Становление C#

Язык C# и связанную с ним среду .NET Framework можно без преувеличения назвать самой значительной из предлагаемых в настоящее время технологий для разработчиков. Среда .NET является такой средой, которая была создана для того, чтобы в ней можно было разрабатывать практически любое приложение для запуска в Windows, а C# является языком программирования, который был специально создан для использования в .NET Framework.

Например, с применением C# и .NET Framework можно создавать динамические веб-страницы, приложения Windows Presentation Foundation, веб-службы XML, компоненты для распределенных приложений, компоненты для доступа к базам данных, классические настольные приложения Windows и даже клиентские приложения нового интеллектуального типа, обладающие возможностями для работы в оперативном и автономном режимах.

Не стоит поддаваться заблуждению из-за наличия в названии Framework слова "NET" и думать, что данная среда предназначена только для создания приложений, ориентированных на Интернет. Слово "NET" здесь является лишь показателем того, что, по мнению Microsoft, распределенные приложения, в которых обработка распределяется между клиентом и сервером, являются шагом вперед. Однако важно понимать, что C# представляет собой язык, предназначенный не только для написания приложений, способных работать в Интернете и в сети. Он предоставляет средства для кодирования практически любого типа программного обеспечения или компонентов для платформы Windows. Язык C# и среда .NET привели к революционным изменениям в способе написания разработчиками программ и сделали программирование приложений для Windows гораздо более простым, чем когда-либо.

C# — это относительно новый язык программирования, который характеризуется двумя следующими преимуществами:

• C# спроектирован и разработан специально для применения с Microsoft .NET Framework (развитой платформой разработки, развертывания и выполнения распределенных приложений)
• C# — язык, основанный на современной объектно-ориентированной методологии проектирования, при разработке которого специалисты из Microsoft опирались на опыт создания подобных языков, построенных в соответствии с предложенными около 20 лет назад объектно-ориентированными принципами.

Нужно подчеркнуть то важное обстоятельство, что C# — это полноценный язык программирования. Хотя он и предназначен для генерации кода, выполняемого в среде .NET, сам по себе он не является частью .NET. Существует ряд средств, которые поддерживаются .NET, но не поддерживаются C#, и, возможно, вас удивит, что есть также средства, поддерживаемые C# и не поддерживаемые .NET (например, некоторые случаи перегрузки операций). Однако поскольку язык C# предназначен для применения на платформе .NET, вам, как разработчику, важно иметь представление о .NET Framework, если вы хотите эффективно разрабатывать приложения на C#.

Для понимания важности .NET не помешает вспомнить о природе многих технологий Windows, которые появились в последние примерно 18 лет. Хотя на первый взгляд все они могут выглядеть довольно разными, на самом деле все операционные системы Windows, начиная с Windows 3.1 (которая вышла в 1992 г.) и заканчивая Windows 7 и Windows Server 2008 R2, в основе своей имеют один и тот же хорошо знакомый API-интерфейс Windows. По мере появления новых версий Windows в этот API-интерфейс добавлялось много новых функций, но это был скорее процесс совершенствования и расширения API-интерфейса, а не его замена.

Давайте рассмотрим язык C# в его историческом контексте, упомянув и те движущие силы, которые способствовали его становлению.

Язык C и API-интерфейс Windows

Создание С знаменует собой начало современной эпохи программирования. Язык С был разработан Деннисом Ритчи (Dennis Ritchie) в 70-е годы для программирования на мини-ЭВМ DEC PDP-11 под управлением операционной системы Unix. Несмотря на то что в ряде предшествовавших языков, в особенности Pascal, был достигнут значительный прогресс, именно С установил тот образец, которому до сих пор следуют в программировании.

Язык С появился в результате революции в структурном программировании в 1960-е годы. До появления структурного программирования писать большие программы было трудно, поскольку логика программы постепенно вырождалась в так называемый "макаронный" код — запутанный клубок безусловных переходов, вызовов и возвратов, которые трудно отследить. В структурированных языках программирования этот недостаток устранялся путем ввода строго определенных управляющих операторов, подпрограмм с локальными переменными и других усовершенствований. Благодаря применению методов структурного программирования сами программы стали более организованными, надежными и управляемыми.

