1 - Einleitung
Microsoft stellt mit dem .NET Framework mehrere Programmiersprachen zur Verfügung, mit denen Anwendungen für .NET entwickelt werden können. Dazu gehörten seit dem .NET Framework 1.0 Visual C++, Visual Basic und die beiden "neueren" Sprachen C# (mit Wurzeln aus C/C++ und Java) und J# (basierend auf Java, ab dem Visual Studio 2008 nicht mehr darin enthalten, läuft 2015 aus). Mit dem .NET Framework 4.0 kommt nun F# hinzu (auch als Erweiterung von Visual Studio 2008 möglich). Im Folgenden wird nur Bezug auf die Entwicklung mit C# (sprich Si Scharp) genommen. Aber bevor Sie Ihre ersten Programmiererfahrungen damit sammeln können, soll kurz die Software vorgestellt werden, die das überhaupt möglich macht, das .NET Framework.1.1 Das .NET Framework
Ein Framework stellt in der Softwareentwicklung ein Gerüst zur Lösung einer bestimmten Aufgabe dar. So kann ein Framework z.B. dazu dienen, Fenster- oder Webanwendungen zu erstellen, wobei schon ein Rahmen für eigene Erweiterungen (Komponenten) vorgegeben wird. Das .NET Framework bietet zum einen eine Klassenbibliothek, die .NET Framework Class Library (auch Base Class Library genannt), zum anderen eine Laufzeitumgebung (als Laufumgebung können Sie sich z.B. Ihr Betriebssystem vorstellen, unter dem Ihre Anwendungen ausgeführt werden) für die fertigen Anwendungen, die Common Language Runtime, kurz CLR. Mit einem klassischen Framework hat dies nur noch indirekt etwas zu tun, da die Klassenbibliothek sehr viele Einsatzgebiete abdeckt und die CLR - untypisch für ein Framework - die Basis zum Ablauf der .NET-Anwendungen mitliefert. Mit .NET (der Kurzform für das .NET Framework) können Sie verschiedene Anwendungstypen erstellen:INFO
Das .NET Framework 4.0 führt weiterhin die Dynamic Language Runtime (DLR) ein. Darüber wird die CLR erweitert, so dass Sie mit dynamische Sprachen zusammenarbeiten kann (in solchen Sprachen können Typinformationen z.B. zur Laufzeit der Anwendung ermittelt werden).INFO
Diesem Buch liegt mit Visual C# 2010 Express eine kostenfreie Entwicklungsumgebung bei, die außerdem auch das .NET Framework 4.0 installiert. Mehr dazu im dritten Kapitel.11.1.1 Die Common Language Runtime (CLR)
Basis aller Anwendungen, die unter .NET laufen, ist die CLR. Ohne sie kann keine .NET-Anwendung ausgeführt werden. Sie liegt aktuell als Aufsatz eines vorhandenen Betriebssystems vor (wie z.B. für Windows 2003/XP/Server 2008/Vista/7). Sie könnte sich aber auch bereits im Betriebssystemkern befinden, so dass keine Installation der .NET-Laufzeitumgebung mehr notwendig ist. Die CLR ist für zahlreiche Dinge zuständig, wenn es um die Ausführung einer .NET-Anwendung geht.
Abbildung Abbildung 1.1: Stark vereinfachte Architektur von .NET
Im Vergleich zu anderen Sprachen benötigt .NET nur einen Compiler zur Übersetzung von Sourcecode (als Sourcecode wird der Text bezeichnet, mit dem Sie Ihr Programm schreiben) in IL-Code,
wobei der Sourcecode beispielsweise in den Sprachen C# oder Visual Basic vorliegt. Das Besondere am IL-Code ist neben seiner Plattformunabhängigkeit die Tatsache, dass er zusätzlich durch
Metadaten beschrieben wird, die zusammen mit dem IL-Code verwaltet werden. Metadaten beschreiben, welche Typen im Quellcode enthalten sind (z.B. eine Klasse Mathe) und zu welchen Daten
Referenzen (Verweise) benötigt werden (zum Beispiel zu einer anderen Bibliothek). Kurz gesagt, der IL-Code enthält zusammen mit den Metadaten sämtliche Informationen, damit man mit ihm, und er mit
anderen, zusammenarbeiten kann.
