Лекция 3.

Общий взгляд

Знакомство с новым языком программирования разумно начинать с изучения системы типов этого языка. Как в нем устроена система типов данных? Какие есть простые типы, как создаются сложные, структурные типы, как определяются собственные типы, динамические типы, как определяются классы?

В первых языках программирования понятие класса отсутствовало - рассматривались только типы данных. При определении типа явно задавалось только множество возможных значений, которые могут принимать переменные этого типа. Например, тип integer задает целые числа в некотором диапазоне. Неявно с типом всегда связывался и набор разрешенных операций. В типизированных языках, к которым относится большинство языков программирования, понятие переменной естественным образом связывалось с типом. Если есть тип Т и переменная x типа Т, то это означало, что переменная может принимать значения из множества, заданного типом, и к ней применимы операции, разрешенные типом.

Классы и объекты впервые появились в программировании в языке Симула 67. Произошло это спустя 10 лет после появления первого алгоритмического языка Фортран. Определение класса наряду с описанием данных содержало четкое определение операций или методов, применимых к данным. Объекты - экземпляры класса являются обобщением понятия переменной. Сегодня определение класса в C# и других объектных языках, аналогично определению типа в CTS, содержит:

• данные, задающие свойства объектов класса;
• методы, определяющие поведение объектов класса;
• события, которые могут происходить с объектами класса.

Так есть ли различие между этими двумя основополагающими понятиями - типом и классом? На первых порах можно считать, что класс - это хорошо определенный тип данных, объект - хорошо определенная переменная. Понятия фактически являются синонимами, какое из них употреблять лишь дело вкуса. Встроенные типы, такие как integer или string, предпочитают называть по-прежнему типами, а их экземпляры - переменными. Что же касается абстракции данных, описывающей служащих и названной, например, Employee, то естественнее называть ее классом, а ее экземпляры - объектами. Такой взгляд на типы и классы довольно полезен, но он не является полным. Позже при обсуждении классов и наследования постараемся более четко определить принципиальные различия в этих понятиях.

Объектно-ориентированное программирование, доминирующее сегодня, построено на классах и объектах. Тем не менее, понятия типа и переменной все еще остаются центральными при описании языков программирования, что характерно и для языка C#. Заметьте, что и в Framework .Net предпочитают говорить о системе типов, хотя все типы библиотеки FCL являются классами.

Типы данных принято разделять на простые и сложные в зависимости от того, как устроены их данные. У простых (скалярных) типов возможные значения данных едины и неделимы. Сложные типы характеризуются способом структуризации данных - одно значение сложного типа состоит из множества значений данных, организующих сложный тип.

Есть и другие критерии классификации типов. Так, типы разделяются на встроенные типы и типы, определенные программистом (пользователем). Встроенные типы изначально принадлежат языку программирования и составляют его базис. В основе системы типов любого языка программирования всегда лежит базисная система типов, встроенных в язык. На их основе программист может строить собственные, им самим определенные типы данных. Но способы (правила) создания таких типов являются базисными, встроенными в язык.

Типы данных разделяются также на статические и динамические. Для данных статического типа память отводится в момент объявления, требуемый размер данных (памяти) известен при их объявлении. Для данных динамического типа размер данных в момент объявления обычно неизвестен и память им выделяется динамически по запросу в процессе выполнения программы.

Еще одна важная классификация типов - это их деление на значимые и ссылочные. Для значимых типов значение переменной (объекта) является неотъемлемой собственностью переменной (точнее, собственностью является память, отводимая значению, а само значение может изменяться). Для ссылочных типов значением служит ссылка на некоторый объект в памяти, расположенный обычно в динамической памяти - "куче". Объект, на который указывает ссылка, может быть разделяемым. Это означает, что несколько ссылочных переменных могут указывать на один и тот же объект и разделять его значения. Значимый тип принято называть развернутым, подчеркивая тем самым, что значение объекта развернуто непосредственно в памяти, отводимой объекту. О ссылочных и значимых типах еще предстоит обстоятельный разговор.

