Universität Karlsruhe (TH) Moderne Entwicklungsumgebungen am Beispiel.NET

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1 Forschungsuniversität gegründet 1825 Moderne Entwicklungsumgebungen am Beispiel.NET Die.NET-Grundlagen Ali Jannesari Institut für Programmstrukturen und Datenorganisation (IPD)

2 Inhalt Grundlagen.NET Überblick Ziele von.net Begriffe, Features und allg. Betrachtungen,... Ali Jannesari 2

3 .NET Überblick Microsofts Definition: Microsoft.NET is a set of Microsoft software technologies for connecting information, people, systems, and devices. Ali Jannesari 3

4 .NET Überblick Eine offene Plattform um verschiedene Strömungen der Softwareentwicklung zusammenzuführen Eine Schicht auf Windows und anderen Betriebsystemen. Eine service-orientierte Software-Plattform für Applikationen (Web, Desktop, ) Kommunikation von Webanwendungen untereinander (XML, SOAP) Hohe Produktivität, Standard-basierte und vielsprachige Umgebung Vereinfachung der Softwareentwicklung. Ali Jannesari 4

5 .NET Überblick Traditionelle Ausführung Unmanaged Applications C++ Code C++ Compiler ASM Code Betriebssystem (Windows, Linux, Unix,...) Klassen und alle Funktionen werden von Compiler in Maschinencode übersetzt. Klassenstrukturen nach Kompilierung nicht mehr erkennbar. Ali Jannesari 5

6 .NET Überblick Unmanaged Applications Managed Applications Klassenbibliothek (Framework Class Library-FCL) Common Language Runtime Betriebssystem (Windows, Linux, Unix,...) Common Language Runtime Sicherheit, Garbage Collection (nicht mehr Speicherleiche), Versionierung,... Ali Jannesari 6

7 Common Language Runtime (CLR) Die CLR ist die Laufzeitumgebung, unter der.net-programme ausgeführt werden. Eine operative Schicht zwischen.net Applikationen und dem darunterliegenden Betriebsystem, Ähnlich wie die Laufzeitumgebung von interpretierten Sprachen wie Smalltalk oder Java. Die CLR läuft im Hintergrund und bietet unserem Code Dienste wie z. B.: Sicherheitsmechanismen, Speicherbereinigung, Versionierung, usw. Die Common Language Runtime (CLR) ist Microsofts kommerzielle Implementierung der Common Language Infrastructure (CLI)- Spezifikation. Die CLI-Spezifikation ist ein internationaler Standard zur Entwicklung von Ausführungsumgebungen, auf denen verschiedenste Sprachen und Bibliotheken nah zusammenarbeiten können. Achtung: Die CLR ist kein Interpreter, sondern ein JIT-Compiler! Ali Jannesari 7

8 .NET Überblick Unmanaged Applications Managed Applications Klassenbibliothek (Framework Class Library-FCL) Common Language Runtime Betriebssystem (Windows, Linux, Unix,...) Common Language Runtime Sicherheit, Garbage Collection, Versionierung,... Klassenbibliothek GUI, Collections, Threads, Netzwerk, Reflection, XML,... Ali Jannesari 8

9 Framework Class Library Eine einheitliche hierarchische Klassenbibliothek Bietet umfangreiche Funktionen für alle erdenklichen Zwecke (grafische benutzeroberflächen, Datenbankzugriff, Weboberflächen, ) Die FCL ist entsprechend der Funktionalität in Namensräume aufgeteilt. Die FCL Interagiert mit CLR und verwendet die Dienste der CLR Base Class Library (BCL) ist die Kern-Klassenbibliothek, die von allen.net-sprachen gleichermaßen benutzt werden kann. FCL bietet zusätzlich.net Web Services, ADO.NET und ASP.NET, Windows Forms Klassenbibliothek versteck in vielen fällen die Windows-API Wichtiger Teil der FCL: Windows Forms Kapselt Win32 API (vergleiche Fassaden-Muster) Ali Jannesari 9

