Основи платформи .NET

ВСТУП

Навчальний посібник призначений для поглибленого вивчення студентами об’єктно-орієнтованого програмування на мові C# - однієї з найперспективніших сучасних мов програмування. У даному посібнику, який представляє першу частину вивчення дисципліни "Розробка програм на платформі.NET" дається класична основа мови C# на прикладі консольних додатків. У наступному посібнику будуть розглянуті windows-додатки.

Окрім конструкцій мови розглядаються основні структури даних, які використовуються при написанні програм, класи бібліотеки, а також рекомендації по стилю і технології програмування. По ключових темах приводяться завдання для лабораторних робіт, кожна з яких містить до двадцяти однотипних варіантів з розрахунку на учбову групу студентів.

Мова С# як засіб навчання програмуванню володіє рядом безперечних переваг. Вона добре організована, строга, більшість її конструкцій логічні і зручні. Розвинені засоби діагностики і редагування коду роблять процес програмування приємним і ефективним. Могутня бібліотека класів платформи.NET бере на себе масу рутинних операцій, що дає можливість вирішувати складніші завдання.

Важливо, що С# є не учбовою, а професійною мовою, призначеною для вирішення широкого спектру завдань, і насамперед - в області створення розподілених застосувань, що швидко розвиваються. Тому базовий курс програмування, побудований на основі мови С#, дозволить студентам швидше стати затребуваними фахівцями - професіоналами.

РОЗДІЛ 1. ОСНОВИ ПЛАТФОРМИ.NET

Програма створюється на мові, зрозумілій людині, а комп'ютер вміє виконувати тільки програми, написані на його мові - в машинних кодах. Сукупність засобів, за допомогою яких програми пишуть, коригують, перетворюють в машинні коди, налагоджують і запускають, називають середовищем розробки, або оболонкою. Середовище розробки зазвичай містить:

§ текстовий редактор, призначений для введення і коригування тексту програми;

§ компілятор, за допомогою якого програма перекладається з мови, на якій вона написана, в машинні коди;

§ засоби налагодження і запуску програм;

§ загальні бібліотеки;

§ довідкову систему та інші елементи.

Під платформою розуміється щось більше, ніж середовище розробки для однієї мови. Платформа.NET включає не тільки середовище розробки для декількох мов програмування, яка називається Visual Studio.NET, але і багато інших засобів, наприклад, механізми підтримки баз даних, електронної пошти та комерції.

В епоху стрімкого розвитку Інтернету - глобальної інформаційної мережі, що об'єднує комп'ютери різних архітектур, найважливішими завданнями при створенні програм стають:

§ переносимість - можливість виконання на різних типах комп'ютерів;

§ безпека - неможливість несанкціонованих дій;

§ надійність - здатність виконувати необхідні функції у визначених умовах;

§ середній інтервал між відмовами;

§ використання готових компонентів - для прискорення розробки;

§ міжмовна взаємодія - можливість застосовувати тимчасово кілька мов програмування.

Платформа.NET дозволяє успішно вирішувати всі ці задачі. Для забезпечення переносимості компілятори, що входять до складу платформи, переводять програму не в машинні коди, а в проміжну мову (Microsoft Intermediate Language, MSIL, або просто IL), яка не містить команд, що залежать від мови, операційної системи і типу комп'ютера. Програма цією мовою виконується не самостійно, а під управлінням системи, яка називається загальномовним середовищем виконання (Common Language Runtime, CLR).

Середовище CLR може бути реалізоване для будь-якої операційної системи. При виконанні програми CLR викликає так званий JIT-компілятор, що переводить код з мови IL в машинні команди конкретного процесора, які негайно виконуються. JIT означає «just in time», що можна перевести як «вчасно», тобто компілюються тільки ті частини програми, які потрібно виконати в даний момент. Кожна частина програми компілюється один раз і зберігається в кеші для подальшого використання. Схема виконання програми при використанні платформи.NET наведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема виконання програми в.NET

Компілятор як результат свого виконання створює так звану збірку - файл з розширенням ехе або dll, який тримає код на мові IL і метадані. Метадані – це відомості про об'єкти, що використовуються в програмі, а також відомості про саму збірку. Вони дозволяють організувати міжмовну взаємодію, забезпечують безпеку і полегшують розгортання додатків, тобто установку програм на комп'ютерах користувачів. Збірка може складатися з декількох модулів. У будь-якому випадку вона являє собою програму, готову для установки і не вимагає для цього ні додаткової інформації, ні складної послідовності дій. Кожна збірка має унікальне ім'я.