11.1.2 Dynamic Language Runtime
Die Sprache C# ist eine so genannte stark typisierte Sprache, d.h. es müssen während der Übersetzungszeit sämtliche Typen bekannt sein. In dynamischen Sprachen können Typen z.B. erst zur Laufzeit bestimmt werden. Probleme gab es deshalb wenn Sie mit C# beispielsweise die Office-Produkte per COM (Common Object Model) ansprechen wollten oder wenn der Zugriff bzw. die Kommunikation mit Sprachen wie JavaScript oder Python notwendig war - die wiederum dynamische Sprachen sind. Auch die Verwendung von Bibliotheken die mit dynamischen Sprachen entwickelt wurden war vorher nicht so einfach zu bewerkstelligen. Zur Lösung dieses Problems erhält die CLR mit dem .NET Framework 4.0 die Dynamic Language Runtime (DLR) als Aufsatz und kommuniziert über sie mit dynamischen Sprachen wie JavaScript, Python oder Ruby. Auch wenn die Behandlung der DLR nicht Bestandteil dieses Buches ist sollen einige Anwendungsbeispiele gegeben werden:11.2 Common Type System (CTS)
Das CTS des .NET Frameworks definiert eine Menge an Grunddatentypen, ihren Aufbau und ihr Verhalten. Auch die CLR verwendet das CTS. Dies bedeutet auch, dass der Wertebereich eines Datentyps in allen Sprachen und auf verschiedenen Plattformen immer gleich ist. Die Spezifikation des CTS ist eine Obermenge, d.h., eine .NET-Sprache muss nicht zwangsläufig alle Aspekte daraus implementieren bzw. kann sich auch darüber hinaus bewegen. Allerdings stellt das CTS die Basis für eine Interoperabilität von Softwaremodulen dar, die mit verschiedenen Programmiersprachen erstellt wurden.INFO
Auch wenn dies impliziert, dass nun die Entwickler einer Firma oder eines Projekts in der Sprache ihrer Wahl entwickeln können, ist dies sicher nicht von Vorteil, wenn es um die Wartung von Code geht. Selbst wenn die Namensgebung und die Anwendung der Typen in allen Sprachen gleich sind (z.B. die Verwendung einer KlasseMathe), hat doch jede Programmiersprache
ihre Eigenheiten. Es ist immer mit einem erhöhten Aufwand verbunden, wenn man den Code in einer anderen bzw. in mehreren Sprachen lesen und zusammenführen muss.11.2.1 Common Language Specification (CLS)
Eine .NET-Anwendung kann grundsätzlich durch eine beliebige .NET Programmiersprache geschrieben werden, solange der zum Übersetzen notwendige Compiler die Anforderungen der CLS erfüllt und .NET-kompatiblen IL-Code erzeugt. Die CLS definiert das Minimum an Funktionalität, die ein Compiler besitzen muss, um Sourcecode einer .NET-Sprache in IL-Code zu übersetzen. Durch diese Spezifikation und das CTS wird außerdem sichergestellt, dass die .NET Class Library von allen Sprachen aus genutzt werden kann und dass z.B. eine mit Visual Basic erstellte Bibliothek auch von C# oder von Delphi .NET aus genutzt werden kann. Selbst eine in Visual Basic erstellte Klasse kann deshalb beispielsweise über C# erweitert werden. Allerdings müssen sich dann auch die Entwickler an bestimmte Dinge halten. So unterscheidet Delphi beispielsweise nicht zwischen Groß- und Kleinschreibung. Möchten Sie mit Delphi ein C#-Modul nutzen, müssen dort alle Bezeichner eine andere Schreibweise besitzen, die unabhängig von der Groß-/Kleinschreibung ist. Die CLS definiert also die Grundmenge von Eigenschaften, die eine Sprache mitbringen muss, um einerseits mit Modulen, die in anderen Sprachen geschrieben wurden, zu kommunizieren und andererseits durch die CLR ausführbar zu sein. Eine Sprache kann aber über die CLS hinaus weitere Features besitzen.11.2.2 Microsoft Intermediate Language
Durch das Kompilieren von Sourcecode einer .NET-Sprache entsteht ein Zwischencode, der so genannte IL-Code. IL steht hierbei für Intermediate Language (Zwischensprache) und wird auch als MSIL (Microsoft IL) bezeichnet. Im Zuge seiner Standardisierung wird er nun auch CIL (Common IL) genannt. Die Besonderheit an diesem Zwischencode ist, dass er unabhängig vom konkreten Betriebssystem ist. Soll IL-Code zur Ausführung gebracht werden, ist eine Übersetzung in nativen Code des spezifischen Betriebssystems bzw. des Prozessors notwendig. Dazu wird der IL-Code bei der Ausführung durch einen JIT (Just In Time-Compiler - auch Jitter) in Code des ausführenden Betriebssystems übersetzt.INFO
