Текст книги "C# 4.0: полное руководство"

IsFactorExp = (n, d) => (d != 0) ? (n % d) == 0 : false;

В этом операторе конструируется представление лямбда-выражения в оперативной памяти. Как пояснялось выше, это представление доступно по ссылке, присваиваемой делегату IsFactorExp. А в следующем операторе данные выражения преобразуются в исполняемый код.

Func

  IsFactor = IsFactorExp.Compile();

После выполнения этого оператора делегат IsFactorExp может быть вызван, чтобы определить, является ли одно целое число множителем другого.

Обратите также внимание на то, что обозначает тип делегата. В этой форме делегата Funс указываются два параметра типа int и возвращаемый тип bool. В рассматриваемой здесь программе использована именно эта форма делегата Funс, совместимая с лямбда-выражениями, поскольку для выражения требуются два параметра. Для других лямбда-выражений могут подойти иные формы делегата Funс в зависимости от количества требуемых параметров. Вообще говоря, конкретная форма делегата Funс должна удовлетворять требованиям лямбда-выражения.

Как упоминалось выше, методы расширения предоставляют средства для расширения функций класса, не прибегая к обычному механизму наследования. Методы расширения создаются нечасто, поскольку механизм наследования, как правило, предлагает лучшее решение. Тем не менее знать, как они действуют, никогда не помешает. Ведь они имеют существенное значение для LINQ.

Метод расширения является статическим и поэтому должен быть включен в состав статического, необобщенного класса. Тип первого параметра метода расширения определяет тип объектов, для которых этот метод может быть вызван. Кроме того, первый параметр может быть указан с модификатором this. Объект, для которого вызывается метод расширения, автоматически передается его первому параметру. Он не передается явным образом в списке аргументов. Следует, однако, иметь в виду, что метод расширения может по-прежнему вызываться для объекта аналогично методу экземпляра, несмотря на то, что он объявляется как статический.

Ниже приведена общая форма метода расширения.

static возращаемый_тип имя (this тип_вызывающего_объекта ob, список_параметров)

Очевидно, что список_параметров окажется пустым в отсутствие аргументов, за исключением аргумента, неявно передаваемого вызывающим объектом оb. Не следует, однако, забывать, что первым параметром метода расширения является автоматически передаваемый объект, для которого вызывается этот метод. Как правило, метод расширения становится открытым членом своего класса.

В приведенном ниже примере программы создаются три простых метода расширения.

// Создать и использовать ряд методов расширения,

using System;

using System.Globalization;

static class MyExtMeths {

  // Возвратить обратную величину числового значения типа double,

  public static double Reciprocal(this double v) {

    return 1.0 / v;

  }

  // Изменить на обратный регистр букв в символьной

  // строке и возвратить результат,

  public static string RevCase(this string str) {

    string temp = "";

    foreach(char ch in str) {

      if(Char.IsLower(ch))

        temp += Char.ToUpper(ch, CultureInfo.

                    CurrentCulture);

      else temp += Char.ToLower(ch, CultureInfo.CurrentCulture);

    }

    return temp;

  }

  // Возвратить абсолютное значение выражения n/d.

  public static double AbsDivideBy(this double n, double d) {

    return Math.Abs(n / d);

  }

}

class ExtDemo {

  static void Main() {

    double val = 8.0;

    string str = «Alpha Beta Gamma»;

    // Вызвать метод расширения Reciprocal()..

    Console.WriteLine(«Обратная величина {0} равна {1}»,

                 val, val.Reciprocal());

    // Вызвать метод расширения RevCaseO .

    Console.WriteLine(str + " после смены регистра: " +

                  str.RevCase());

    // Использовать метод расширения AbsDivideBy() .

    Console.WriteLine("Результат вызова метода val.AbsDivideBy(-2) : "

               + val.AbsDivideBy(-2));

  }

}

Эта программа дает следующий результат.

Обратная величина 8 равна 0.125

Alpha Beta Gamma после смены регистра: aLPHA bЕТА gАММА

Результат вызова метода val.AbsDivideBy(-2): 4

В данном примере программы каждый метод расширения содержится в статическом классе MyExtMeths. Как пояснялось выше, метод расширения должен быть объявлен в статическом классе. Более того, этот класс должен находиться в области действия своих методов расширения, чтобы ими можно было пользоваться. (Именно поэтому в исходный текст программы следует включить пространство имен System.Linq, так как это дает возможность пользоваться методами расширения, связанными с LINQ.)

