【教程】【轉載】C#銳利體驗(李建忠)—03

2024-07-21 02:22:09

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c#銳利體驗
第三講 microsoft.net平臺基礎構造

南京郵電學院李建忠（[email protected]）
拋開microsoft.net平臺去談c#是沒有意義的，c#之“sharp”也正在其后端強大的平臺。僅僅拘泥于語法層面是體驗不了c#的銳利之處的，c#程序很多詭秘之處必須依靠microsoft.net平臺才能深度的掌握和運用。簡單的講，microsoft.net平臺是一個建立在開放互聯網絡協議和標準之上，采用新的工具和服務來滿足人們的計算和通信需求的革命性的新型xml web智能計算服務平臺。它允許應用程序在因特網上方便快捷地互相通信，而不必關心使用何種操作系統和編程語言。
從技術層面具體來說，microsoft.net平臺主要包括兩個內核，即通用語言運行時（common language runtime,簡稱clr）和microsoft.net框架類庫,它們為microsoft.net平臺的實現提供了底層技術支持。通用語言運行時是建立在操作系統最底層的服務，為microsoft.net平臺的執行引擎。microsoft.net框架包括一套可被用于任何編程語言的類庫，其目的是使得程序員更容易地建立基于網絡的應用和服務。在此之上是許多應用程序模板，這些模板為開發網絡應用和服務提供高級的組件和服務。microsoft.net平臺之浩瀚絕非這里的幾千字能夠廓清，我們下面將著重體驗那些對我們用c#開發應用程序至關重要的平臺基礎構造。
通用語言運行時(clr)
通用語言運行時是整個microsoft.net框架賴以建構的基礎，它為microsoft.net應用程序提供了一個托管的代碼執行環境。它實際上是駐留在內存里的一段代理代碼，負責應用程序在整個執行期間的代碼管理工作，比較典型的有：內存管理，線程管理，安全管理，遠程管理，即時編譯，代碼強制安全類型檢查等。這些都可稱得上microsoft.net框架的生命線。
實際上我們可以看出來，clr代理了一部分傳統操作系統的管理功能。在clr下的代碼稱之為托管代碼，否則稱為非托管代碼。我們也可將clr看作一個技術規范，無論程序使用什么語言編寫，只要能編譯成微軟中間語言 (msil)，就可以在它的支持下運行，這使得應用程序得以獨立于語言。目前支持clr的編程語言多達二三十種。微軟中間語言是我們在microsoft.net平臺下編譯器輸出的pe文件的語言。它是microsoft.net平臺最完整的語言集，非常類似于pc機上的匯編語言。即時編譯器在運行時將中間語言編譯成本地二進制代碼。它為microsoft.net平臺提供了多語言的底層技術支持。另外根據需要，microsoft.net即時編譯器提供了特殊情況下的經濟型即時編譯和安裝時編譯技術。
clr的設計目的便是直接在應用程序運行環境中為基于組件的編程提供第一等的支持。正如在windows中添加了對窗口、控件、圖形和菜單的直接支持，為基于消息的編程添加了底層結構，為支持設備無關性添加了抽象內容一樣，clr直接支持組件（包括屬性和事件）、對象、繼承性、多態性和接口。對屬性和事件的直接支持使得基于組件的編程變得更簡單，而不需要特殊的接口和適配設計模式。在組件運行時，clr負責管理內存分配、啟動和中止線程和進程、強化安全系數，同時還調整任何該組件涉及到的其他組件的附屬配置。序列化支持允許以多種格式操作存儲在磁盤上的組件，包括基于業界標準xml的soap。clr提供了處理錯誤條件的有力、協調的方式。每個模塊都具有內置的完整的元數據，這意味著諸如動態創建和方法調用之類的功能更容易，也更安全。映射甚至允許我們靈活地創建和執行代碼。我們可以控制應用程序使用的組件的版本，這使應用程序更加可靠。組件代碼是與處理器無關的和易于驗證的中間語言 ( il)，而不是某一種特定的機器語言，這意味著組件不但可以在多種計算機上運行，而且可以確保組件不會覆蓋它們不使用的內存，也不會潛在地導致系統崩潰。clr根據托管組件的來源（例如來自因特網，企業局域網，本地機）等因素對他們判定以適當的信任度，這樣clr會根據他們的信任度來限定他們執行如讀取文件，修改注冊表等某些敏感操作的權限。借助通用類型系統（common type system,簡稱cts）對代碼類型進行嚴格的安全檢查避免了不同組件之間可能存在的類型不匹配的問題。clr下的編程全部是圍繞組件進行的。
值得指出的是clr通常寄宿在其他高性能的服務器應用程序中，比如：因特網信息服務器（iis）,microsoft sql server。這使得我們可以充分利用通用語言運行時諸多的安全，高效的優點來部署自己的商業邏輯。
內存管理
clr對程序員影響最大的就是它的內存管理功能,以至于我們很有必要單獨把它列出來闡述。它為應用程序提供了高性能的垃圾收集環境。垃圾收集器自動追蹤應用程序操作的對象，程序員再也用不著和復雜的內存管理打交道。這在某些喜歡張口閉口底層編程的所謂的高手來說，自動內存管理從來都是他們嘲笑的對象。的確，為通用軟件環境設計的自動化內存管理器永遠都抵不上自己為特定程序量身訂制的手工制作。但現代軟件業早已不再是幾百行代碼的作坊作業，動輒成千上萬行的代碼，大量的商業邏輯凸現的已不再是算法的靈巧，而是可管理性，可維護性的工程代碼。.net/c#不是為那樣的作坊高手準備的，c語言才是他們的尤物。在microsoft.net托管環境下，clr負責處理對象的內存布局，管理對象的引用，釋放系統不再使用的內存（自動垃圾收集）。這從根本上解決了長期以來困擾軟件的內存泄漏和無效內存引用問題，大大減輕了程序員的開發負擔，提高了程序的健壯性。實際上我們在托管環境下根本找不到關于內存操作或釋放的語言指令。值得指出的是microsoft.net應用程序可以使用托管數據，也可以使用非托管數據，但clr并不能判斷托管數據與非托管數據。
垃圾收集器負責管理.net應用程序內存的分配和釋放。當用new操作符創建新的對象時，垃圾收集器在托管堆（managed heap）中為對象分配內存資源。只要托管堆內的內存空間可用，垃圾收集器就為每一個新創建的對象分配內存。當應用程序不再持有某個對象的引用，垃圾收集器將會探測到并釋放該對象。值得注意的是垃圾收集器并不是在對象引用無效時就立即開始釋放工作，而是根據一定算法來決定什么時候進行收集和對什么對象進行收集。任何一個機器的內存資源總是有限的，當托管堆內的內存空間不夠用時，垃圾收集器啟動收集線程來釋放系統內存。垃圾收集器根據對象的存活時間，對象歷經的收集次數等來決定對哪些對象的內存進行釋放。宏觀的看，我們并不知道垃圾收集的確切行為，但microsoft.net類庫為我們提供了控制垃圾收集行為的部分功能，在某些特殊情況下，我們有必要進行一些受限的操作。
垃圾收集器并不意味著程序員從此可以一勞永逸，如果正在操作一個包裝了如文件，網絡連接，windows句柄，位圖等底層操作系統資源的對象，我們還是需要明確地釋放這些非托管資源的。這在“第五講構造器與析構器”里有詳細的闡述。
microsoft.net框架類庫
microsoft.net框架類庫是一組廣泛的，面向對象的可重用類的集合，為應用程序提供各種高級的組件和服務。它將程序員從繁重的編程細節中解放出來專注于程序的商業邏輯，為應用程序提供各種開發支持--不管是傳統的命令行程序還是windows圖形界面程序，擬或是面向下一代因特網分布式計算平臺的asp.net或xml web服務。下面是對這些組件和服務的一個概括。

