Kompaktkurs C# 7 E-Book

Hanspeter Mössenböck

• Herausgeber: dpunkt.verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2018

Seitenzahl: 447

Beschreibung

Das Buch beschreibt in kompakter Form den gesamten Sprachumfang von C# mit den neuen Sprachmerkmalen von C# 7. Es richtet sich an Leser, die bereits Erfahrung mit einer anderen Programmiersprache wie Java oder C++ haben und sich rasch in C# einarbeiten wollen, um damit produktiv zu werden. Neben der Sprache C# behandelt das Buch auch diverse Anwendungen und Fallstudien im .NETFramework. Themen: - Datenstrukturen und Anweisungen - Klassen, Structs, Interfaces und Vererbung - Properties, Indexer und Iteratoren - Delegates und Events - Exception Handling - Threads und Synchronisation - Generische Bausteine - Attribute und Reflection - Assemblies als Softwarekomponenten - Lambda-Ausdrücke - Erweiterungsmethoden - Anonyme Typen - Query-Ausdrücke in LINQ - Asynchrone Methoden und Parallelität - Tupel - Pattern Matching - Auszug aus der .NET-Klassenbibliothek - Fallstudien mit ASP.NET und Web-ServicesZahlreiche Beispiele sowie weit über 100 Übungsaufgaben mit Musterlösungen machen das Buch sowohl für den Einsatz im Unterricht als auch für das Selbststudium geeignet.

Leseprobe

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«.

dpunkt.lehrbuch

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Hanspeter Mössenböck

Kompaktkurs C# 7

Prof. Dr. Hanspeter Mössenböck

Johannes Kepler Universität Linz

Institut für Systemsoftware

Altenbergerstraße 69 · A-4040 Linz

E-Mail: [email protected]

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:

Print

978-3-86490-631-2

PDF

978-3-96088-681-5

ePub

978-3-96088-682-2

Mobi

978-3-96088-683-9

1. Auflage 2019

Copyright © 2019 dpunkt.verlag GmbH

Wieblinger Weg 17

69123 Heidelberg

Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten. Die Verwendung der Texte und Abbildungen, auch auszugsweise, ist ohne die schriftliche Zustimmung des Verlags urheberrechtswidrig und daher strafbar. Dies gilt insbesondere für die Vervielfältigung, Übersetzung oder die Verwendung in elektronischen Systemen.

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Alle Angaben und Programme in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt kontrolliert. Weder Autor noch Verlag können jedoch für Schäden haftbar gemacht werden, die in Zusammenhang mit der Verwendung dieses Buches stehen.

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Geleitwort

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 SchabusPremier Field EngineerMicrosoft Österreich GmbH

Vorwort

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.

Inhalt

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.

Zielpublikum

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 MössenböckSeptember 2018

Inhalt

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

1C# und das .NET-Framework

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.

1.1Ähnlichkeiten zwischen C# und Java

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:

Objektorientierung

C# ist wie Java eine objektorientierte Sprache mit einfacher Vererbung. Klassen können nur von einer einzigen Klasse erben, aber mehrere Schnittstellen (Interfaces) implementieren.

Typsicherheit

C# ist eine typsichere Sprache. Viele Programmierfehler, die durch inkompatible Datentypen in Anweisungen und Ausdrücken entstehen, werden bereits vom Compiler abgefangen. Zeigerarithmetik oder ungeprüfte Typumwandlungen wie in C++ sind in Anwendungsprogrammen verboten. Zur Laufzeit wird sichergestellt, dass Array-Indizes im erlaubten Bereich liegen, dass Objekte nicht durch uninitialisierte Zeiger referenziert werden und dass Typumwandlungen zu einem definierten Ergebnis führen.

Garbage Collection

Dynamisch erzeugte Objekte werden vom Programmierer nie selbst freigegeben, sondern von einem Garbage Collector automatisch eingesammelt, sobald sie nicht mehr referenziert werden. Das beseitigt viele unangenehme Fehler, die z.B. in C++-Programmen auftreten können.

Namensräume

Was in Java Pakete sind, nennt man in C# Namensräume. Ein Namensraum ist eine Sammlung von Deklarationen und ermöglicht es, gleiche Namen in unterschiedlichem Kontext zu verwenden.

