Hanspeter Mössenböck ist Professor für Informatik an der Universität Linz und Leiter des Instituts für Systemsoftware. Er beschäftigt sich vor allem mit Programmiersprachen, Compilern und Systemsoftware.
Als ehemaliger Mitarbeiter von Prof. Niklaus Wirth an der ETH Zürich war er Mitglied des Oberon-Teams, in dem ein Pascal-Nachfolger samt innovativem Betriebssystem entwickelt wurde. Ferner ist er Autor des Compiler-Generators Coco/R, der heute weltweit als Public-Domain-Software eingesetzt wird. Neben einem Forschungsaufenthalt bei Sun Microsystems in Kalifornien hatte er Gastprofessuren in Oxford und Budapest inne. Er ist Verfasser der Bücher »Sprechen Sie Java?« und »Objektorientierte Programmierung in Oberon-2« sowie Mitverfasser der Bücher »Die .NET-Technologie« und »Ein Compiler-Generator für Mikrocomputer«.
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Prof. Dr. Hanspeter Mössenböck
Johannes Kepler Universität Linz
Institut für Systemsoftware
Altenbergerstraße 69 · A-4040 Linz
E-Mail: hanspeter.moessenboeck@jku.at
http://ssw.jku.at
Lektorat: Christa Preisendanz
Copy-Editing: Ursula Zimpfer, Herrenberg
Satz: Autor, Birgit Bäuerlein
Herstellung: Stefanie Weidner
Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
ISBN: |
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978-3-86490-631-2 |
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978-3-96088-681-5 |
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ePub |
978-3-96088-682-2 |
Mobi |
978-3-96088-683-9 |
1. Auflage 2019
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Wieblinger Weg 17
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C# und dessen Entwicklung sind untrennbar mit der darunterliegenden Laufzeitumgebung – dem .NET-Framework – verbunden. Denn obwohl es unter .NET eine Vielzahl von Programmiersprachen gibt, nimmt C# als die Implementierungssprache von .NET eine Sonderstellung ein. Das .NET-Framework verfolgt das Ziel, die Entwicklung diverser Anwendungen auf unterschiedlichen Plattformen wie Windows, Linux, macOS, iOS oder Android zu vereinfachen und den Entwickler dabei im Hinblick auf geforderte Qualitätskriterien wie Sicherheit, Performance und Ressourcenbedarf zu unterstützen.
Heute findet man .NET – und damit auch C# – nicht nur auf Desktop- und Serversystemen, sondern auch auf mobilen Geräten, auf Mikrocontrollern, im IoT-Umfeld sowie in Cloud- und Container-basierten Lösungen. Dank des relativ neuen Konzepts der Web Assemblies gibt es sogar bereits erste Ansätze, C# auch für Web-Frontends einzusetzen.
Um dieser Diversität gerecht zu werden, müssen C# und .NET immer wieder an neue Anforderungen angepasst werden. Beispiele dafür sind moderne CPUs, die Entwickler vor die Aufgabe stellen, sich mit parallelen Anwendungen zu beschäftigen, oder SIMD-Technologien für die Beschleunigung spezieller Berechnungen. Aber auch Spezifika bestimmter Geräteklassen (z.B. kleine Geräte mit limitierten Ressourcen versus große Cloud-Anwendungen) oder die zunehmende Verbreitung von Container-Technologien sind zu berücksichtigen. Um diese Weiterentwicklung auf eine breitere Basis zu stellen, werden zahlreiche .NET-Technologien (z.B. der C#-Compiler) im Rahmen der .NET Foundation als Open-Source-Projekte weiterentwickelt. Neben den etablierten Implementierungen von .NET (z.B. das »klassische« .NET-Framework oder Mono), kam es in den letzten Jahren mit .NET Core zu einer vollständigen Neuentwicklung des .NET-Frameworks auf Open-Source-Basis.
Was hat das alles aber mit C# zu tun? Nun, C# wurde so entworfen, dass die Eigenschaften von .NET in dieser Sprache optimal genutzt und Teile von .NET selbst, wie etwa ein Großteil der Klassenbibliothek, in dieser Sprache möglichst einfach implementiert werden können. So ermöglichen zum Beispiel partielle Klassen die effiziente Erweiterung generierter Klassen, Language Integrated Queries (LINQ) erlauben die einfachere parallelisierte Verarbeitung von Daten, und asynchrone Methoden ermöglichen eine bessere Nutzung verfügbarer Ressourcen bzw. die Erstellung benutzerfreundlicherer Anwendungen.
Die Mächtigkeit von C# sowie seine enge Verflechtung mit .NET sind jedoch für manchen Einsteiger ein wenig verwirrend. Genau hier setzt das vorliegende Buch an. Der Autor gibt darin – basierend auf seiner langjährigen Erfahrung mit Programmiersprachen – einen kompakten Überblick über C# für Praktiker. Die Querverweise zu Java sowie zahlreiche Beispiele und Übungsaufgaben mit Musterlösungen ermöglichen ein rasches Einarbeiten in die Materie. Aber auch der Blick hinter die Kulissen der Sprache kommt nicht zu kurz, sodass Leser auch die komplexeren Fähigkeiten der Sprache verstehen und somit sinnvoll in ihren Programmen einsetzen können.