Unter Windows wird der MSIL-Code in einer *.exe-Datei verpackt. Diese Dateien haben einen Aufbau, der durch das PE-Format (portable executable, siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Portable_Executable) definiert ist. An einen Standard-PE-Header, der die Ausführung der Datei ohne das .NET Framework erlaubt, schließen sich ein CLR-Header und ein CLR-Datenteil (MSIL-Code und Metadaten) an.11.2.3 Just In Time-Compiler
Eine native Anwendung enthält bereits Anweisungen für einen konkreten Prozessor und ein bestimmtes Betriebssystem. Nach dem Kompilieren von Sourcecode entsteht unter .NET keine nativ ausführbare Anwendung, sondern es wird der bereits erwähnte IL-Code erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass eine .NET-Anwendung (theoretisch) auf unterschiedlichen Betriebssystemen laufen kann. Ein JIT führt die Übersetzung des IL-Codes in den nativen Code durch. Für jede zu unterstützende Plattform ist also ein JIT notwendig. Umgekehrt kann der IL-Code unter jeder Plattform ausgeführt werden, für die ein JIT vorliegt. Als einzige Einschränkung darf der IL-Code keine plattformspezifischen Bibliotheken und Funktionen nutzen (z.B. den Zugriff auf die Registry unter Windows) und keine plattformspezifischen APIs verwenden (z.B. Unmanaged Code um auf bestimmte Hardwarekomponenten zuzugreifen). Eine sehr interessante Eigenschaft des JITs ist, dass er eine Anwendung immer optimal für das aktuelle System übersetzt. So kann in diesem Fall auch Rücksicht auf die verwendete Hardware (Prozessor, Grafikkarte) genommen werden und eine dafür geeignete Optimierung erfolgen. Die Übersetzung durch den JIT schließt außerdem eine Verifizierung ein, welche die Typsicherheit und weitere sicherheitsrelevante Dinge prüft (darf die Anwendung in diesem Verzeichnis ausgeführt werden, darf sie auf die Festplatte oder das Netzwerk zugreifen usw.). So hat eine über das Internet geladene Anwendung z.B. weniger Zugriffsrechte auf das lokale System als eine direkt auf dem System gestartete Anwendung. Die Übersetzung wird für jede Codestelle maximal einmal durchgeführt und dies auch erst bei Bedarf. Wird der Code später erneut benötigt, kann auf den bereits übersetzten Code zurückgegriffen werden.INFO
Über das Tool Ngen.exe (Native Image Generator) kann eine .NET-Anwendung dauerhaft in ein natives Format übersetzt werden. Dies sollte aber immer auf dem Rechner erfolgen, auf dem die Anwendung später auch ausgeführt wird (denken Sie an die Optimierungsmöglichkeiten). Eine Anwendung kann jetzt schneller ausgeführt werden, da die Übersetzung durch den JIT wegfällt. Weitere Informationen entnehmen Sie der Hilfe zum Stichwort Ngen.11.2.4 Speicherverwaltung
In vielen Programmiersprachen sind Sie selbst für die Beschaffung und Anforderung sowie die Freigabe von Speicher verantwortlich. Dadurch kann es zu verschiedensten Problemen kommen. Vergessen Sie beispielsweise die Speicherfreigabe sehr häufig, führt dies bei großen Speichermengen dazu, dass bald kein Speicher mehr zur Verfügung steht. Unter .NET wird zum Speichermanagement der Garbage Collector (GC) durch die CLR bereitgestellt. Bestehen auf einen Speicherbereich keine Verweise mehr (d.h. er kann nicht mehr über die Anwendung erreicht werden), wird er vom GC eingesammelt und zur erneuten Verwendung bereitgestellt. In der Abbildung 1.2 wird die Arbeitsweise schematisch gezeigt. Auf einen Speicherbereich existieren zwei Verweise. Zuerst wird der erste Verweis auf den Speicherbereich entfernt, dann der zweite. Nachdem der Speicherbereich nicht mehr referenziert wird und somit auch nicht mehr erreichbar ist, wird er vom GC eingesammelt.