Для большинства процедурных языков, реально используемых программистами - Паскаль, C++, Java, Visual Basic, C#, - система встроенных типов более или менее одинакова. Всегда в языке присутствуют арифметический, логический (булев), символьный типы. Арифметический тип всегда разбивается на подтипы. Всегда допускается организация данных в виде массивов и записей (структур). Внутри арифметического типа всегда допускаются преобразования, всегда есть функции, преобразующие строку в число и обратно. Так что, мой читатель, Ваше знание, по крайней мере, одного из процедурных языков позволяет построить общую картину системы типов и для языка C#. Отличия будут в нюансах, которые и придают аромат и неповторимость языку.

Поскольку язык C# является непосредственным потомком языка C++, то и системы типов этих двух языков близки и совпадают вплоть до названия типов и областей их определения. Но отличия, в том числе принципиального характера, есть и здесь.

Система типов

Давайте рассмотрим, как устроена система типов в языке C#, но вначале для сравнения приведу классификацию типов в стандарте языка C++.

Стандарт языка C++ включает следующий набор фундаментальных типов.

1. Логический тип (bool).
2. Символьный тип (char).
3. Целые типы. Целые типы могут быть одного из трех размеров - short, int, long, сопровождаемые описателем signed или unsigned, который указывает, как интерпретируется значение, - со знаком или без оного.
4. Типы с плавающей точкой. Эти типы также могут быть одного из трех размеров - float, double, long double.

   Кроме того, в языке есть
5. Тип void, используемый для указания на отсутствие информации.

   Язык позволяет конструировать типы.
6. Указатели (например, int* - типизированный указатель на переменную типа int).
7. Ссылки (например, double& - типизированная ссылка на переменную типа double).
8. Массивы (например, char[] - массив элементов типа char).

   Язык позволяет конструировать пользовательские типы
9. Перечислимые типы (enum) для представления значений из конкретного множества.
10. Структуры (struct).
11. Классы.

Первые три вида типов называются интегральными или счетными. Значения их перечислимы и упорядочены. Целые типы и типы с плавающей точкой относятся к арифметическому типу. Типы подразделяются также на встроенные и типы, определенные пользователем.

Эта схема типов сохранена и в языке C#. Однако здесь на верхнем уровне используется и другая классификация, носящая для C# принципиальный характер. Согласно этой классификации все типы можно разделить на четыре категории:

1. Типы-значения (value), или значимые типы.
2. Ссылочные (reference).
3. Указатели (pointer).
4. Тип void.

Эта классификация основана на том, где и как хранятся значения типов. Для ссылочного типа значение задает ссылку на область памяти в "куче", где расположен соответствующий объект. Для значимого типа используется прямая адресация, значение хранит собственно данные, и память для них отводится, как правило, в стеке.

В отдельную категорию выделены указатели, что подчеркивает их особую роль в языке. Указатели имеют ограниченную область действия и могут использоваться только в небезопасных блоках, помеченных как unsafe.

Особый статус имеет и тип void, указывающий на отсутствие какого-либо значения.

В языке C# жестко определено, какие типы относятся к ссылочным, а какие - к значимым. К значимым типам относятся: логический, арифметический, структуры, перечисление. Массивы, строки и классы относятся к ссылочным типам. На первый взгляд, такая классификация может вызывать некоторое недоумение, почему это структуры, которые в C++ близки к классам, относятся к значимым типам, а массивы и строки - к ссылочным. Однако ничего удивительного здесь нет. В C# массивы рассматриваются как динамические, их размер может определяться на этапе вычислений, а не в момент трансляции. Строки в C# также рассматриваются как динамические переменные, длина которых может изменяться. Поэтому строки и массивы относятся к ссылочным типам, требующим распределения памяти в "куче".

Со структурами дело сложнее. Структуры C# представляют частный случай класса. Определив свой класс как структуру, программист получает возможность отнести класс к значимым типам, что иногда бывает крайне полезно. Замечу, что в хорошем объектном языке Eiffel программист может любой класс объявить развернутым (expanded), что эквивалентно отнесению к значимому типу. У программиста C# только благодаря структурам появляется возможность управлять отнесением класса к значимым или ссылочным типам. Правда, это неполноценное средство, поскольку на структуры накладываются дополнительные ограничения по сравнению с обычными классами.

Рассмотрим классификацию, согласно которой все типы делятся на встроенные и определенные пользователем. Все встроенные типы C# однозначно отображаются, и фактически совпадают с системными типами каркаса Net Framework, размещенными в пространстве имен System. Поэтому всюду, где можно использовать имя типа, например, - int, с тем же успехом можно использовать и имя System.Int32.

