Kapitel 3 Die .NET-Laufzeitumgebung

In der Vergangenheit war es schwierig, Module zu schreiben, die aus mehreren Sprachen aufgerufen werden konnten. Code, der in Visual Basic geschrieben wurde, kann nicht aus Visual C++ aufgerufen werden. Visual C++-Code kann unter Umständen aus Visual Basic aufgerufen werden, aber dies ist nicht einfach. Visual C++ verwendet die C- und C++-Laufzeitumgebungen, die ein besonderes Verhalten aufweisen, und Visual Basic verwendet eine eigene Ausführungsengine, die ebenfalls über ein eigenes und anderes Verhalten verfügt.

Daher wurde COM entwickelt und hat sich als nützliche Methode zum Schreiben von komponentenbasierter Software herausgestellt. Unglücklicherweise ist es nicht leicht, COM in der Visual C++-Umgebung einzusetzen, außerdem wird COM von Visual Basic nicht vollständig unterstützt. Aus diesem Grund wurde COM häufig zum Schreiben von COM-Komponenten eingesetzt, zur Entwicklung von systemeigenen Anwendungen dagegen weniger. Wenn also ein Programmierer brauchbaren C++-Code schrieb und ein anderer Programmierer dies in Visual Basic tat, gab es nicht wirklich die Möglichkeit zur Zusammenarbeit.

Darüber hinaus bestanden Schwierigkeiten bei den Bibliotheksprovidern, denn es gab nicht einen, der in allen Umgebungen eingesetzt werden konnte. Wenn die Bibliothek auf Visual Basic ausgerichtet war, war die Verwendung in Visual Basic einfach, der Zugriff von C++ war jedoch möglicherweise eingeschränkt oder führte zu einer inakzeptablen Leistungseinbuße. Oder eine Bibliothek wurde für C++-Benutzer geschrieben und bot diesen gute Leistungsergebnisse und Lowlevelzugriff, für Visual Basic-Programmierer war sie jedoch nicht zugänglich.

Einige Bibliotheken wurden für beide Benutzertypen geschrieben, aber dies bedeutete üblicherweise auch, Kompromisse einzugehen. Beim Versenden einer E-Mail auf einem Windows-System hat der Programmierer die Auswahl zwischen CDO (Collaboration Data Objects), einer COM-basierten Schnittstelle, die von beiden Sprachen aus aufgerufen werden kann, jedoch nicht sämtliche Funktionen bereitstellt¹ , und systemeigenen MAPI-Funktionen (sowohl in den C- als auch in den C++-Versionen), mit denen auf alle Funktionen zugegriffen werden kann.

Die .NET-Laufzeitumgebung wurde entwickelt, um hier Abhilfe zu schaffen. Es gibt eine Möglichkeit, Code (Metadaten), eine Laufzeitumgebung und eine Bibliothek (die Common Language Runtime und Frameworks) zu beschreiben. Das folgende Diagramm zeigt den Aufbau der .NET-Laufzeitumgebung.

Die Common Language Runtime stellt die grundlegenden Ausführungsdienste zur Verfügung. Die darüber angeordneten Basisklassen stellen maßgebliche Datentypen, Auflistungsklassen und allgemeine Klassen bereit. Oberhalb der Basisklassen befinden sich die Klassen zur Handhabung von Daten und XML. Ganz oben in der Architektur befinden sich die Klassen zur Offenlegung der Webdienste²  sowie die Klassen zur Handhabung der Benutzerschnittstelle. Eine Anwendung kann von allen diesen Ebenen aus aufgerufen werden sowie die Klassen sämtlicher Ebenen verwenden.

Zum Verständnis der Funktionsweise von C# sind Kenntnisse über die .NET-Laufzeitumgebung und deren Frameworks erforderlich. Die folgenden Abschnitte enthalten einen Überblick über dieses Thema, detailliertere Informationen finden Sie in Kapitel 31, C# im Detail.

3.1 Die Ausführungsumgebung 

Dieser Abschnitt war ursprünglich mit »Die Ausführungsengine« betitelt, aber die .NET-Laufzeitumgebung ist viel mehr als nur eine Engine. Die Umgebung bietet ein einfacheres Programmiermodell, Schutz und Sicherheit, Unterstützung für leistungsstarke Tools sowie Methoden zum Bereitstellen, Packen usw.

3.1.1 Ein einfacheres Programmiermodell 

Alle Dienste werden über ein gemeinsames Modell bereitgestellt, auf das von allen .NET-Sprachen aus gleichberechtigt zugegriffen werden kann. Alle Dienste können in einer beliebigen .NET-Sprache geschrieben werden³ . Die Umgebung ist in hohem Maße spracherkennend und ermöglicht daher eine Sprachauswahl. Dies macht eine Codewiederverwendung einfacher, sowohl für den Programmierer als auch für den Bibliotheksprovider.

