[X] Kleine Einführung in .Net

[Talla]

Eine kleine Einführung in .Net

Mit diesem Artikel möchte ich eine kleine Einführung geben, was der Begriff .Net überhaupt bedeutet und Kerntechnologien und Konzepte ein wenig erläutern. Ich werde dabei nicht über eine spezielle Programmiersprache reden, dies bleibt anderen Artikeln überlassen.
Auch möchte ich vermeiden Wertungen abzugeben, dieser Artikel soll nur beschreiben. Ich beziehe mich hauptsächlich auf Version 1 vom Framework, werde aber an einigen Stellen auch Version 2 ansprechen.

Vision
Um das Gesamtkonzept von .Net zu verstehen müssen wir uns erst einmal anschauen wie die Soft/Hardwarelandschaft momentan aussieht:

Das Internet hat eine zentrale Rolle im Alltag übernommen. Ein Großteil der Computeruser ist vernetzt und trotzdem wird es zum großen Teil nur dazu genutzt Daten/Informationen in welcher Form auch immer zu verbreiten. Doch damit ließe sich noch viel mehr anfangen! In nicht allzu ferner Zukunft werden nicht nur PCs vernetzt sein, sondern auch Konsumelektronik, Handys oder Küchengeräte. Gerade weil das Internet ein zuverlässiges Medium zur Datenübertragung darstellt.

Und da kommt .Net ins Spiel. Es stellt eine Plattform zur Verfügung auf der Programme laufen, unabhängig von dem Gastsystem. Anwendungen können auf einem Fernseher genauso laufen, wie auf einem Handy oder dem PC. Überall wo es das .Net Framework gibt, können die Programme ohne großartige Anpassungen laufen.

Doch es geht noch weiter, ein zentraler Teil der Vision sind die WebServices. Anwendungen werden nicht nur mehr lokal auf einem Client ausgeführt, sondern nutzen immer mehr Services die im Internet angeboten werden. Die Anwendungen verteilen sich praktisch. Ein Anbieter könnte eine GUI zur Verfügung stellen, aber die Businesslogik wird auf seinen Servern ausgeführt. Und die Kommunikation geschieht über Standards wie SOAP, so dass auch dort keine Limitation was Software und Hardware angeht, existiert. Wenn sie mit .Net programmieren, macht es keinen Unterschied ob sie Funktionen benutzen die z.B. eine User Library lokal zur Verfügung stellt oder ob sie Funktionen eines WebServices in Anspruch nehmen. Verteilte Anwendungen sind überall…

Auch wenn viele wenn sie „.Net“ sagen, nur das .Net Framework meinen, ist es doch mehr. Es ist eine Vision, ein Zusammenspiel von Technologien und Hardware, das in Zukunft eine serviceorientierte Welt erlaubt, die von den unterschiedlichsten Geräten benutzt werden kann, die alle aber auf einer vereinheitlichten Plattform laufen.

Technologien
Die .Net Vision wird hauptsächlich durch das .Net Framework und die Enterprise Server realisiert. Mein Augenmerk in diesem Artikel wird auf das .Net Framework liegen, da der Inhalt sonst den Umfang eines Artikels bei weitem sprengen würde.

Das .Net Framework besteht nun aus folgenden Kerntechnologien:

Common Language Runtime(CLR)
Klassenbibliothek(BCL)
ASP.NET
ADO.NET

Die CLR bietet die Grundlage für .Net. Um .Net zu verstehen muss man die CLR verstehen, und deshalb werde ich darauf als erstes eingehen.

Common Language Runtime
Die CLR ist die Laufzeitumgebung die die .Net Programme ausführt. Sobald sie auf einem Zielsystem vorhanden ist, können dort .Net Programme ausgeführt werden.

Wenn sie vorher noch nie von .Net gehört haben, fragen Sie sich sicherlich wieso immer von .Net die Rede ist, dabei ist doch .Net keine Programmiersprache, mit welcher Sprache programmiere ich dann? Die Antwort lautet ganz einfach: mit welcher sie wollen! Alle Compiler für .Net Sprachen generieren so genannten CIL Code (Common Intermediate Language Code). Da wir von den Abkürzungen ja noch nicht genug haben, gibt’s auch noch die CLS (Common Language Specification). Die CLS beschreibt im Prinzip eine Untermenge an Funktionalität und ein gemeinsames Typensystem das von allen .Net Sprachen erfüllt werden muss. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, Klassen die in einer .Net Sprache geschrieben wurde, in jeder anderen .Net Sprache zu verwenden, solange der Code CLS konform ist. Dieser CIL Code wird vor dem bzw. beim Ausführen von einem Just in Time Compiler in Maschinencode umgewandelt und dann ausgeführt. .Net Programme sind nicht interpretiert, auch wenn das in manchem Quellen im Internet zu finden ist. Erst wenn der CIL Code in Maschinencode vorliegt, wird er auch ausgeführt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, ein Programm zu schreiben, wo man nicht im Compiler angeben muss für welche Plattform optimiert werden soll, wie in viele klassischen Sprachen, sondern das Programm wird durch den JIT Compiler der CLR optimiert, da sie ja eh auf die Plattform zugeschnitten ist. So ist auch zu erklären warum .Net Programme, wenn sie denn erstmal kompiliert sind, prinzipiell genauso schnell sind wie klassische C++ Programme, im Fall von unoptimierten C++ Code sogar schneller sein können, da der JIT Compiler den Code an das ausführende System anpasst.

