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.