Компонентное программирование в .NET

Источник: http://www.uchi-it.ru/7/1/12.html

Пожалуй, наиболее существенным нововведением идеологии Microsoft .NET является компонентно-ориентированный подход к программированию.

Во-первых, следует отметить то обстоятельство, что компонентно-ориентированный подход к проектированию и реализации программных систем и комплексов является в некотором смысле развитием объектно-ориентированного и практически более пригоден для разработки крупных и распределенных систем (например, корпоративных приложений).

Прежде всего, сформулируем основополагающее для рассматриваемого подхода определение компонента. Под компонентом будем далее иметь в виду независимый модуль программного кода, предназначенный для повторного использования и развертывания. Как видно из определения, применение компонентного программирования призвано обеспечить более простую, быструю и прямолинейную процедуру первоначальной инсталляции прикладного программного обеспечения, а также увеличить процент повторного использования кода, т.е. усилить основные преимущества ООП.

Говоря о свойствах компонентов, следует прежде всего отметить, что это существенно более крупные единицы, чем объекты (в том смысле, что объект представляет собой конструкцию уровня языка программирования). Другими отличиями компонентов от традиционных объектов являются возможность содержать множественные классы и (в большинстве случаев) независимость от языка программирования.

Заметим, что, автор и пользователь компонента, вообще говоря, территориально распределены и используют разные языки. Вполне возможно, что они не только пишут программы, но и говорят на разных языках.

Получив представление о компонентах и их отличиях от традиционных объектов ООП, рассмотрим существующие подходы к моделированию вариаций компонентного подхода в современной практике проектирования и реализации программных комплексов и систем.

Прежде всего, поскольку основной вычислительной средой для исследования в данном курсе является Microsoft .NET, обсудим особенности модели для компонентно-ориентированной разработки программного обеспечения, предложенной корпорацией Microsoft. Эта модель называется компонентной объектной моделью (или Component Object Model, COM) и является изначальным стандартом, принятым для компонентной разработки приложений в корпорации Microsoft.

Компонентная модель COM определяет протокол для конкретизации (т.е. создания экземпляров) и использования компонент (по аналогии с классами и объектами) как внутри одного и того же процесса, так и между различными процессами или компьютерами, предназначенными для выполнения того или иного программного проекта, основанного на компонентной технологии. Модель COM является достаточно универсальной и используется в качестве фундамента для таких технологий проектирования и реализации программного обеспечения, как ActiveX, OLE и целого ряда других технологий. Приложения для COM-модели могут создаваться средствами таких языков и сред разработки как Visual Basic, C++, .NET и т.д.

Другим известным стандартом для компонентной модели является стандарт компании Sun Microsystems, известный как JavaBeans, который не обладает свойством независимости от языка программирования. Еще один широко используемый стандарт компонентного программирования – архитектура объектных запросов CORBA (несмотря на поддержку многоязычной разработки приложений, существуют сложности, связанные с отображением одного языка реализации в другой; для этой цели применяется достаточно громоздкий интерфейс, основанный на специальном языке описания IDL).

В рамках компонентного подхода сборкой называется логическая единица, содержащая множество модулей, необходимых для осуществления инсталляции программного обеспечения. Сборка характеризуется уникальностью, которая обеспечивается идентификатором версии сборки и цифровой подписью автора. Сборка является самодостаточной единицей для установки программного обеспечения и не требует никаких дополнений. Возможно как индивидуальное, так и коллективное (сетевое) использование сборки на основе компонентной технологии. Сборка обеспечивает простой и удобный механизм инсталляции и экономит средства, необходимые для развертывания программного обеспечения, сводя к минимуму затраты времени и сил на установку.

Описание сборки содержится в так называемом манифесте, где хранятся метаданные о компонентах сборки, идентификация автора и версии, сведения о типах и зависимостях, а также режим и политика использования. Метаданные типов манифеста исчерпывающе описывают все типы, определенные в сборке, а именно, свойства, методы, аргументы, возвращаемые значения, атрибуты, базовые классы и т.д.

