Введение в C#: классы

Введение в C#: классы 

Вадим Бодров

Система классов играет важную роль в современных языках программирования. Как же они реализованы в новом языке C#, созданном корпорацией Microsoft, и зачем нужно изучать С#?

Ответы на эти вопросы зависят от того, как вы собираетесь работать дальше. Если вы хотите создавать приложения для платформы .NET, то вам, скорее всего, не удастся избежать изучения C#. Конечно, можно использовать и Си++, и Visual Basic или любой язык программирования, тем более что независимыми разработчиками создаются трансляторы с APL, Кобола, Eiffel, Haskell, Оберона, Smalltalk, Perl, Python, Паскаля и др. Однако для компилятора, способного генерировать приложения среды .NET CLR (Common Language Runtime), только C# является «родным» языком. Он полностью соответствует идеологии .NET и позволяет наиболее продуктивно работать в среде CLR. В свое время для использования виртуальной машины Java было создано множество так называемых «переходников» (bridges) c различных языков программирования, в частности PERCobol, JPython, Eiffel-to-JavaVM System, Tcl/Java и т.д. Подобные разработки так и не получили должного распространения. Практика показала, что значительно проще изучить новый язык, чем вводить дополнительные расширения в менее подходящую для данных целей систему программирования. И не надо быть провидцем, чтобы утверждать, что бо,льшая часть программистов, создающих приложения для платформы .NET, отдаст предпочтение именно языку C#.

C# является языком объектно-ориентированного программирования, поэтому классы играют в нем основополагающую роль. Более того, все типы данных C#, как встроенные, так и определенные пользователем, порождены от базового класса object. Иными словами, в отличие от Java, где примитивные типы данных отделены от объектных типов, все типы данных в C# являются классами и могут быть разделены на две группы:

ссылочные (reference types); 

обычные (value types).

Внешне ссылочные и обычные типы очень похожи, так как аналогично Cи++ в них можно объявлять конструкторы, поля, методы, операторы и т.д. Однако, в отличие от Cи++, обычные типы в C# не позволяют определять классы и не поддерживают наследования. Они описываются с помощью ключевого слова struct и в основном используются для создания небольших объектов. Ссылочные же типы описываются с помощью ключевого слова class и являются указателями, а экземпляры таких типов ссылаются на объект, находящийся в куче (heap). Продемонстрируем сказанное на примере:

using System;

class CValue

{

public int val;

public CValue(int x) {val = x;}

}

class Example_1

{

public static void Main()

{

CValue p1 = new CValue(1);

CValue p2 = p1;

Console.WriteLine(”p1 = {0}, p2 = {1}”,

p1.val, p2.val);

p2.val = 2;

Console.WriteLine(”p1 = {0}, p2 = {1}”,

p1.val, p2.val);

}

}

Откомпилировав и выполнив программу, получим следующий результат:

p1 = 1, p2 = 1

p1 = 2, p2 = 2

Как нетрудно видеть, p2 является всего лишь ссылкой на p1. Тем самым становится очевидно, что при изменении поля val экземпляра класса p2 в действительности изменяется значение соответствующего поля p1. Подобный подход не очень удобен при работе с примитивными типами данных, которые должны содержать само значение, а не ссылку на него (Complex, Point, Rect, FileInfo и т.д.). Для описания таких объектов и предназначены типы значений:

using System;

struct SValue

{

public int val;

public SValue(int x) {val = x;}

}

class Example_2

{

public static void Main()

{

SValue p1 = new SValue(1);

SValue p2 = p1;

Console.WriteLine(”p1 = {0}, p2 = {1}”,

p1.val, p2.val);

p2.val = 2;

Console.WriteLine(”p1 = {0}, p2 = {1}”,

p1.val, p2.val);

}

}

Вот что получится после запуска вышеприведенной программы:

p1 = 1, p2 = 1

p1 = 1, p2 = 2

Из этого следует, что экземпляр класса p2 является самостоятельным объектом, который содержит собственное поле val, не связанное с p1. Использование обычных типов позволяет избежать дополнительного расходования памяти, поскольку не создаются дополнительные ссылки, как в случае с экземплярами классов. Конечно, экономия невелика, если у вас имеется всего несколько небольших объектов типа Complex или Point. Зато для массива, содержащего несколько тысяч таких элементов, картина может в корне измениться. В таблице приведены основные отличия типов class и struct.