Die Umgebung unterstützt außerdem die Verwendung von vorhandenem C#-Code, entweder über das Aufrufen von Funktionen in DLLs oder dadurch, dass COM-Komponenten wie .NET-Laufzeitkomponenten eingesetzt werden. .NET-Laufzeitkomponenten können auch in Situationen verwendet werden, in denen COM-Komponenten benötigt werden.

Im Gegensatz zu den verschiedenen Fehlerbehandlungsmethoden vorhandener Bibliotheken werden in der .NET-Laufzeitumgebung alle Fehler über Ausnahmen ermittelt. Es besteht also keine Veranlassung, zwischen Fehlercodes, HRESULTs und Ausnahmen zu wechseln.

Abschließend enthält die Umgebung BCLs (Base Class Libraries), über die Funktionen bereitgestellt werden, die traditionell in Laufzeitbibliotheken vorhanden sind, plus einige neue Funktionen. Zu den BCL-Funktionen zählen:

Auflistungsklassen, z. B. Warteschlangen, Arrays, Stacks und Hashtabellen

Klassen für den Datenbankzugriff

E/A-Klassen

WinForms-Klassen zum Erstellen der Benutzerschnittstelle

Netzwerkklassen

Außerhalb der Laufzeitumgebung für die Basisklassen sind viele weitere Komponenten zur Behandlung der Benutzerschnittstelle sowie zur Durchführung anderer aufwendiger Operationen vorhanden.

3.1.2 Sicherheit 

Die .NET-Laufzeitumgebung bietet Schutz und Sicherheit. Es handelt sich um eine verwaltete Umgebung, d. h. die Laufzeitumgebung verwaltet den Speicher für den Programmierer. Der Programmierer muss weder Speicher zuweisen noch diese Speicherzuweisungen wieder aufheben, all dies wird durch die Speicherbereinigung erledigt. Durch diese wird der Programmierer nicht nur entlastet, in einer Serverumgebung kann so auch die Anzahl der Speicherlecks erheblich reduziert werden. Dies vereinfacht die Entwicklung von Systemen, bei denen eine hohe Verfügbarkeit gefordert ist.

Zusätzlich bietet die .NET-Laufzeitumgebung eine Umgebungsprüfung. Zur Laufzeit wird über die Umgebung geprüft, ob der Ausführungscode typensicher ist. Auf diese Weise werden Fehler wie beispielsweise das Übergeben eines falschen Typs an eine Funktion, das Überschreiten zugewiesener Bereiche bei einem Lesevorgang oder das Ausführen von Code an ungeeigneten Standorten ermittelt.

Das Sicherheitssystem interagiert mit dem Prüfcode, um sicherzustellen, dass über den Code nur die Ausführung erfolgt, die diesem zugedacht ist. Die Sicherheitsanforderungen für einen bestimmten Codeabschnitt können genau festgelegt werden. So kann beispielsweise angegeben werden, dass ein Codeabschnitt in eine Arbeitsdatei schreiben muss; diese Anforderung wird während der Ausführung überprüft.

3.1.3 Unterstützung für leistungsfähige Tools 

Microsoft stellt vier .NET-Sprachen bereit: Visual Basic, Visual C++ mit verwalteten Erweiterungen, C# und JScript. Andere Firmen arbeiten an Compilern für weitere Sprachen, hierbei reicht das Spektrum von COBOL bis Perl.

Die Fehlersuche wurde in der .NET-Laufzeitumgebung erheblich verbessert. Das gemeinsame Ausführungsmodell vereinfacht eine sprachübergreifende Fehlersuche, die Fehlerermittlung kann sich mühelos über Code erstrecken, der in verschiedenen Sprachen geschrieben wurde, unterschiedliche Prozesse ausführt oder auf verschiedenen Computern läuft.

Des Weiteren sind alle .NET-Programmieraufgaben in der Visual Studio-Umgebung zusammengefasst, d. h., Entwurf, Entwicklung, Fehlersuche und Bereitstellung von Anwendungen werden von hier aus realisiert.

