1. diel - Úvod do C# a .NET Frameworku

Vitajte pri prvej lekcii populárneho kurzu C# .NET, ktorý vám predstaví jazyk C# a .NET Framework. Budeme sa učiť postupne, od úplných základov až po zložité konštrukcie, objektové modely a napr. prácu s databázou alebo webové aplikácie. S trochou trpezlivosti a vytrvalosti sa tak z teba stane dobrý programátor.

Vývoj programovacích jazykov

Aby sme úplne porozumeli jazyku C#, pozrime sa do minulosti na to, ako sa programovacie jazyky vyvíjali. Bude pre nás dôležité pochopiť, ako C# pracuje a prečo je dobré programovať práve v ňom.

1. generácia jazykov – Strojový kód

Procesor počítača vie vykonávať len obmedzené množstvo jednoduchých inštrukcií, ktoré sú uložené ako sekvencie bitov, sú to teda čísla. Tie sa mu zvyčajne zadávajú v hexadecimálnej (šestnástkovej) sústave. Inštrukcie sú tak elementárne, že umožňujú iba napr. sčítanie adries alebo skoky medzi inštrukciami. Nie je možné napr. jednoducho sčítať dve čísla, musíme sa na čísla pozerať ako na adresy v pamäti a také sčítanie čísel zaberie niekoľko inštrukcií. Program, ktorý sčítava dve čísla by vyzeral napr. takto:

2104
1105
3106
7001
0053
FFFE
0000

Inštrukcie sa procesoru predložia v binárnej podobe. Takýto kód je samozrejme extrémne nečitateľný a závisí od inštrukčného súboru daného CPU. V tomto jazyku určite nebude jednoduché tvoriť nejaké programy, žiaľ každý program musí byť nakoniec do tohto jazyka preložený, aby mohol byť na procesore počítača spustený:

2. generácia jazykov – Assembler

Assembler (skrátene ASM) nie je o nič jednoduchší ako strojový kód, ale je ľudsky čitateľný.

ORG 100
LDA A
ADD B
STA C
HLT
DEC 83
DEC –2
DEC 0
END

3. generácia jazykov

Jazyky v tretej generácii konečne ponúkajú užívateľovi určitú abstrakciu toho, ako program vidí počítač, a zameriavajú sa na to, ako program vidí človek. Naše čísla sú už vnímané ako premenné, zdrojový kód pripomína matematický zápis.

Sčítanie dvoch čísel by v jazyku C vyzeralo takto:

int main(void)
{
    int a, b, c;
    a = 83;
    b = -2;
    c = a + b;
    return 0;
}

Všetci asi tušíme, čo program robí: spočíta čísla 83 a -2 a výsledok uloží do premennej c. Pri všetkých jazykoch tretej generácie je samozrejme výhodou vysoká čitateľnosť.

S ďalším vývojom išli jazyky ešte ďalej a priniesli objektovo orientované programovanie, ale o tom až neskôr.

Kategórie jazykov

Jazyky v tretej generácii spadajú v zásade do troch kategórií:

1. Kompilované jazyky

Kompilované (neriadené) jazyky majú teda svoj zdrojový kód v jazyku, ktorému ľudia dobre rozumejú. Tento zdrojový kód sa samozrejme musí preložiť do strojového kódu, aby ho bolo možné spustiť na procesore. Tento preklad zaisťuje prekladač (kompilátor), ktorý naraz preloží celý program do strojového kódu:

Kompilácia má tieto výhody:

• Rýchlosť – Jediné zabrzdenie spočíva v jednorazovej kompilácii, preložený program potom beží porovnateľne rýchlo, ako keby bol napísaný napr. v ASM.
• Neprístupnosť zdrojového kódu – Program sa šíri už skompilovaný, nie je ho teda možné jednoducho modifikovať, pokiaľ zároveň nevlastníte jeho zdrojový kód.
• Jednoduché odhalenie chýb vo zdrojovom kódu – Ak zdrojový kód obsahuje chybu, celý proces kompilácie spadne a programátor je s chybou oboznámený. To značne zjednodušuje vývoj.