Объявленные методы расширения вызываются для объекта таким же образом, как и методы экземпляра. Главное отличие заключается в том, что вызывающий объект передается первому параметру метода расширения. Поэтому при выполнении выражения

val.AbsDivideBy(-2)

объект val передается параметру n метода расширения AbsDivideBy(), а значение -2 – параметру d.

Любопытно, что методы расширения Reciprocal() и AbsDivideBy() могут вполне законно вызываться и для литерала типа double, как показало ниже, поскольку они определены для этого типа данных.

8.0.Reciprocal()

8.0.AbsDivideBy(-1)

Кроме того, метод расширения RevCase() может быть вызван следующим образом.

«AbCDe».RevCase()

В данном случае возвращается строковый литерал с измененным на обратный регистром букв.

В версии .NET Framework 4.0 внедрено новое дополнение LINQ под названием PLINQ. Это средство предназначено для поддержки параллельного программирования. Оно позволяет автоматически задействовать в запросе несколько доступных процессоров. Подробнее о PLINQ и других средствах, связанных с параллельным программированием, речь пойдет в главе 24.

В этой главе рассматривается средство языка С#, которое обычно захватывает программистов врасплох. Это небезопасный код. В таком коде зачастую используются указатели. Совместно с небезопасным кодом указатели позволяют разрабатывать на C# приложения, которые обычно связываются с языком C++, высокой производительностью и системным кодом. Более того, благодаря включению небезопасного кода и указателей в состав C# в этом языке появились возможности, которые отсутствуют в Java.

В этой главе рассматриваются также обнуляемые типы, определения частичных классов и методов, буферы фиксированного размера. И в заключение этой главы представлен ряд ключевых слов, не упоминавшихся в предыдущих главах.

В C# разрешается писать так называемый «небезопасный» код. В этом странном на первый взгляд утверждении нет на самом деле ничего необычного. Небезопасным считается не плохо написанный код, а такой код, который не может быть выполнен под полным управлением в общеязыковой исполняющей среде (CLR). Как пояснялось в главе 1, результатом программирования на C# обычно является управляемый код. Тем не менее этот язык программирования допускает написание кода, который не выполняется под полным управлением в среде CLR. Такой неуправляемый код не подчиняется тем же самым средствам управления и ограничениям, что и управляемый код, и называется он небезопасным потому, что нельзя никак проверить, не выполняет ли он какое-нибудь опасное действие. Следовательно, термин небезопасный совсем не означает, что коду присущи какие-то изъяны. Это просто означает, что код может выполнять действия, которые не подлежат контролю в управляемой среде.

Если небезопасный код может вызвать осложнения, то зачем вообще создавать такой код? Дело в том, что управляемый код не позволяет использовать указатели. Если у вас имеется некоторый опыт программирования на С или C++, то вам должно быть известно, что указатели представляют собой переменные, предназначенные для хранения адресов других объектов, т.е. они в какой-то степени похожи на ссылки в С#. Главное отличие указателя заключается в том, что он может указывать на любую область памяти, тогда как ссылка всегда указывает на объект своего типа. Но поскольку указатель способен указывать практически на любую область памяти, то существует большая вероятность его неправильного использования. Кроме того, используя указатели, легко допустить программные ошибки. Именно поэтому указатели не поддерживаются при создании управляемого кода в С#. А поскольку указатели все-таки полезны и необходимы для некоторых видов программирования (например, утилит системного уровня), в C# разрешается создавать и использовать их. Но при этом все операции с указателями должны быть помечены как небезопасные, потому что они выполняются вне управляемой среды.

В языке C# указатели объявляются и используются таким же образом, как и в С/С++. Если вы знаете, как пользоваться ими в С/С++, то вам нетрудно будет сделать это и в С#. Но не забывайте, что главное назначение C# – создание управляемого кода. А способность этого языка программирования поддерживать неуправляемый код следует использовать для решения лишь особого рода задач. Это, скорее, исключение, чем правило для программирования на С#. По существу, для компилирования неуправляемого кода следует использовать параметр компилятора /unsafe.

Указатели составляют основу небезопасного кода, поэтому мы начнем его рассмотрение именно с них.

Основы применения указателей

Указатель представляет собой переменную, хранящую адрес какого-нибудь другого объекта, например другой переменной. Так, если в переменной х хранится адрес переменной у, то говорят, что переменная х указывает на переменную у. Когда указатель указывает на переменную, то значение этой переменной может быть получено или изменено по указателю. Такие операции с указателями называют непрямой адресацией.

