C# является основным языком разработки про грамм на платформе .NET корпорации Microsoft. В нем удачно сочетаются испытанные средства программирования с самыми последними новше ствами и предоставляется возможность для эффективного и очень практичного написания программ, предназначен ных для вычислительной среды современных предприятий. Это, без сомнения, один из самых важных языков програм мирования XXI века.
Назначение этой главы — представить C# в его истори ческом контексте, упомянув и те движущие силы, которые способствовали его созданию, выработке его конструктив ных особенностей и определили его влияние на другие язы ки программирования. Кроме того, в этой главе поясняется взаимосвязь С# со средой .NET Framework. Как станет ясно из дальнейшего материала, C# и .NET Framework совместно образуют весьма изящную среду программирования.
Языки программирования не существуют в пустоте. Напротив, они тесно связаны друг с другом таким образом, что на каждый новый язык оказывают в той или иной форме влияние его предшественники. Этот процесс сродни перекрестному опылению, в ходе которого свойства одного языка приспосабливаются к другому языку, полезные нововведения внедряются в существующий контекст, а устаревшие конструкции уда ляются. Таким путем развиваются языки программирования и совершенствуется ис кусство программирования. И в этом отношении C# не является исключением.
У языка программирования C# "богатое наследство". Он является прямым наслед ником двух самых удачных языков программирования: С и C++. Он также имеет тесные родственные связи с еще одним языком: Java. Ясное представление об этих взаимосвя зях имеет решающее значение для понимания С#. Поэтому сначала определим, какое место занимает C# среди этих трех языков.
Создание С знаменует собой начало современной эпохи программирования. Язык С был разработан Деннисом Ритчи (Dennis Ritchie) в 1970-е годы для программирова ния на мини-ЭВМ DEC PDP-11 под управлением операционной системы Unix. Несмо тря на то что в ряде предшествовавших языков, в особенности Pascal, был достигнут значительный прогресс, именно С установил тот образец, которому до сих пор следу ют в программировании.
Язык С появился в результате революции в структурном программировании в 1960-е годы. До появления структурного программирования писать большие про граммы было трудно, поскольку логика программы постепенно вырождалась в так на зываемый "макаронный" код — запутанный клубок безусловных переходов, вызовов и возвратов, которые трудно отследить. В структурированных языках программирования этот недостаток устранялся путем ввода строго определенных управляющих операто ров, подпрограмм с локальными переменными и других усовершенствований. Благо даря применению методов структурного программирования сами программы стали более организованными, надежными и управляемыми.
И хотя в то время существовали и другие структурированные языки программи рования, именно в С впервые удалось добиться удачного сочетания эффективности, изящества и выразительности. Благодаря своему краткому, но простому синтаксису в сочетании с принципом, ставившим во главу угла программиста, а не сам язык, С бы стро завоевал многих сторонников. Сейчас уже нелегко представить себе, что С ока зался своего рода "струей свежего воздуха", которого так не хватало программистам. В итоге С стал самым распространенным языком структурного программирования в 1980-е годы.
Но даже у такого достойного языка, как С, имелись свои ограничения. К числу са мых труднопреодолимых его ограничений относится неспособность справиться с боль шими программами. Как только проект достигает определенного масштаба, язык С тут же ставит предел, затрудняющий понимание и сопровождение программ при их последующем разрастании. Конкретный предел зависит от самой программы, про граммиста и применяемых инструментальных средств, тем не менее, всегда существует "порог", за которым программа на С становится неуправляемой.
К концу 1970-х годов масштабы многих проектов приблизились к пределам, с ко торыми уже не могли справиться методики структурного программирования вообще и язык С в частности. Для решения этой проблемы было открыто новое направление в программировании — так называемое объектно-ориентированное программирова ние (ООП). Применяя метод ООП, программист мог работать с более "крупными" программами. Но главная трудность заключалась в том, что С, самый распростра ненный в то время язык, не поддерживал ООП. Стремление к созданию объектно- ориентированного варианта С в конечном итоге привело к появлению C++.
Язык C++ был разработан в 1979 году Бьярне Страуструпом (Bjarne Stroustrup), ра ботавшим в компании Bell Laboratories, базировавшейся в Мюррей-Хилл, шт. Нью- Джерси. Первоначально новый язык назывался "С с классами", но в 1983 году он был переименован в C++. Язык С полностью входит в состав C++, а следовательно, С служит основанием, на котором зиждется C++. Большая часть дополнений, введенных Страу струпом, обеспечивала плавный переход к ООП. И вместо того чтобы изучать совер шенно новый язык, программирующему на С требовалось лишь освоить ряд новых свойств, чтобы воспользоваться преимуществами методики ООП.
