Studio .Net и классы библиотеки FCL каркаса Framework
.Net. Изложение сопровождается большим числом примеров. В учебном курсе представлено полное
описание языка C#. Оно включает рассмотрение встроенных типов данных, управляющих структур
языка, процедур, рекурсии, строк, массивов. Основное внимание уделяется классам, структурам,
интерфейсам, делегатам, событиям. Особое внимание уделяется изучению отношений между
классами – наследованию и встраиванию. Подробно рассмотрена универсальность и ограниченная
универсальность классов – новинка, появившаяся в последней версии C#. Изучение основ
программирования на C# ведется с позиций объектной технологии, где понятие класса
рассматривается как тип данных и как модуль – архитектурная единица построения программных
систем. Обсуждаются вопросы корректности программных систем, их устойчивости, повторного
использования и расширяемости. Рассматривается среда разработки Visual Studio .Net, классы
библиотеки FCL, организация интерфейса в Windows-проектах, рисование в формах, создание
семейства графических классов. Изложение сопровождается большим числом примеров.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2005-2016
(c) Биллиг В.А., 2005-2016

3

Visual Studio .Net, Framework .Net

Бренд .Net. Visual Studio .Net - открытая среда разработки. Каркас Framework .Net.
Библиотека классов FCL - статический компонент каркаса. Общеязыковая
исполнительная среда CLR - динамический компонент каркаса. Управляемый код.
Общеязыковые спецификации CLS и совместимые модули.

Имя .Net

Имена нынешнего поколения продуктов от Microsoft сопровождаются окончанием .Net
(читается Dot Net), отражающим видение Microsoft современного коммуникативного
мира. Компьютерные сети объединяют людей и технику. Человек, работающий с
компьютером или использующий мобильный телефон, естественным образом
становится частью локальной или глобальной сети. В этой сети используются
различные специальные устройства, начиная от космических станций и заканчивая
датчиками, расположенными, например, в гостиницах и посылающими информацию
об объекте всем мобильным устройствам в их окрестности. В глобальном
информационном мире коммуникативная составляющая любых программных
продуктов начинает играть определяющую роль.

В программных продуктах .Net за этим именем стоит вполне конкретное содержание,
которое предполагает, в частности, наличие открытых стандартов коммуникации,
переход от создания монолитных приложений к созданию компонентов, допускающих
повторное использование в разных средах и приложениях. Возможность повторного
использования уже созданных компонентов и легкость расширения их
функциональности - все это непременные атрибуты новых технологий. Важную роль в
этих технологиях играет язык XML, ставший стандартом обмена сообщениями в сети.

Не пытаясь охватить все многообразие сетевого взаимодействия, рассмотрим
реализацию новых идей на примере Visual Studio .Net - продукта, важного для
разработчиков.

Visual Studio .Net - открытая среда разработки

Среда разработки Visual Studio .Net - это уже проверенный временем программный
продукт, являющийся седьмой версией Студии. Но новинки этой версии, связанные с
идеей .Net, позволяют считать ее принципиально новой разработкой, определяющей
новый этап в создании программных продуктов. Выделю две важнейшие, на мой
взгляд, идеи:

открытость для языков программирования;
принципиально новый подход к построению каркаса среды - Framework .Net.

Открытость

4

Среда разработки теперь является открытой языковой средой. Это означает, что наряду
с языками программирования, включенными в среду фирмой Microsoft - Visual C++
.Net (с управляемыми расширениями), Visual C# .Net, J# .Net, Visual Basic .Net, - в
среду могут добавляться любые языки программирования, компиляторы которых
создаются другими фирмами-производителями. Таких расширений среды Visual Studio
сделано уже достаточно много, практически они существуют для всех известных
языков - Fortran и Cobol, RPG и Component Pascal, Oberon и SmallTalk. Я у себя на
компьютере включил в среду компилятор одного из лучших объектных языков - языка
Eiffel.