Объявление указателя

Переменные-указатели должны быть объявлены как таковые. Ниже приведена общая форма объявления переменной-указателя:

тип* имя_переменной;

где тип обозначает соотносимый тип, который не должен быть ссылочным. Это означает, что в C# нельзя объявить указатель на объект определенного класса. Соотносимый тип указателя иногда еще называют базовым. Обратите внимание на положение знака * в объявлении указателя. Он должен следовать после наименования типа. А имя_переменной обозначает конкретное имя указателя-переменной.

Обратимся к конкретному примеру. Для того чтобы сделать переменную ip указателем на значение типа int, необходимо объявить ее следующим образом.

int* ip;

А указатель типа float объявляется так, как показано ниже.

float* fp;

Вообще говоря, если в операторе объявления после имени типа следует знак *, то это означает, что создается переменная типа указателя.

Тип данных, на которые будет указывать сам указатель, зависит от его соотносимого типа. Поэтому в приведенных выше примерах переменная ip может служить для указания на значение типа int, а переменная fp – для указания на значение типа float. Следует, однако, иметь в виду, что указателю ничто не мешает указывать на что угодно. Именно поэтому указатели потенциально небезопасны.

Если у вас есть опыт программирования на C/C++, то вы должны ясно понимать главное отличие в объявлении указателей в C# и C/C++. При объявлении указателя в C/C++ знак * не разделяет список переменных в объявлении. Поэтому в следующей строке кода:

int* р, q;

объявляется указатель р типа int и переменная q типа int. Это равнозначно двум следующим объявлениям.

int* р;

int q;

А в C# знак * является разделительным, и поэтому в объявлении

int* р, q;

создаются две переменные-указателя. Это равнозначно двум следующим объявлениям.

int* р;

int* q;

Это главное отличие следует иметь в виду при переносе кода C/C++ на С#.

Операторы * и & в указателях

В указателях применяются два оператора: * и &. Оператор & является унарным и возвращает адрес памяти своего операнда. (Напомним, что для унарного оператора требуется единственный операнд.) Например, в следующем фрагменте кода:

int* ip;

int num = 10;

ip = #

в переменной ip сохраняется адрес памяти переменной num. Это адрес расположения переменной num в оперативной памяти компьютера. Он не имеет никакого отношения к значению переменной num. Поэтому в переменной ip содержится не значение 10, являющееся исходным для переменной num, а конкретный адрес, по которому эта переменная хранится в оперативной памяти. Операцию & можно рассматривать как возврат адреса той переменной, перед которой она указывается. Таким образом, приведенное выше присваивание словами можно описать так: «Переменная ip получает адрес переменной num.»

Второй оператор, *, является дополнением оператора &. Этот унарный оператор находит значение переменной, расположенной по адресу, на который указывает его операнд. Следовательно, этот оператор обращается к значению переменной, на которую указывает соответствующий указатель. Так, если переменная ip содержит адрес памяти переменной num, как показано в предыдущем примере, то в следующей строке кода:

int val = *ip;

в переменной val сохраняется значение 10 переменной num, на которую указывает переменная ip. Операцию * можно рассматривать как получение значения по адресу. Поэтому приведенный выше оператор присваивания описывается словами следующим образом: "Переменная val получает значение по адресу, хранящемуся в переменной ip."

Оператор * можно использовать также в левой части оператора присваивания. В этом случае он задает значение, на которое указывает соответствующий указатель, как в приведенном ниже примере.

*ip = 100;

В данном примере значение 100 присваивается переменной, на которую указывает переменная ip, т.е. переменной num. Поэтому приведенный выше оператор присваивания описывается словами следующим образом: "Разместить значение 100 по адресу, хранящемуся в переменной ip."

Применение ключевого слова unsafe

Любой код, в котором используются указатели, должен быть помечен как небезопасный с помощью специального ключевого слова unsafe. Подобным образом можно пометить конкретные типы данных (например, классы и структуры), члены класса (в том числе методы и операторы) или отдельные кодовые блоки как небезопасные. В качестве примера ниже приведена программа, где указатели используются в методе Main(), помеченном как небезопасный.

// Продемонстрировать применение указателей и ключевого слова unsafe.

using System;

class UnsafeCode {

  // Пометить метод Main() как небезопасный,

  unsafe static void Main() {

    int count = 99;

    int* p; // создать указатель типа int

    p = &count; // поместить адрес переменной count в переменной р

    Console.WriteLine("Исходное значение переменной count: " + *p);

    *p = 10; // присвоить значение 10 переменной count,

    // на которую указывает переменная р

    Console.WriteLine("Новое значение переменной count: " + *p);

  }

}

Эта программа дает следующий результат.

