NET платформа

Логика работы компьютера
Внешние устройства
Внешняя память
Жесткие диски (до 1 Тб)
Дискеты
…
Экран
Клавиатура
Основной блок
Физическая оперативная память (до 1 Гб)
Процессор
Регистры
Арифметико-логическое устройство
Виртуальная оперативная память
Процессы
Системный
Пользовательские

Пояснение работы компьютера и программ
Жесткие диски
Дискеты
*.exe
*.dll
Дисплей
клавиатура
Мышь
Внешняя память
Физическая оперативная память
Ячейки – 1 byte
0
1
2
Виртуальная оперативная память
Системный процесс
Процессор
Арифметико-логическое устройство
(АЛУ)
Адрес команды
Команда
Данные
Процесс1
Процесс2
. . . . . . .
ПроцессN
Данные
Регистры

Классическая последовательность создания программы

Проблемы программного обеспечения
Взаимодействие программных модулей (компонент)
локальный компьютере
в сети (локальной и глобальной)
Переносимость между разными платформами (портативность)
32 и 64 битные
настольные и портативные
Безопасность
Эффективность

Технология .Net
Новый комплексный подход компании Microsoft к решению проблем создания и работы программного обеспечения
Разработка программного обеспечения для распределенных систем
Разработка программного обеспечения для мобильных систем

Общий промежуточный язык
(Common Intermediate Language - CIL)
Все компиляторы .Net создают программу на специальном языке CIL
Общая среда выполнения
(Common Language Runtime - CLR)
Все программы выполняются под управлением специальной программы (CLR)
Framework Class Library (FCL)
При выполнении программы, написанные на любом языке, используют общую библиотеку
Основные идеи .Net технологии

Компилятор
Выполняемый
код *.exe
Транслятор преобразует исходный код в промежуточный код, и задает метаданные модуля с ссылками на другие компоненты .
Загрузчик
(Loader)
Загрузчик создает новый процесс, в который загружает среду выполнения RTE.
.
.
.
Just In Time
Compiler
Оперативная память
RTE вызывает JIT компилятор, который по мере использования классов выполняет компиляцию на язык машинных инструкций. Вначале управление передается статической функции Main.
Процессор выполняет операторы в выделенные для программы интервалы времени и в соответствии с логикой программы. Если класс не на машинном языке, то формируется exception, которое вызывает JIT
Последовательность создания и выполнения программы на платформе .Net
Run Time
Environment
Exceptions
RTE
Программа

Состав платформы .NET
(the .NET Framework)
Общая среда выполнения (Common Language Runtime)
Runtime ‘engine’ для управляемого кода
Управление потоками и Памятью
Хорошо гранулированная, ясная защищенность (security)
Межъязыковое управление исключениями, диагностика, отладка
Библиотека классов (.NET Framework Class Libraries)
Набор иерархически организованных библиотек классов
Используется всеми языками .NET
Встроенная общая система типов данных (common type system)
Объектно-ориентированная, расширяемая
Компиляторы/инструменты
VB .NET, C# and C++/debugger

Operating System
Common Language Runtime
Base Class Library
ADO.NET and XML
Common Language Specification
Visual Studio.NET
Платформа .NET Framework

Факты об .NET Framework
.NET Framework SDK свободно распространяется
.NET Framework SDK включает компиляторы для языков: C#, VB.NET и C++.
Программирование на .NET Framework SDK не требует наличия среду разработки Visual Studio .NET
Имеются бесплатные версии среды разработки Visual.Studio (Express Edition)
.NET Framework SDK включает набор инструментов, запускаемых из командной строки, такие как компиляторы, отладчики, и разные утилиты
Rotor это открытый код реализации .NET Common Language Runtime (CLR) и C# языка

Два типа программ
в ОС Windows
Программы (exe модули) в виде набора инструкций процессора (native code)
выполняются процессором непосредственно
все ранее созданное программное обеспечение
Программы имеющие специальную структуру на промежуточном языке - управляемый код (managed code)
создаются на платформе .Net
выполняются в среде CLR

Типы программных модулей на .Net платформе
сборки (assembly)
exe (может быть запущен на выполнение)
dll (библиотека классов, может использоваться в других программах, которые на нее ссылаются - reference)
Специальные модули (не включает метаданные о сборке, а только метаданные с описанием типов)
netmodule (может быть включен в сборку).