Threads

C# unterstützt leichtgewichtige parallele Prozesse in Form von Threads. Es gibt wie in Java Mechanismen zur Synchronisation und Kommunikation zwischen Prozessen.

Generizität

Sowohl Java als auch C# kennen generische Typen und Methoden. Damit kann man Bausteine herstellen, die mit anderen Typen parametrisierbar sind (z.B. Listen mit beliebigem Elementtyp).

Reflection

Wie in Java kann man auch in C# zur Laufzeit auf Typinformationen eines Programms zugreifen, Klassen dynamisch zu einem Programm hinzuladen, ja sogar Objektprogramme zur Laufzeit zusammenstellen.

Attribute

Der Programmierer kann beliebige Informationen an Klassen, Methoden oder Felder hängen und sie zur Laufzeit mittels Reflection abfragen. In Java heißt dieser Mechanismus

Annotationen

.

Bibliotheken

Viele Typen der C#-Bibliothek sind denen der Java-Bibliothek nachempfunden. So gibt es vertraute Typen wie

Object

,

String

,

ICollection

oder

Stream

, meist sogar mit den gleichen Methoden wie in Java.

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.

1.2Unterschiede zwischen C# und Java

Neben diesen Ähnlichkeiten weist C# aber wie alle .NET-Sprachen auch einige Merkmale auf, die in Java fehlen:

Referenzparameter

Parameter können nicht nur durch

call by value

übergeben werden, wie das in Java üblich ist, sondern auch durch

call by reference

. Dadurch sind nicht nur Eingangs-, sondern auch Ausgangs- und Übergangsparameter realisierbar.

Objekte am Keller

Während in Java alle Objekte am Heap liegen, kann man in C# Objekte auch am Methodenaufrufkeller anlegen. Diese Objekte sind leichtgewichtig und belasten den Garbage Collector nicht.

Blockmatrizen

Für numerische Anwendungen ist das Java-Speichermodell mehrdimensionaler Arrays zu ineffizient. C# lässt dem Programmierer die Wahl, mehrdimensionale Arrays entweder wie in Java anzulegen oder als kompakte Blockmatrizen, wie das in C, Fortran oder Pascal üblich ist.

Einheitliches Typsystem

Im Gegensatz zu Java sind in C# alle Datentypen (auch

int

oder

char

) vom Typ

object

abgeleitet und erben die dort deklarierten Methoden.

goto-Anweisung

Die viel geschmähte goto-Anweisung wurde in C# wieder eingeführt, allerdings mit Einschränkungen, so dass man mit ihr kaum Missbrauch treiben kann.

Versionierung

Bibliotheken werden bei der Übersetzung mit einer Versionsnummer versehen. So kann eine Bibliothek gleichzeitig in verschiedenen Versionen vorhanden sein. Jede Applikation verwendet immer diejenige Version der Bibliothek, mit der sie übersetzt und getestet wurde.

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:

Properties

und

Events

Diese Eigenschaften dienen der Komponententechnologie. Properties sind spezielle Felder eines Objekts. Greift man auf sie zu, werden automatisch get- und set-Methoden aufgerufen. Mit Events kann man Ereignisse definieren, die von Komponenten ausgelöst und von anderen behandelt werden.

Indexer

Ein Index-Operator wie bei Array-Zugriffen kann durch get- und set-Methoden selbst definiert werden.

Delegates

Delegates sind im Wesentlichen das, was man in Pascal

Prozedurvariablen

und in C

Function Pointers

nennt. Sie sind allerdings etwas mächtiger. Zum Beispiel kann man mehrere Prozeduren in einer einzigen Delegate-Variablen speichern.

foreach-Schleife

Damit kann man bequem über Arrays, Listen oder Mengen iterieren.

Iteratoren

Man kann spezielle Iterator-Methoden schreiben, die eine Folge von Werten liefern, welche dann mit foreach durchlaufen werden kann.

Lambda-Ausdrücke

Lambda-Ausdrücke sind parametrisierte Codestücke, die man an Variablen zuweisen und später aufrufen kann. Sie sind eine Kurzform für namenlose Methoden.

Query-Ausdrücke

Sie erlauben SQL-ähnliche Abfragen auf Hauptspeicherdaten wie Arrays oder Listen.