Під час роботи програми CLR стежить за тим, щоб виконувались тільки дозволені операції, здійснює розподіл та очищення пам'яті і обробляє помилки. Це багатократно підвищує безпеку і надійність програм.

Платформа. NET містить величезну бібліотеку класів, які можна використовувати при програмуванні на будь-якій мові. NET. Загальна структура бібліотеки наведена на рис. 1.2. Бібліотека має декілька рівнів. На самому нижньому знаходяться базові класи середовища, які використовуються при створенні будь-якої програми: класи введення-виведення, обробки рядків, управління безпекою, графічного інтерфейсу користувача, зберігання даних і т.п.

Рис. 1.2. Структура платформи.NET

Над цим шаром знаходиться набір класів, що дозволяє працювати з базами даних і XML. Класи самого верхнього рівня підтримують розробку розподілених застосувань, а також Web і Windows-додатків. Програма може використовувати класи будь-якого рівня.

Докладне вивчення бібліотеки класів.NET необхідне, але і найбільш трудомістке завдання програміста при освоєнні цієї платформи. Бібліотека класів разом з CLR утворюють каркас (Framework), тобто основу платформи. Призначення решти частин платформи ми розглянемо у міру вивчення матеріалу. Платформа.NET розрахована на об'єктно-орієнтовану технологію створення програм, тому перш ніж починати вивчення мови С#, необхідно познайомитися з основними поняттями об'єктно-орієнтованого програмування (ООП).

1.2. Загальні відомості об'єктно-орієнтованого програмування

Для тих, хто вивчав мову С++ підрозділи 1.2, 1.3 можна було б пропустити. Проте для узагальнення знань по ООП пропонуємо ці підрозділи прочитати. Принципи ООП найпростіше зрозуміти на прикладі програм моделювання. На реальному світі кожен предмет або процес володіє набором статичних і динамічних характеристик, іншими словами, властивостями і поведінкою. Поведінка об'єкту залежить від його стану і зовнішніх дій. Наприклад, об'єкт “автомобіль” нікуди не поїде, якщо в баку немає бензину, а якщо повернути кермо, зміниться положення коліс.

Поняття об'єкту в програмі збігається з буденним сенсом цього слова: об'єкт представляється як сукупність даних, що характеризують його стан, і функцій їх обробки, що моделюють його поведінку. Виклик функції на виконання часто називають посилкою повідомлення об'єкту. Наприклад, виклик функції “повернути кермо” інтерпретується як посилка повідомлення “автомобіль”, поверни кермо!”.

При створенні об'єктно-орієнтованої програми наочна область представляється у вигляді сукупності об'єктів. Виконання програми полягає в тому, що об'єкти обмінюються повідомленнями. Це дозволяє використовувати при програмуванні поняття, що адекватніше відображають наочну область.

При представленні реального об'єкту необхідно виділити його особливості. Їх список залежить від мети моделювання. Наприклад, об'єкт “щур” з погляду біолога, що вивчає міграції, ветеринара або, скажімо, кухаря матиме абсолютно різні характеристики. Виділення істотних з тієї або іншої точки зору властивостей називається абстрагуванням. Таким чином, програмний об'єкт - це абстракція.

Важливою властивістю об'єкту є його відособленість. Деталі реалізації об'єкту, тобто внутрішні структури даних і алгоритми їх обробки, приховані від користувача об'єкту і недоступні для ненавмисних змін. Об'єкт використовується через його інтерфейс - сукупність правил доступу. Приховування деталей реалізації називається інкапсуляцією (від слова “капсула”). Нічого складного в цьому понятті немає: адже і в звичайному житті ми користуємося об'єктами через їх інтерфейси. Скільки інформації довелося б тримати в голові, якби для перегляду новин треба було знати пристрій телевізора.