Открытость среды не означает полной свободы. Все разработчики компиляторов при
включении нового языка в среду разработки должны следовать определенным
ограничениям. Главное ограничение, которое можно считать и главным достоинством,
состоит в том, что все языки, включаемые в среду разработки Visual Studio .Net,
должны использовать единый каркас - Framework .Net. Благодаря этому достигаются
многие желательные свойства: легкость использования компонентов, разработанных на
различных языках; возможность разработки нескольких частей одного приложения на
разных языках; возможность бесшовной отладки такого приложения; возможность
написать класс на одном языке, а его потомков - на других языках. Единый каркас
приводит к сближению языков программирования, позволяя вместе с тем сохранять их
индивидуальность и имеющиеся у них достоинства. Преодоление языкового барьера одна из важнейших задач современного мира. Благодаря единому каркасу, Visual Studio
.Net в определенной мере решает эту задачу в мире программистов.

Framework .Net - единый каркас среды разработки

В каркасе Framework .Net можно выделить два основных компонента:

статический - FCL (Framework Class Library) - библиотеку классов каркаса;
динамический - CLR (Common Language Runtime) - общеязыковую
исполнительную среду.

Библиотека классов FCL - статический компонент каркаса

Понятие каркаса приложений - Framework Applications - появилось достаточно давно;
по крайней мере оно широко использовалось еще в четвертой версии Visual Studio.
Десять лет назад, когда я с Ильмиром писал книгу [В.А. Биллиг, И.Х. Мусикаев “Visual
C++, 4-я версия. Книга для программистов”], для нас это было еще новое понятие. Мы
подробно обсуждали роль библиотеки классов MFC (Microsoft Foundation Classes) как
каркаса приложений Visual C. Несмотря на то, что каркас был представлен только
статическим компонентом, уже тогда была очевидна его роль в построении
приложений. Уже в то время важнейшее значение в библиотеке классов MFC имели
классы, задающие архитектуру строящихся приложений. Когда разработчик выбирал
один из возможных типов приложения, например, архитектуру Document-View, то в
его приложение автоматически встраивались класс Document, задающий структуру
документа, и класс View, задающий его визуальное представление. Класс Form и

5

классы, задающие элементы управления, обеспечивали единый интерфейс
приложений. Выбирая тип приложения, разработчик изначально получал нужную ему
функциональность, поддерживаемую классами каркаса. Библиотека классов
поддерживала и более традиционные для программистов классы, задающие
расширенную систему типов данных, в частности, динамические типы данных списки, деревья, коллекции, шаблоны.

За прошедшие 10 лет роль каркаса в построении приложений существенно возросла прежде всего, за счет появления его динамического компонента, о котором чуть позже
поговорим подробнее. Что же касается статического компонента - библиотеки классов,
то и здесь за десять лет появился ряд важных нововведений.

Единство каркаса

Каркас стал единым для всех языков среды. Поэтому, на каком бы языке
программирования ни велась разработка, она использует классы одной и той же
библиотеки. Многие классы библиотеки, составляющие общее ядро, используются
всеми языками. Отсюда единство интерфейса приложения, на каком бы языке оно не
разрабатывалось, единство работы с коллекциями и другими контейнерами данных,
единство связывания с различными хранилищами данных и прочая универсальность.

Встроенные примитивные типы

Важной частью библиотеки FCL стали классы, задающие примитивные типы - те
типы, которые считаются встроенными в язык программирования. Типы каркаса
покрывают все множество встроенных типов, встречающихся в языках
программирования. Типы языка программирования проецируются на соответствующие
типы каркаса. Тип, называемый в языке Visual Basic - Integer, а в языке C# - int,
проецируется на один и тот же тип каркаса System.Int32. В каждом языке
программирования, наряду с “родными” для языка названиями типов, разрешается
пользоваться именами типов, принятыми в каркасе. Поэтому, по сути, все языки среды
разработки могут пользоваться единой системой встроенных типов, что, конечно,
способствует облегчению взаимодействия компонентов, написанных на разных языках.

Структурные типы

Частью библиотеки стали не только простые встроенные типы, но и структурные
типы, задающие организацию данных - строки, массивы, перечисления, структуры
(записи). Это также способствует унификации и реальному сближению языков
программирования.