10 Framework Class Library Zu den wichtigsten Namensrämen in BCL gehören: System.Collections : Sammlungen von Objekten ( Listen, Mengen, Bäume, Hashttabellen,..) System.Reflection: Zugriff auf Metadaten und Typinformationen von Programmen (Type, MemberInfo, MethodInfo, ) System.IO: Klassen für Ein- und Ausgabe ( Daten, Verzeichnisse, Mechanismen zum Lesen und Schreiben, ) System.Net: Netzwerkprogrammierung (Sockets, Netzwerkströme, Protokolle, ) System.Threading: Mechanismen für Parallelprogrammierung System.XML: Erzeugen und Lesen von Daten im XML-Format... Ali Jannesari 10

11 .NET Überblick Unmanaged Applications Managed Applications Klassenbibliothek (Framework Class Library-FCL) Common Language Runtime Betriebssystem (Windows, Linux, Unix,...) Common Language Runtime Sicherheit, Garbage Collection, Versionierung,... Klassenbibliothek GUI, Collections, Threads, Netzwerk, Reflection, XML,... Managed Code Code unter Kontrolle der CLR Ali Jannesari 11

12 Managed Code Sämtlicher Code wird unter Aufsicht der Common Language Runtime ausgeführt Enthält genug Information um die Core-Services der CLR zu benutzen Runtime führt Sicherheitsüberprüfungen aus Runtime übernimmt Speicherverwaltung und Fehlerbehandlung ( GC, Exceptions) Runtime führt Versionsprüfungen aus, Managed Data: Daten, die von der CLR während des Programmablaufs angelegt und zerstört werden (Speicherbereinigung). Ali Jannesari 12

13 .NET Überblick Beispiel: Managed Web-Applikation Unmanaged Applications Managed Applications Klassenbibliothek (Framework Class Library-FCL) Web Applications Web Forms Web Services ASP.NET, ADO.NET Common Language Runtime Web Server (IIS), DB Server Betriebssystem (Windows, Linux, Unix,...) ASP.NET, Web Forms Web Services Web-GUI (objektorientiert, ereignisorientiert, browserunabhängig) verteilte Dienste über RPC (SOAP, HTTP) Ali Jannesari 13

14 ASP.NET Web Seiten am Server werden dynamisch zusammengestellt und als reines HTML-Dokument an den Client gesendet. Ein Objektorientiertes Programmiermodell ( Website und GUI-Elemente sind Objekte) Kompilierte Sprachen wie C# oder VB.NET,.. und Zugriff auf FCL Ereignisorientiertes Modell Reichhaltige Bibliothek von GUI-Elementen,die alle auf HTML abgebildet werden. Einfache Darstellung von Datenbankabfrageergebnisse Validatoren für die Gültigkeit der Benutzereingaben Authentifizierung von Benutzer Standardauthentifizierung Passport-Authentifizierungsdienst Ali Jannesari 14

15 ADO.NET Alle Klassen für den Zugriff auf Datenbanken und andere Datenquellen (z.b: XMLDateien,..) Objektorientiert und einfach zu benutzen Unabhängig von verschiedenen Anbietern und Datenbankarchitekturen Zugriff auf Datenquellen: Verbindungsorientiert (Über das IDataReader Interface: Datenbank Cursor) Verbindungslos (Über die Klasse DataSet, eine Hauptspeicherrepräsentierung ausgewählter Daten Zugriff auf die Daten in der Regel mittels SQL Zwei Hauptaufgaben: Daten unabhängig von der Art und dem Ort der Datenquelle zu manipulieren bzw. zu definieren Die.Net Datentypen in Datenquellenspezifische Typen umzuwandeln Ali Jannesari 15

16 Web Services Web-Service sind der Kernpunkt der.net Technologie Neue Art der Kommunikation zwischen Verteilten Applikationen: Kommunikation ohne Web-Brwoser Prozedurfernaufrufe (Remote Procedure Call) HTTP und SOAP Codiert auf XML- basierenden Standards Aufruf von Einem Web-Service auf anderen Rechner wie eine normale Methode im.net: Nach SOAP umwandeln Über das Internet verschickt Am Zielrechner decodieren und ausführen, dann das Ergebnis über SOAP an den Rufer zurückschicken WSDL (Web Service Description Language): Web-Services werden automatisch mittels WSDL beschrieben. UDDI (Universal Description, Discovery and Integration): Eine Suchmaschine für Web-Services: Passenden Service für einen bestimmten Zweck finden. Ali Jannesari 16

