Wstęp

Język C# i platforma .NET #

Język C# został stworzony w firmie Microsoft przez zespół pod kierownictwem Andersa Hejlsberga i wprowadzony na rynek w 2002 roku jako część platformy .NET Framework. Nazwa C# (C Sharp) jest inspirowana notacją muzyczną, gdzie krzyżyk (sharp) podnosi nutę o pół tonu, co symbolizuje ewolucję w stosunku do języka C++.

Platforma .NET - czyli m.in. środowisko uruchomieniowe C# CoreCLR i kompilator C# Roslyn - początkowo dostępna jako .NET Framework tylko dla systemu Windows, została z czasem uzupełniona o .NET Core – napisaną od nowa, wieloplatformową i otwartą wersję środowiska. Przez pewien czas oba te rozwiązania były rozwijane równolegle. Ostatecznie linia .NET Core stała się podstawą dla przyszłego rozwoju. Począwszy od wersji .NET 5, platforma została symbolicznie zunifikowana pod jedną nazwą .NET, stając się następcą zarówno .NET Core, jak i .NET Framework. To właśnie w ramach tej transformacji całe środowisko – w tym kompilator C# (Roslyn) i środowisko uruchomieniowe (CoreCLR) – stało się projektem open-source. Microsoft co roku publikuje nową wersję platformy (.NET 6, .NET 7, .NET 8 itd.). Najnowsze zmiany można śledzić w oficjalnej dokumentacji: Co nowego w .NET oraz Co nowego w C#.

C# od lat jest jednym z najpopularniejszych języków programowania, regularnie zajmując czołowe miejsca w indeksie TIOBE i ankietach Stack Overflow. Znajduje szerokie zastosowanie w aplikacjach webowych (ASP.NET Core), desktopowych (WPF, WinUI), chmurowych, a także w tworzeniu gier (silnik Unity).

Język jest znacznie prostszy do nauki niż C++. Został zaprojektowany z myślą o produktywności i bezpieczeństwie programisty. Składnia C# należy do rodziny języków C, więc będzie znajoma dla programistów C, C++ czy Java.

Główne cechy języka #

C# jest językiem zarządzanym (managed), co oznacza, że kod jest wykonywany pod kontrolą środowiska uruchomieniowego .NET, a nie bezpośrednio przez system operacyjny. Mechanizmy, takie jak automatyczne zarządzanie pamięcią (Garbage Collector), eliminują całe klasy błędów znanych z języków nienadzorowanych (unmanaged), jednak wiąże się to z pewnym narzutem wydajnościowym.

Jest to również język silnie typowany i obiektowy. Silne typowanie oznacza, że typy danych muszą być zdefiniowane i są sprawdzane w czasie kompilacji, co pomaga wykrywać błędy na wczesnym etapie. Jako język obiektowy, C# dostarcza mechanizmy takie jak klasy, interfejsy, enkapsulację, dziedziczenie i polimorfizm. W odróżnieniu od C++, cały kod programu musi zawierać się w klasach. Jednocześnie, C# czerpie z innych paradygmatów, oferując wsparcie dla programowania funkcyjnego (LINQ, wyrażenia lambda), programowania sterowanego zdarzeniami (events, delegates) i asynchronicznego (async/await).

Jak działa kod w C#? Kompilacja do CIL i JIT #

W przeciwieństwie do C++, gdzie istnieje wiele kompilatorów, C# ma jedną główną, oficjalną implementację od Microsoftu. Do zbudowania i uruchomienia aplikacji potrzebny jest zestaw narzędzi .NET SDK.

Proces uruchamiania kodu C# wygląda następująco:

  1. Kompilator C# (Roslyn) tłumaczy kod źródłowy na język pośredni (Common Intermediate Language, CIL).
  2. Kod CIL jest zapisywany w plikach .dll lub .exe.
  3. Dopiero w momencie uruchomienia aplikacji, środowisko uruchomieniowe .NET (CoreCLR) kompiluje na bieżąco (Just-In-Time (JIT)) kod CIL do kodu maszynowego.
graph LR
    subgraph "Compilation Phase"
        A["C# Code<br>Program.cs"] -- "Compilation" --> B["CIL Assembly<br>Application.dll"]
    end

    subgraph "Execution Phase"
        B -- "Running<br>Application.dll" --> C["CIL Code"]
        C -- "JIT Compilation" --> D["Machine Code"]
    end

Ten mechanizm pozwala na uruchamianie tego samego skompilowanego kodu CIL na różnych systemach operacyjnych. Warto zaznaczyć, że ze względu na kompilację JIT, kod C# może być potencjalnie wolniejszy od kodu C++ (szczególnie przy pierwszym uruchomieniu danego fragmentu kodu). Wynika to z konieczności alokacji pamięci na kod maszynowy i samego procesu tłumaczenia. Kolejne wywołania tego samego fragmentu kodu są już znacznie szybsze, ponieważ środowisko uruchomieniowe korzysta ze skompilowanej wcześniej wersji.