Архитектура приложений

Существенно расширился набор возможных архитектурных типов построения

6

приложений. Помимо традиционных Windows- и консольных приложений, появилась
возможность построения Web-приложений. Большое внимание уделяется возможности
создания повторно используемых компонентов - разрешается строить библиотеки
классов, библиотеки элементов управления и библиотеки Web-элементов управления.
Популярным архитектурным типом являются Web-службы, ставшие сегодня благодаря
открытому стандарту одним из основных видов повторно используемых компонентов.
Для языков C#, J#, Visual Basic, поддерживаемых Microsoft, предлагается одинаковый
набор из 12 архитектурных типов приложений. Несколько особняком стоит Visual С++,
сохраняющий возможность работы не только с библиотекой FCL, но и с библиотеками
MFC и ATL, и с построением соответствующих MFC и ATL-проектов. Компиляторы
языков, поставляемых другими фирмами, создают проекты, которые удовлетворяют
общим требованиям среды, сохраняя свою индивидуальность. Так, например,
компилятор Eiffel допускает создание проектов, использующих как библиотеку FCL,
так и собственную библиотеку классов.

Модульность

Число классов библиотеки FCL велико (несколько тысяч). Поэтому понадобился
способ их структуризации. Логически классы с близкой функциональностью
объединяются в группы, называемые пространством имен (Namespace). Для
динамического компонента CLR физической единицей, объединяющей классы и другие
ресурсы, является сборка (assembly).

Основным пространством имен библиотеки FCL является пространство System,
содержащее как классы, так и другие вложенные пространства имен. Так, уже
упоминавшийся примитивный тип Int32 непосредственно вложен в пространство имен
System и его полное имя, включающее имя пространства - System.Int32.

В пространство System вложен целый ряд других пространств имен. Например, в
пространстве System.Collections находятся классы и интерфейсы, поддерживающие
работу с коллекциями объектов - списками, очередями, словарями. В пространство

System.Collections, в свою очередь, вложено пространство имен Specialized,
содержащее классы со специализацией, например, коллекции, элементами которых
являются только строки. Пространство System.Windows.Forms содержит классы,
используемые при создании Windows-приложений. Класс Form из этого пространства
задает форму - окно, заполняемое элементами управления, графикой, обеспечивающее
интерактивное взаимодействие с пользователем.

По ходу курса мы будем знакомиться со многими классами, принадлежащими
различным пространствам имен библиотеки FCL.

Общеязыковая исполнительная среда CLR - динамический
компонент каркаса

Наиболее революционным изобретением Framework .Net явилось создание

7

исполнительной среды CLR. С ее появлением процесс написания и выполнения
приложений становится принципиально другим. Но обо всем по порядку.

Двухэтапная компиляция. Управляемый модуль и управляемый код

Компиляторы языков программирования, включенные в Visual Studio .Net, создают
модули на промежуточном языке MSIL (Microsoft Intermediate Language), называемом
далее просто - IL. Фактически компиляторы создают так называемый управляемый
модуль - переносимый исполняемый файл (Portable Executable или PE-файл). Этот файл
содержит код на IL и метаданные - всю необходимую информацию как для CLR, так и
конечных пользователей, работающих с приложением. О метаданных - важной
новинке Framework .Net - мы еще будем говорить неоднократно. В зависимости от
выбранного типа проекта, PE-файл может иметь расширения exe, dll, mod или mdl.

Заметьте, PE-файл, имеющий расширение exe, хотя и является exe-файлом, но это не
совсем обычный исполняемый Windows файл. При его запуске он распознается как
специальный PE-файл и передается CLR для обработки. Исполнительная среда
начинает работать с кодом, в котором специфика исходного языка программирования
исчезла. Код на IL начинает выполняться под управлением CLR (по этой причине код
называется управляемым ). Исполнительную среду можно рассматривать как
своеобразную виртуальную IL-машину. Эта машина транслирует “на лету” требуемые
для исполнения участки кода в команды реального процессора, который в
действительности и выполняет код.