Интерфейсы

Классы в языке C# претерпели довольно серьезные изменения по сравнению с языком программирования Cи++, который и был взят за основу. Первое, что бросается в глаза, это невозможность множественного наследования. Такой подход уже знаком тем, кто пишет на языках Object Pascal и Java, а вот программисты Cи++ могут быть несколько озадачены. Хотя при более близком рассмотрении данное ограничение уже не кажется сколь-нибудь серьезным или непродуманным. Во-первых, множественное наследование, реализованное в Cи++, нередко являлось причиной нетривиальных ошибок. (При том что не так уж часто приходится описывать классы с помощью множественного наследования.) Во-вторых, в C#, как и в диалекте Object Pascal фирмы Borland, разрешено наследование от нескольких интерфейсов.

Интерфейсом в C# является тип ссылок, содержащий только абстрактные элементы, не имеющие реализации. Непосредственно реализация этих элементов должна содержаться в классе, производном от данного интерфейса (вы не можете напрямую создавать экземпляры интерфейсов). Интерфейсы C# могут содержать методы, свойства и индексаторы, но в отличие, например, от Java, они не могут содержать константных значений. Рассмотрим простейший пример использования интерфейсов:

using System;

class CShape

{

bool IsShape() {return true;}

}

interface IShape

{

double Square();

}

class CRectangle: CShape, IShape

{

double width;

double height;

public CRectangle(double width, double height)

{

this.width = width;

this.height = height;

}

public double Square()

{

return (width * height);

}

}

class CCircle: CShape, IShape

{

double radius;

public CCircle(double radius)

{

this.radius = radius;

}

public double Square()

{

return (Math.PI * radius * radius);

}

}

class Example_3

{

public static void Main()

{

CRectangle rect = new CRectangle(3, 4);

CCircle circ = new CCircle(5);

Console.WriteLine(rect.Square());

Console.WriteLine(circ.Square());

}

}

Оба объекта, rect и circ, являются производными от базового класса CShape и тем самым они наследуют единственный метод IsShape(). Задав имя интерфейса IShape в объявлениях CRectangle и CCircle, мы указываем на то, что в данных классах содержится реализация всех методов интерфейса IShape. Кроме того, члены интерфейсов не имеют модификаторов доступа. Их область видимости определяется непосредственно реализующим классом.

Свойства

Рассматривая классы языка C#, просто нельзя обойти такое «новшество», как свойства (properties). Надо сказать, что здесь чувствуется влияние языков Object Pascal и Java, в которых свойства всегда являлись неотъемлемой частью классов. Что же представляют собой эти самые свойства? С точки зрения пользователя, свойства выглядят практически так же, как и обычные поля класса. Им можно присваивать некоторые значения и получать их обратно. В то же время свойства имеют бо,льшую функциональность, так как чтение и изменение их значений выполняется с помощью специальных методов класса. Такой подход позволяет изолировать пользовательскую модель класса от ее реализации. Поясним данное определение на конкретном примере:

using System;

using System.Runtime.InteropServices;

class Screen

{

[DllImport(”kernel32.dll”)]

static extern bool SetConsoleTextAttribute(

int hConsoleOutput, ushort wAttributes

);

[DllImport(”kernel32.dll”)]

static extern int GetStdHandle(

uint nStdHandle

);

const uint STD_OUTPUT_HANDLE = 0x0FFFFFFF5;

static Screen()