Andreas Schabus
Premier Field Engineer
Microsoft Österreich GmbH
C# ist heute eine der beliebtesten Programmiersprachen, sowohl in der Industrie als auch an Schulen und Universitäten. Als moderne Programmiersprache für Praktiker bietet sie alle relevanten Konzepte der Softwaretechnik wie Typsicherheit, Objektorientierung, Generizität, Parallelität, Ausnahmebehandlung, Versionierung und vieles mehr. Sie enthält auch Elemente funktionaler Sprachen wie Funktionstypen (Delegates), Lambda-Ausdrücke, Tupel, Pattern Matching oder Typinferenz und eignet sich hervorragend zur Implementierung komplexer Softwaresysteme auf Desktops, Servern und mobilen Geräten.
Die aktuelle Version C# 7 brachte wieder einige interessante Neuerungen. Zum Beispiel wurden Tupel eingeführt, die es erlauben, mehrere Datenwerte zu gruppieren, ohne dafür einen eigenen Datentyp deklarieren zu müssen. Damit lassen sich nun zum Beispiel Funktionen mit mehreren Rückgabewerten realisieren. Wie in vielen funktionalen Sprachen gibt es nun auch in C# das Konzept des Pattern Matching, das Fallunterscheidungen bei Typtests und in switch-Anweisungen erleichtert. Ferner dürfen Methoden nun wie in Pascal geschachtelt werden, was eine bessere Strukturierung von Programmen erlaubt und die Lokalität von Variablen fördert. Und schließlich wurde analog zur Parameterübergabe »by reference« auch die Rückgabe von Funktionswerten »by reference« eingeführt, was die Rückgabe großer Objekte effizienter macht.
C# ist eng mit dem .NET-Framework von Microsoft verknüpft, einer Softwareplattform, die mit vielen Problemen der herkömmlichen Windows-Programmierung aufräumt. Obwohl man unter .NET in vielen verschiedenen Sprachen programmieren kann (unter anderem in Visual Basic .NET, in C++, in IronPython oder in F#), ist C# die Hauptsprache, die das .NET-Framework am besten unterstützt und die von .NET am besten unterstützt wird. Wer also unter .NET programmieren will, kommt früher oder später nicht darum herum, C# zu erlernen.
Dieses Buch beschreibt den gesamten Sprachumfang von C# 7 in kompakter Form. Angefangen von den einfachen Datentypen und Anweisungen über die objektorientierte und komponentenbasierte Programmierung bis hin zu Threads, Generizität, Ausnahmebehandlung, Lambda-Ausdrücken, anonymen Typen oder der Verarbeitung von Datenströmen mit SQL-artigen Query-Ausdrücken wird der Leser mit allen Eigenschaften von C# vertraut gemacht. Die einzelnen Sprachelemente werden vorwiegend anhand von Beispielen erklärt. Im Anhang findet sich dann die (etwas vereinfachte) Grammatik von C#, die für jedes Sprachelement seine genaue Syntax angibt.
Keine Programmiersprache kommt heute ohne Klassenbibliothek aus. Deshalb gibt dieses Buch auch einen Überblick über die reichhaltige Klassenbibliothek von .NET. Ferner wird das Buch durch ein Kapitel über Fallstudien abgerundet, das auf die Erstellung grafischer Benutzeroberflächen mittels Windows Forms, auf die Implementierung von Web-Services (Business-to-Business-Dienste im Internet) und die Erstellung dynamischer Webseiten mittels ASP.NET eingeht.
Dieses Buch richtet sich an Praktiker, die bereits eine Programmiersprache wie Java oder C++ beherrschen und C# kennenlernen wollen. Es richtet sich aber auch an Studenten, die C# in fortgeschrittenen Lehrveranstaltungen zum Thema Objektorientierung, Komponentenorientierung, funktionale Sprachelemente oder .NET-Programmierung einsetzen.
Am Ende jedes Kapitels findet man zahlreiche Übungsaufgaben, zu denen es unter http://dotnet.jku.at Musterlösungen gibt. Dadurch ist das Buch auch zum Selbststudium geeignet.
Die Webseite http://dotnet.jku.at enthält auch einen umfangreichen Powerpoint-Foliensatz, den ich für eine Vorlesung über C# erstellt habe und der laufend aktualisiert wird. Der Foliensatz soll anderen Vortragenden helfen, C#-Inhalte in ihren eigenen Unterricht einzubauen oder sogar eine eigene Vorlesung über C# zu halten.
Mein Dank gilt meinen Mitarbeitern an der Johannes Kepler Universität Linz für die zahlreichen Kommentare zu diesem Buch sowie für das Korrekturlesen des Manuskripts. Auch Leserinnen und Leser haben immer wieder mit nützlichen Hinweisen zur Verbesserung früherer Versionen dieses Buchs beigetragen. Danken möchte ich auch den Mitarbeitern von Microsoft in Redmond und in Österreich insbesondere für Vorabinformationen zu neuen Sprachversionen von C#. Ganz besonders möchte ich mich aber für die hervorragende Zusammenarbeit mit dem dpunkt.verlag bedanken. Angefangen vom Lektorat über die Herstellung und den Vertrieb bis zur professionellen Betreuung der Autoren bietet dieser Verlag einfach alles, was sich ein Autor wünschen kann.