1.3Das .NET-Framework

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:

Eine

Laufzeitumgebung

(die

Common Language Runtime

), die automatische Speicherbereinigung (

garbage collection

), Sicherheitsmechanismen, Versionierung und vor allem Interoperabilität zwischen verschiedenen Programmiersprachen bietet.

Eine

objektorientierte Klassenbibliothek

mit umfangreichen Funktionen für grafische Benutzeroberflächen (

Windows Forms

), Web-Oberflächen (

ASP.NET

), Datenbankanschluss (

ADO.NET

), Web-Services, Collection-Klassen, Threads, Reflection und vieles mehr. Sie ersetzt in vielen Fällen das bisherige Windows-API und geht weit über dieses hinaus.

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.

Common Language Runtime

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.

Assemblies

.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

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

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

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.

1.4Übungsaufgaben1

1.

Eignung von C# für große Softwareprojekte

Inwiefern helfen die Eigenschaften von C# bei der Entwicklung großer Softwareprojekte?

2.

Merkmale von .NET

Was sind die Hauptmerkmale des .NET-Frameworks? Welche dieser Merkmale ähneln der Java-Umgebung und welche sind neu?

3.

Sicherheit

Begründen Sie, warum C# eine sichere Sprache ist. Welche Arten von Programmierfehlern oder gefährlichen Situationen werden vom C#-Compiler oder der CLR abgefangen?

4.

Interoperabilität

Warum können unter .NET Programme, die in unterschiedlichen Sprachen geschrieben wurden, nahtlos zusammenarbeiten?

5.

Assemblies

Warum sind .NET-Assemblies einfacher zu installieren und zu deinstallieren als COM-Objekte?

6.

Web-Recherche

Besuchen Sie die Webseiten

[MS]

,

[MSDN]

und

[CodeGal]

, um sich einen Überblick über das .NET-Framework und C# zu verschaffen.

7.

Mono

Besuchen Sie die Webseite

[Mono]

, um mehr über die Portierung von .NET auf Linux zu erfahren.

2Erste Schritte

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.

2.1Hello World

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.

2.2Gliederung von Programmen

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.

Programme aus mehreren Dateien

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:

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.

2.3Symbole

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:

Namen beginnen mit großen Anfangsbuchstaben (z.B.

Length

,

WriteLine

), außer bei lokalen Variablen und Parametern (z.B.

i

,

len

) oder bei Feldern einer Klasse, die von außen nicht sichtbar sind.

In zusammengesetzten Wörtern beginnt jedes Wort mit einem Großbuchstaben (z.B.

WriteLine

). Die Trennung von Wörtern durch

"_"

wird in C# selten verwendet.

Methoden ohne Rückgabewert sollten mit einem Verb beginnen (z.B.

DrawLine

). Alles andere sollte in der Regel mit einem Substantiv beginnen (z.B.

Size

,

IndexOf

,

Collection

). Felder oder Methoden mit booleschem Typ können auch mit einem Adjektiv beginnen, wenn sie eine Eigenschaft ausdrücken (z.B.

Empty

).

Da Schlüsselwörter und Namen aus der .NET-Bibliothek englisch sind, sollte man auch seine eigenen Programmobjekte englisch benennen.

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 .314E1 sind also gültige Schreibweisen desselben Werts. Der Typ einer Gleitkommakonstante ist double, durch die Endung f oder F (z.B. 1f) erzwingt man den Typ float, durch m oder M (z.B. 12.3m) den Typ decimal.

Kommentare. Es gibt zwei Arten von Kommentaren: Zeilenendekommentare beginnen mit // und erstrecken sich bis zum Zeilenende, z.B.:

// ein Kommentar

Klammerkommentare beginnen mit /* und enden mit */. Sie können sich auch über mehrere Zeilen erstrecken, dürfen aber nicht geschachtelt werden, z.B.:

/* ein Kommentar,

der zwei Zeilen einnimmt */

Zeilenendekommentare werden für kurze Erläuterungen verwendet, Klammerkommentare meist zum Auskommentieren von Code.

2.4Übungsaufgaben

1.