Исходное значение переменной count: 99

Новое значение переменной count: 10

Применение модификатора fixed

В работе с указателями нередко используется модификатор fixed, который препятствует удалению управляемой переменной средствами «сборки мусора». Потребность в этом возникает, например, в том случае, если указатель обращается к полю в объекте определенного класса. А поскольку указателю ничего не известно о действиях системы «сборки мусора», то он будет указывать не на тот объект, если удалить нужный объект. Ниже приведена общая форма модификатора fixed:

fixed (тип* р = &фиксированный_объект) {

// использовать фиксированный объект

}

где р обозначает указатель, которому присваивается адрес объекта. Этот объект будет оставаться на своем текущем месте в памяти до конца выполнения кодового блока. В качестве адресата оператора fixed может быть также указано единственное выражение, а не целый кодовый блок. Модификатор fixed допускается использовать только в коде, помеченном как небезопасный. Кроме того, несколько указателей с модификатором fixed могут быть объявлены списком через запятую.

Ниже приведен пример применения модификатора fixed.

// Продемонстрировать применение оператора fixed.

using System;

class Test {

  public int num;

  public Test(int i) {

    num = i;

  }

}

class FixedCode {

  // Пометить метод Main() как небезопасный,

  unsafe static void Main() {

    Test o = new Test(19);

    fixed (int* p = &o.num) {

      // использовать модификатор fixed для размещения

      // адреса переменной экземпляр о.num в переменной р

      Console.WriteLine("Исходное значение переменной о.num: " + *p);

      *p = 10; // присвоить значение 10 переменной count,

      // на которую указывает переменная р

      Console.WriteLine("Новое значение переменной о.num: " + *p);

    }

  }

}

Вот к какому результату приводит выполнение этой программы.

Исходное значение переменной о.num: 19

Новое значение переменной о.num: 10

В данном примере модификатор fixed препятствует удалению объекта о. А поскольку переменная р указывает на переменную экземпляра о.num, то она будет указывать на недостоверную область памяти, если удалить объект о.

Доступ к членам структуры с помощью указателя

Указатель может указывать на объект типа структуры при условии, что структура не содержит ссылочные типы данных. Для доступа к члену структуры с помощью указателя следует использовать оператор-стрелку (->), а не оператор-точку (.). Например, доступ к членам структуры

struct MyStruct {

  public int a;

  public int b;

  public int Sum() {

    return a + b;

  }

}

осуществляется следующим образом.

MyStruct о = new MyStruct();

MyStruct* p; // объявить указатель

p = &o;

p->a = 10; // использовать оператор ->

p->b = 20; // использовать оператор ->

Console.WriteLine("Сумма равна " + p->Sum());

Арифметические операции над указателями

Над указателями можно выполнять только четыре арифметические операции: ++, –, + и -. Для того чтобы стало понятнее, что именно происходит в арифметических операциях над указателями, рассмотрим сначала простой пример. Допустим, что переменная p1 является указателем с текущим значением 2000, т.е. она содержит адрес 2000. После выполнения выражения

p1++;

переменная p1 будет содержать значение 2004, а не 2001! Дело в том, что после каждого инкрементирования переменная p1 указывает на следующее значение типа int. А поскольку тип int представлен в C# 4 байтами, то в результате инкрементирования значение переменной p1 увеличивается на 4. Справедливо и обратное: при каждом декрементировании переменной p1 ее значение уменьшается на 4. Например выражение

p1–;

приводит к тому, что значение переменной p1 становится равным 1996, если раньше оно было равно 2000!

Все сказанное выше можно обобщить: после каждого инкрементирования указатель будет указывать на область памяти, где хранится следующий элемент его соотносимого типа, а после каждого декрементирования указатель будет указывать на область памяти, где хранится предыдущий элемент его соотносимого типа.

Арифметические операции над указателями не ограничиваются только инкрементированием и декрементированием. К указателям можно добавлять и вычитать из них целые значения. Так, после вычисления следующего выражения:

p1 = p1 + 9;

переменная p1 будет указывать на девятый элемент ее соотносимого типа по отношению к элементу, на который она указывает в настоящий момент.

Если складывать указатели нельзя, то разрешается вычитать один указатель из другого, при условии, что оба указателя имеют один и тот же соотносимый тип. Результатом такой операции окажется количество элементов соотносимого типа, которые разделяют оба указателя.

Кроме сложения и вычитания целого числа из указателя, а также вычитания двух указателей, другие арифметические операции над указателями не разрешаются. В частности, к указателям нельзя добавлять или вычитать из них значения типа float или double. Не допускаются также арифметические операции над указателями типа void*.