Hanspeter Mössenböck
September 2018
1C# und das .NET-Framework
1.1Ähnlichkeiten zwischen C# und Java
1.2Unterschiede zwischen C# und Java
1.3Das .NET-Framework
1.4Übungsaufgaben
2Erste Schritte
2.1Hello World
2.2Gliederung von Programmen
2.3Symbole
2.4Übungsaufgaben
3Typen
3.1Einfache Typen
3.2Enumerationen
3.3Arrays
3.4Strings
3.5Structs
3.6Klassen
3.7object
3.8Boxing und Unboxing
3.9Übungsaufgaben
4Ausdrücke
4.1Arithmetische Ausdrücke
4.2Vergleichsausdrücke
4.3Boolesche Ausdrücke
4.4Bit-Ausdrücke
4.5Shift-Ausdrücke
4.6Überlaufprüfung
4.7typeof
4.8sizeof
4.9Übungsaufgaben
5Deklarationen
5.1Deklarationen in Namensräumen
5.2Deklarationen in Klassen, Structs und Interfaces
5.3Deklarationen in Enumerationstypen
5.4Deklarationen in Blöcken
5.5Übungsaufgaben
6Anweisungen
6.1Leeranweisung
6.2Zuweisung
6.3Methodenaufruf
6.4if-Anweisung
6.5switch-Anweisung
6.6while-Anweisung
6.7do-while-Anweisung
6.8for-Anweisung
6.9foreach-Anweisung
6.10break- und continue-Anweisungen
6.11goto-Anweisung
6.12return-Anweisung
6.13Übungsaufgaben
7Ein-/Ausgabe
7.1Ausgabe auf den Bildschirm
7.2Formatierte Ausgabe
7.3Ausgabe auf eine Datei
7.4Eingabe von der Tastatur
7.5Eingabe von einer Datei
7.6Lesen der Kommandozeilenparameter
7.7Übungsaufgaben
8Klassen und Structs
8.1Sichtbarkeitsattribute
8.2Felder
8.3Methoden
8.4Konstruktoren
8.5Destruktoren
8.6Properties
8.7Indexer
8.8Überladene Operatoren
8.9Kurzform für Methoden
8.10Geschachtelte Typen
8.11Partielle Typen
8.12Partielle Methoden
8.13Statische Klassen
8.14Unterschiede zu Java
8.15Übungsaufgaben
9Vererbung
9.1Deklaration von Unterklassen
9.2Kompatibilität zwischen Klassen
9.3Überschreiben und Verdecken von Elementen
9.4Dynamische Bindung
9.5Konstruktoren in Ober- und Unterklasse
9.6Abstrakte Klassen
9.7Versiegelte Klassen
9.8Die Klasse Object
9.9Übungsaufgaben
10Interfaces
10.1Deklaration und Verwendung von Interfaces
10.2Operationen auf Interfaces
10.3Erweiterung von Interfaces
10.4Namenskonflikte
10.5Interface IDisposable
10.6Übungsaufgaben
11Delegates und Events
11.1Einfache Delegates
11.2Multicast-Delegates
11.3Erzeugen von Delegate-Werten
11.4Ereignisse (Events)
11.5Anonyme Methoden
11.6Übungsaufgaben
12Ausnahmen
12.1try-Anweisung
12.2Ausnahmeklassen
12.3Auslösen von Ausnahmen
12.4Ausnahmen in aufgerufenen Methoden
12.5Ausnahmen in Multicast-Delegates
12.6Übungsaufgaben
13Namensräume und Assemblies
13.1Namensräume
13.2Assemblies
13.2.1Assemblies und Module
13.2.2Versionierung von Assemblies
13.2.3Assemblies versus Namensräume
13.3Übungsaufgaben
14Generische Bausteine
14.1Generische Typen
14.2Constraints
14.3Vererbung bei generischen Typen
14.4Generische Methoden
14.5Generische Delegates
14.6Nullwerte
14.7Ko- und Kontravarianz bei generischen Typen
14.8Was geschieht hinter den Kulissen?