В течение 1980-х годов C++ все еще оставался в тени, интенсивно развиваясь, но к на чалу 1990-х годов, когда он уже был готов для широкого применения, его популяр ность в области программирования заметно возросла. К концу 1990-х годов он стал наиболее широко распространенным языком программирования и в настоящее время по-прежнему обладает неоспоримыми преимуществами языка разработки высоко производительных программ системного уровня.
Важно понимать, что разработка C++ не была попыткой создать совершенно новый язык программирования. Напротив, это была попытка усовершенствовать уже суще ствовавший довольно удачный язык. Такой подход к разработке языков программи рования, основанный на уже существующем языке и совершенствующий его далее, превратился в упрочившуюся тенденцию, которая продолжается до сих пор.
Следующим важным шагом в развитии языков программирования стала разработ ка Java. Работа над языком Java, который первоначально назывался Oak (Дуб), началась в 1991 году в компании Sun Microsystems. Главной "движущей силой" в разработке Java был Джеймс Гослинг (James Gosling), но не малая роль в работе над этим языком при надлежит также Патрику Ноутону (Patrick Naughton), Крису Уорту (Chris Warth), Эду Фрэнку (Ed Frank) и Майку Шеридану (Mike Sheridan).
Java представляет собой структурированный, объектно-ориентированный язык с синтаксисом и конструктивными особенностями, унаследованными от C++. Ново введения в Java возникли не столько в результате прогресса в искусстве программи рования, хотя некоторые успехи в данной области все же были, сколько вследствие перемен в вычислительной среде. До появления на широкой арене Интернета боль шинство программ писалось, компилировалось и предназначалось для конкретного процессора и операционной системы. Как известно, программисты всегда стремились повторно использовать свой код, но, несмотря на это, легкой переносимости про грамм из одной среды в другую уделялось меньше внимания, чем более насущным задачам. Тем не менее с появлением Интернета, когда в глобальную сеть связывались разнотипные процессоры и операционные системы, застаревшая проблема перено симости программ вновь возникла с неожиданной остротой. Для решения проблемы переносимости потребовался новый язык, и им стал Java. Самым важным свойством (и причиной быстрого признания) Java является спо собность создавать межплатформенный, переносимый код, тем не менее, интересно отметить, что первоначальным толчком для разработки Java послужил не Интернет, а потребность в независящем от платформы языке, на котором можно было бы раз рабатывать программы для встраиваемых контроллеров. В 1993 году стало очевидно, что вопросы межплатформенной переносимости, возникавшие при создании кода для встраиваемых контроллеров, стали актуальными и при попытке написать код для Интернета. Напомним, что Интернет — это глобальная распределенная вычислитель ная среда, в которой работают и мирно "сосуществуют" разнотипные компьютеры. И в итоге оказалось, что теми же самыми методами, которыми решалась проблема переносимости программ в мелких масштабах, можно решать аналогичную задачу в намного более крупных масштабах Интернета. Переносимость программ на Java достигалась благодаря преобразованию исходно го кода в промежуточный, называемый байт-кодом. Этот байт-код затем выполнялся виртуальной машиной Java (JVM) — основной частью исполняющей системы Java. Та ким образом, программа на Java могла выполняться в любой среде, для которой была доступна JVM. А поскольку JVM реализуется относительно просто, то она сразу же стала доступной для большого числа сред. Применением байт-кода Java коренным образом отличается от С и C++, где исхо дный код практически всегда компилируется в исполняемый машинный код, кото рый, в свою очередь, привязан к конкретному процессору и операционной системе. Так, если требуется выполнить программу на С или C++ в другой системе, ее придется перекомпилировать в машинный код специально для данной вычислительной среды. Следовательно, для создания программы на С или C++, которая могла был выполнять ся в различных средах, потребовалось бы несколько разных исполняемых версий этой программы. Это оказалось бы не только непрактично, но и дорого. Изящным и рен табельным решением данной проблемы явилось применение в Java промежуточного кода. Именно это решение было в дальнейшем приспособлено для целей языка С#. Как упоминалось ранее, Java происходит от С и C++. В основу этого языка положен синтаксис С, а его объектная модель получила свое развитие из C++. И хотя код Java не совместим с кодом С или C++ ни сверху вниз, ни снизу вверх, его синтаксис очень по хож на эти языки, что позволяет большому числу программирующих на С или C++ без особого труда перейти на Java. Кроме того, Java построен по уже существующему об разцу, что позволило разработчикам этого языка сосредоточить основное внимание на новых и передовых его свойствах. Как и Страуструпу при создании C++, Гослингу и его коллегам не пришлось изобретать велосипед, т.е. разрабатывать Java как совершенно новый язык. Более того, после создания Java языки С и C++ стали признанной основой, на которой можно разрабатывать новые языки программирования.