Ďalej sú tu samozrejme aj nevýhody:

• Závislosť na platforme – Program je stále závislý na platforme, teda na type procesora a operačnom systéme. Skompilovaný program nemôžeme vziať a preniesť na inú platformu bez toho, aby bol na tejto platforme znova skompilovaný.
• Nemožnosť editácie – Akonáhle sa program raz skompiluje do strojového kódu, nemožno ho editovať inak ako opätovnou kompiláciou. To pochopiteľne platí aj pre vyššie spomínané jazyky.
• Memory management – Vzhľadom na to, že počítač danému programu nerozumie a len mechanicky vykonáva inštrukcie, môžeme sa niekedy stretnúť s veľmi nepríjemnými chybami s pretečením pamäte. Kompilované jazyky zvyčajne nemajú automatickú správu pamäte a sú to jazyky nižšie (s nižším komfortom pre programátora). Behové chyby spôsobené najmä zlou správou pamäte sa kompiláciou neodhalia.

Príkladom kompilovaných jazykov sú napr. jazyk C, jeho objektový následník C++ alebo Pascal / Delphi.

2. Interpretované jazyky

Interpretácia sa snaží riešiť problém prenositeľnosti programov medzi rôznymi platformami a taktiež prichádza s vyšším komfortom pre programátora. Interpreter funguje podobne ako kompilátor, len neprekladá program celý naraz, ale iba to, čo je v danej chvíli potrebné. (Interpreter znamená v angličtine tlmočník, najskôr si teda vypočuje jednu vetu hovorcu a tú potom preloží a vysloví. Preklad prebieha počas príhovoru, teda behu programu, po vetách/inštruk­ciách. Kompilátor/pre­kladač preloží rozhovor celý naraz a potom ho celý prečíta.) Môžeme si predstaviť, že vyššie uvedený zdrojový kód by interpreter čítal po jednotlivých riadkoch, tú časť by vždy skompiloval do strojového kódu a vykonal. Výsledok kompilácie by zahodil a presunul by sa na ďalší riadok. Možno vám to pripadá ako plytvanie výkonom procesora a je pravda, že tento spôsob behu programu tiež nie je práve najrýchlejší:

Aké môže mať teda tento postup výhody? Je ich hneď niekoľko:

• Prenositeľnosť – Program je plne prenositeľný, ak teda existuje interpreter pre danú platformu, zdrojový kód programu bude možné spustiť (a vývoj interpretora je jednoduchší ako vývoj kompilátora).
• Jednoduchší vývoj – Vo vyšších jazykoch sme odbremenení od správy pamäte, ktorú za nás robí tzv. garbage collector (neskôr si o ňom v kurze povieme viac). Často tiež nemusíme ani zadávať dátové typy a máme k dispozícii vysoko komfortné kolekcie a ďalšie štruktúry.
• Stabilita – Vďaka tomu, že interpreter kódu rozumie, predíde chybám, ktoré by skompilovaný program inak pokojne vykonal. Beh interpretovaných programov je teda určite bezpečnejší. Ďalej umožňuje zaujímavú vlastnosť, tzv. reflexiu, kedy program za behu skúma sám seba, ale o tom neskôr.
• Jednoduchá editácia – Program môžeme vyvíjať po častiach a nahrávať na cieľové umiestnenie. Vďaka tomu, že sa nemusí kompilovať, ho je možné jednoducho editovať "za behu".

Interpreter má tri zásadné nevýhody:

• Rýchlosť – Interpretácia môže byť často veľmi pomalá a program tak úplne nevyužíva výkon počítača.
• Často ťažké hľadanie chýb – Kvôli kompilácii za behu sa chyby v kóde objavia až vo chvíli, keď je kód spustený. To môže byť niekedy veľmi nepríjemné.
• Zraniteľnosť – Pretože sa program šíri v podobe zdrojového kódu, čo znamená, že každý do neho môže zasahovať alebo kradnúť jeho časti.