Übersetzen und Ausführen eines Programms

Besorgen Sie sich das .NET-Framework (z.B. von

[MS]

) und installieren Sie es auf Ihrem Rechner. Öffnen Sie einen beliebigen Texteditor (z.B.

Notepad

). Tippen Sie das Hello-World-Programm aus

Abschnitt 2.1

ab und speichern Sie es in einer Datei

Hello.cs

. Übersetzen Sie das Programm und führen Sie es aus.

2.

Arbeiten mit einer Entwicklungsumgebung

Anstatt mit einem gewöhnlichen Texteditor zu arbeiten, können Sie auch eine Entwicklungsumgebung wie

Visual Studio .NET

verwenden, die jedoch im Gegensatz zum .NET-Framework nicht kostenlos ist. Eine kostenlose Entwicklungsumgebung ist zum Beispiel

SharpDevelop

, die von

[SharpDev]

geladen werden kann. Implementieren und übersetzen Sie das Hello-World-Programm mit dieser Entwicklungsumgebung.

3.

Online-Dokumentation

Studieren Sie die Online-Dokumentation zu .NET, die Sie nach Installation des .NET-Frameworks unter

Start > Programs > Microsoft .NET Framework SDK > Documentation

finden. Suchen Sie zum Beispiel im Karteireiter

Contents

die Sprachspezifikation von C# (

Reference > Compiler and Language Reference > C#

). Um die Dokumentation einer bestimmten Klasse (z.B.

Console

) zu erhalten, wählen Sie den Karteireiter

Index

und geben im Suchfeld den Namen der Klasse ein.

4.

Programme in mehreren Dateien

Tippen Sie die Klassen

Counter

und

Prog

aus

Abschnitt 2.2

ab. Erstellen Sie daraus zwei getrennte Dateien

Counter.cs

und

Prog.cs

und übersetzen Sie sie wie in

Abschnitt 2.2

beschrieben.

5.

Symbole

Welche der folgenden Namen, Zahlen und Zeichenketten sind gemäß den Regeln von C# korrekt?

Namen

Zahlen

Zeichenketten

Length

0027

"one\ntwo\nthree"

base

0x3a

"\u00dcberschrift"

route66

520L

’Hello "John"’

_top

0xF3U

"Hello \"John\""

input-file

3E05

@"Hello ""John"""

3pieces

.001

"quote /* " */ "

3Typen

Die Datentypen von C# bilden eine Hierarchie, wie das in Abb. 3–1 gezeigt wird. Grundsätzlich gibt es Werttypen und Referenztypen. Werttypen sind einfache Typen wie char, int oder float, Enumerationen, Structs und Tupel. Variablen dieser Typen enthalten direkt einen Wert (z.B. ’x’, 123 oder 3.14). Referenztypen sind Klassen, Interfaces, Arrays und Delegates. Variablen dieser Typen enthalten eine Referenz auf ein Objekt, das in einem dynamisch wachsenden Speicherbereich (dem Heap) angelegt wird.

Abb. 3–1Typenhierarchie

C# besitzt ein einheitliches Typsystem, d.h., alle Typen, ob Werttypen oder Referenztypen, sind mit dem Typ object kompatibel: Variablen dieser Typen können object-Variablen zugewiesen werden und verstehen object-Operationen. Tabelle 3–1 veranschaulicht nochmals den Unterschied zwischen Wert- und Referenztypen.

Der in Tabelle 3–1 verwendete Typ string ist eine vordefinierte Klasse und somit ein Referenztyp. Eigentlich ist string aber ein Schlüsselwort, das vom Compiler auf die Klasse System.String abgebildet wird (d.h. die Klasse String aus dem Namensraum System). Auch object wird auf die Klasse System.Object abgebildet.

Tabelle 3–1Werttypen und Referenztypen

3.1Einfache Typen

Wie jede Sprache kennt C# einige vordefinierte Typen für Zahlen, Zeichen und boolesche Werte. Bei den Zahlen wird zwischen ganzzahligen Typen und Gleitkommatypen unterschieden und innerhalb dieser wieder nach Größe und Genauigkeit. Tabelle 3–2 zeigt eine Aufstellung aller einfachen Typen.