14.9Unterschiede zu Java
14.10Übungsaufgaben
15Threads
15.1Die Klasse Thread
15.2Zustände eines Threads
15.3Abbrechen eines Threads
15.4Thread-Synchronisation
15.5Übungsaufgaben
16Iteratoren
16.1Allgemeine Iteratoren
16.2Spezifische Iteratoren
16.3Übungsaufgaben
17Attribute
17.1Schreibweise von Attributen
17.2Parameter von Attributen
17.3Attribute für spezifische Programmelemente
17.4Attribut Serializable
17.5Attribut Conditional
17.6Attribut DllImport
17.7Deklaration eigener Attribute
17.8Übungsaufgaben
18Dokumentationskommentare
18.1XML-Elemente
18.2Erzeugte XML-Datei
18.3Übungsaufgaben
19Auszug aus der .NET-Klassenbibliothek
19.1Hilfsklassen
19.2Collections
19.3Ein-/Ausgabe
19.4Reflection
19.5Übungsaufgaben
20LINQ
20.1Motivation
20.2Lambda-Ausdrücke
20.3Erweiterungsmethoden
20.4Objektinitialisierer
20.5Anonyme Typen
20.6Query-Ausdrücke
20.7LINQ und XML
20.8Übungsaufgaben
21Asynchrone Methoden und Parallelität
21.1Asynchronität
21.2Tasks
21.3Asynchrone Methoden
21.4Explizite Parallelität
21.5Übungsaufgaben
22Tupel
22.1Tupel-Typen
22.2Zuweisungen
22.3Anwendungen
22.4Zerlegung von Tupeln
22.5Dekonstruktoren für Klassen und Structs
22.6Übungsaufgaben
23Pattern Matching
24Interoperabilität mit COM
24.1COM-Objekte von
24.2.NET-Assemblies von COM aus ansprechen
24.3Übungsaufgaben
25Dynamisch getypte Variablen
25.1Typ dynamic
25.2Operationen auf dynamic-Variablen
26Diverses
26.1Null-fähige Werttypen
26.2Bedingter Zugriff über Referenzen
26.3using static
26.4Geschachtelte Methoden
26.5Rückgabe von Funktionswerten by reference
27Fallstudien
27.1Anwendungen mit grafischer Benutzeroberfläche
27.2Ein Web-Service für Börsenkurse
27.3Dynamische Webseiten mit ASP.NET
27.4Übungsaufgaben
AAnhang
A.1Compileroptionen
A.2Werkzeuge unter .NET
A.2.1ildasm
A.2.2Globaler Assembly-Cache
A.3Grammatik von C#
A.4Unicode und ASCII
Literatur
Index
C# (sprich: see sharp) ist eine von Microsoft entwickelte Programmiersprache für die .NET-Plattform ([HTWG10]). Obwohl man .NET-Programme in ganz verschiedenen Sprachen schreiben kann (unter anderem in C++, Visual Basic, Java, Cobol oder Eiffel), hat Microsoft mit C# eine neue »Haussprache« geschaffen, um damit die Mächtigkeit von .NET voll auszureizen. C# ist eine objektorientierte Sprache, die sich äußerlich stark an Java anlehnt, aber in ihrer Mächtigkeit deutlich darüber hinausgeht. Sie besitzt all jene Eigenschaften, die man benötigt, um Programme nach dem neuesten Stand der Softwaretechnik zu entwickeln.
C# ist keine revolutionäre Sprache. Sie ist vielmehr eine Kombination aus Java, C++ und Visual Basic, wobei man versucht hat, von jeder Sprache die bewährten Eigenschaften zu übernehmen und die komplexen Eigenschaften zu vermeiden. C# wurde von einem kleinen Team unter der Leitung von Anders Hejlsberg entworfen. Hejlsberg ist ein erfahrener Sprachdesigner. Er war bei Borland Chefentwickler von Delphi und ist dafür bekannt, seine Sprachen auf die Bedürfnisse von Praktikern zuzuschneiden.
In diesem Kapitel geben wir einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften von C#. Aufgrund der Ähnlichkeiten zu Java stellen wir dabei die Merkmale von C# denen von Java gegenüber, wobei wir davon ausgehen, dass der Leser bereits programmieren kann und eine Sprache wie Java oder C++ beherrscht. Da man als C#-Entwickler nicht umhinkommt, auch die Grundkonzepte von .NET zu kennen, gehen wir am Ende dieses Kapitels auch kurz auf .NET ein.
Auf den ersten Blick sehen C#-Programme wie Java-Programme aus. Jeder Java-Programmierer sollte daher in der Lage sein, C#-Programme zu lesen. Neben der fast identischen Syntax wurden folgende Konzepte aus Java übernommen:
Auch aus C++ wurden einige Dinge übernommen, zum Beispiel das Überladen von Operatoren, die Zeigerarithmetik in systemnahen Klassen (die als unsafe gekennzeichnet sein müssen) sowie einige syntaktische Details z.B. im Zusammenhang mit Vererbung. Aus Visual Basic stammt beispielsweise die foreach-Schleife.
Neben diesen Ähnlichkeiten weist C# aber wie alle .NET-Sprachen auch einige Merkmale auf, die in Java fehlen:
Schließlich hat C# noch eine ganze Reihe von Eigenschaften, die zwar die Mächtigkeit der Sprache nicht erhöhen, aber bequem zu benutzen sind. Sie fallen unter die Kategorie »syntactic sugar«, d.h., man kann mit ihnen Dinge tun, die man auch in anderen Sprachen realisieren könnte, nur dass es in C# eben einfacher und eleganter geht. Dazu gehören:
Wer in C# programmiert, kommt früher oder später nicht umhin, sich auch in die Grundlagen des .NET-Frameworks einzuarbeiten, für das C# entwickelt wurde. Das .NET-Framework ist eine Schicht, die auf Windows (und später vielleicht auch einmal auf anderen Betriebssystemen) aufsetzt (siehe Abb. 1–1) und vor allem zwei Dinge hinzufügt:
Abb. 1–1Grobarchitektur des .NET-Frameworks
Obwohl .NET von Microsoft entwickelt wurde, basiert es auf offenen Standards. Der ECMA-Standard 335 definiert zum Beispiel die Common Language Runtime und Teile der Klassenbibliothek, der ECMA-Standard 334 beschreibt die Sprache C#, und auch in Web-Services werden allgemeine Standards wie SOAP, WSDL oder UDDI verwendet. Im Rahmen eines Open-Source-Projekts ([Mono]) wurde das .NET-Framework auf Linux portiert, und Microsoft selbst stellt sogar große Teile des Quellcodes der CLR unter dem Namen SSCLI (Shared Source Common Language Infrastructure) zur Verfügung ([SNS03]).