3.1.4 Bereitstellen, Packen und weitere Funktionen 

Die .NET-Laufzeitumgebung bietet auch auf diesen Gebieten Hilfe. Die Bereitstellung von Anwendungen wurde vereinfacht, in einigen Fällen fällt der traditionelle Installationsschritt vollständig weg. Da die Pakete in einem allgemeinen Format bereitgestellt werden, kann ein einzelnes Paket in einer beliebigen Umgebung ausgeführt werden, die .NET unterstützt. Darüber hinaus trennt die Umgebung die Anwendungskomponenten, sodass eine Anwendung nur mit den Komponenten läuft, mit denen sie geliefert wurde und nicht mit anderen Versionen, die zum Lieferumfang anderer Anwendungen gehören.

3.2 Metadaten 

Metadaten sind das, was die .NET-Laufzeitumgebung zusammenhält. Metadaten stellen das Äquivalent zu den Typbibliotheken in der COM-Umgebung dar, bieten jedoch umfassendere Informationen.

Für jedes Objekt der .NET-Laufzeitumgebung werden in den Metadaten alle Objektinformationen aufgezeichnet, die zur Verwendung des Objekts erforderlich sind. Hierzu zählen:

Der Name des Objekts

Die Namen aller Felder des Objekts sowie deren Typen

Die Namen aller Mitgliedsfunktionen, einschließlich Parametertypen und -namen

Auf diese Weise verfügt die .NET-Laufzeitumgebung über ausreichende Informationen zur Erstellung der Objekte, zum Aufrufen der Mitgliedsfunktionen oder für den Zugriff auf die Objektdaten, und der Compiler kann mit diesen Informationen ermitteln, welche Objekte verfügbar sind und welche sich in Verwendung befinden.

Diese Vereinheitlichung kommt sowohl dem Entwickler als auch dem Codebenutzer zugute: Der Codeentwickler kann auf einfache Weise Code erstellen, der in allen .NET-kompatiblen Sprachen verwendet werden kann, der Benutzer des Codes kann Objekte verwenden, die von anderen Programmierern erstellt wurden, unabhängig von der Sprache, in der die Objekte implementiert sind.

Zusätzlich ermöglichen Metadaten anderen Tools den Zugriff auf detaillierte Codeinformationen. Die Visual Studio-Shell verwendet diese Informationen im Objektbrowser und für Funktionen wie beispielsweise IntelliSense.

Darüber hinaus können – in einem Prozess, der als Reflektion bezeichnet wird – mit Hilfe des Laufzeitcodes die Metadaten abgefragt werden, um zu ermitteln, welche Objekte verfügbar und welche Funktionen und Felder für die Klasse vorhanden sind. Dies ähnelt der Verwendung von IDispatch in der COM-Umgebung, es wird jedoch ein einfacheres Modell angewendet. Natürlich ist ein derartiger Zugriff nicht stark typisiert, daher erfolgt eine Referenzierung der Metadaten bei der Mehrzahl der Softwarekomponenten eher zur Kompilierungs- als zur Laufzeit, aber für Anwendungen wie Skriptsprachen stellt dies eine sehr nützliche Funktion dar.

Der Endbenutzer kann außerdem über die Reflektion das Aussehen von Objekten ermitteln, nach Attributen suchen oder Methoden ausführen, deren Namen bis zur Laufzeit nicht bekannt sind.

3.3 Assemblierung 

In der Vergangenheit konnte ein fertiges Softwarepaket über verschiedene Mechanismen bereitgestellt werden, beispielsweise als ausführbare Datei, DLL und LIB-Datei oder als DLL mit COM-Objekt und einer Typbibliothek.

In der .NET-Laufzeitumgebung wird als Packmethode die Assemblierung verwendet. Wird der Code über einen der .NET-Compiler kompiliert, wird er in eine Zwischenform konvertiert, die als »IL« bezeichnet wird. Die Assemblierung enthält alle IL-, Metadaten- und weitere für die Ausführung erforderliche Dateien in einem einzigen Paket. Jede Assemblierung enthält eine Festlegung, in der die Dateien aufgeführt werden, die in der Assemblierung enthalten sind. Über die Festlegung wird gesteuert, welche Typen und Ressourcen außerhalb der Assemblierung offen gelegt werden und mit dem Verweis auf Typen und Ressourcen den Dateien zugeordnet werden, die die Typen und Ressourcen enthalten. In der Festlegung werden außerdem die Assemblierungen aufgelistet, von denen eine Assemblierung abhängt.

Assemblierungen sind unabhängig, d. h., sie enthalten genügend Informationen, um selbstbeschreibend zu sein.

Die Definition einer Assemblierung kann in einer einzigen Datei enthalten oder über mehrere Dateien verteilt sein. Die Verwendung mehrerer Dateien ermöglicht das Herunterladen von Abschnitten einer Assemblierung nach Bedarf.