Schlüsselwort

Wertebereich

abgebildet auf

sbyte

-128 .. 127

System.SByte

short

-32768 .. 32767

System.Int16

int

-2147483648 .. 2147483647

System.Int32

long

-263 .. 263-1

System.Int64

byte

0 .. 255

System.Byte

ushort

0 .. 65535

System.UInt16

uint

0 .. 4294967295

System.UInt32

ulong

0 .. 264-1

System.UInt64

float

±1.4E-45 .. ±3.4E38 (32 Bit, IEEE 754)

System.Single

double

±5E-324 .. ±1.7E308 (64 Bit, IEEE 754)

System.Double

decimal

±1E-28 .. ±7.9E28 (128 Bit)

System.Decimal

bool

true, false

System.Boolean

char

Unicode-Zeichen (siehe Anhang A.4)

System.Char

Tabelle 3–2Einfache Typen

Die vorzeichenlosen Typen byte, ushort, uint und ulong dienen vor allem der Systemprogrammierung und der Kompatibilität zu anderen Sprachen. Der Typ decimal erlaubt die exakte Darstellung großer Dezimalzahlen mit großer Genauigkeit und wird vor allem in der Finanzmathematik verwendet.

Alle einfachen Typen werden vom Compiler auf Struct-Typen des Namensraums System abgebildet. Der Typ int entspricht z.B. dem Struct System.Int32. Alle dort definierten Operationen (einschließlich der von System.Object geerbten) sind somit auf int anwendbar.

Abb. 3–2Kompatibilitätsbeziehung zwischen einfachen Typen

3.2Enumerationen

Enumerationen sind Aufzählungstypen aus benannten Konstanten. Ihre erlaubten Werte werden bei der Deklaration angegeben, z.B.:

enum Color {red, blue, green}

Variablen vom Typ Color können also die Werte red, blue oder green annehmen, wobei der Compiler diese Werte auf die Zahlen 0, 1 und 2 abbildet. Enumerationen sind aber keine Zahlentypen; man kann sie keiner Zahlenvariablen zuweisen und umgekehrt darf man keinen Zahlenwert einer Color-Variablen zuweisen. Auf Wunsch kann der Wert der Enumerationskonstanten bei der Deklaration spezifiziert werden, also

enum Color {red=1, blue=2, green=4}

enum Direction {left=0, right, up=4, down} // left=0, right=1, up=4, down=5

Enumerationswerte sind in der Regel 4 Byte groß. Man kann allerdings auch eine andere Typgröße wählen, indem man hinter den Typnamen den gewünschten (numerischen) Basistyp schreibt, z.B.:

enum Access : byte {personal=1, group=2, all=4}

Variablen vom Typ Access sind also 1 Byte groß. Enumerationen können zum Beispiel wie folgt verwendet werden:

Bei der Verwendung müssen Enumerationskonstanten mit ihrem Typnamen qualifiziert werden. Wenn man wie beim Typ Access die Werte als Zweierpotenzen wählt, kann man durch logische Operationen (&, |, ~) Bitmengen bilden. Dass dabei Werte entstehen, die keiner erlaubten Enumerationskonstanten entsprechen, stört den Compiler nicht (Access.personal | Access.group ergibt z.B. den Wert 3). Mit Enumerationen sind folgende Operationen erlaubt:

Wie bei logischen Operationen kann auch bei arithmetischen Operationen ein Wert entstehen, der keiner Enumerationskonstanten entspricht. Der Compiler akzeptiert das.

Enumerationen erben alle Operationen von object, wie zum Beispiel Equals oder ToString (siehe Abschnitt 3.7). Es gibt auch eine Klasse System.Enum, die spezielle Operationen auf Enumerationen bereitstellt.

3.3Arrays

Arrays sind ein- oder mehrdimensionale Vektoren von Elementen. Die Elemente werden durch einen Index angesprochen, wobei die Indizierung bei 0 beginnt.