csc.exe или vbc.exe
Компилятор
Создание сборки в результате компиляции в .NET

Новый тип программы –
Сборка (assembly)
Сборка (assembly) – включает 1 или более управляемых модулей (УМ)
Управляемый модуль (managed module) – содержит 1 или более классов
Один класс должен включать 1 статический метод (static method) Main()
В методе Main должно быть решение задачи, или создание экземпляров класса, которые решают задачу

Сборка (продолжение)
Компилятор сразу создает управляемый модуль и сборку
Все модули сборки хранятся (один или несколько файлов) хранятся в одном каталоге
Утилита AL.exe – для создания многофайловых сборок (может быть на разных языках)
В сборке есть декларация – дополнительные метаданные, которые описывают состав сборки

Структура программных единиц
Описание сборки
(только у сборок)
Описание доступных
классов
Метаданные
Код программы на IL языке
Встроенные ресурсы
(меню, рисунки, …)
Метаданные модуля – декларация (Manifest)
Метаданные типов (Type Metadata)
IL code
Resources

Многофайловая сборка
CIL
Декларация
Метаданные типов
CIL
Метаданные
Картинка
CIL
Метаданные
Main.exe
Aix1.netmodule
Aix2.netmodule
Image.jpg

Вызов компилятора
csc.exe progr.cs
/reference:System.Drawing.dll,System.Windows.Forms.dll /target:exe /out:myprg.exe
По умолчанию подключается модуль
mscorlib.dll
/reference:<подключаемые библиотеки>
/target:<тип результата>
exe – консольное приложение
winexe – GUI приложение
library – библиотека классов (dll)
module – управляемый модуль
/out: <имя полученного файла>

Промежуточный язык
Microsoft Intermediate Language (MSIL) является языком ассемблера виртуальной машины. Однако реально система команд этой машины переводится в исполняемый код конкретного процессора перед исполнением (так называемая компиляция времени исполнения)
При этом выполняется довольно сложный анализ типов программы и проверки условий корректности кода

Общий промежуточный язык (CIL)
Псевдоассемблер – определяет набор команд виртуального процессора (примерно 100 команд)
Использует стековую модель выполнения (сперва значения загружаются в стек, вызывается команда операции, а затем результаты сохраняются в памяти)
При запуске программы CLR компилирует c CIL в машинные коды
Утилита ildasm.exe - дизассеблер

Трансляция в MSIL
Исходный текст на С#
using System;
class Fib // числа Фибоначчи
{
public static void Main (String [] args)
{
int a = 1, b = 1;
for (int i = 1; i != 10; ++ i)
{
Console.WriteLine (a);
int c = a + b;
a = b; b = c;
}
}
}

Трансляция в MSIL
Сгенерированный код (начало)
// объявление имени assembly
.assembly fib as "fib" {
// здесь могут быть параметры assembly
}
.class public Fib
{
.method public static void Main ()
{
.entrypoint // означает начало assembly
// декларация локальных переменных:
.locals (int32 a, int32 b)
ldc.i4.1 // загрузка константы 1
stloc a // сохранение 1 в a (a = 1)
ldc.i4.1
stloc b // аналогично: b = 1
ldc.i4.1 // загрузка 1 на стек
// (счетчик цикла)

Трансляция в MSIL
Сгенерированный код (окончание)
Loop:
ldloc a
call void System.Console::WriteLine(int32) // печать a
ldloc a // stack: 1 a
ldloc b // stack: 1 a b
add // stack: 1 (a+b)
ldloc b
stloc a // a = b
stloc b // b = (a+b)
ldc.i4.1
add // инкремент счетчика
dup
ldc.i4.s 10
bne.un.s Loop // сравнение и переход
// на следующую итерацию
pop // удаление счетчика цикла со стека
ret
}
}

Достоинство MSIL
Многоплатформенность
Интеграция языков программирования
Возможность отладки многоязыковых приложений
Единая модель обработки ошибок

Ассемблер и дизассемблер MSIL
Ассемблер ILAsm.exe (входит в .NET Framework)
Дизассемблер ILDasm.exe (не входит в .NET Framework, но входит в VS.NET)