{

output_handle = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);

m_attributes  = 7;

}

public static void PrintString(string str)

{

Console.Write(str);

}

public static ushort Attributes

{

get

{

return m_attributes;

}

set

{

m_attributes = value;

SetConsoleTextAttribute(output_handle, value);

}

}

private static ushort m_attributes;

private static int    output_handle;

}

class Example_4

{

public static void Main()

{

for (ushort i = 1; i < 8; i++)

{

Screen.Attributes = i;

Screen.PrintString(”Property Demo

”);

}

}

}

Программа выводит сообщение «Property Demo», используя различные цвета символов (от темно-синего до белого). Давайте попробуем разобраться в том, как она работает. Итак, сначала мы импортируем важные для нас функции API-интерфейса Windows: SetConsoleTextAttribute и GetStdHandle. К сожалению, стандартный класс среды .NET под названием Console не имеет средств управления цветом вывода текстовой информации. Надо полагать, что корпорация Microsoft в будущем все-таки решит эту проблему. Пока же для этих целей придется воспользоваться службой вызова платформы PInvoke (обратите внимание на использование атрибута DllImport). Далее, в конструкторе класса Screen мы получаем стандартный дескриптор потока вывода консольного приложения и помещаем его значение в закрытую переменную output_handle для дальнейшего использования функцией SetConsoleTextAttribute. Кроме этого, мы присваиваем другой переменной m_attributes начальное значение атрибутов экрана (7 соответствует белому цвету символов на черном фоне). Заметим, что в реальных условиях стоило бы получить текущие атрибуты экрана с помощью функции GetConsoleScreenBufferInfo из набора API-интерфейса Windows. В нашем же случае это несколько усложнило бы пример и отвлекло от основной темы.

В классе Screen мы объявили свойство Attributes, для которого определили функцию чтения (getter) и функцию записи (setter). Функция чтения не выполняет каких-либо специфических действий и просто возвращает значение поля m_attributes (в реальной программе она должна бы возвращать значение атрибутов, полученное с помощью все той же GetConsoleScreenBufferInfo). Функция записи несколько сложнее, так как кроме тривиального обновления значения m_attributes она вызывает функцию SetConsoleTextAttribute, устанавливая заданные атрибуты функций вывода текста. Значение устанавливаемых атрибутов передается специальной переменной value. Обратите внимание на то, что поле m_attributes является закрытым, а стало быть, оно не может быть доступно вне класса Screen. Единственным способом чтения и/или изменения этого метода является свойство Attributes.

Свойства позволяют не только возвращать и изменять значение внутренней переменной класса, но и выполнять дополнительные функции. Так, они позволяют произвести проверку значения или выполнить иные действия, как показано в вышеприведенном примере.

В языке C# свойства реализованы на уровне синтаксиса. Более того, рекомендуется вообще не использовать открытых полей классов. На первый взгляд, при таком подходе теряется эффективность из-за того, что операции присваивания будут заменены вызовами функций getter и setter. Отнюдь! Среда .NET сгенерирует для них соответствующий inline-код.

Делегаты

Язык программирования C# хотя и допускает, но все же не поощряет использование указателей. В некоторых ситуациях бывает особенно трудно обойтись без указателей на функции. Для этих целей в C# реализованы так называемые делегаты (delegates), которые иногда еще называют безопасными аналогами указателей на функцию. Ниже приведен простейший пример использования метода-делегата:

using System;

delegate void MyDelegate();

class Example_5

{

static void Func()

{

System.Console.WriteLine(«MyDelegate.Func()»);

}

public static void Main()

{

MyDelegate f = new MyDelegate(Func);

f();

}

}

Помимо того что делегаты обеспечивают типовую защищенность, а следовательно, и повышают безопасность кода, они отличаются от обычных указателей на функции еще и тем, что являются объектами, производными от базового типа System.Delegate. Таким образом, если мы используем делегат для указания на статический метод класса, то он просто связывается с соответствующим методом данного класса. Если же делегат указывает на нестатический метод класса, он связывается уже с методом экземпляра такого класса. Это позволяет избежать нарушения принципов ООП, поскольку методы не могут быть использованы отдельно от класса (объекта), в котором они определены.