Eindimensionale Arrays. Eindimensionale Arrays werden durch ihren Elementtyp und eine leere Indexklammer deklariert:

Durch die Deklaration eines Arrays wird noch kein Speicherplatz angelegt, weshalb man auch noch keine Array-Länge angibt. Der new-Operator erzeugt ein Array eines gewünschten Elementtyps und einer gewünschten Länge (new int[3] erzeugt z.B. ein Array aus drei int-Elementen). Die Werte werden dabei mit 0 (bzw. ’\0’, false, null) initialisiert, außer es wird eine andere Initialisierung in geschweiften Klammern angegeben. Bei der Deklaration eines Arrays kann die Initialisierung auch direkt (d.h. ohne new-Operator) angegeben werden, wobei der Compiler dann ein Array der passenden Größe erzeugt.

Beachten Sie bitte, dass in einem Array aus Klassen Referenzen stehen, während ein Array aus Structs direkt die Werte der Structs als Elemente enthält.

Mehrdimensionale Arrays. Bei mehrdimensionalen Arrays unterscheidet C# zwischen ausgefransten (jagged) und rechteckigen Arrays. Ausgefranste Arrays enthalten als Elemente wieder Referenzen auf andere Arrays, während die Elemente bei rechteckigen Arrays hintereinander im Speicher liegen (siehe Abb. 3–3). Rechteckige Arrays sind nicht nur kompakter, sondern erlauben auch eine effizientere Indizierung. Hier sind einige Beispiele mehrdimensionaler Arrays:

In ausgefransten Arrays können die Zeilen also unterschiedlich lang sein. Dafür darf man bei ihrer Erzeugung nur die Länge der ersten Dimension angeben und nicht die Länge aller Dimensionen, wie das bei rechteckigen Arrays möglich ist. Abb. 3–3 zeigt den Unterschied zwischen den beiden Array-Arten grafisch.

Abb. 3–3Ausgefranste und rechteckige mehrdimensionale Arrays

Array-Operationen. Wie man aus Abb. 3–3 ersieht, enthalten Array-Variablen in C# Referenzen. Eine Array-Zuweisung ist also eine Zeigerzuweisung. Das Array selbst wird dabei nicht kopiert. Neben der Indizierung, die in C# immer bei 0 beginnt, kann man mit Length die Array-Länge abfragen.

Bei rechteckigen Arrays liefert Length die Gesamtanzahl der Elemente. Um die Anzahl der Elemente einer bestimmten Dimension zu bekommen, muss man die GetLength-Methode verwenden.

Die Klasse System.Array enthält noch einige nützliche Operationen wie das Kopieren, Sortieren und Suchen in Arrays.

Arrays variabler Länge. Gewöhnliche Arrays haben eine feste Länge. Es gibt allerdings eine Klasse System.Collections.ArrayList, die Arrays variabler Länge anbietet (siehe Abschnitt 19.2). Die Operation Add kann dazu benutzt werden, Elemente beliebigen Typs an das Array anzufügen. Die Elemente können dann durch Indizierung angesprochen werden:

Assoziative Arrays. Die Klasse System.Collections.Hashtable erlaubt es, Arrays nicht nur mit Zahlen, sondern z.B. auch mit Zeichenketten zu indizieren:

3.4Strings

Zeichenketten (Strings) kommen so häufig vor, dass es für sie in C# einen eigenen Typ string gibt, der vom Compiler auf die Klasse System.String abgebildet wird. Eine Stringvariable besteht aus Unicode-Zeichen (siehe Anhang A.4). Man kann ihr Stringkonstanten oder andere Stringvariablen zuweisen:

Strings können wie Arrays indiziert werden (z.B. s[i]), sind aber keine Arrays. Insbesondere können sie nicht verändert werden. Wenn man veränderbare Strings braucht, sollte man die Klasse System.Text.StringBuilder benutzen:

Dieses Beispiel zeigt auch, dass man die Methode Main mit einem String-Array als Parameter deklarieren kann, in dem eventuelle Kommandozeilenparameter übergeben werden. Wenn man das obige Programm mit

Test sample.cs

aufruft, erhält man als Ausgabe myfiles\sample.exe.

liefert also true. Die Operationen <, <=, > und >= sind auf Strings nicht erlaubt; man muss dazu die Methode CompareTo verwenden (siehe Tabelle 3–3). Strings können mit + verkettet werden (z.B. s + " World" ergibt "Hello World"), wobei ein neues Stringobjekt entsteht (d.h. s wird nicht verändert). Die Länge eines Strings kann wie bei Arrays mit s.Length abgefragt werden. Die Klasse System.String bietet viele nützliche Operationen (siehe Tabelle 3–3):

Tabelle 3–3Stringoperationen (Auszug)

3.5Structs

Structs sind benutzerdefinierte Typen bestehend aus Daten und eventuellen Methoden (Zugriffsoperationen). Sie werden wie folgt deklariert:

Structs sind Werttypen. Variablen des Typs Point enthalten daher direkt die Werte der Felder x und y. Eine Zuweisung zwischen Structs ist eine Wertzuweisung und keine Zeigerzuweisung.