В заключение этого раздела приведу таблицу (3.1), содержащую описание всех встроенных типов языка C# и их основные характеристики.

Система встроенных типов языка C# не только содержит практически все встроенные типы (за исключением long double) стандарта языка C++, но и перекрывает его разумным образом. В частности тип string является встроенным в язык, что вполне естественно. В области совпадения сохранены имена типов, принятые в C++, что облегчает жизнь тем, кто привык работать на C++, но собирается по тем или иным причинам перейти на язык C#.

Типы или классы? И типы, и классы

Язык C# в большей степени, чем язык C++, является языком объектного программирования. В чем это выражается? В языке C# сглажено различие между типом и классом. Все типы - встроенные и пользовательские - одновременно являются классами, связанными отношением наследования. Родительским, базовым классом является класс Object. Все остальные типы или, точнее, классы являются его потомками, наследуя методы этого класса. У класса Object есть четыре наследуемых метода:

1. bool Equals (object obj) - проверяет эквивалентность текущего объекта и объекта, переданного в качестве аргумента;
2. System.Type GetType () - возвращает системный тип текущего объекта;
3. string ToString () - возвращает строку, связанную с объектом. Для арифметических типов возвращается значение, преобразованное в строку;
4. int GetHashCode() - служит как хэш-функция в соответствующих алгоритмах поиска по ключу при хранении данных в хэш-таблицах.

Естественно, что все встроенные типы нужным образом переопределяют методы родителя и добавляют собственные методы и свойства. Учитывая, что и типы, создаваемые пользователем, также являются потомками класса Object, то для них необходимо переопределить методы родителя, если предполагается использование этих методов; реализация родителя, предоставляемая по умолчанию, не обеспечивает нужного эффекта.

Перейдем теперь к примерам, на которых будем объяснять дальнейшие вопросы, связанные с типами и классами, переменными и объектами. Начнем с вполне корректного в языке C# примера объявления переменных и присваивания им значений:

int x=11;
int v = new Int32();
v = 007;
string s1 = "Agent";
s1 = s1 + v.ToString() +x.ToString();

В этом примере переменная x объявляется как обычная переменная типа int. В то же время для объявления переменной v того же типа int используется стиль, принятый для объектов. В объявлении применяется конструкция new и вызов конструктора класса. В операторе присваивания, записанном в последней строке фрагмента, для обеих переменных вызывается метод ToString, как это делается при работе с объектами. Этот метод, наследуемый от родительского класса Object, переопределенный в классе int, возвращает строку с записью целого. Сообщу еще, что класс int не только наследует методы родителя - класса Object, - но и дополнительно определяет метод CompareTo, выполняющий сравнение целых, и метод GetTypeCode, возвращающий системный код типа. Для класса Int определены также статические методы и поля, о которых расскажу чуть позже.

Так что же такое после этого int, спросите Вы: тип или класс? Ведь ранее говорилось, что int относится к value-типам, следовательно, он хранит в стеке значения своих переменных, в то время как объекты должны задаваться ссылками. С другой стороны, создание экземпляра с помощью конструктора, вызов методов, наконец, существование родительского класса Object, - все это указывает на то, что int - это настоящий класс. Правильный ответ состоит в том, что int - это и тип, и класс. В зависимости от контекста x может восприниматься как переменная типа int или как объект класса int. Это же верно и для всех остальных value- типов. Замечу еще, что все значимые типы фактически реализованы как структуры, представляющие частный случай класса.

Остается понять, для чего в языке C# введена такая двойственность. Для int и других значимых типов сохранена концепция типа не только из-за ностальгических воспоминаний о типах. Дело в том, что значимые типы эффективнее в реализации, им проще отводить память, так что именно соображения эффективности реализации заставили авторов языка сохранить значимые типы. Более важно, что зачастую необходимо оперировать значениями, а не ссылками на них, хотя бы из-за различий в семантике присваивания для переменных ссылочных и значимых типов.

С другой стороны, в определенном контексте крайне полезно рассматривать переменные типа int как настоящие объекты и обращаться с ними как с объектами. В частности, полезно иметь возможность создавать и работать со списками, чьи элементы являются разнородными объектами, в том числе и принадлежащими к значимым типам.