И хотя в то время существовали и другие структурированные языки программирования, 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 быстро завоевал многих сторонников. Сейчас уже нелегко представить себе, что С оказался своего рода "струей свежего воздуха", которого так не хватало программистам. В итоге С стал самым распространенным языком структурного программирования в 80-е годы.

Но даже у такого достойного языка, как С, имелись свои ограничения. К числу самых труднопреодолимых его ограничений относится неспособность справиться с большими 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, программиста и применяемых инструментальных средств, тем не менее, всегда существует "порог", за которым программа на С становится неуправляемой.

Традиционно разработка программного обеспечения для операционных систем семейства Windows подразумевала использование языка программирования С в сочетании с API-интерфейсом Windows (Application Programming Interface — интерфейс прикладного программирования). И хотя то, что за счет применения этого проверенного временем подхода было успешно создано очень много приложений, мало кто станет спорить по поводу того, что процесс создания приложений с помощью одного только API-интерфейса является очень сложным занятием. Первая очевидная проблема состоит в том, что С представляет собой очень лаконичный язык. Разработчики программ на языке С вынуждены мириться с необходимостью "вручную" управлять памятью, безобразной арифметикой указателей и ужасными синтаксическими конструкциями. Из-за сочетания тысяч глобальных функций и типов данных, определенных в API-интерфейсе Windows, с языком, который и без того выглядит устрашающе, совсем не удивительно, что сегодня в обиходе присутствует столь много дефектных приложений.

Появление C++ и платформы MFC

К концу 70-х годов масштабы многих проектов приблизились к пределам, с которыми 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 программирование (ООП). Применяя метод ООП, программист мог работать с более "крупными" программами. Но главная трудность заключалась в том, что С, самый распространенный в то время язык, не поддерживал ООП. Стремление к созданию объектно-ориентированного варианта С в конечном итоге привело к появлению С++.

Язык С++ был разработан в 1979 году Бьярне Страуструпом (Bjarne Stroustrup), работавшим в компании Bell Laboratories, базировавшейся в Мюррей-Хилл, штата Нью-Джерси. Первоначально новый язык назывался "С с классами", но в 1983 году он был переименован в С++. Язык С полностью входит в состав С++, а следовательно, С служит основанием, на котором зиждется С++. Большая часть дополнений, введенных Страуструпом, обеспечивала плавный переход к ООП. И вместо того чтобы изучать совершенно новый язык, программирующему на С требовалось лишь освоить ряд новых свойств, чтобы воспользоваться преимуществами методики ООП.

В течение 1980-х годов С++ все еще оставался в тени, интенсивно развиваясь, но к началу 1990-х годов, когда он уже был готов для широкого применения, его популярность 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 высокопроизводительных программ системного уровня.

Важно понимать, что разработка С++ не была попыткой создать совершенно новый язык программирования. Напротив, это была попытка усовершенствовать уже существовавший довольно удачный язык. Такой подход к разработке языков программирования, основанный на уже существующем языке и совершенствующий его далее, превратился в упрочившуюся тенденцию, которая продолжается до сих пор.

Язык С++ во многих отношениях может считаться объектно-ориентированной надстройкой поверх языка С. Из-за этого, хотя в случае его применения программисты уже могут начинать пользоваться преимуществами известных "главных столпов ООП" (таких как инкапсуляция, наследование и полиморфизм), они все равно вынуждены иметь дело с утомительными деталями языка С (вроде необходимости осуществлять управление памятью "вручную", безобразной арифметики указателей и ужасных синтаксических конструкций).