Dieser Abschnitt gibt einen Überblick über die wichtigsten Teile des .NET-Frameworks. Eine ausführlichere Beschreibung findet man zum Beispiel in [BBMW03], [NEGWS12]. oder in [SDKDoc]. Teile der Klassenbibliothek werden in Kapitel 19 beschrieben.
Die Common Language Runtime (CLR) ist die Laufzeitumgebung, unter der .NET-Programme ausgeführt werden und die unter anderem Garbage Collection, Sicherheit und Interoperabilität unterstützt.
Ähnlich wie die Java-Umgebung basiert die CLR auf einer virtuellen Maschine mit einem eigenen Befehlssatz (CIL – Common Intermediate Language), in den die Programme aller .NET-Sprachen übersetzt werden. Unmittelbar vor der Ausführung (just in time) werden CIL-Programme dann in den Code der Zielmaschine (z.B. in Intel-Code) umgewandelt (siehe Abb. 1–2). Der CIL-Code garantiert die Interoperabilität zwischen den verschiedenen Sprachen und die Portabilität des Codes, die JIT-Compilation (just in time compilation) stellt sicher, dass die Programme trotzdem effizient ausgeführt werden.
Damit verschiedene Sprachen zusammenarbeiten können, genügt es aber nicht, sie in CIL-Code zu übersetzen. Es muss auch gewährleistet sein, dass sie die gleiche Art von Datentypen benutzen. Die CLR definiert daher auch ein gemeinsames Typsystem – das Common Type System (CTS), das festlegt, wie Klassen, Interfaces und andere Typen auszusehen haben. Das CTS erlaubt nicht nur, dass eine Klasse, die zum Beispiel in C# implementiert wurde, von einem Visual-Basic-Programm benutzt werden kann; es ist sogar möglich, diese C#-Klasse in Visual Basic durch eine Unterklasse zu erweitern oder eine Ausnahme (exception), die in C# ausgelöst wurde, von einem Programm in einer anderen Sprache behandeln zu lassen.
Abb. 1–2Quellcode, CIL-Code und Maschinencode
Die CLR stellt Mechanismen zur Verfügung, die .NET-Programme sicherer und robuster machen. Dazu gehört zum Beispiel der Garbage Collector, der dafür zuständig ist, den Speicherplatz von Objekten freizugeben, sobald diese nicht mehr benutzt werden. In älteren Sprachen wie C oder C++ ist der Programmierer für die Freigabe von Objekten selbst verantwortlich. Dabei kann es vorkommen, dass er ein Objekt freigibt, das noch von anderen Objekten benutzt wird. Diese Objekte greifen dann »ins Leere« und zerstören fremde Speicherbereiche. Umgekehrt kann es vorkommen, dass ein Programmierer vergisst, Objekte freizugeben, obwohl sie nicht mehr referenziert werden. Diese bleiben dann als Speicherleichen (memory leaks) zurück und verschwenden Platz. Solche Fehler sind schwer zu finden, können aber dank Garbage Collector unter .NET nicht vorkommen.
Wenn ein CIL-Programm geladen und in Maschinencode übersetzt wird, prüft die CLR mittels eines Verifizierers, dass die Typregeln des CTS nicht verletzt werden. Es ist zum Beispiel verboten, eine Zahl als Adresse zu interpretieren und damit auf fremde Speicherbereiche zuzugreifen.
.NET unterstützt komponentenorientierte Softwareentwicklung. Die Komponenten heißen Assemblies und sind die kleinsten Programmbausteine, die separat ausgeliefert werden können. Ein Assembly ist eine Sammlung von Klassen und anderen Ressourcen (z.B. Bildern) und wird entweder als ausführbare EXE-Datei oder als Bibliotheksbaustein in Form einer DLL-Datei (dynamic link library) gespeichert (siehe Abb. 1–3). In manchen Fällen kann ein Assembly auch aus mehreren Dateien bestehen.
Abb. 1–3Vom Compiler erzeugtes Assembly Prog.exe
Jedes Assembly enthält neben Code auch Metadaten, also die Schnittstellenbeschreibung seiner Klassen, Felder, Methoden und sonstigen Programmelemente. Zusätzlich enthält es ein Manifest, das man sich als Inhaltsverzeichnis vorstellen kann. Assemblies sind also selbstbeschreibend und können mittels Reflection vom Lader, Compiler und anderen Werkzeugen analysiert und benutzt werden.
Assemblies dienen auch der Versionierung, d.h., sie haben eine mehrstufige Versionsnummer, die für alle in ihnen enthaltenen Klassen gilt. Wenn eine Klasse übersetzt wird, werden in ihrem Objektcode die Versionsnummern der aus anderen Assemblies benutzten Klassen vermerkt. Der Lader lädt dann jene Assemblies, die der erwarteten Versionsnummer entsprechen. Unter .NET können also mehrere gleichnamige DLLs mit unterschiedlichen Versionsnummern nebeneinander existieren (side by side execution), ohne sich in die Quere zu kommen. Das bedeutet das Ende der »DLL Hell« unter Windows, bei der durch die Installation neuer Software alte DLLs durch gleichnamige neue überschrieben werden konnten und dadurch existierende Software plötzlich nicht mehr funktionierte.