Дальнейшие примеры работы с типами и проект Types

Обсуждение особенностей тех или иных конструкций языка невозможно без приведения примеров. Для каждой лекции я строю один или несколько проектов, сохраняя по возможности одну и ту же схему и реально выполняя проекты в среде Visual Studio .Net. Для работы с примерами данной лекции построен консольный проект с именем Types, содержащий два класса: Class1 и Testing. Расскажу чуть подробнее о той схеме, по которой выстраиваются проекты. Класс Class1 строится автоматически при начальном создании проекта. Он содержит процедуру Main - точку входа в проект. В процедуре Main создается объект класса Testing и вызываются методы этого класса, тестирующие те или иные ситуации. Для решения специальных задач, помимо всегда создаваемого класса Testing, создаются один или несколько классов. Добавление нового класса в проект я осуществляю выбором пункта меню Project/Add Class. В этом случае автоматически строится заготовка для нового класса, содержащая конструктор без параметров. Дальнейшая работа над классом ведется над этой заготовкой. Создаваемые таким образом классы хранятся в проекте в отдельных файлах. Это особенно удобно, если классы используются в разных проектах. Функционально связанную группу классов удобнее хранить в одном файле, что не возбраняется.

Все проекты в книге являются самодокументируемыми. Классы и их методы сопровождаются тегами <summary>. В результате появляются подсказки при вызове методов и возможность построения XML-отчета, играющего роль спецификации проекта.

Приведу текст класса Class1:

using System;
namespace Types
{
 /// <summary>
 /// Проект Types содержит примеры, иллюстрирующие работу
 /// со встроенными скалярными типами языка С#.
 /// Проект содержит классы: Testing, Class1.
 /// 
 /// </summary>
 class Class1
 {
 /// <summary>
 /// Точка входа проекта.
 /// В ней создается объект класса Testing
 /// и вызываются его методы.
 /// </summary>
 [STAThread]
 static void Main()
 {
 Testing tm = new Testing();
 Console.WriteLine("Testing.Who Test");
 tm.WhoTest();
 Console.WriteLine("Testing.Back Test");
 tm.BackTest();
 Console.WriteLine("Testing.OLoad Test");
 tm.OLoadTest();
 Console.WriteLine("Testing.ToString Test");
 tm.ToStringTest();
 Console.WriteLine("Testing.FromString Test");
 tm.FromStringTest();
 Console.WriteLine("Testing.CheckUncheck Test");
 tm.CheckUncheckTest();
 }
 }
}

Класс Class1 содержит точку входа Main и ничего более. В процедуре Main создается объект tm класса Testing, затем поочередно вызываются семь методов этого класса. Каждому вызову предшествует выдача соответствующего сообщения на консоль. Каждый метод - это отдельный пример, подлежащий обсуждению.

Семантика присваивания

Рассмотрим присваивание:

x = e

Чтобы присваивание было допустимым, типы переменной x и выражения e должны быть согласованными. Пусть сущность x согласно объявлению принадлежит классу T. Будем говорить, что тип T основан на классе T и является базовым типом x, так что базовый тип определяется классом объявления. Пусть теперь в рассматриваемом нами присваивании выражение e связано с объектом типа T1.

Определение: тип T1 согласован по присваиванию с базовым типом T переменной x, если класс T1 является потомком класса T.

Присваивание допустимо, если и только если имеет место согласование типов. Так как все классы в языке C# - встроенные и определенные пользователем - по определению являются потомками класса Object, то отсюда и следует наш частный случай - переменным класса Object можно присваивать выражения любого типа.

Несмотря на то, что обстоятельный разговор о наследовании, родителях и потомках нам еще предстоит, лучше с самого начала понимать отношения между родительским классом и классом-потомком, отношения между объектами этих классов. Класс-потомок при создании наследует все свойства и методы родителя. Родительский класс не имеет возможности наследовать свойства и методы, создаваемые его потомками. Наследование - это односторонняя операция от родителя к потомку. Ситуация с присваиванием симметричная. Объекту родительского класса присваивается объект класса-потомка. Объекту класса-потомка не может быть присвоен объект родительского класса. Присваивание - это односторонняя операция от потомка к родителю. Одностороннее присваивание реально означает, что ссылочная переменная родительского класса может быть связана с любыми объектами, имеющими тип потомков родительского класса.