Несмотря на то что в Java успешно решаются многие вопросы переносимости про грамм в среде Интернета, его возможности все же ограничены. Ему, в частности, не достает межъязыковой возможности взаимодействия, называемой также многоязыковым программированием. Это возможность кода, написанного на одном языке, без труда взаимодействовать с кодом, написанным на другом языке. Межъязыковая возможность взаимодействия требуется для построения крупных, распределенных программных систем. Она желательна также для создания отдельных компонентов программ, по скольку наиболее ценным компонентом считается тот, который может быть исполь зован в самых разных языках программирования и в самом большом числе операцио нных сред.
Другой возможностью, отсутствующей в Java, является полная интеграция с плат формой Windows. Несмотря на то что программы на Java могут выполняться в сре де Windows, при условии, что установлена виртуальная машина Java, среды Java и Windows не являются сильно связанными. А поскольку Windows является самой распространенной операционной системой во всем мире, то отсутствие прямой под держки Windows является существенным недостатком Java.
Для удовлетворения этих и других потребностей программирования корпорация Microsoft разработала в конце 1990-х годов язык C# как часть общей стратегии .NET. Впервые он был выпущен в виде альфа-версии в середине 2000 года. Главным разра ботчиком C# был Андерс Хейльсберг — один из ведущих в мире специалистов по язы кам программирования, который может похвалиться рядом заметных достижений в данной области. Достаточно сказать, что в 1980-е годы он был автором очень удачной и имевшей большое значение разработки — языка Turbo Pascal, изящная реализация которого послужила образцом для создания всех последующих компиляторов.
Язык C# непосредственно связан с С, C++ и Java. И это не случайно. Ведь это три са мых широко распространенных и признанных во всем мире языка программирования. Кроме того, на момент создания C# практически все профессиональные программи сты уже владели С, C++ или Java. Благодаря тому что C# построен на столь прочном и понятном основании, перейти на этот язык из С, C++ или Java не представляло особого труда. А поскольку и Хейльсбергу не нужно (да и нежелательно) было изобретать ве лосипед, то он мог сосредоточиться непосредственно на усовершенствованиях и ново введениях в С#.
На рис. 1.1 приведено генеалогическое дерево С#. Предком С# во втором поколении является С, от которого он унаследовал синтаксис, многие ключевые слова и операто ры. Кроме того, C# построен на усовершенствованной объектной модели, определен ной в C++. Если вы знаете С или C++, то будете чувствовать себя уютно и с языком С#.
Рис. 1.1. Генеалогическое дерево C#
Родственные связи C# и Java более сложные. Как пояснялось выше, Java также про исходит от С и C++ и обладает общим с ними синтаксисом и объектной моделью. Как и Java, C# предназначен для получения переносимого кода, но C# не происходит непо средственно от Java. Напротив, C# и Java — это близкие, но не кровные родственники, имеющие общих предков, но во многом отличающиеся друг от друга. Впрочем, если вы знаете Java, то многие понятия C# окажутся вам знакомыми. С другой стороны, если вам в будущем придется изучать Java, то многие понятия, усвоенные в С#, могут быть легко распространены и на Java.
В C# имеется немало новых средств, которые будут подробно рассмотрены на страницах этой книги, но самое важное из них связано со встроенной поддержкой программных компонентов. В действительности C# может считаться компонентно ориентированным языком программирования, поскольку в него внедрена встроен ная поддержка написания программных компонентов. Например, в состав C# входят средства прямой поддержки таких составных частей программных компонентов, как свойства, методы и события. Но самой важной компонентно-ориентированной осо бенностью этого языка, вероятно, является возможность работы в безопасной среде многоязыкового программирования.
С момента выпуска исходной версии 1.0 развитие C# происходило быстро. Вскоре после версии 1.0 корпорация Microsoft выпустила версию 1.1, в которую было внесено немало корректив, но мало значительных возможностей. Однако ситуация совершен но изменилась после выпуска версии C# 2.0.