MSIL и интеллектуальная собственность
Способы защиты вашей интеллектуальной собственности:
Использование утилит, «искажающих» имена
Размещение части модулей на сервере
Реализация части алгоритмов в неуправляемых модулях

При компиляции IL в команды процессора выполняется верификация (проверка кода на безопасность)
Верификация основывается на метаданных
При обнаружении небезопасного кода возбуждается исключение (System.Security.VerificationException)
Не исполняется для небезопасного кода (например, помеченного с помощью ключевого слова unsafe в C#)
MSIL и безопасность

Common Language Runtime
(CLR)
При запуске программы (управляемых приложений, managed application)
Запускается CLR
CLR загружает программу и запускает компилятор с CIL в машинный код (x86)
Запускает полученный машинный код
CLR контролирует работу программы

Исполнение в .NET
CLR
VB
Исходный текст
Compiler
C++
C#
Assembly
Assembly
Assembly
Operating System Services
MSIL
Common Language Runtime JIT Compiler
Compiler
Compiler
Native-
код
Managed
Code
Managed
Code
Managed
Code
Unmanaged
Code
CLR Services

Загрузка и управление программами
Программа1 с неуправляемым
кодом
Программа2 с неуправляемым
кодом
ПрограммаN с неуправляемым
кодом
Программа с управляемым
кодом
CLR
OS Windows

Служебные программы
Компилятор с языка C# - csc.exe
Дизассемблер с CIL (VStudio) -ildasm.exe
Редактор связей между сборками (assembler Linker) - al.exe
Установка (/i) и удаление (/u) общедоступных сборок - gacutil.exe

Базовая библиотека классов
Base Class Library (BCL)
Framework Class Library (FCL)

Библиотека классов
.NET Framework (FCL)
Более 7000 типов (классы, интерфейсы, перечисления и делегаты)
Некоторые классы до 100 методов.
Все языки используют одни и те же типы
Библиотека разделена на иерархические пространства имен (около 100)
Физически классы размещаются в DLL.
Классы одного и того же пространства имен могут находиться в разных DLL
2 800 method calls for Microsoft Win32 API
184 000 method calls for .Net Framework Class Library

Организация FCL
Размещены в наборе библиотек - dll
В разных библиотеках включены разные пространства имен – namespaces
Объекты одного пространства имен могут включаться в разные библиотеки
В пространствах имен включены классы, структуры, …

Пространство имен – name space
Разделение объектов по иерархически упорядоченным группам
Иерархическое пространство имен
<имяПространства>.<имяТипа>.<имяПодтипа>.<имяСобственное>
Вложенность нескольких имен (как почтовый адрес)
Значительно понижается вероятность совпадения имен классов разработанных разными компаниями
Для описания связей между классами (классы близкие по функциональности включены в одно пространство)
Пространство имен включает
Классы (Class)
Интерфейсы (Interface)
Перечисление (Enum)
Делегаты (Сигнатуры классов, Delegate)
Другие пространства имен
В одном модуле могут включаться разные пространства имен

Пространства имен FCL
(FCL Namespaces)
System
System.Data
System.Xml
System.Web
Globalization
Diagnostics
Configuration
Collections
Resources
Reflection
Net
IO
Threading
Text
ServiceProcess
Security
Design
ADO
SQLTypes
SQL
XPath
XSLT
Runtime
InteropServices
Remoting
Serialization
Serialization
Configuration
SessionState
Caching
Security
Services
Description
Discovery
Protocols
UI
HtmlControls
WebControls
System.Drawing
Imaging
Drawing2D
Text
Printing
System.Windows.Forms
Design
ComponentModel

Основные пространства имен FCL
System – общие базовые типы
System.VisualBasic – базовые типы для VBasic
System.Drawing – классы для рисования
System.Windows.Forms – классы для приложений с графическим интерфейсом
System.Data – классы для работы с данными в БД
System.Web – классы для ASP.NET и Web-форм
System.Net – классы для работы с сетевыми протоколами
System.Web.Services - классы для разработки Web сервисов
System.Web.UI – основные классы используемые ASP.Net

Ссылки (Reference) и операторы using
Reference – ссылка на библиотеки, которые должны загружаться во время работы программы
Библиотеки – наборы классов
Хранятся в файлах Dynamic Link Libraries (DLL)
Оператор using – используется для сокращения записи наименований классов