Основы программирования на C# 2.0

Введение в программирование на C# 2.0

2-е издание, исправленное

Марченко А.Л.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК 004.438С# 2.0(07)
ББК 23
Г21
Основы программирования на C# 2.0 / Марченко А. Л. - M.: Национальный Открытый Университет
“ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных технологий)
ISBN 5-94774-628-0

В курсе описываются синтаксис языка программирования C# 2.0 .NET и множества классов,
применяемых для разработки приложений на платформе .NET, излагаются основы объектноориентированного программирования, методы создания элементов пользовательского интерфейса и
основы работы с базами данных.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2007-2016
(c) Марченко А.Л., 2007-2016

3

Предисловие

Книга представляет собой пособие по изучению языка программирования C#, который
является одним из важных элементов платформы Microsoft .NET. Основные задачи
пособия заключаются:

в ознакомлении с синтаксисом и семантикой языка программирования C# 2.0;
в описании особенностей архитектуры .NET;
в формировании навыков разработки приложений в рамках парадигмы объектноориентированного программирования.

При описании синтаксиса некоторых языковых конструкций C# 2.0 в книге
использовалась нотация Бэкуса-Наура. Формы Бэкуса-Наура (БНФ) традиционно
применяются при описании грамматики формальных языков (в том числе и языков
программирования). Несмотря на непривычный внешний вид, эти формы достаточно
просто интерпретируются, отличаются лаконичностью и точностью. Они состоят из
доступных пониманию буквосочетаний, называемых нетерминальными и
терминальными символами. Особого внимания в БНФ заслуживает символ ‘ ::= ‘,
который в буквальном смысле переводится как “СОСТОИТ ИЗ”. Определение
языковой конструкции в БНФ предполагает размещение какого-либо нетерминального
символа слева от символа ‘ ::= ‘. В правой части формы размещается
последовательность нетерминальных и терминальных символов, отображающих
структуру определяемого понятия. Терминальные символы не требуют расшифровки
(дополнительных БНФ), поскольку являются конструкциями описываемого языка
программирования. Некоторые элементы в рамках БНФ заключаются в прямые скобки.
Так в данной нотации обозначаются те элементы описываемой синтаксической
конструкции, количество вхождений которых с точки зрения синтаксиса не
ограничено. В данном контексте их может быть один, два, три, …, много, а может и не
быть вовсе.

Материал книги основан на находящейся в открытом доступе литературе по C# и .NET.
При изучении C# следует иметь в виду одно универсальное правило. Изучение нового
языка программирования, новой платформы, новой технологии требует прочтения по
крайней мере нескольких из ставших на сегодняшний день классическими книг. Часть
из этих книг приведена в списке литературы.

В книге содержится большое количество примеров. В ряде случаев это всего лишь
документированные фрагменты программного кода. Однако значительная часть
приводимых примеров является законченными работающими приложениями. И хотя к
книге НЕ прилагается никаких контрольных вопросов, упражнений или задач,
необходимым условием успешного усвоения материала (и обязательным заданием!)
является воспроизведение, анализ и модификация приводимого в пособии кода.

В примерах часто используются операторы консольного вывода вида

System.Console.WriteLine(...);

До момента подробного обсуждения темы ввода/вывода в соответствующем разделе

4

пособия предложения этого вида можно рассматривать как “волшебные” заклинания, в
результате которых в окошке консольного приложения появляются
последовательности выводимых символов.

Введение

Обзор .NET. Основные понятия

ПЛАТФОРМА – в контексте информационных технологий – среда, обеспечивающая
выполнение программного кода. Платформа определяется характеристиками
процессоров, особенностями операционных систем.

Framework – это инфраструктура среды выполнения программ, нечто, определяющее
особенности разработки и выполнения программного кода на данной платформе.
Предполагает средства организации взаимодействия с операционной системой и
прикладными программами, методы доступа к базам данных, средства поддержки
распределенных (сетевых) приложений, языки программирования, множества базовых
классов, унифицированные интерфейсы пользователя, парадигмы программирования.