Например, пусть задан некоторый класс Parent, а класс Child - его потомок, объявленный следующим образом:

class Child:Parent {...}

Пусть теперь в некотором классе, являющемся клиентом классов Parent и Child, объявлены переменные этих классов и созданы связанные с ними объекты:

Parent p1 = new Parent(), p2 = new Parent();
Child ch1 = new Child(), ch2 = new Child();

Тогда допустимы присваивания:

p1 = p2; p2= p1; ch1=ch2; ch2 = ch1; p1 = ch1; p1 = ch2;

Но недопустимы присваивания:

ch1 = p1; ch2 = p1; ch2 = p2; ch1 = p2;

Заметьте, ситуация не столь удручающая - сын может вернуть себе переданный родителю объект, задав явное преобразование. Так что следующие присваивания допустимы:

p1 = ch1; ... ch1 = (Child)p1;

Семантика присваивания справедлива и для другого важного случая - при рассмотрении соответствия между формальными и фактическими аргументами процедур и функций. Если формальный аргумент согласно объявлению имеет тип T, а выражение, задающее фактический аргумент, имеет тип T1, то имеет место согласование типов формального и фактического аргумента, если и только если класс T1 является потомком класса T. Отсюда незамедлительно следует, что если формальный параметр процедуры принадлежит классу Object, то фактический аргумент может быть выражением любого типа.

Преобразование к типу object

Рассмотрим частный случай присваивания x = e; когда x имеет тип object. В этом случае гарантируется полная согласованность по присваиванию - выражение e может иметь любой тип. В результате присваивания значением переменной x становится ссылка на объект, заданный выражением e. Заметьте, текущим типом x становится тип объекта, заданного выражением e. Уже здесь проявляется одно из важных различий между классом и типом. Переменная, лучше сказать сущность x, согласно объявлению принадлежит классу Object, но ее тип - тип того объекта, с которым она связана в текущий момент, - может динамически изменяться.

Примеры преобразований

Перейдем к примерам. Класс Testing, содержащий примеры, представляет собой набор данных разного типа, над которыми выполняются операции, иллюстрирующие преобразования типов. Вот описание класса Testing:

using System;
namespace Types
{
 /// <summary>
 /// Класс Testing включает данные разных типов. Каждый его 
 /// открытый метод описывает некоторый пример, 
 /// демонстрирующий работу с типами.
 /// Открытые методы могут вызывать закрытые методы класса.
 /// </summary>
 public class Testing
 {
 /// <summary>
 /// набор скалярных данных разного типа.
 /// </summary>
 byte b = 255;
 int x = 11;
 uint ux = 1111;
 float y = 5.5f;
 double dy = 5.55;
 string s = "Hello!";
 string s1 = "25";
 object obj = new Object();
 // Далее идут методы класса, приводимые по ходу 
 // описания примеров
 }
}

В набор данных класса входят скалярные данные арифметического типа, относящиеся к значимым типам, переменные строкового типа и типа object, принадлежащие ссылочным типам. Рассмотрим закрытый (private) метод этого класса - процедуру WhoIsWho с формальным аргументом класса Object. Процедура выводит на консоль переданное ей имя аргумента, его тип и значение. Вот ее текст:

/// <summary>
/// Метод выводит на консоль информацию о типе и 
/// значении фактического аргумента. Формальный 
/// аргумент имеет тип object. Фактический аргумент 
/// может иметь любой тип, поскольку всегда 
/// допустимо неявное преобразование в тип object.
/// </summary>
/// <param name="name"> - Имя второго аргумента</param>
/// <param name="any"> - Допустим аргумент любого типа</param>
void WhoIsWho(string name, object any)
{
 Console.WriteLine("type {0} is {1} , value is {2}",
 name, any.GetType(), any.ToString());
}

Вот открытый (public) метод класса Testing, в котором многократно вызывается метод WhoIsWho с аргументами разного типа:

/// <summary>
/// получаем информацию о типе и значении
/// переданного аргумента - переменной или выражения
/// </summary>
public void WhoTest()
{
 WhoIsWho("x",x);
 WhoIsWho("ux",ux);
 WhoIsWho("y",y);
 WhoIsWho("dy",dy);
 WhoIsWho("s",s);
 WhoIsWho("11 + 5.55 + 5.5f",11 + 5.55 + 5.5f);
 obj = 11 + 5.55 + 5.5f;
 WhoIsWho("obj",obj);
}