17 .NET Überblick Ein Framework und mehr... Unmanaged Applications Managed Applications Klassenbibliothek (Framework Class Library-FCL) Web Applications Web Forms Web Services ASP.NET, ADO.NET Common Language Runtime Web Server (IIS), DB Server Betriebssystem (Windows, Linux, Unix,...).NET-Framework + Tools (Visual Studio.NET, ildasm, gacutil,...) + Server (SQL Server, BizTalk Server, ExchangeServer,...) + Services (MyService, Passport Service,...) Ali Jannesari 17

18 .NET Framework Managed Applications ASP.NET Web Forms Web Services ADO.NET and XML Base Class Library Common Language Runtime Operating System Windows Forms Tools + Server + Service Ali Jannesari 18

19 Ziele von.net Zusammenführung von Desktop- und Web-Programmierung Bisher Desktop-Programmierung Objektorientiert Compiliert (C/C++, Fortran,...) Klassenbibliothek Web-Programmierung ASP (nicht objektorientiert) Interpretiert (VBScript, Javascript, PHP,...) Eigene Bibliothek Ali Jannesari 19

20 Ziele von.net Zusammenführung von Desktop- und Web-Programmierung Bisher Desktop-Programmierung Objektorientiert Compiliert (C/C++, Fortran,...) Klassenbibliothek Web-Programmierung ASP (nicht objektorientiert) Interpretiert (VBScript, Javascript, PHP,...) Eigene Bibliothek Unter.NET Desktop- und Web-Programmierung Objektorientiert (auch ASP.NET) Compiliert (C#, C++, VB.NET, Fortran,...) Einheitliche Klassenbibliothek Ali Jannesari 20

21 Ziele von.net Zusammenführung von eingebetteter- und konventioneller Programmierung Bisher Konventionellen-Programmierung C/C++, Fortran, VB,... Betriebsysteme (Linux, Windows,...) Klassenbibliothek Eingebettete-Programmierung System C (nicht objektorientiert), Embedded C++, Betriebsysteme (RTLinux, Windows CE, VxWorks...) Eigene Bibliothek Ali Jannesari 21

22 Ziele von.net Zusammenführung von eingebettete- und konventionellen Programmierung Bisher Konventionellen-Programmierung C/C++, Fortran, VB,... Betriebsysteme (Linux, Windows,...) Klassenbibliothek Eingebettete-Programmierung System C (nicht objektorientiert), Embedded C++, Betriebsysteme (RTLinux, Windows CE, REX,...) Eigene Bibliothek Unter.NET (Compact Framework) Konventionellen- und Eingebettete-Programmierung Einheitliche Sprachen C#, C++, VB.NET, ASP.NET, Fortran,...) Einheitliche Betriebsysteme Einheitliche Klassenbibliothek Ali Jannesari 22

23 Ziele von.net XML Web Services: Verteilte Applikationen im Internet Bisherige Benutzung des Internets (B2C- Business to Consumer) - - Web-Browser (zeigt Daten für menschlichen Betrachter) Ali Jannesari 23

24 Ziele von.net XML Web Services: Verteilte Applikationen am Internet Bisherige Benutzung des Internets (B2C- Business to Consumer) - - Web-Browser (zeigt Daten für menschlichen Betrachter) Unter.NET: B2B-Applikationen ohne Web-Browser Reisebüro Luftlinie Bank Hotel Basierend auf einfachen Standards - HTTP - SOAP (XML) - Remote Procedure Call Ali Jannesari 24

25 Ziele von.net Einfachere dynamische Webseiten Bisher - ASP (Mischung von HTML und VBScript oder Javascript) Ali Jannesari 25

26 Ziele von.net Einfachere dynamische Webseiten Bisher - ASP (Mischung von HTML und VBScript oder Javascript) Unter.NET - ASP.NET (saubere Trennung von HTML und Script-Code) Objektorientiert Ereignisorientiert Interaktiv erstellbar (RAD) Selbstgeschriebene GUI-Elemente mögl. Effizient (compilierte Server-Scripts) Zustandsverwaltung Autorisierung / Authentifizierung Ali Jannesari 26...