Виртуальная машина

Отделение каркаса от студии явилось естественным шагом. Каркас Framework .Net
перестал быть частью студии, а стал надстройкой над операционной системой. Теперь
компиляция и создание PE-модулей на IL отделены от выполнения, и эти процессы
могут быть реализованы на разных платформах. В состав CLR входят трансляторы JIT
(Just In Time Compiler), которые и выполняют трансляцию IL в командный код той
машины, где установлена и функционирует исполнительная среда CLR. Конечно, в
первую очередь Microsoft реализовала CLR и FCL для различных версий Windows,
включая Windows 98/Me/NT 4/2000, 32 и 64-разрядные версии Windows XP и
семейство .Net Server. Для операционных систем Windows CE и Palm разработана
облегченная версия Framework .Net.

В 2001 году ECMA (Европейская ассоциация производителей компьютеров) приняла
язык программирования C#, CLR и FCL в качестве стандарта, так что Framework .Net
уже функционирует на многих платформах, отличных от Windows. Он становится
свободно распространяемой виртуальной машиной. Это существенно расширяет сферу
его применения. Производители различных компиляторов и сред разработки
программных продуктов предпочитают теперь также транслировать свой код в IL,
создавая модули в соответствии со спецификациями CLR. Это обеспечивает
возможность выполнения их кода на разных платформах.

8

Microsoft использовала получивший широкое признание опыт виртуальной машины
Java, улучшив процесс за счет того, что, в отличие от Java, промежуточный код не
интерпретируется исполнительной средой, а компилируется с учетом всех
особенностей текущей платформы. Благодаря этому создаются
высокопроизводительные приложения.

Следует отметить, что CLR, работая с IL-кодом, выполняет достаточно эффективную
оптимизацию и, что не менее важно, защиту кода. Зачастую нецелесообразно
выполнять оптимизацию на уровне создания IL-кода - она иногда может не улучшить,
а ухудшить ситуацию, не давая CLR провести оптимизацию на нижнем уровне, где
можно учесть даже особенности процессора.

Дизассемблер и ассемблер

Если у вас есть готовый PE-файл, то иногда полезно анализировать его IL-код и
связанные с ним метаданные. В состав Framework SDK входит дизассемблер - ildasm,
выполняющий дизассемблирование PE-файла и показывающий метаданные, а также
IL-код с комментариями в наглядной форме. Мы иногда будем пользоваться
результатами дизассемблирования. У меня на компьютере кнопка, вызывающая
дизассемблер, находится на панели, где собраны наиболее часто используемые мной
приложения. Вот путь к папке, в которой обычно находится дизассемблер:

C:\Program Files\Microsoft Visual Studio .Net\ FrameworkSDK\Bin\ildasm.exe

Профессионалы, предпочитающие работать на низком уровне, могут программировать
на языке ассемблера IL. В этом случае в их распоряжении будет вся мощь библиотеки
FCL и все возможности CLR. У меня на компьютере путь к папке, где находится
ассемблер, следующий:

C:\WINDOWS\Microsoft.Net\Framework\v1.1.4322\ilasm.exe

В этом курсе к ассемблеру мы обращаться не будем - я упоминаю о нем для полноты
картины.

Метаданные

Переносимый исполняемый PE-файл является самодокументируемым файлом и, как
уже говорилось, содержит и 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 и 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 это также часть новой идеологии разработки программных продуктов.
Мы увидим, что и на уровне языка C# самодокументированию уделяется большое

9

внимание.

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

На рис. 1.1 показаны результаты дизассемблирования PE-файла простого консольного
приложения с именем Account, включающего три класса: Account, Testing и Class1.
Дизассемблер структурирует информацию, хранимую в метаданных, и показывает ее в
типичном формате дерева. Как обычно, это дерево можно сжимать или раскрывать,
демонстрируя детали класса. Значки, приписываемые каждому узлу дерева,
характеризуют тип узла - класс, свойство, метод, описание. Двойной щелчок кнопки
мыши на этом узле позволяет раскрыть его. При раскрытии метода можно получить
его код. На рис. 1.1 показан код метода add из класса Account.

Рис. 1.1.  Пример структуры PE-файла, задающего сборку

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

10