Microsoft .NET – платформа.

.NET Framework – инфраструктура платформы Microsoft .NET. Включает следующие
основные компоненты: Common Language Runtime (CLR) и .NET Framework Class
Library (.NET FCL).

CLS (Common Language Specification) – общая спецификация языков
программирования. Это набор конструкций и ограничений, которые являются
руководством для создателей библиотек и компиляторов в среде .NET Framework.
Библиотеки, построенные в соответствии с CLS, могут быть использованы из любого
языка программирования, поддерживающего CLS. Языки, соответствующие CLS (к их
числу относятся языки Visual C# 2.0, Visual Basic, Visual C++), могут интегрироваться
друг с другом. CLS – это основа межъязыкового взаимодействия в рамках платформы
Microsoft .NET.

CLR (Common Language Runtime) – Среда Времени Выполнения или Виртуальная
Машина. Обеспечивает выполнение сборки. Основной компонент .NET Framework.
Под Виртуальной Машиной понимают абстракцию инкапсулированной
(обособленной) управляемой операционной системы высокого уровня, которая
обеспечивает выполнение (управляемого) программного кода.

Управляемый код – программный код, который при своем выполнении способен
использовать службы, предоставляемые CLR. Соответственно, неуправляемый код
подобной способностью не обладает. Об особенностях управляемого кода можно
судить по перечню задач, решение которых возлагается на CLR:

Управление кодом (загрузка и выполнение).
Управление памятью при размещении объектов.

5

Изоляция памяти приложений.
Проверка безопасности кода.
Преобразование промежуточного языка в машинный код.
Доступ к метаданным (расширенная информация о типах).
Обработка исключений, включая межъязыковые исключения.
Взаимодействие между управляемым и неуправляемым кодами (в том числе и
COM-объектами).
Поддержка сервисов для разработки (профилирование, отладка и т.д.).

Короче, CLR – это набор служб, необходимых для выполнения управляемого кода.

Сама CLR состоит из двух главных компонентов: ядра (mscoree.dll) и библиотеки
базовых классов (mscorlib.dll). Наличие этих файлов на диске – верный признак того,
что на компьютере, по крайней мере, была предпринята попытка установки платформы
.NET.

Ядро среды выполнения реализовано в виде библиотеки mscoree.dll. При компоновке
сборки в нее встраивается специальная информация, которая при запуске приложения
(EXE) или при загрузке библиотеки (обращение к DLL из неуправляемого модуля –
вызов функции LoadLibrary для загрузки управляемой сборки) приводит к загрузке и
инициализации CLR. После загрузки CLR в адресное пространство процесса, ядро
среды выполнения производит следующие действия:

находит расположение сборки;
загружает сборку в память;
производит анализ содержимого сборки (выявляет классы, структуры,
интерфейсы);
производит анализ метаданных;
обеспечивает компиляцию кода на промежуточном языке (IL) в
платформозависимые инструкции (ассемблерный код);
выполняет проверки, связанные с обеспечением безопасности;
используя основной поток приложения, передает управление преобразованному в
команды процессора фрагменту кода сборки.

FCL (.NET Framework Class Library) – соответствующая CLS-спецификации объектноориентированная библиотека классов, интерфейсов и системы типов (типов-значений),
которые включаются в состав платформы Microsoft .NET.

Эта библиотека обеспечивает доступ к функциональным возможностям системы и
предназначена служить основой при разработке .NET-приложений, компонент,
элементов управления.

.NET библиотека классов является вторым компонентом CLR.