系統框架服務
服務框架包括一套開發人員希望在標準語言庫中存在的基類庫，例如：集合、輸入/輸出，字符串及數據類。另外，基類庫提供訪問操作系統服務如圖畫、網絡、線程、全球化和加密的類。服務框架也包括數據訪問類庫，及開發工具，如調試和剖析服務，能夠使用的類。
ado.net組件
ado.net為基于網絡的可擴展的應用程序和服務提供數據訪問服務。ado.net不僅支持傳統的基于連接指針風格的數據訪問，同時也為更適合于把數據返回到客戶端應用程序的無連接的數據模板提供高性能的訪問支持。
xml數據組件
所有的數據都可被看作xml，開發人員可以通過xml為任何數據使用轉換，傳輸和確認服務。系統框架對xml數據提供第一等的操作支持。系統也支持ado.net數據與xml數據之間的通用轉換。
windows表單組件
windows表單組件為開發人員提供了強大的windows應用程序模型和豐富的windows用戶接口，包括傳統的activex控件和windows xp的新界面，如透明的、分層的、浮動窗口。對設計時的強大支持也是windows表單組件令人興奮的地方。
asp.net應用服務
asp.net的核心是高性能的用于處理基于低級結構的http請求的運行語言。編譯運行方式大大提高了它的性能。asp.net使用基于構件的microsoft .net框架配制模板，因此它獲得了如xcopy配制、構件并行配制、基于xml配制等優點。它支持應用程序的實時更新，提供高速緩沖服務改善性能。
asp.net web表單
asp.net web表單把基于vb的表單的高生產性的優點帶到了網絡應用程序的開發中來。asp.net web表單支持傳統的將html內容與角本代碼混合的asp語法，但是它提出了一種將應用程序代碼和用戶接口內容分離的更加結構化的方法。asp.net提供了一套映射傳統的html用戶接口部件（包括列表框，文本框和按鈕）的asp.net web表單控件和一套更加復雜強大的網絡應用控件（如日歷和廣告轉板）。
xml web服務
asp.net應用服務體系架構為用asp.net建立xml web服務提供了一個高級的可編程模板。雖然建立xml web服務并不限定使用特定的服務平臺，但是它提供許多的優點將簡化開發過程。使用這個編程模型，開發人員甚至不需要理解http、soap或其它任何網絡服務規范。 asp.net xml web服務為在internet上綁定應用程序提供了一個利用現存體系架構和應用程序的簡單的、靈活的、基于產業標準的模型。