Заметим, что промежуточный язык IL всегда компилируется в естественный (native) код до выполнения программы.

Для более эффективного манипулирования системой типизации компонент создаваемого программного обеспечения в рамках модели COM, концепция .NET предусматривает механизм пространств имен (namespace).

Пространством имен будем называть механизм среды Microsoft .NET, предназначенный для идентификации типов объектов языков программирования и среды реализации.

Описания пространств имен по аналогии с описаниями типов данных размещаются в файлах. Перечислим основные свойства, которыми характеризуются пространства имен в среде Microsoft .NET. Прежде всего, пространства имен могут как объединять различные сборки, так и быть вложенными друг в друга. Кроме того, файлы с описаниями могут содержать множественные пространства имен. Важно отметить, что между пространствами имен и файлами не существует однозначного соответствия. Наконец, полное имя типа должно содержать все необходимые пространства имен.

Приведем пример файла xxx.cs с описанием множественных пространств имен на языке C#:
xxx.cs
namespace A {
...
}
namespace B {
...
}
namespace C {
...
}

Приведем пример файла xxx.cs с описанием пространств имен на языке C# с неоднозначным (с учетом предыдущего примера) соответствием файлов и пространств имен:
xxx.cs
namespace A {
class C {
...
}
}

Кроме свойств, перечисленных выше, механизм пространств имен в среде вычислений .NET обладает еще целым рядом важных особенностей.

Так, допускается импорт пространств имен с использованием зарезервированного слова using языка программирования C# (похожий подход реализован в модулях языка Modula-2). Проиллюстрируем эту особенность фрагментом программы на языке C#:
using System;

Кроме того, существует возможность импорта одних пространств имен в другие. Проиллюстрируем это свойство фрагментом программы на языке C#:
using A;
namespace B {
using C;
...
}

Отметим также, что для явного указания полных и сокращенных имен разрешаются псевдонимы (alias). Проиллюстрируем это свойство следующим примером программы на языке C#:
using F = System.Windows.Forms;
...
F.Button b;

Как видно из приведенного фрагмента программы, для удобства вызова стандартного пространства имен .NET под именем System.Windows.Forms применяется псевдоним F.

Рассмотрим особенности использования механизма сборок, важнейшей концепции компонентного программирования, применительно к языку C#.

Сборка является минимальной единицей для развертывания приложений, т.е. представляет собой своеобразный атом компонентного программирования.

Каждый тип сборки характеризуется уникальным идентификатором – номером версии сборки. Таким образом, каждый программный проект формируется в виде сборки, которая является самодостаточным компонентом для развертывания, тиражирования и повторного использования. Сборка идентифицируется цифровой подписью автора и уникальным номером версии.

Между сборками и пространствами имен существует следующее соотношение. Сборка может содержать несколько пространств имен. В то же время, пространство имен может занимать несколько сборок.

Сборка может иметь в своем составе как один, так и несколько файлов, которые объединяются в так называемом манифесте или описании сборки, который подобен оглавлению книги. Манифест содержит метаданные о компонентах сборки, идентификацию автора и версии, сведения о типах и зависимостях, а также описывает режим и политику использования сборки. Метаданные типов манифеста в полной мере описывают все типы, которые содержатся в сборке.

В ходе обсуждения реализации механизма сборок в языке программирования C# следует отметить еще несколько важных характеристик.

Прежде всего, сборка как элемент языка программирования C# является аналогом компонента в среде проектирования и реализации программного обеспечения Microsoft .NET.

В результате компиляции программного кода на языке C# в среде вычислений .NET (например, в .NET Framework SDK) создается либо сборка, либо так называемый модуль.