Es gibt aber noch einige Dinge die das Laufzeitverhalten von .Net Programmen beeinflussen. Die CLR überwacht die Ausführung von .Net Programmen, deshalb wird .Net Code auch oft als „managed“ bezeichnet. Doch was gibt es da zu überwachen? Als erstes ist dort das automatische Speichermanagement von .Net zu nennen. Der Garbage Collector (GC) sorgt dafür dass nicht mehr benötigte Objekte aus dem Speicher entfernt werden, ein manuelles Entfernen ist nicht mehr nötig. So werden Speicherlecks durch fehlende Freigaben seitens des Users auf ein Minimum reduziert. Außerdem gibt es mit den Exceptions, ein durchweg konsistentes Fehlerbehandlungssystem. Wenn ein .Net Programm eine Exception wirft, kann sie praktisch vor Ort, im Code abgefangen und behandelt werden. Geschieht dies nicht, stürzt nicht etwa das Programm unkontrolliert ab, sondern die Fehlerbehandlung der CLR tritt in Kraft. Diese ständige Überwachung erzeugt ein wenig Overhead im Vergleich zu „unmanaged“ Programmen, die aber durch die größere Produktivität und Sicherheit ausgeglichen werden wenn es um das Gesamtprodukt geht.

Ein weiteres wichtiges Feature von .Net ist die Codesicherheit. Es ist möglich sich Permissions im Code zu holen um sicherheitsrelevante Funktionen auszuführen oder auch dem aktuellen User einige Funktionen zu verweigern. Die CLR arbeitet damit eng mit der Userverwaltung des Hostsystems zusammen, und so ist es Möglich, sich im Code, nur durch Setzen von Attributen, je nach User automatisch unterschiedliche Permission zu holen, und man muss nicht die Userverwaltung für das eigene Programm neu schreiben. Dies geschieht in der Regel durch Attribute.

Durch Attribute ist es aber auch möglich die Metadaten von Assemblies zu ändern. Aber was sind nun Metadaten und Assemblies?

Assemblies lassen sich äußerlich am ehesten mit den klassischen DLLs vergleichen. Aber sie sind mehr. Es ist im Prinzip CIL Code der im PE Format vorliegt, daher ausführbar ist, aber sie enthalten unter anderem auch Ressourcen. Dabei formt eine Assembly eine Sicherheits-, eine Typ, eine Referenz- und eine Versionierungsgrenze. Was ist das nun wieder alles? Fangen wir von vorn an: Die CLR ist ja eine Virtual Machine die den .Net Code ausführt. Sie regelt alle Zugriffe auf den Speicher und ein .Net Programm kann prinzipiell erstmal nicht im Speicher rumpfuschen. Jedes Assembly besitzt nun seinen eigenen Speicherbereich und so können Assemblies sich nicht gegenseitig beeinflussen. Außerdem bestimmt die Assembly selber inwieweit von außerhalb darauf zugegriffen werden kann. Zur Typgrenze ein einfaches Beispiel: Wir haben Assembly A und einen eigenen Typ P1 und eine Assembly B und einen Typ P2. Selbst wenn die Typen vom Quellcode her(gleiche Members usw.) identisch sind, sind es unterschiedliche Typen weil sie in anderen Assemblies existieren. Es existiert daher eine klare Grenze zwischen den Assemblies. In den Assemblies ist auch festgelegt welche Referenzen benutzt werden und sie sind der kleinste versionierbare Stück Code in .Net.

Mit klassischen Dlls kam man früher oder später zum Problem, das Programm A eine DLL vom Typ D in Version 1 benötigt und Programm B auch eine DLL vom Typ D aber in Version 1.5. Oft passierte es nun das Version 1 und 1.5 der DLL zueinander inkompatibel waren und nun funktionierte entweder Programm A oder B nicht richtig. Die ganze Problematik ist wohl besser unter dem Namen DLL Hell bekannt! Dieses Problem gibt es in .Net nicht mehr. Die Metadaten beschreiben jede Assembly für sich und so können sie genau versioniert werden. Nicht nur der Name wird zur Unterscheidung herangezogen, sondern die gesamten Metadaten. In .Net können nun beider Versionen nebeneinander existieren und das Problem wäre gelöst. Doch außer zur Versionierung sind die Metadaten noch zu viel mehr nützlich. Sie beschreiben wie gesagt die Assembly und so ist es möglich Assemblies als Komponenten benutzen zu können ohne sie vorher im System registrieren zu müssen, wie es noch bei COM der Fall ist. Einfach zum Zielsystem kopieren und benutzen können ist das Ziel. Metadaten sind schon was feines, es gibt ja nicht nur feste Metadaten, sondern sie können beliebig erweitert werden mit den schon oben genannten Attributen.