Príkladom interpretovaného jazyka je napr. PHP. Na väčšine webov tento pomerne pohodlný jazyk výkonovo stačí, ale napríklad Facebook používa špeciálnu kompilovanú verziu PHP; záujemcovia si môžu pozrieť projekt HipHop for PHP.

3. Jazyky s virtuálnym strojom

Napadlo vás, čo by sa stalo, keby sa oba dva vyššie spomenuté spôsoby spojili? Ak áno, gratulujem, vynašli ste virtuálny stroj. Ide o najmodernejšiu podobu jazyka, ktorá je v súčasnej dobe tiež najrozšírenejšou a najlepšou voľbou pre vývoj väčšiny aplikácií. Nebudem vám tajiť, že do tejto kategórie patrí samotný C# alebo Java.

Zdrojový kód je najskôr preložený do tzv. medzikódu, ktorému Microsoft hovorí CIL (Common Intermediate Language). Ide v podstate o strojový (binárny) kód, ktorý má ale o poznanie jednoduchší inštrukčný súbor a priamo podporuje objektové programovanie. Tento medzikód je potom vďaka jednoduchosti relatívne rýchlo interpretovateľný tzv. virtuálnym strojom (teda interpreterom, v prípade .NET je to tzv. CLR – Common Language Runtime). Výsledkom je strojový kód pre náš procesor:

Určite ste trochu vystrašení, ale verte, že sme v podstate odstránili nevýhody interpretera aj kompilátora a môžeme využívať mnohé z ich výhod:

• Odhalenie chýb v zdrojovom kóde – Vďaka kompilácii do CIL jednoducho odhalíme chyby v zdrojovom kóde.
• Stabilita – Vďaka tomu, že interpreter kódu rozumie, zastaví nás pred vykonaním nebezpečnej operácie a na chybu upozorní. Môžeme tiež vykonávať reflexiu (aj keď pre CIL, ale od toho sme väčšinou odbremenení).
• Jednoduchý vývoj – Máme k dispozícii hi-tech dátové štruktúry a knižnice, správu pamäte za nás vykonáva garbage collector.
• Slušná rýchlosť – Rýchlosť sa pri virtuálnom stroji pohybuje medzi interpreterom a kompilátorom. Virtuálny stroj už výsledky svojej práce po použití nezahadzuje, ale dokáže ich cachovať, sám sa teda optimalizuje pri početnejších výpočtoch a môže dosahovať až rýchlosť kompilátora (Just-In-Time Compiler). Štart programu býva pomalší, pretože stroj prekladá spoločne využívané knižnice.
• Málo zraniteľný kód – Aplikácia sa šíri ako zdrojový kód v CIL, nie je teda úplne jednoducho ľudsky čitateľná.
• Prenositeľnosť - Je zrejme jasné, že hotový program pobeží na každom železe, na ktorom sa nachádza virtuálny stroj. To ale nie je všetko, my sme dokonca nezávislí aj od samotného jazyka. Na jednom projekte môže robiť viac ľudí, jeden napr. v C#, druhý vo Visual Basic a tretí v C++. Zdrojové kódy sa potom vždy preložia do CIL.

Jazyky s virtuálnym strojom ctia objektovo orientované programovanie a jedná sa o súčasný vrchol vývoja v tejto oblasti. Existujú aj jazyky 4. a 5. generácie, ale tie majú špecifické použitie a tu sa nimi zatiaľ zaoberať nebudeme.

.NET

Ako funguje C# sme si vysvetlili a ešte si povedzme, čo presne je .NET. Pod týmto pojmom rozumieme vlastne štyri veci: jazyk, Visual Studio, virtuálny stroj (CLR) a knižnice.

Jazyk

Ako sme už spomenuli, v .NET máme k dispozícii niekoľko jazykov, v ktorých môžeme vyvíjať. C# je z nich najmodernejší a bol prispôsobený práve pre .NET.