При этом сборка существует в форме исполняемого файла (с расширением EXE), а также файла динамически присоединяемой библиотеки (с расширением DLL). Естественно, в состав сборки входит манифест. Модуль представляет собой файл с расширением .NETMODULE и, в отличие от сборки, не содержит в своем составе манифеста.

Заметим, что интеграция в программный проект других модулей и ресурсов (в частности, типов и метаданных) может быть осуществлена посредством системного программного обеспечения, известного под названием компоновщика сборок.

Подводя итоги рассмотрения основных аспектов концепции компонентно-ориентированного подхода к программированию и особенностей реализации этой концепции применительно к языку программирования C#, кратко отметим достоинства подхода.

Прежде всего, важным практическим следствием реализации концепции компонентного подхода для экономики программирования является снижение стоимости проектирования и реализации программного обеспечения.

Еще одно очевидное достоинство компонентного программирования – возможность усовершенствования стратегии повторного использования кода. Код с более высоким уровнем абстракции не требует существенной модификации при адаптации к изменившимся условиям задачи или новым типам данных.

Кроме того, к преимуществам концепции компонентного программирования следует отнести унификацию обработки объектов различной природы. В самом деле, абстрактные классы и методы позволяют единообразно оперировать гетерогенными данными, причем для адаптации к новым классам и типам данных не требуется реализации дополнительного программного кода.

Важно также отметить, что идеология компонентного программирования основана на строгом математическом фундаменте (в частности, в виде формальной системы лямбда-исчисления), что обеспечивает интуитивную прозрачность исходного текста для математически мыслящего программиста, а также верифицируемость программного кода.

Наконец, концепция компонентного программирования, по сути, универсальна и в равной степени применима для различных подходов к программированию, включая функциональный и объектно-ориентированный.

Завершая вторую часть учебного курса, посвященного исследованию современных языков программирования (на примере языка программирования C#) и поддерживающих их сред вычислений (на примере инструментально-технологической платформы .NET), кратко резюмируем содержание рассмотренных вопросов и проблем.

Прежде всего, нами был рассмотрен объектно-ориентированный подход к проектированию и реализации программного обеспечения в сопоставлении с другими подходами.

Затем было дано представление о важнейших концепциях, которые составляют теоретическое и практическое основание объектно-ориентированного подхода к программированию. В частности, были рассмотрены концепции объекта, класса, метода, абстракции, инкапсуляции, наследования, полиморфизма, а также подходы к их формализации на основе исчисления лямбда-конверсий, комбинаторной логики, теории решеток и концептуализации.

Далее, посредством перечисленных теорий были формализованы такие важнейшие аспекты объектно-ориентированных языков программирования, как синтаксис и семантика.

Кроме того, было исследовано понятие типа, изучены основы теории типов и типизации в языках программирования, реализованных в среде вычислений .NET.

Затем мы перешли к рассмотрению вопросов, связанных с событийно-ориентированным программированием.

Наконец, было исследована трансформация ООП в приложении к среде .NET, которая привела к появлению компонентного подхода, основанного на объектной модели COM.

Вполне естественно, что, исходя из обширного спектра и глубины рассматриваемой проблематики, ряд важнейших аспектов реализации современных языков программирования (в рамках изложенного курса) был лишь обозначен или изложен весьма конспективно.

В связи с этим, представляет интерес систематическое изучение следующих вопросов:

компонентная разработка интегрированных гетерогенных программных систем на профессиональном уровне (на примере языков программирования SML и C#);
разработка событийно-управляемых приложений;
математически строгий сравнительный анализ функционального и объектно-ориентированного подходов к программированию на основе изученных теоретических разделов computer science;
формализация семантики событийно управляемого (и, возможно, компонентно-ориентированного) программирования.

Согласно общей концепции изложения курса, дальнейшие исследования имеет смысл вести синтетически по направлениям теоретического обоснования программирования на основе изученных формальных систем computer science и современной практики проектирования и реализации программного обеспечения на основе универсальной и прогрессивной программно-инструментальной платформы Microsoft .NET.