.NET FCL могут использовать ВСЕ .NET-приложения, независимо от назначения
архитектуры используемого при разработке языка программирования, и в частности:

встроенные (элементарные) типы, представленные в виде классов (на платформе

6

.NET все построено на структурах или классах);
классы для разработки графического пользовательского интерфейса (Windows
Forms);
классы для разработки web-приложений и web-служб на основе технологии
ASP.NET (Web Forms);
классы для разработки XML и Internet-протоколов (FTP, HTTP, SMTP, SOAP);
классы для разработки приложений, работающих с базами данных (ADO .NET) и
многое другое.

.NET-приложение – приложение, разработанное для выполнения на платформе
Microsoft .NET. Реализуется на языках программирования, соответствующих CLS.

MSIL (Microsoft Intermediate Language) – промежуточный язык платформы Microsoft
.NET. Исходные тексты программ для .NET-приложений пишутся на языках
программирования, соответствующих спецификации CLS. Для таких языков может
быть построен преобразователь в MSIL. Таким образом, программы на этих языках
могут транслироваться в промежуточный код на MSIL. Благодаря соответствию CLS,
в результате трансляции программного кода, написанного на разных языках,
получается совместимый IL-код.

Фактически MSIL является ассемблером виртуального процессора.

МЕТАДАННЫЕ – при преобразовании программного кода в MSIL также формируется
блок МЕТАДАННЫХ, который содержит информацию о данных, используемых в
программе. Фактически это наборы таблиц, которые включают в себя информацию о
типах данных, определяемых в модуле (о типах данных, на которые ссылается данный
модуль). Ранее такая информация сохранялась отдельно. Например, приложение могло
включать информацию об интерфейсах, которая описывалась на Interface Definition
Language (IDL). Теперь метаданные являются частью управляемого модуля.

В частности, метаданные используются для:

сохранения информации о типах. При компиляции теперь не требуются
заголовочные и библиотечные файлы. Всю необходимую информацию
компилятор читает непосредственно из управляемых модулей;
верификации кода в процессе выполнения модуля;
управления динамической памятью (освобождение памяти) в процессе
выполнения модуля;
обеспечения динамической подсказки (IntelliSence) при разработке программы
стандартными инструментальными средствами (Microsoft Visual Studio .NET) на
основе метаданных.

Языки, для которых реализован перевод на MSIL:

Visual Basic,
Visual C++,
Visual C# 2.0,

7

и еще много других языков.

Исполняемый модуль – независимо от компилятора (и входного языка) результатом
трансляции .NET-приложения является управляемый исполняемый модуль
(управляемый модуль). Это стандартный переносимый исполняемый (PE – Portable
Executable) файл Windows.

Элементы управляемого модуля представлены в таблице.

Заголовок
PE

Показывает тип файла (например, DLL), содержит временную метку
(время сборки файла), содержит сведения о выполняемом коде

Заголовок
CLR

Содержит информацию для среды выполнения модуля (версию
требуемой среды исполнения, характеристики метаданных, ресурсов и
т.д.). Собственно, эта информация делает модуль управляемым

Метаданные Таблицы метаданных: 1) типы, определенные в исходном коде; 2) типы,

на которые имеются в коде ссылки

IL
Собственно код, который создается компилятором при компиляции
исходного кода. На основе IL в среде выполнения впоследствии
формируется множество команд процессора

Управляемый модуль содержит управляемый код.

Управляемый код – это код, который выполняется в среде CLR. Код строится на основе
объявляемых в исходном модуле структур и классов, содержащих объявления методов.
Управляемому коду должен соответствовать определенный уровень информации
(метаданных) для среды выполнения. Код C#, Visual Basic, и JScript является
управляемым по умолчанию. Код Visual C++ не является управляемым по умолчанию,
но компилятор может создавать управляемый код, для этого нужно указать аргумент в
командной строке(/CLR). Одной из особенностей управляемого кода является наличие
механизмов, которые позволяют работать с УПРАВЛЯЕМЫМИ ДАННЫМИ.

Управляемые данные – объекты, которые в ходе выполнения кода модуля
размещаются в управляемой памяти (в управляемой куче) и уничтожаются сборщиком
мусора CLR. Данные C#, Visual Basic и JScript .NET являются управляемыми по
умолчанию. Данные C# также могут быть помечены как неуправляемые.