Для того чтобы проверить на практике результаты арифметических операций над указателями, выполните приведенную ниже короткую программу, где выводятся физические адреса, на которые указывает целочисленный указатель (ip) и указатель с плавающей точкой одинарной точности (fp). Понаблюдайте за изменениями каждого из этих указателей по отношению к их соотносимым типам на каждом шаге цикла.

// Продемонстрировать результаты арифметических операций над указателями.

using System;

class PtrArithDemo {

  unsafe static void Main() {

    int x;

    int i;

    double d;

    int* ip = &i;

    double* fp = &d;

    Console.WriteLine(«int doublen»);

    for(x=0; x < 10; x++) {

      Console.WriteLine((uint) (ip) + " " + (uint) (fp));

      ip++;

      fp++;

    }

  }

}

Ниже приведен примерный результат выполнения данной программы. У вас он может оказаться иным, хотя промежутки между выводимыми значения должны быть такими же самыми.

int double

1243464 1243468

1243468 1243476

1243472 1243484

1243476 1243492

1243480 1243500

1243484 1243508

1243488 1243516

1243492 1243524

1243496 1243532

1243500 1243540

Как следует из приведенного выше результата, арифметические операции выполняются над указателями относительно их соотносимого типа. Так, значения типа int занимают в памяти 4 байта, а значения типа double – 8 байтов, и поэтому их адреса изменяются с приращением именно на эти величины.

Сравнение указателей

Указатели можно сравнивать с помощью таких операторов отношения, как ==, < и >. Но для того чтобы результат сравнения указателей оказался содержательным, оба указателя должны быть каким-то образом связаны друг с другом. Так, если переменные p1 и р2 являются указателями на две разные и не связанные вместе переменные, то любое их сравнение, как правило, не имеет никакого смысла. Но если переменные p1 и р2 указывают на связанные вместе переменные, например на элементы одного массива, то их сравнение может иметь определенный смысл.

Указатели и массивы

В C# указатели и массивы связаны друг с другом. Например, при указании имени массива без индекса в операторе с модификатором fixed формируется указатель на начало массива. В качестве примера рассмотрим следующую программу.

/* Указание имени массива без индекса приводит к формированию указателя на начало массива. */

using System;

class PtrArray {

  unsafe static void Main() {

    int[] nums = new int[10];

    fixed(int* p = &nums[0], p2 = nums) {

      if(p == p2)

        Console.WriteLine("Указатели p и p2 содержат " +

                 «один и тот же адрес.»);

    }

  }

}

Ниже приведен результат выполнения этой программы.

Указатели р и р2 содержат один и тот же адрес

Как следует из приведенного выше результата, выражения

&nums[0]

И

nums

оказываются одинаковыми. Но поскольку вторая форма более лаконична, то она чаще используется в программировании, когда требуется указатель на начало массива.

Индексирование указателей

Когда указатель обращается к массиву, его можно индексировать как сам массив. Такой синтаксис служит более удобной в некоторых случаях альтернативой арифметическим операциям над указателями. Рассмотрим следующий пример программы.

// Проиндексировать указатель как массив.

using System;

class PtrlndexDemo {

  unsafe static void Main() {

    int[] nums = new int[10];

    // Проиндексировать указатель.

    Console.WriteLine(«Индексирование указателя как массива.»);

    fixed (int* p = nums) {

      for (int i = 0; i < 10; i++)

        p[i] = i; // индексировать указатель как массив

      for (int i = 0; i < 10; i++)

        Console.WriteLine("p[{0}]: {1} ", i, p[i]);

    }

    // Использовать арифметические операции над указателями.

    Console.WriteLine("nПрименение арифметических " +

          «операций над указателями.»);

    fixed (int* p = nums) {

      for (int i = 0; i < 10; i++)

        *(p + i) = i; // использовать арифметическую операцию над указателем

      for (int i = 0; i < 10; i++)

        Console.WriteLine("*(p+{0}): {1} ", i, *(p + i));

    }

  }

}

Ниже приведен результат выполнения этой программы.

Индексирование указателя как массива.

Р[0] : 0

Р[1] : 1

Р[2] : 2

Р[3] : 3

Р[4] : 4

Р[5] : 5

Р[6] : 6

Р[7] : 7

Р[8] : 8

Р[9] : 9

Применение арифметических операций над указателями.

*(р+0) : 0

*(P+1) : 1

*(р+2) : 2

*(р+3) : 3

*(р+4) : 4

*(р+5) : 5

*(р+6) : 6

*(р+7) : 7

*(р+8) : 8

*(р+9) : 9

Как следует из результата выполнения приведенной выше программы, общая форма выражения с указателем