Появление версии 2.0 стало поворотным моментом в истории развития С#, по скольку в нее было введено много новых средств, в том числе обобщения, частичные типы и анонимные методы, которые основательно расширили пределы возможностей и область применения этого языка, а также повысили его эффективность. После вы пуска версии 2.0 "упрочилось" положение С#. Ее появление продемонстрировало так же приверженность корпорации Microsoft к поддержке этого языка в долгосрочной перспективе.
Следующей значительной вехой в истории развития C# стал выпуск версии 3.0. В связи с внедрением многих новых свойств в версии C# 2.0 можно было ожидать не которого замедления в развитии С#, поскольку программистам требовалось время для их освоения, но этого не произошло. С появлением версии 3.0 корпорация Microsoft внедрила ряд новшеств, совершенно изменивших общее представление о программи ровании. К числу этих новшеств относятся, среди прочего, лямбда-выражения, язык интегрированных запросов (LINQ), методы расширения и неявно типизированные пе ременные. Конечно, все эти новые возможности очень важны, поскольку они оказали заметное влияние на развитие данного языка, но среди них особенно выделяются две: язык интегрированных запросов (LINQ) и лямбда-выражения. Язык LINQ и лямбда- выражения вносят совершенно новый акцент в программирование на C# и еще глубже подчеркивают его ведущую роль в непрекращающейся эволюции языков программи рования.
Текущей является версия C# 4.0, о которой и пойдет речь в этой книге. Эта версия прочно опирается на три предыдущие основные версии С#, дополняя их целым рядом новых средств. Вероятно, самыми важными среди них являются именованные и нео бязательные аргументы. В частности, именованные аргументы позволяют связывать аргумент с параметром по имени. А необязательные аргументы дают возможность указывать для параметра используемый по умолчанию аргумент. Еще одним важным новым средством является тип dynamic, применяемый для объявления объектов, ко торые проверяются на соответствие типов во время выполнения, а не компиляции. Кроме того, ковариантность и контравариантность параметров типа поддерживается благодаря новому применению ключевых слов in и out. Тем, кто пользуется моделью СОМ вообще и прикладными интерфейсами Office Automation API в частности, су щественно упрощен доступ к этим средствам, хотя они и не рассматриваются в этой книге. В целом, новые средства, внедренные в версии C# 4.0, способствуют дальнейшей рационализации программирования и повышают практичность самого языка С#.
Еще два важных средства, внедренных в версии 4.0 и непосредственно связан ных с программированием на С#, предоставляются не самим языком, а средой .NET Framework 4.0. Речь идет о поддержке параллельного программирования с помощью библиотеки распараллеливания задач (TPL) и параллельном варианте языка интегри рованных запросов (PLINQ). Оба эти средства позволяют существенно усовершенство вать и упростить процесс создания программ, в которых применяется принцип парал лелизма. И то и другое средство упрощает создание многопоточного кода, который масштабируется автоматически для использования нескольких процессоров, доступ ных на компьютере. В настоящее время широкое распространение подучили компью теры с многоядерными процессорами, и поэтому возможность распараллеливать вы полнение кода среди всех доступных процессоров приобретает все большее значение практически для всех, кто программирует на С#. В силу этого особого обстоятельства средства TPL и PLINQ рассматриваются в данной книге.
Несмотря на то что C# является самодостаточным языком программирования, у него имеется особая взаимосвязь со средой выполнения .NET Framework. Наличие такой вза имосвязи объясняется двумя причинами. Во-первых, C# первоначально предназначался для создания кода, который должен выполняться в среде .NET Framework. И во-вторых, используемые в C# библиотеки определены в среде .NET Framework. На практике это означает, что C# и .NET Framework тесно связаны друг с другом, хотя теоретически C# можно отделить от среды .NET Framework. В связи с этим очень важно иметь хотя бы самое общее представление о среде .NET Framework и ее значении для С#.
Назначение .NET Framework — служить средой для поддержки разработки и вы полнения сильно распределенных компонентных приложений. Она обеспечивает со вместное использование разных языков программирования, а также безопасность, пе реносимость программ и общую модель программирования для платформы Windows. Что же касается взаимосвязи с С#, то среда .NET Framework определяет два очень важных элемента. Первым из них является общеязыковая среда выполнения (Common Language Runtime — CLR). Это система, управляющая выполнением программ. Среди прочих преимуществ — CLR как составная часть среды .NET Framework поддерживает многоязыковое программирование, а также обеспечивает переносимость и безопасное выполнение программ.