Abbildung 4.2: Arbeitsweise des Garbage Collectors
Für die Speicherbereinigung wird möglichst ein Zeitpunkt gewählt, bei dem die Anwendung nicht viel zu tun hat. Tritt dieser Fall nie ein, wird die Bereinigung nach ausgefeilten Algorithmen durchgeführt. Damit nach der Bereinigung nicht zu viele kleine freie Speicherbereiche übrig bleiben, wird der freie Speicher ab und zu zusammengefasst.
INFO
Die Garbage Collection funktioniert nur mit Managed Code. Verwenden Sie in einer .NET-Anwendung Unmanaged Code, der nicht durch die CLR verwaltet wird, müssen Sie sich selbst um eine korrekte Speicherfreigabe kümmern.11.2.5 Die Klassenbibliothek
Was wäre ein Framework und eine Programmiersprache ohne eine mächtige Bibliothek an vorgefertigten Funktionen. Die .NET Class Library vereint sämtliche Typen (Klassen, Interfaces usw.), welche die Grundlage aller Anwendungen des .NET Frameworks bilden. Die Typen sind in zahlreichen Namespaces (Namensräumen) organisiert, welche sie nach ihrem Anwendungsgebiet gruppieren. Für die Klassenbibliothek existieren weiterhin die Begriffe Base Class Library (BCL) und Framework Class Library (FCL). Die BCL soll dabei eine Teilmenge der FCL darstellen, eine konkrete Information dazu gibt es aber nicht. In der Regel ist einfach die gesamte Klassenbibliothek des .NET Frameworks gemeint. Wegen des Common Type Systems und der Common Language Specification kann die Klassenbibliothek von allen Sprachen genutzt werden, die selbst CLS-konform sind und das CTS unterstützen. Die Klassenbibliothek stellt unter anderem die folgende Funktionalität zur Verfügung:11.2.6 Die Sprache C#
Mit dem Erscheinen des .NET Frameworks 1.0 im Jahre 2000 wurde auch eine neue, objektorientierte Sprache bereitgestellt, C#. Sie hat Ihren Ursprung in verschiedenen Elementen anderer Sprachen wie C/C++ und Java und ist sogar standardisiert (http://www.ecma-international.org/publications/standards/Ecma-334.htm). Die umfangreiche Spezifikation kann als PDF-Datei geladen werden. Woher der Name C# tatsächlich stammt, ist nicht sicher. Einige meinen, er kommt vom Ton "cis" aus der Musikwelt, andere sind der Auffassung, er ist die Übersetzung von see sharp (scharf sehen). Es könnten natürlich auch die gegeneinander verschobenen Pluszeichen von C++ sein. Bezüglich der Leistungsfähigkeit ist C# allen anderen aktuellen Sprachen ebenbürtig. Die ewigen Streitereien und Vergleiche, wer besser, einfacher, objektorientierter usw. ist, werden weder hier noch an anderer Stelle in diesem Buch fortgeführt. Jede Programmiersprache hat in einem bestimmten Umfeld ihre Vorzüge. Allerdings liegt dies oft weniger an der Sprache, sondern an den Eigenschaften des verwendeten Frameworks und an dem Umfang der mitgelieferten Bibliotheken. Manchmal kann es durchaus sein, dass sich mehrere Sprachen eignen. In diesem Fall müssen Sie weitere Aspekte hinzuziehen wie eventuell benötigte Bibliotheken von anderen Herstellern und natürlich die Erfahrung der Programmierer.11.3 Die Installation des .NET Frameworks
Der Start mit einer neuen Software beginnt immer mit der Installation (einige sollen ja vorher sogar die Dokumentation oder das Handbuch lesen). Diese soll und kann nicht bis ins kleinste Detail beschrieben werden, da sich . Dennoch sollen ihr einige Zeilen gewidmet werden. Die Startseite für Informationen zum .NET Framework ist der URL http://msdn2.microsoft.com/de-de/netframework/default.aspx. Von hier aus gelangen Sie über den Link .NET Framework 4.0 (Standalone) (Abbildung 1.3) im linken Bereich der Webseite zum Download des .NET Frameworks 4.0. Der darunter befindliche Web Installer lädt die Installationsdaten dagegen direkt aus dem Internet.