Assemblies müssen auch nicht mehr in die Windows-Registry eingetragen werden. Man kopiert sie einfach ins Applikationsverzeichnis oder in den so genannten Global Assembly Cache und kann sie ebenso einfach wieder entfernen.
Assemblies sind gewissermaßen die Nachfolger von COM-Komponenten. Anders als unter COM (Component Object Model) braucht man Assemblies aber nicht mehr durch eine IDL (Interface Definition Language) zu beschreiben, da sie ja die vollständigen Metadaten enthalten, die der Compiler aus ihrem Quellcode gewonnen hat. Das Common Type System stellt sicher, dass Software, die in unterschiedlichen Sprachen geschrieben wurde, die gleiche Art von Metadaten benutzt und somit binärkompatibel ist. Investitionen in die COM-Technologie sind aber nicht verloren. Es ist möglich, COM-Komponenten von .NET-Klassen aus zu verwenden und umgekehrt (siehe Kapitel 24).
ADO.NET umfasst alle Klassen der .NET-Bibliothek, die für den Zugriff auf Datenbanken und andere Datenquellen (z.B. XML-Dateien) zuständig sind. Es gab bereits eine Vorgängertechnologie namens ADO (ActiveX Data Objects), die jedoch mit ADO.NET nur den Namen gemeinsam hat. ADO.NET ist objektorientiert und somit strukturierter und einfacher zu benutzen.
ADO.NET unterstützt das relationale Datenmodell mit Transaktionen und Sperrmechanismen. Dabei ist es unabhängig von verschiedenen Anbietern und Datenbankarchitekturen. Implementierungen konkreter Datenbankanbindungen an MS SQL Server, OLE DB (Object Linking and Embedding Database) und ODBC (Open Database Connectivity) werden durch gemeinsame Interfaces abstrahiert.
Der Zugriff auf Datenquellen kann verbindungsorientiert oder verbindungslos erfolgen. Im ersten Fall wird eine ständige Verbindung zur Datenquelle aufrechterhalten, im zweiten Fall wird ein Schnappschuss eines Teils der Datenbank in ein DataSet-Objekt geholt und dann lokal weiterverarbeitet. In beiden Fällen greift man auf die Daten in der Regel mittels SQL (Structured Query Language) zu.
ASP.NET ist jener Teil der .NET-Technologie, der die Programmierung dynamischer Webseiten abdeckt. Mit der Vorgängertechnologie ASP (Active Server Pages) hat auch ASP.NET nur den Namen gemeinsam. Das Programmiermodell hat sich grundlegend geändert.
Mit ASP.NET werden Webseiten am Server dynamisch aus aktuellen Daten zusammengestellt und in Form von reinem HTML an Klienten geschickt, wo sie von jedem Web-Browser angezeigt werden können. Im Gegensatz zu ASP wird in ASP.NET ein objektorientiertes Programmiermodell verwendet. Sowohl die Webseite als auch die in ihr vorkommenden GUI-Elemente sind Objekte, die man über einen Namen ansprechen und auf deren Felder und Methoden man in Programmen zugreifen kann. All das geschieht in einer compilierten Sprache wie C# oder Visual Basic .NET und nicht wie in ASP in einer interpretierten Sprache wie Java-Script oder VBScript. Daher hat man auch Zugriff auf die gesamte Klassenbibliothek von .NET.
Die Verarbeitung von Benutzereingaben folgt einem ereignisgesteuerten Modell. Wenn der Benutzer ein Textfeld ausfüllt, einen Button anklickt oder einen Eintrag aus einer Liste wählt, wird ein Ereignis ausgelöst, das dann durch serverseitigen Code behandelt werden kann. Obwohl der Server – wie am Internet üblich – zustandslos ist, wird der Zustand einer Webseite zwischen den einzelnen Benutzeraktionen aufbewahrt, und zwar in der Seite selbst. Das stellt eine wesentliche Erleichterung gegenüber älteren Programmiermodellen dar, bei denen der Programmierer für die Zustandsverwaltung selbst verantwortlich war.
ASP.NET bietet eine reichhaltige Bibliothek von GUI-Elementen, die weit über das hinausgeht, was unter HTML verfügbar ist, obwohl alle GUI-Elemente letztendlich auf HTML abgebildet werden. Der Programmierer hat sogar die Möglichkeit, eigene GUI-Elemente zu implementieren und somit die Benutzeroberfläche von Webseiten seinen speziellen Bedürfnissen anzupassen. Besonders einfach ist die Darstellung von Datenbankabfrageergebnissen in Form von Listen und Tabellen, was von ASP.NET weitgehend automatisiert wird. Eine weitere Neuheit von ASP.NET sind Validatoren, mit denen Benutzereingaben auf ihre Gültigkeit überprüft werden können.
Mit der Entwicklungsumgebung Visual Studio .NET kann man Webseiten interaktiv erstellen, wie man das bei Benutzeroberflächen von Desktop-Anwendungen gewohnt ist. GUI-Elemente können mit der Maus in einem Fenster positioniert werden. Über Menüs und Property-Fenster kann man Attribute setzen und Methoden spezifizieren, die als Reaktion auf Benutzereingaben aufgerufen werden sollen. All das verwischt die Unterschiede zwischen der Programmierung lokaler Desktop-Anwendungen und Internet-Anwendungen und erleichtert zum Beispiel das Erstellen von Web-Shops und tagesaktuellen Informationsseiten (z.B. Börseninformationen). ASP.NET wird in Abschnitt 27.3 näher erklärt.