Еще одним отличием делегатов от простых указателей на функции является возможность вызова нескольких методов с помощью одного делегата. Рассмотрим это на конкретном примере:

using System;

delegate void MyDelegate(string message);

class Example_6

{

public static void Func1(string message)

{

Console.WriteLine(”{0}: MyDelegate.Func1”, message);

}

public static void Func2(string message)

{

Console.WriteLine(”{0}: MyDelegate.Func2”, message);

}

public static void Main()

{

MyDelegate f1, f2, f3;

f1 = new MyDelegate(Func1);

f2 = new MyDelegate(Func2);

f3 = f1 + f2;

f1(”Calling delegate f1”);

f2(”Calling delegate f2”);

f3(”Calling delegate f3”);

}

}

Откомпилировав и выполнив вышеприведенную программу, получим следующий результат:

Calling delegate f1: MyDelegate.Func1

Calling delegate f2: MyDelegate.Func2

Calling delegate f3: MyDelegate.Func1

Calling delegate f3: MyDelegate.Func2

Из этого следует, что вызов метода-делегата f3, полученного с помощью операции сложения f1 + f2, приводит к последовательному выполнению обоих этих методов. Подобно применению операции сложения с целью объединения делегатов, можно использовать и операцию вычитания, которая, как нетрудно догадаться, выполняет обратное действие.

Способы передачи параметров

Анализируя особенности реализации классов языка C#, хотелось бы уделить внимание и способам передачи параметров метода по ссылке. Иногда возникает потребность в том, чтобы функция возвращала сразу несколько значений. Рассмотрим это на примере программы, вычисляющей квадратный корень:

using System;

class Example_7

{

static int GetRoots(double a, double b, double c,

out double x1, out double x2)

{

double d = b * b - 4 * a * c;

if (d > 0)

{

x1 = -(b + Math.Sqrt(d)) / (2 * a);

x2 = -(b - Math.Sqrt(d)) / (2 * a);

return 2;

} else

if (d == 0)

{

x1 = x2 = -b / (2 * a);

return 1;

} else

{

x1 = x2 = 0;

return 0;

}

}

public static void Main()

{

double x1, x2;

int roots = GetRoots(3, -2, -5, out x1, out x2);

Console.WriteLine(”roots #: {0}”, roots);

if (roots == 2)

Console.WriteLine(”x1 = {0}, x2 = {1}”, x1, x2);

else

if (roots == 1)

Console.WriteLine(”x = {0}”, x1);

}

}

Чтобы функция GetRoots возвращала оба корня уравнения (x1 и x2), мы указали транслятору, что переменные x1 и x2 должны быть переданы по ссылке, применив для этого параметр out. Обратите внимание на то, что нам не обязательно инициализировать переменные x1 и x2 перед вызовом функции GetRoots. Обозначив функцию ключевым словом out, мы добьемся того, что ее аргументы могут использоваться только для возврата какого-то значения, но не для его передачи внутрь функции. Таким образом, подразумевается, что переменная будет инициализирована в теле самой функции. В случае же, если нам по какой-то причине потребуется передать в параметре функции некоторое значение с возможностью его последующего изменения, можно воспользоваться параметром ref. Действие этого параметра очень похоже на действие out, но он позволяет еще и передавать значение параметра телу функции. Второе отличие ключевого слова ref состоит в том, что передаваемый параметр функции должен быть инициализирован предварительно.

Такой метод очень напоминает использование параметра var в списке аргументов функций, принятое в языке программирования Паскаль, и является еще одним отличием от языка Java, где параметры всегда передаются по значению.