Сборка (Assembly) – базовый строительный блок приложения в .NET Framework.
Управляемые модули объединяются в сборки. Сборка является логической
группировкой одного или нескольких управляемых модулей или файлов ресурсов.
Управляемые модули в составе сборок исполняются в Среде Времени Выполнения
(CLR). Сборка может быть либо исполняемым приложением (при этом она
размещается в файле с расширением .exe), либо библиотечным модулем (в файле с
расширением .dll). При этом ничего общего с обычными (старого образца!)
исполняемыми приложениями и библиотечными модулями сборка не имеет.

Декларация сборки (Manifest) – составная часть сборки. Это еще один набор таблиц
метаданных, который:

8

идентифицирует сборку в виде текстового имени, ее версию, культуру и
цифровую сигнатуру (если сборка распределяется среди приложений);
определяет входящие в состав файлы (по имени и хэшу);
указывает типы и ресурсы, существующие в сборке, включая описание тех,
которые экспортируются из сборки;
перечисляет зависимости от других сборок;
указывает набор прав, необходимых сборке для корректной работы.

Эта информация используется в период выполнения для поддержки корректной работы
приложения.

Процессор НЕ МОЖЕТ выполнять IL-код. Перевод IL-кода осуществляется JITкомпилятором (Just In Time – в нужный момент), который активизируется CLR по мере
необходимости и выполняется процессором. При этом результаты деятельности JITкомпилятора сохраняются в оперативной памяти. Между фрагментом
оттранслированного IL-кода и соответствующим блоком памяти устанавливается
соответствие, которое в дальнейшем позволяет CLR передавать управление командам
процессора, записанным в этом блоке памяти, минуя повторное обращение к JITкомпилятору.

В среде CLR допускается совместная работа и взаимодействие компонентов
программного обеспечения, реализованных на различных языках программирования.

На основе ранее сформированного блока метаданных CLR обеспечивает
ЭФФЕКТИВНОЕ взаимодействие выполняемых .NET-приложений.

Для CLR все сборки одинаковы, независимо от того, на каких языках
программирования они были написаны. Главное – это чтобы они соответствовали CLS.
Фактически CLR разрушает границы языков программирования (cross-language
interoperability). Таким образом, благодаря CLS и CTS, .NET-приложения оказываются
приложениями на MSIL (IL).

CLR берет на себя решение многих проблем, которые традиционно находились в зоне
особого внимания разработчиков приложений. К числу функций, выполняемых CLR,
относятся:

Проверка и динамическая (JIT) компиляция MSIL-кода в команды процессора.
Управление памятью, процессами и потоками.
Организация взаимодействия процессов.
Решение проблем безопасности (в рамках существующей в системе политики
безопасности).

9

Структура среды выполнения CLR (основные функциональные элементы среды)
представлена на рисунке.

Строгий контроль типов, в частности, предполагает проверку соответствия типа
объекта диапазону значений, которые могут быть присвоены данному объекту.

Защита .NET (безопасность) строится поверх системы защиты операционной системы
компьютера. Она не дает пользователю или коду делать то, что делать не позволено, и
накладывает ограничения на выполнение кода. Например, можно запретить доступ
некоторым секциям кода к определенным файлам.

Функциональные блоки CLR Code Manager и Garbage Collector работают совместно:
Code Manager обеспечивает размещение объектов в управляемой памяти, Garbage
Collector – освобождает управляемую память.

Exception Manager включает следующие компоненты:

finally handler (обеспечивает передачу управления в блок finally);
fault handler (включается при возникновении исключения);
type-filtered handler (обеспечивает выполнение кода соответствующего блока
обработки исключения);
user-filtered handler (выбор альтернативного блока исключения).

Ниже представлена схема выполнения .NET-приложения в среде CLR.

10