Web-Services werden von Microsoft als einer der Kernpunkte der .NET-Technologie bezeichnet, obwohl es sie auch außerhalb von .NET gibt. Es handelt sich um Prozedurfernaufrufe (remote procedure calls), die als Protokolle meist HTTP und SOAP (eine Anwendung von XML) benutzen.
Das Internet hat sich als äußerst leistungsfähig und geeignet erwiesen, um auf weltweit verstreute Informationen und Dienste zuzugreifen. Bisher erfolgte dieser Zugriff jedoch meist über Web-Browser. Web-Services sollen nun eine neue Art des Zusammenspiels zwischen verteilten Applikationen ermöglichen, bei denen die Kommunikation ohne Web-Browser abläuft. Normale Desktop-Anwendungen können sich Informationen wie aktuelle Wechselkurse oder Buchungsdaten über ein oder mehrere Web-Services holen, die als Prozeduren auf anderen Rechnern laufen und über das Internet angesprochen werden.
Die Aufrufe und Parameter werden dabei in der Regel mittels SOAP [SOAP] codiert, eines auf XML basierenden Standards, der von den meisten großen Firmen unterstützt wird. Der Programmierer merkt jedoch von all dem nichts. Er ruft einen Web-Service wie eine normale Methode auf, und .NET sorgt dafür, dass der Aufruf nach SOAP umgewandelt, über das Internet verschickt und auf dem Zielrechner wieder decodiert wird. Am Zielrechner wird die gewünschte Methode aufgerufen, die ihre Ergebnisse wieder transparent über SOAP an den Rufer zurückschickt. Der Rufer und die gerufene Methode können dabei in ganz verschiedenen Sprachen geschrieben sein und auf unterschiedlichen Betriebssystemen laufen.
Damit .NET die SOAP-Codierung und Decodierung korrekt durchführen kann, werden Web-Services samt ihren Parametern mittels WSDL (Web Services Description Language [WSDL]) beschrieben. Auch das erledigt .NET automatisch. Web-Services werden in Abschnitt 27.2 dieses Buchs näher erklärt.
Dieses Kapitel beschreibt die Grundstruktur von C#-Programmen sowie ihre Übersetzung und Ausführung mit dem .NET Software Development Kit (SDK). Es zeigt auch, aus welchen Symbolen C#-Programme zusammengesetzt sind.
Wir beginnen mit dem bekannten Hello-World-Programm, das einfach den Text "Hello World" auf dem Bildschirm ausgibt. In C# sieht es folgendermaßen aus:
using System;
class Hello {
public static void Main() {
Console.WriteLine("Hello World");
}
}
Das Programm besteht aus einer Klasse Hello und einer Methode Main (Achtung: Groß- und Kleinschreibung ist in C# signifikant). Jedes Programm hat genau eine Main-Methode, die aufgerufen wird, wenn man es startet. Die Ausgabeanweisung heißt hier Console.WriteLine("..."), wobei WriteLine eine Methode der Klasse Console ist, die aus dem Namensraum System stammt. Um Console bekannt zu machen, muss man System in der ersten Zeile mittels using importieren. C#-Programme werden in Dateien mit der Endung .cs gespeichert.
Die einfachste Arbeitsumgebung für .NET ist das Software Development Kit (SDK) von Microsoft, das man sich kostenlos von [MS] besorgen kann. Es ist kommandozeilenorientiert und bietet neben einem Compiler (csc) noch einige andere Werkzeuge (z.B. sn, ildasm), die in Anhang A.2 beschrieben werden. Wenn wir unser Hello-World-Programm in eine Datei Hello.cs abspeichern, können wir es durch Eingabe von
csc Hello.cs
im Konsolenfenster übersetzen und mittels
Hello
aufrufen. Die Ausgabe erscheint wieder im Konsolenfenster.
Der Dateiname (z.B. Hello.cs) muss übrigens unter .NET nicht wie in Java mit dem Klassennamen (z.B. Hello) übereinstimmen, obwohl es aus Lesbarkeitsgründen empfehlenswert ist. Eine Datei kann auch mehrere Klassen enthalten. In diesem Fall sollte sie nach der Hauptklasse benannt sein.
Der Quelltext eines C#-Programms kann auf mehrere Dateien verteilt sein. Jede Datei kann aus einem oder mehreren Namensräumen bestehen, von denen jeder eine oder mehrere Klassen oder andere Typen enthalten kann. Abb. 2–1 zeigt diese Struktur.
Abb. 2–1Gliederung von Programmen
Unser Hello-World-Programm besteht nur aus einer einzigen Datei und einer einzigen Klasse. Namensraum wurde keiner angegeben, was bedeutet, dass die Klasse Hello zu einem namenlosen Standardnamensraum gehört, den .NET für uns bereitstellt. Namensräume werden in Kapitel 5 und 13 behandelt, Klassen in Kapitel 8.
Wenn ein Programm aus mehreren Dateien besteht, können wir diese entweder gemeinsam oder getrennt übersetzen. Im ersten Fall entsteht eine einzige ausführbare Datei, im zweiten Fall eine ausführbare Datei und eine DLL (dynamic link library).