Abbildung 1.3: Link zu den Download-Dateien
Um die Dateien zu laden und zu installieren:
Sie benötigen eines der folgenden Betriebssysteme für die Installation: Windows XP SP3, Windows Server 2003 SP2, Windows Vista SP1, Windows Server 2008, Windows 7. Voraussetzung für die erfolgreiche Ausführung der Setup-Dateien ist weiterhin ein vorhandener Windows Installer in der Version 3.1. Dieser kann bei Bedarf von der Download-Seite des .NET Frameworksbezogen werden. Fehlen weitere Dateien werden Sie darauf hingewiesen. Laden Sie entweder den vollständigen Installer (Größe ca. 48MB, dotNetFx40_Full_x86_x64.exe) oder den WebInstaller (Größe ca. 1MB, dotNetFx40_Full_setup.exe). Führen Sie den entsprechenden Installer aus und folgen Sie den Anweisungen. Nach der Installation stehen die folgenden Verzeichnisse zur Verfügung (abhängig von Ihren Angaben).| Verzeichnis | Inhalt |
| [WindowsDir]\assembly | Globaler Assembly Cache (GAC) |
| [WindowsDir]\Microsoft.NET\Framework\v4.0.30319 | Runtime-Komponenten und Anwendungen wie z.B. der C#-Compiler sowie Konfigurationsdateien |
INFO
Die Webseiten, Links und Installationen zu den jeweiligen Frameworks ändern sich relativ häufig. Sehen Sie deshalb die hier gegebenen Anleitungen nur als Hilfestellung an, aber niemals als Referenz.11.4 Interessante Webseiten
Zum .NET Framework finden Sie sehr viele interessante Webseiten. Einige davon werden ohne Angabe einer Wertigkeit in der folgenden Tabelle aufgeführt. Alle Angaben sind natürlich ohne Gewähr.| URL | Inhalt |
| http://www.codeproject.com/ | Sourcecodes und Artikel, nicht nur über .NET |
| http://www.codezone.de/ | Deutschsprachige Entwicklerseite |
| http://www.c-sharpcorner.com/ | Artikel und Informationen rund um C# |
| http://code.msdn.microsoft.com | Sourcecode für verschiedenste Probleme |
| http://www.icsharpcode.net/ | Kostenfreie Entwicklungsumgebung SharpDevelop |
| http://msdn2.microsoft.com/de-de/netframework/default.aspx | Microsofts Startseite zum .NET Framework |
| http://msdn.microsoft.com/de-de/windows/bb980924.aspx | Informationen und Downloads zum Windows SDK |
| http://www.mono-project.com/Main_Page | Mono-Projekt für den Multiplattform-Einsatz von .NET |
| http://www.microsoft.com/germany/express/default.aspx | Kostenfreie Express-Versionen des Visual Studios 2010 (C#, Visual Basic, C++, Web) |
| http://it-republik.de/dotnet/ http://www.dotnetpro.de/ | Magazine zum Thema .NET |