Hello World #

Nowy projekt można utworzyć przy pomocy interfejsu linii poleceń dotnet:

dotnet new console -o Hello

Po wykonaniu tego polecenia, w katalogu Hello zostanie wygenerowany plik Program.cs z następującą zawartością:

// Program.cs
Console.WriteLine("Hello, World!");

C# od wersji 9.0 wspiera tzw. instrukcje najwyższego poziomu (top-level statements), które pozwalają pominąć definicję klasy Program i metody Main dla prostych aplikacji. Kompilator generuje je automatycznie, a kod staje się bardziej zwięzły.

Aplikację możemy od razu uruchomić:

dotnet run

W starszych szablonach projektów, ten sam kod wyglądałby następująco:

using System;

namespace Hello
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello, World!");
        }
    }
}

Można wymusić generację programu main przez dodanie parametru --use-program-main przy tworzeniu projektu.

W tym przypadku widać całą strukturę:

  • namespace Hello grupuje kod w logiczną całość.
  • class Program to kontener dla danych i metod.
  • static void Main(string[] args) to punkt wejścia programu.
  • using System; importuje przestrzeń nazw, w której zdefiniowana jest klasa Console. Jest to odpowiednik #include z C++.

Instrukcja Console.WriteLine("Hello, World!"); to wywołanie statycznej metody WriteLine na klasie Console.

Popularne środowiska programistyczne (IDE) dla C# to Visual Studio (Windows), Visual Studio Code (wieloplatformowe) i JetBrains Rider (wieloplatformowe). Pod spodem wszystkie używają narzędzia dotnet. Można też eksperymentować online, np. dotnetfiddle.net lub sharplab.io.

Podstawowe narzędzia #

Aby rozpocząć pisanie programów, warto poznać kilka użytecznych narzędzi i typów z biblioteki standardowej .NET.

Standardowe wejście/wyjście #

Klasa System.Console dostarcza podstawowe metody do interakcji z konsolą.

Metoda Console.WriteLine() wypisuje tekst na standardowe wyjście i dodaje znak nowej linii. Console.Write() działa analogicznie, ale bez kończenia linii. Do wczytywania danych służy Console.ReadLine().

Console.Write("Podaj swoje imię: ");
string name = Console.ReadLine();
int year = DateTime.Now.Year;
Console.WriteLine($"Witaj, {name}! Mamy rok {year}.");

Konstrukcja $"..." to interpolacja stringów, prosty sposób na formatowanie tekstu z użyciem wartości zmiennych. Jest to mechanizm podobny do wprowadzonego w C++20 std::format.

Typ string #

Typ string (alias dla System.String) to podstawowy typ do pracy z tekstem. Kluczową cechą stringa jest niezmienność (immutability), co oznacza, że raz utworzonego stringa nie można już zmodyfikować. Każda operacja, która wygląda jak modyfikacja (np. dodawanie tekstu lub zamiana znaków), w rzeczywistości tworzy w pamięci zupełnie nowy obiekt string z nową wartością.

string txt = "Hello, ";
string txt2 = txt + "World!"; // "Hello, World!"

// txt2[5] = '?'; // BŁĄD: String jest niezmienny!
string txt3 = txt2.Replace(',', '?'); // "Hello? World!"

string option = "first";
if (option == "first")
{
   // ...
}

Console.WriteLine(txt2.ToUpper()); // "HELLO, WORLD!"

Typ List<T> #

Jednym z najczęściej używanych kontenerów w bibliotece standardowej jest List<T>. Jest to odpowiednik std::vector z C++, czyli dynamiczna tablica przechowująca elementy określonego typu. Definiuje go przestrzeń nazw System.Collections.Generic.

List<T> to nazwa tzw. typu generycznego - mechanizmu języka C# do programowania generycznego. Jest to mechanizm podobny do szablonów (templates) z C++, choć w C# jest on prostszy w użyciu i ma inne ograniczenia. Dopiero po wskazaniu typu przechowywanych elementów, np. List<int>, List<string>, można go użyć jako typu zmiennej.

Domyślnie utworzona lista jest pusta. Można ją zainicjalizować podaną kolekcją elementów.

var numbers = new List<int> { 1, 2, 3, 4 };

Console.WriteLine($"Liczba elementów: {numbers.Count}"); // 4

numbers.Add(5); // {1, 2, 3, 4, 5}
numbers.Remove(3); // Usuwa pierwsze wystąpienie wartości 3 -> {1, 2, 4, 5}

numbers[1] = 10; // {1, 10, 4, 5}

var anotherList = new List<int>(numbers); // Kopiowanie listy

// Iteracja po elementach
foreach (var number in numbers)
{
    Console.Write($"{number} ");
}
Console.WriteLine(); // Nowa linia po wypisaniu

numbers.Clear(); // Wyczyszczenie listy -> {}

Klasy w C# posiadają pola, właściwości (properties) i metody. Właściwości, takie jak numbers.Count, wyglądają jak pola, ale pod spodem ukrywają logikę (metody get i set). Metody, takie jak numbers.Add(5), wykonują operacje na rzecz danego obiektu.

Previous Wykład git Next