Заключение

Язык программирования C#, как и платформа .NET, находится в развитии. В частности, в ближайшее время можно ожидать появления обобщенных шаблонов, которые подобно шаблонам языка Cи++ позволят создавать сильно типизированные классы-коллекции. В любом случае язык программирования C# уже вполне сформировался для того, чтобы его изучить и начать применять в реальных приложениях.

Список литературы

C# Language Specification. Microsoft Corporation, 2000. 

Гуннерсон Э. Введение в C#. СПб.: Питер, 2001. 

Бесплатная версия .NET Framework SDK Beta 1: www.microsoft.com/downloads. 

Обширнейшая информация по платформе .NET: www.gotdotnet.com. 

Официальная конференция по языку C#: news://msnews.microsoft.com/ microsoft.public.dotnet.languages.csharp.

Инструментарий С#

Прежде чем начать работу с языком программирования C#, необходимо установить на компьютере набор инструментальных средств под названием .Net Framework SDK, бета-версия которого доступна для бесплатной загрузки непосредственно c Web-страницы корпорации Microsoft [3]. Кроме того, понадобится хороший текстовый редактор, поддерживающий синтаксически настраиваемый ориентированный режим (syntax highlight) и позволяющий выделять ключевые слова в исходных текстах того или иного языка программирования. Я рекомендую программу SharpDevelop (www.icsharpcode.net), распространяемую независимыми программистами на условиях лицензии GNU. В крайнем случае можно использовать любой редактор, способный работать с исходными текстами на языке Cи/Cи++, или даже обычный текстовый редактор Notepad.

Основные отличия типов struct и class

 

Тип class

Тип struct

Представление экземпляра типа

указатель

значение

Местоположение объекта

куча

стек

Значение по умолчанию

null

заполняется нулями

Результат операции присваивания для экземпляров типа

копируется указатель

копируется сам объект

Базовый тип

встроенный тип string

встроенный тип int

C# и Java

Язык программирования C# часто и небезосновательно сравнивают с Java. Оба языка были созданы для аналогичных целей и имеют много общего, в том числе синтаксис, базирующийся на Cи++. В то же время есть и множество различий, относящихся к базовым типам, классам, способам передачи параметров, реализации интерфейсов и т. д. Основным же несходством между C# и Java является то, что Java-приложения работают со средой Java Frameworks and Runtime, а C#-приложения — со средой .NET Framework and Runtime. В полном объеме концепция .NET будет реализована только в новой операционной системе Windows XP (также известна как Whistler), хотя она уже около года активно продвигается корпорацией Microsoft. Похоже, если вы планируете создавать приложения, совместимые с платформой Microsoft, явно стоит поближе познакомиться с Microsoft .NET. Лучшим же языком для создания .NET-приложений, по утверждению самой корпорации Microsoft, является C#.

От двух до...

Исходный текст любого исполняемого приложения, написанного на языке программирования C#, содержит статический метод Main(), — аналог знакомой программистам Си/Си++ функции main(). Именно с этого метода начинается выполнение программы.

Что же произойдет, если исходный текст будет содержать два или более методов Main(), как показано ниже?

using System;

class SayHello

{

public static void Main()

{

Console.WriteLine(”Hello friend!”);

}

}

class SayBye

{

public static void Main()

{

Console.WriteLine(”Bye, bye...”);

}

}

Разумеется, компиляция этого примера вызовет сообщение об ошибке, так как классы SayHello и SayBye абсолютно «равноправны» с точки зрения транслятора. Процесс компиляции будет прерван. Однако существует специальный ключ компилятора /main, с помощью которого можно указать класс, содержащий нужный нам метод Main(). Вышеприведенный пример, откомпилированный с ключом /main:SayHello, напечатает сообщение:

Hello friend!

Если же откомпилировать тот же самый пример, указав ключ /main:SayBye, то текст будет иным:

Bye, bye...