27 Ziele von.net Interoperabilität Bisher - Millionen Zeilen Code in C++, Fortran, Visual Basic,... - Nur sehr beschränktes Zusammenspiel Ali Jannesari 27

28 Ziele von.net Interoperabilität Bisher - Millionen Zeilen Code in C++, Fortran, Visual Basic,... - Nur sehr beschränktes Zusammenspiel Unter.NET - Binärkompatibilität zwischen mehr als 20 Sprachen (C#, C++, VB.NET, Java, Eiffel, Fortran, Cobol, ML, Haskell, Pascal, Oberon, Perl, Python,...) Klasse in VB.NET Unterklasse in C# Verwendung in Eiffel Public Class A Public x As Integer Public Sub Foo()... End Class class B : A { public string s; public void Bar() {...} } class Client feature obj: B;... create obj; obj.bar;... end Ali Jannesari 28

29 Ziele von.net Interoperabilität C# Code C# Compiler Runtime Visual Basic Code Visual Basic Compiler MSIL (CIL) JIT Compiler Eiffel Code Eiffel Compiler Native Code Ali Jannesari 29

30 C# Code Ziele von.net Interoperabilität C# Compiler IL-Code wird vor der Ausführung immer (!) durch Compiler in echten Maschinencode übersetzt. Erzeugt aus IL Code ein Native Executable Output ist abhängig von: CPU Typ und Betriebssystemversion Stellt die effiziente Ausfühurung Runtime sicher. Visual Basic Code Visual Basic Compiler MSIL (CIL) JIT Compiler MSIL Microsoft Intermediate Language Compiler erzeugen keinen native Code sondern Eiffel eine prozessorunabhängige COBOL Zwischensprache Code Sprachintegration Compiler erfolgt auf Ebene von MSIL Garantiert die Interoperabilität und Protabilität des Codes Native Code Ali Jannesari 30

31 Ziele von.net Interoperabilität Demo 1: Integration auf Codeebene Sprachen werden gleichwertig, da alle Compiler MSIL-Code erzeugen Eine C# Klasse kann von einer VB.NET Klasse abgeleitet sein Einheitliche Fehlerbehandlung Ali Jannesari 31

32 Ziele von.net Einheitliches Ausführungsmodell C# C++ VB... if (a > b) max = a; else max = b; C# Compiler Compiler Compiler Compiler CIL-Code (+ Metadaten) Lader Verifier JIT-Compiler Maschinencode IL_0004: ldloc.0 IL_0005: ldloc.1 IL_0006: ble.s IL_0008: ldloc.0 IL_0009: stloc.2 IL_000a: br.s IL_000c: ldloc.1 IL_000d: stloc.2 mov ebx,[-4] mov edx,[-8] cmp ebx,edx jle 17 mov ebx,[-4] mov [-12],ebx... IL_000c IL_000e Ali Jannesari 32 CIL Intel-Code

33 Ziele von.net Einheitliches Programmiermodell Konsistentes API, unabhängig von Sprache oder Programmiermodell.NET Framework RAD, Delegation VB Forms Subclassing, Expressiveness MFC/ATL ASP Zustandslos, Code in HTML eingebettet Windows API Ali Jannesari 33

34 Ziele von.net Einheitliche Programmier- und Ausführungsumgebung für alle Sprachen alle Plattformen Übernimmt Standardaufgaben Garbage Collection Komponenten-Interaktion Ausnahmebehandlung Einfachere Programmentwicklung Mehr Qualität und Komfort Ali Jannesari 34

35 Ziele von.net - Robustheit und Sicherheit Strenge Typprüfung CIL-Code-Verifier Laufzeitprüfungen (keine Buffer Overruns mehr!) Garbage Collection Public Key Signierung von Code Rollenbasierte Rechte Codebasierte Rechte - Side by Side Execution Versionierung Ende der DLL-Konflikte - Einfachere Software-Installation Keine Registry-Einträge mehr nötig Spurenlose Deinstallation Ali Jannesari 35