Невзирая на сложность, сегодня существует множество платформ для программирования на С++. Например, MFC (Microsoft Foundation Classes — библиотека базовых классов Microsoft) предоставляет в распоряжение разработчику набор классов С++, которые упрощают процесс создания приложений Windows. Основное предназначение MFC заключается в представлении "разумного подмножества" исходного API-интерфейса Windows в виде набора классов, "магических" макросов и многочисленных средств для автоматической генерации программного кода (обычно называемых мастерами). Несмотря на очевидную пользу данной платформы приложений (и многих других основанных на С++ наборов средств), процесс программирования на С++ остается трудным и чреватым допущением ошибок занятием из-за его исторической связи с языком С.

Visual Basic 6

Благодаря искреннему желанию иметь возможность наслаждаться более простой жизнью, многие программисты перешли из "мира платформ" на базе С (С++) в мир менее сложных и более дружественных языков наподобие Visual Basic 6.0 (VB6). Язык VB6 стал популярным благодаря предоставляемой им возможности создавать сложные пользовательские интерфейсы, библиотеки программного кода (вроде СОМ-серверов) и логику доступа к базам данных с приложением минимального количества усилий. Во многом как и в MFC, в VB6 сложности API-интерфейса Windows скрываются из вида за счет предоставления ряда интегрированных мастеров, внутренних типов данных, классов и специфических функций VB.

Главный недостаток языка VB6 (который с появлением платформы .NET был устранен) состоит в том. что он является не полностью объектно-ориентированным, а скорее — просто "объектным". Например, VB6 не позволяет программисту устанавливать между классами отношения "подчиненности" (т.е. прибегать к классическому наследованию) и не обладает никакой внутренней поддержкой для создания параметризованных классов. Более того, VB6 не предоставляет возможности для построения многопоточных приложений, если только программист не готов опускаться до уровня вызовов API-интерфейса Windows (что в лучшем случае является сложным, а в худшем — опасным подходом).

Язык Visual Basic, используемый внутри платформы .NET (и часто называемый языком VB.NET), имеет мало чего общего с языком VB6. Например, в современном языке VB поддерживается перегрузка операций, классическое наследование, конструкторы типов и обобщения.

Java

Следующим важным шагом в развитии языков программирования стала разработка 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 принадлежит 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 С++. Нововведения в Java возникли не столько в результате прогресса в искусстве программирования, хотя некоторые успехи в данной области все же были, сколько вследствие перемен в вычислительной среде. До появления на широкой арене Интернета большинство 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 программ 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 переносимости 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 способность 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 разрабатывать 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. 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 исходного кода в промежуточный, называемый байт-кодом. Этот байт-код затем выполнялся виртуальной машиной Java (JVM) — основной частью исполняющей системы Java. Таким 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 С++, где исходный код практически всегда компилируется в исполняемый машинный код, который, в свою очередь, привязан к конкретному процессору и операционной системе. Так, если требуется выполнить программу на С или С++ в другой системе, ее придется перекомпилировать в машинный код специально для данной вычислительной среды. Следовательно, для создания программы на С или С++, которая могла бы выполняться в различных средах, потребовалось бы несколько разных исполняемых версий этой программы. Это оказалось бы не только непрактично, но и дорого. Изящным и рентабельным решением данной проблемы явилось применение в Java промежуточного кода. Именно это решение было в дальнейшем приспособлено для целей языка C#.

Хотя Java и представляет собой очень элегантный язык, одной из потенциальных проблем является то, что применение Java обычно означает необходимость использования Java в цикле разработки и для взаимодействия клиента с сервером. Надежды на появление возможности интегрировать Java с другими языками мало, поскольку это противоречит главной цели Java — быть единственным языком программирования для удовлетворения любой потребности. В действительности, однако, в мире существуют миллионы строк программного кода, которым бы идеально подошло смешивание с более новым программным кодом на Java. К сожалению, Java делает выполнение этой задачи проблематичной. Пока в Java предлагаются лишь ограниченные возможности для получения доступа к отличным от Java API-интерфейсам, поддержка для истинной межплатформенной интеграции остается незначительной.