3.4 Sprachinteroperabilität 

Eines der Ziele der .NET-Laufzeitumgebung ist die Spracherkennung, die Möglichkeit, Code in beliebiger Sprache zu schreiben und zu verwenden. Es ist nicht nur möglich, in Visual Basic geschriebene Klassen aus C# oder C++ (oder einer anderen .NET-Sprache) aufzurufen, sondern eine Klasse, die in Visual Basic geschrieben wurde, kann auch als Basisklasse für eine C#-Klasse eingesetzt werden. Diese Klasse könnte dann wiederum von einer C++-Klasse eingesetzt werden.

Mit anderen Worten, es spielt keine Rolle, in welcher Sprache eine Klasse erstellt wurde. Dazu ist zu sagen, dass häufig gar nicht ermittelbar ist, in welcher Sprache eine Klasse geschrieben wurde.

In der Praxis stößt man jedoch auf ein paar Hindernisse. Einige Sprachen verfügen über Datentypen ohne Vorzeichen, die nicht von anderen Sprachen unterstützt werden, einige Sprachen unterstützen die Operatorüberladung. Die Erhaltung der Ausdrucksvielfalt dieser sehr funktionellen Sprachen und die gleichzeitige Gewährleistung der Klasseninteroperabilität mit anderen Sprachen stellt eine Herausforderung dar.

Die .NET-Laufzeitumgebung bietet ausreichende Unterstützung für Sprachen mit vielfältigen Funktionen⁴ , daher wird der Code, der in diesen Sprachen geschrieben wurde, nicht durch die einfacheren Sprachen in seiner Funktionalität eingeschränkt.

Damit Klassen von der .NET-Laufzeitumgebung allgemein verwendbar sind, müssen die Klassen den so genannten Common Language Specifications (CLS) entsprechen, über die beschrieben wird, welche Funktionen in einer öffentlichen Schnittstelle der Klasse sichtbar sind (alle Funktionen können klassenintern verwendet werden). Die CLS verbieten beispielsweise das Offenlegen von Datentypen ohne Vorzeichen, da diese nicht von allen Sprachen verwendet werden können. Weitere Informationen zu den CLS finden Sie im .NET-SDK im Abschnitt zur sprachübergreifenden Interoperabilität.

Ein Benutzer, der C#-Code schreibt, kann angeben, dass dieser CLS-konform sein sollte. Der Compiler markiert in diesem Fall alle nicht konformen Bereiche. Weitere Informationen zu den spezifischen Einschränkungen für C#-Code hinsichtlich der CLS finden Sie im Abschnitt »CLS-Kompatibilität« in Kapitel 31, C# im Detail.

3.5 Attribute 

Zur Umwandlung einer Klasse in eine Komponente sind häufig weitere Informationen erforderlich, beispielsweise Informationen dazu, wie eine Klasse auf Festplatte gespeichert werden kann oder wie Transaktionen gehandhabt werden sollten. Der traditionelle Ansatz besteht darin, die Informationen in eine separate Datei zu schreiben und zum Erstellen einer Komponente die Datei mit dem Quellcode zu kombinieren.

Das Problem bei diesem Ansatz liegt darin, dass Informationen häufig dupliziert werden. Dieses Vorgehen ist mühselig und fehleranfällig, außerdem verfügen Sie erst dann über die vollständige Komponente, wenn Sie beide Dateien besitzen⁵ .

Die .NET-Laufzeitumgebung unterstützt benutzerdefinierte Attribute (diese werden in C# einfach als Attribute bezeichnet), durch die beschreibende Informationen zusammen mit einem Objekt in den Metadaten gespeichert werden können. Die Daten können dann zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden. Attribute bieten einen allgemeinen Mechanismus hierfür und werden in der Laufzeitumgebung häufig zum Speichern von Informationen bei der Änderung der Klassenverwendung eingesetzt. Attribute sind vollständig erweiterbar, wodurch der Programmierer Attribute definieren und verwenden kann.

¹    Dies rührt wahrscheinlich daher, dass es schwierig ist, das interne Lowleveldesign in etwas zu übersetzen, das von einer Automatisierungsschnittstelle aufgerufen werden kann.

²    Eine Möglichkeit zur Offenlegung einer programmatischen Schnittstelle über einen Webserver.

³    Einige Sprachen sind möglicherweise nicht mit den systemeigenen Plattformfunktionen kompatibel.

⁴    Dies trifft für das verwaltete C++ nicht ganz zu, denn im Vergleich zu C++ müssen einige Einschränkungen hingenommen werden.

⁵    Jeder, der jemals versucht hat, eine COM-Programmierung ohne Typbibliothek durchzuführen, kennt dieses Problem.