Вторым элементом среды .NET Framework является библиотека классов. Эта би блиотека предоставляет программе доступ к среде выполнения. Так, если требуется выполнить операцию ввода-вывода, например вывести что-нибудь на экран, то для этой цели используется библиотека классов .NET. Для тех, кто только начинает изу чать программирование, понятие класса может оказаться незнакомым. Оно подробно разъясняется далее в этой книге, а пока достаточно сказать, что класс — это объектно- ориентированная конструкция, помогающая организовать программы. Если про грамма ограничивается средствами, определяемыми в библиотеке классов .NET, то такая программа может выполняться везде, где поддерживается среда выполнения .NET. А поскольку в C# библиотека классов .NET используется автоматически, то про граммы на С# заведомо оказываются переносимыми во все имеющиеся среды .NET Framework.
Среда CLR управляет выполнением кода .NET. Действует она по следующему прин ципу. Результатом компиляции программы на C# является не исполняемый код, а файл, содержащий особого рода псевдокод, называемый Microsoft Intermediate Language, MSIL (промежуточный язык Microsoft). Псевдокод MSIL определяет набор переноси мых инструкций, не зависящих от конкретного процессора. По существу, MSIL опреде ляет переносимый язык ассемблера. Следует, однако, иметь в виду, что, несмотря на кажущееся сходство псевдокода MSIL с байт-кодом Java, это все же разные понятия.
Назначение CLR — преобразовать промежуточный код в исполняемый код по ходу выполнения программы. Следовательно, всякая программа, скомпилированная в псевдокод MSIL, может быть выполнена в любой среде, где имеется реализация CLR. Именно таким образом отчасти достигается переносимость в среде .NET Framework.
Псевдокод MSIL преобразуется в исполняемый код с помощью JIT-компилятора. Сокращение JIT означает точно в срок и отражает оперативный характер данного ком пилятора. Процесс преобразования кода происходит следующим образом. При вы полнении программы среда CLR активизирует JIT-компилятор, который преобразует псевдокод MSIL в собственный код системы по требованию для каждой части про граммы. Таким образом, программа на C# фактически выполняется как собственный код, несмотря на то, что первоначально она скомпилирована в псевдокод MSIL. Это означает, что такая программа выполняется так же быстро, как и в том случае, когда она исходно скомпилирована в собственный код, но в то же время она приобретает все преимущества переносимости псевдокода MSIL.
Помимо псевдокода MSIL, при компилировании программы на С# получаются также метаданные, которые служат для описания данных, используемых в программе, а также обеспечивают простое взаимодействие одного кода с другим. Метаданные со держатся в том же файле, что и псевдокод MSIL.
Как правило, при написании программы на C# формируется так называемый управляемый код. Как пояснялось выше, такой код выполняется под управлением среды CLR, и поэтому на него накладываются определенные ограничения, хотя это и дает ряд преимуществ. Ограничения накладываются и удовлетворятся довольно просто: компи лятор должен сформировать файл MSIL, предназначенный для выполнения в среде CLR, используя при этом библиотеку классов .NET, — и то и другое обеспечивается средствами С#. Ко многим преимуществам управляемого кода относятся, в частности, современные способы управления памятью, возможность программирования на раз ных языках, повышение безопасности, поддержка управления версиями и четкая ор ганизация взаимодействия программных компонентов.
В отличие от управляемого кода, неуправляемый код не выполняется в среде CLR. Следовательно, до появления среды .NET Framework во всех программах для Windows применялся неуправляемый код. Впрочем, управляемый и неуправляемый коды мо гут взаимодействовать друг с другом, а значит, формирование управляемого кода в С# совсем не означает, что на его возможность взаимодействия с уже существующими программами накладываются какие-то ограничения.
Несмотря на все преимущества, которые среда CLR дает управляемому коду, для максимального удобства его использования вместе с программами, написанны ми на других языках, он должен подчинятся общеязыковой спецификации (Common Language Specification — CLS), которая определяет ряд общих свойств для разных .NET-совместимых языков. Соответствие CLS особенно важно при создании программ ных компонентов, предназначенных для применения в других языках. В CLS в качестве подмножества входит общая система типов (Common Type System — CTS), в которой определяются правила, касающиеся типов данных. И разумеется, в C# поддерживается как CLS, так и CTS.