Nehmen wir an, eine Klasse Counter in der Datei Counter.cs wird von einer Klasse Prog in der Datei Prog.cs benutzt:
public class Counter { // Dieser Code steht in der Datei Counter.cs
private int val = 0;
public void Add(int x) { val = val + x; }
public int Val() { return val; }
}
using System; // Dieser Code steht in der Datei Prog.cs
public class Prog {
public static void Main() {
Counter c = new Counter();
c.Add(3); c.Add(5);
Console.WriteLine("val = " + c.Val());
}
}
Wir können diese beiden Dateien nun gemeinsam übersetzen:
csc Prog.cs Counter.cs
wodurch eine ausführbare Datei Prog.exe entsteht, die beide Klassen enthält.
Alternativ dazu könnten wir aus Counter aber auch eine Bibliothek (DLL) machen, indem wir schreiben:
csc /target:library Counter.cs
Der Compiler erzeugt auf diese Weise eine Datei Counter.dll, die wir dann bei der Übersetzung von Prog.cs folgendermaßen referenzieren müssen:
csc /reference:Counter.dll Prog.cs
Aus dieser Übersetzung entsteht zwar auch eine Datei Prog.exe; sie enthält aber nur die Klasse Prog. Die Klasse Counter steht nach wie vor in der Datei Counter.dll und wird beim Aufruf von Prog dynamisch dazugeladen. Die verschiedenen Formen des Compileraufrufs werden in Anhang A.1 genauer beschrieben.
C#-Programme bestehen aus Namen, Schlüsselwörtern, Zahlen, Zeichen, Zeichenketten, Operatoren und Kommentaren. Wir beschreiben diese Symbole hier informell. In Anhang A.3 kann man ihre genaue Syntax nachlesen.
Namen. Ein Name besteht aus Buchstaben, Ziffern und dem Zeichen "_". Das erste Zeichen muss ein Buchstabe oder ein "_" sein. Groß-und Kleinbuchstaben haben unterschiedliche Bedeutung (d.h. red ist ungleich Red). Da C# den Unicode-Zeichensatz benutzt (siehe Anhang A.4), können Namen auch griechische, arabische oder chinesische Zeichen enthalten. Man muss sie allerdings auf unseren Tastaturen als Nummerncodes eingeben. Der Code \u03C0 bedeutet z.B. π, die Zeichenfolge b\u0061ck den Namen back.
Schlüsselwörter. C# kennt 77 Schlüsselwörter, Java nur 50. Das deutet schon darauf hin, dass C# komplexer ist als Java. Schlüsselwörter sind reserviert, d.h., sie dürfen nicht als Namen verwendet werden. Will man ein Schlüsselwort dennoch als Name verwenden, so muss man das Zeichen @ davorsetzen (z.B. @if).
Namenskonventionen. Bei der Namenswahl und bei der Groß-/Kleinschreibung sollte man sich an die Regeln halten, die auch in der Klassenbibliothek von C# benutzt werden:
Zeichen und Zeichenketten. Zeichenkonstanten werden zwischen einfache Hochkommas eingeschlossen (z.B. ’x’), Zeichenkettenkonstanten zwischen doppelte Hochkommas (z.B. "John"). In beiden dürfen beliebige Zeichen vorkommen, außer das schließende Hochkomma, ein Zeilenende oder das Zeichen \, das als Escape-Zeichen verwendet wird. Folgende Escape-Sequenzen dienen zur Darstellung von Sonderzeichen in Zeichen- und Zeichenkettenkonstanten:
\’ ’
\" "
\\ \
\0 0x0000 (das Zeichen mit dem Wert 0)
\a 0x0007 (alert)
\b 0x0008 (backspace)
\f 0x000c (form feed)
\n 0x000a (new line)
\r 0x000d (carriage return)
\t 0x0009 (horizontal tab)
\v 0x000b (vertical tab)
Um zum Beispiel den Text
file "C:\sample.txt"
als Zeichenkette darzustellen, muss man schreiben:
"file \"C:\\sample.txt\""
Daneben können wie in Namen auch Unicode-Konstanten (z.B. \u0061) verwendet werden (siehe Anhang A.4).
Wenn vor einer Zeichenkette das Zeichen @ steht, dürfen darin Zeilenumbrüche vorkommen, \ wird nicht als Escape-Zeichen interpretiert und das Hochkomma muss verdoppelt werden. Das obige Beispiel könnte man also auch so schreiben:
@"file ""C:\sample.txt"""
Ganze Zahlen. Ganze Zahlen können in Dezimalschreibweise (z.B. 123) oder in Hexadezimalschreibweise (z.B. 0x00a6) vorkommen. Der Typ der Zahl ist der kleinste Typ aus int, uint, long oder ulong, zu dem der Zahlenwert passt. Durch Anhängen der Endung u oder U (z.B. 123u) erzwingt man den kleinsten passenden vorzeichenlosen Typ (uint oder ulong), durch Anhängen von l oder L (z.B. 0x00a6l) den kleinsten passenden Typ aus der Menge long und ulong.
Gleitkommazahlen. Gleitkommazahlen bestehen aus einem ganzzahligen Teil, einem Kommateil und einem Exponenten (3.14E0 bedeutet z.B. 3.14 * 100). Jeder dieser Teile kann fehlen, aber zumindest einer davon muss vorkommen. Die Zahlen 3.14, 314E-2 und .314E1doublefF1ffloatmM12.3mdecimal