36 Assemblies Prog.cs class A {... } class B {... } Lib.cs class C {... } Assembly csc Prog.cs,Lib.cs Prog.exe Manifest Metadaten CIL-Code für A CIL-Code für B CIL-Code für C Kein Eintrag in der Windows-Registry Nachfolger von COM- Komponenten (Kein IDL) Lader Ali Jannesari 36

37 Assemblies gegen Module Modul (managed module) = physische Einheit: 1.NET-Modul = 1.NET-PE-Datei enthält Typdefinitionen mit Metadaten & CIL-Code der Methoden wird vom Compiler erzeugt Assembly = logische Einheit für: Auslieferung, Kapselung, Laden, Versionierung und Sicherheit.NET-Komponente (im Sinne der komponenten-orientierten Softwareentwicklung) Fasst Module und Ressourcedateien zusammen Ein Assembly ist ein Container für Module Als ausführbare Datei (EXE) oder als Bibliotheksbaustein (DLL) Wird vom Compiler oder Assembly Linker (al.exe) erzeugt Mehrstufige Versionsnummer Ali Jannesari 37

38 Metadaten und Manifest Metadaten Die Beschreibung der Typen wird mit Metadaten bezeichnet Compiler erstellt Metadaten on the fly Enthält: Versionsnummer und Public Key Schnittstellenbeschreibung von: Klassen, Methoden, Variablen Parameter, Typen,... ermöglicht: dynamisches Laden Versionsprüfung Reflection (Zugriff auf Metadaten zur Laufzeit) Manifest Inhaltverzeichnis eines Assemblies speichert Informationen über die Teile eines Assemblies z.b. Assembly- Name, Prozessor und Betriebssystem, welche Dateien gehören dazu, wo sind diese zu finden, exportierte Typen,... Ali Jannesari 38

39 Multimodule Assemblies Assemblies (Managed.NET Applikationen): Single-modul Assemblies Multimodule Assemblies Jede Assembly enthält ein primäres Modul: Primäres Modul Assembly Identität Metadaten IL Code Metadaten IL Code Modul 1 Metadaten IL Code Metadaten IL Code Modul 3 Metadaten Lader IL-Code JIT-Compiler. Modul 2 Ali Jannesari 39

40 Lader und JIT-Compiler Lader Liest die Metadaten und legt im Hauptspeicher eine interne Repräsentation der Klassen und seiner Mitglieder an Eine Klasse wird nur dann geladen, wenn sie auch referenziert wird Die Konsistenz der Metadaten wird geprüft JIT-Compiler Verlässt sich auf Ergebnisse der Laderaktivitäten Der IL-Code wird zu Native-Code Kompiliert, anschließend wird der Native-Code ausgeführt. (Kein Interpreter) Eine Methode wird genau dann kompiliert, wenn Sie das erste mal aufgerufen wird Die kompilierte Methode bleibt im Hauptspeicher (Wenn es keine Speicherbeschränkungen gibt) Ali Jannesari 40

41 Applikations- Kompilierung und Ausführung Anlegen und Ausführung einer managed.net- Applikation: Quelltext Managed-Compiler Netzwer k Metadaten IL-Code Managed Modul Data transfer Requests and control messages Metadaten IL-Code Managed Modul Common Language Runtime Lader JIT-Compiler Interne Datenstrukturen Native-Code Execution engine Ali Jannesari 41

42 Applikations- Kompilierung und Ausführung Eine managed executable kann von IL nach Native-Code präkompiliert werden Spart Zeit für JIT-Compiler, wenn das Executable wiederholt ausgeführt werden soll z. B Präkompilierung während Setup Native Image Generator (NGEN.EXE): Erzeugt aus IL Code ein Native Executable Output ist abhängig von: CPU Typ Betriebssystemversion Exakte Identität des Assemblies Exakte Identität aller referenzierten Assemblies Sicherheitsfaktoren Ali Jannesari 42

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