Structs können mit Hilfe eines Konstruktors initialisiert werden. Die Deklaration

erzeugt ein neues Struct-Objekt am Methodenkeller und ruft den Konstruktor von Point auf, der die Felder mit den Werten 3 und 4 initialisiert. Ein Konstruktor muss immer den gleichen Namen haben wie der Struct-Typ. Die MethodeMoveTo wird wie folgt aufgerufen:

p.MoveTo(10, 20);

Im Code der aufgerufenen Methode kann das Objekt p, auf das die Methode angewendet wurde, mittels this angesprochen werden. this.x bezeichnet also das Feld x des Objekts p, während x den Parameter der Methode MoveTo bezeichnet. Wenn keine Verwechslungsgefahr besteht, kann this beim Feldzugriff weggelassen werden, wie das im Konstruktor von Point zu sehen ist.

Structs dürfen keinen parameterlosen Konstruktor deklarieren. Man darf ihn aber verwenden, da der Compiler für jeden Struct-Typ einen parameterlosen Konstruktor erzeugt. Der Konstruktor, der in der Deklaration

aufgerufen wird, initialisiert die Felder von p mit dem Wert 0. Wir werden in Kapitel 8 noch näher auf Structs und auf Konstruktoren eingehen.

3.6Klassen

Wie Structs sind Klassen benutzerdefinierte Typen aus Daten und eventuellen Zugriffsmethoden. Im Gegensatz zu Structs sind sie allerdings Referenztypen, d.h., eine Variable vom Typ einer Klasse enthält eine Referenz auf ein Objekt, das am Heap liegt. Klassen werden wie folgt deklariert:

Eine Rectangle-Variable kann erst benutzt werden, nachdem man ihr ein Rectangle-Objekt zugewiesen hat, das mit dem new-Operator erzeugt wurde:

Nach dem Erzeugen eines Objekts wird automatisch der passende Konstruktor aufgerufen, der die Felder des Objekts initialisiert. Die Klasse Rectangle hat zwei Konstruktoren, die sich in ihrer Parameterliste unterscheiden. Im obigen Beispiel passen die aktuellen Parameter, die beim Erzeugen des Objekts angegeben wurden, zu den formalen Parametern des zweiten Konstruktors. Daher wird dieser Konstruktor gewählt. Die Deklaration gleichnamiger Konstruktoren oder Methoden in einer Klasse oder einem Struct nennt man Überladen. Wir werden darauf in Abschnitt 8.3 näher eingehen.

Erzeugte Objekte werden in C# nie explizit freigegeben. Stattdessen verlässt man sich auf den so genannten Garbage Collector, der Objekte automatisch freigibt, wenn sie nicht mehr referenziert werden. Das vermeidet viele unangenehme Fehler, mit denen C++-Programmierer zu kämpfen haben: Werden Objekte dort zu früh freigegeben, zeigen manche Referenzen ins Leere. Vergisst man, sie freizugeben, bleiben sie als »Leichen« im Speicher zurück. Unter .NET können solche Fehler nicht auftreten, weil einem der Garbage Collector die Freigabe der Objekte abnimmt.

Da Variablen vom Typ einer Klasse Referenzen enthalten, ist die Zuweisung

eine Zeigerzuweisung: r und r1 zeigen anschließend auf dasselbe Objekt. Methoden werden wie bei Structs aufgerufen:

r.MoveTo(new Point(3, 3));

In der aufgerufenen Methode MoveTo bezeichnet this wieder das Objekt r, für das die Methode aufgerufen wurde. Da dort der Feldname origin aber eindeutig ist, braucht er nicht mit this.origin qualifiziert zu werden.

Tabelle 3–4