Visual Studio

Visual Studio je IDE (Integrated Development Environment), teda prostredie, v ktorom píšeme zdrojový kód a ktoré nám taktiež pomáha s vývojom. VS je veľmi uznávané aj v radoch javistov, jedná sa o moderné IDE, ktoré je vo verzii Community poskytované zadarmo, a to aj na komerčné účely.

Virtuálny stroj

CLR je virtuálny stroj, ktorý interpretuje CIL do inštrukcií fyzického procesora.

Knižnice

Knižnice sú asi najväčšou výhodou .NET. Microsoft nám v podstate dodáva kompletný súbor knižníc, v ktorom máme predpripravený rad štruktúr a komponentov, napr. pre prácu s konzolou, databázami, formulárovými prvkami a podobne. Riešenia sú kvalitné a aktuálne, sú zdieľané medzi jednotlivými jazykmi. Keďže MS je autorom aj Windowsu, ich komponenty pekne sedia a sú pre ich systém prispôsobené. Pre beh aplikácií je potom nutné, aby na koncovej stanici bola tá istá verzia .NET, v ktorej bola aplikácia vyvinutá. Dobrá správa je, že Windows má v sebe vždy nejaký .NET.

Implementácia .NET

.NET existuje v niekoľkých implementáciách (vydaniach). Poďme si ich tiež aspoň rýchlo predstaviť.

.NET Framework

Jedná sa o najstaršiu implementáciu .NET, ktorá už nie je aktívne vyvíjaná. Jej najnovšie verzie sú však stále podporované. Táto implementácia beží iba na systéme Windows.

.NET Framework má nasledujúcu štruktúru:

V .NET Frameworku 2.0 vidíme samotný CLR (virtuálny stroj) a základnú knižnicu Base Class Library. Verzia 3.0 prináša určité nové smery vo vývoji formulárových aplikácií a procesov. Zaujímavá pre nás bude najmä verzia 3.5, ktorá priniesla tzv. dotazovací jazyk LINQ, o ktorom si povieme viac neskôr. Ďalšia verzia umožňuje efektívne prevádzkovať LINQ na viacjadrových procesoroch. V roku 2012 potom ešte pribudla verzia 4.5, tá napr. zjednodušuje písanie asynchrónnych funkcií (o tom neskôr).

.NET Core (.NET)

.NET Core je novšia aktívne vyvíjaná open-source implementácia, ktorá je náhradou za starší .NET Framework.

Od verzie 5.0 sa z názvu vypustilo slovo "Core", máme teda napríklad .NET 5.0 alebo .NET 6.0.

Na rozdiel od .NET Frameworku nie je táto implementácia viazaná len na OS Windows, ale je pomocou nej možné vyvíjať aplikácie aj pre iné systémy, ako je napríklad Linux a od verzie 6.0 aj Android alebo iOS. Jej ďalšou významnou vlastnosťou je, že nemusí byť nainštalovaná na hosťujúcom zariadení:

Mono

Mono vzniklo ako podpora .NET na Linuxe, v tomto smere bolo však vytlačené novším .NET Core, do ktorého boli implementované niektoré prvky Mona. Práve vďaka Monu je možné v .NET vyvíjať aj pre iné systémy ako len Windows. Mono používa aj herný engine Unity, pretože podporuje aj herné konzoly.

Teraz Mono vyvíja spoločnosť Xamarin (vo vlastníctve Microsoftu).

.NET Standard

Aby bola zaistená určitá miera prenositeľnosti kódu medzi rôznymi implementáciami .NET, vznikol .NET Standard. Ide v podstate o špecifikáciu, ktorá určuje spoločnú funkcionalitu, ktorú každá implementácia .NET obsahuje.

Teraz už vieme, s čím vlastne budeme pracovať.

V ďalšej lekcii, Visual Studio a prvá konzolová aplikácia v C# .NET, si ukážeme prácu s Visual Studiom a vytvoríme si svoj prvý program.