Таким чином, об'єкт є “чорним ящиком”, замкнутим по відношенню до зовнішнього світу. Це дозволяє представити програму в укрупненому вигляді - на рівні об'єктів і їх взаємозв'язків, а отже, управляти великим об'ємом інформації і успішно відладити складні програми.

Сказане можна сформулювати коротше і строго: об'єкт - це інкапсульована абстракція з чітко певним інтерфейсом.

Інкапсуляція дозволяє змінити реалізацію об'єкту без модифікації основної частини програми, якщо його інтерфейс залишився тим самим. Простота модифікації є дуже важливим критерієм якості програми, адже будь-який програмний продукт протягом свого життєвого циклу зазнає безліч змін і доповнень.

Крім того, інкапсуляція дозволяє використовувати об'єкт в іншому оточенні і бути упевненою, що він не зіпсує області пам'яті, що не належать йому, а також створювати бібліотеки об'єктів для застосування в багатьох програмах.

Щороку в світі пишеться величезна кількість нових програм, і найважливішого значення набуває можливість багатократного використання коду. Перевага об'єктно-орієнтованого програмування полягає в тому, що для об'єкту можна визначити спадкоємців, що коректують або доповнюють його поведінку. При цьому немає необхідності не тільки повторювати початковий код батьківського об'єкту, але навіть мати до нього доступ.

Спадкоємство є щонайпотужнішим інструментом ООП і застосовується для наступних взаємозв'язаних цілей:

§ виключення з програми фрагментів коду, що повторюються;

§ спрощення модифікації програми;

§ спрощення створення нових програм на основі тих, що існують.

Крім того, тільки завдяки спадкоємству з'являється можливість використовувати об'єкти, початковий код яких недоступний, але в яких потрібно внести зміни.

Спадкоємство дозволяє створювати ієрархії об'єктів. Ієрархія представляється у вигляді дерева, в якому більш загальні об'єкти розташовуються ближче до кореню, а більш спеціалізовані - на гілках і листках. Спадкоємство полегшує використання бібліотек об'єктів, оскільки програміст може узяти за основу об'єкти, розроблені якимось іншим, і створити спадкоємців з необхідними властивостями.

Об'єкт, на підставі якого будується новий об'єкт, називається батьківським об'єктом, об'єктом-предком, базовим класом, а успадкований від нього об'єкт - нащадком, підкласом, або похідним класом.

ООП дозволяє писати гнучкі, розширювані і читабельні програми. Багато в чому це забезпечується завдяки поліморфізму, під яким розуміється можливість під час виконання програми за допомогою одного і того ж імені виконувати різні дії або звертатися до об'єктів різного типу. Найчастіше поняття поліморфізму пов'язують з механізмом віртуальних методів, який ми розглянемо нижче.

Переваги ООП:

§ використання при програмуванні понять, близьких до наочної області;

§ можливість успішно управляти великими об'ємами коду завдяки інкапсуляції, тобто приховуванню деталей реалізації об'єктів і спрощенню структури програми;

§ можливість багатократного використання коду за рахунок спадкоємства;

§ порівняно проста можливість модифікації програм;

§ можливість створення і використання бібліотек об'єктів.

Ці переваги особливо явно виявляються при розробці програм великого об'єму і класів програм. Проте ніщо не дається дарма: створення об'єктно-орієнтованої програми є непростим завданням, оскільки вимагає розробки ієрархії об'єктів, а погано спроектована ієрархія може звести до нуля всі переваги об'єктно-орієнтованого підходу. Крім того, ідеї ООП не прості для розуміння і особливо для практичного застосування. Щоб ефективно використовувати готові об'єкти з бібліотек, необхідно освоїти великий об'єм достатньо складної інформації. Безграмотне застосування ООП приводить до створення надмірно складних програм, які неможливо відладити і удосконалити.

Дата добавления: 2014-12-27