Darauf baut ein Feature von .Net Auf das sich Reflection nennt. Mit Attributen kann man nun seine eigene Klasse beschreiben, und mit Reflection lassen sich nun diese Informationen verwerten. Praktisch eingesetzt wird dies zum Beispiel bei Interfaces, IDL entfällt vollkommen, da die Klassen sich ja selber beschreiben und keine zusätzliche Beschreibung des Interfaces von Nöten ist.

Damit wäre der erste Überblick über die CLR geschafft. Die Themen lassen sich im Prinzip noch beliebig vertiefen, z.b. die verschiedenen Arten der Assemblies oder was im Überblick gerade vollkommen vernachlässigt wurde, die Interoperabilität mit COM und klassischen DLLs.

Die Klassenbibliothek
Was wäre eine Programmierumgebung ohne vernünftige Klassenbibliothek? Eine Programmiersprache lebt von den verfügbaren Funktionen und im Falle von .Net bietet die FCL die Grundlage für alle .Net Sprachen. Das .Net Framework als Basis für viele mögliche Programmiersprachen führt sogar dazu, dass gerade im wissenschaftlichen Bereich viele Entwürfe für Experimentalsprachen existieren die die umfangreiche FCL benutzen um von Haus aus mächtige Funktionen zu bieten. Doch was macht die FCL so mächtig? .Net ist zwar prinzipiell plattformunabhängig, wurde aber natürlich mit Schwerpunkt Windows als Betriebssystem entwickelt. Dort gibt es viele Möglichkeiten zur Programmierung: MFC, ATL, STL, Win32-API um nur einige zu nennen. Das Ziel ist nun alle diese teilweise recht veralteten Bibliotheken in einer gemeinsamen Klassenbibliothek abzubilden und das natürlich vollkommen objektorientiert. Während es in Version 1 noch einige Lücken gibt, bietet Version 2 schon fast alle Möglichkeiten der oben genannten Bibliotheken, bzw. bietet bessere/moderne Klassen an. Die FCL ist klar hierarchisch gegliedert in Namespaces. Namespaces gliedern die Klassen logisch gesehen, nicht physikalisch. Ich möchte hier ein paar bedeutende Klassen und Namespaces aufzählen (bei weitem keine komplette Liste!)

System

Console
GC
Math
Random
String

System.Collections

ArrayList
Hashtable
Queue
Stack

System.Diagnostics

Debug
EventLog
Process
Trace

System.IO

File
FileInfo
Stream
StreamReader
StreamWriter

System.Net.{}
System.Runtime.{}
System.Security.{}
System.Web.{}
System.Xml.{}

Besonders die letzteren genannten sind bei weitem zu komplex um sie kurz zu beschreiben. In der FCL ist viel Funktionalität, die bei anderen Sprachen durch Zusatzbibliotheken zur Verfügung gestellt werden muss, schon vorhanden, wie z.B. mächtige XML Klassen. Doch einige der wichtigsten Namespaces fehlen noch in der oben genannten Aufzählung: System.Windows.Forms und System.Data. In System.Data + dazugehörige Namespaces und Klassen befindet sich ADO.NET – die Datentechnologie von .Net. Es bietet eine vereinheitlichte, neue Möglichkeit auf Daten fast jeglicher Art zuzugreifen. Egal ob jetzt XML oder SQL Datenbanken, der Zugriff erfolgt einheitlich. ADO.NET ist aber ein Thema an sich, das ich eventuell in einem Folgeartikel behandeln werde. Dies soll ja nur ein Überblick werden und kein Buch. Deshalb sei der Namespace Windows.Forms auch nur mal erwähnt. Mit den dort befindlichen Klassen lassen sich schnell Oberflächen entwickeln und es gibt viele vorgefertigte Controls die man benutzen kann. Von der Einfachheit am ehesten mit VB oder Delphi zu vergleichen, nur machtvoller. Gerade in Version 2 wurde noch einiges erweitert/geändert so dass mit Leichtigkeit extrem komplexe Oberflächen entwickelt werden können, die modern aussehen, und auch eine entsprechend moderne Funktionalität bieten. Mit der Windows Presentation Foundation werden in Zukunft auch Klassen Einzug ins Framework halten, die es ermöglichen die grafischen Möglichkeiten von Windows Vista vollkommen auszureizen und so eine neue Art Oberflächen zu entwickeln. Aber auch das wäre wieder ein gesonderten Artikel wert.

Zu beachten ist auch das die Namespaces bzw. Klassen nicht als einzelnes gesehen werden dürfen. In der FCL arbeiten sie eng miteinander und nutzen so alle Möglichkeiten aus, dabei benutzt die FCL alle Möglichkeiten der CLR um eine moderne, objektorientierte, leicht zu benutzende Klassenbibliothek zu bilden. Auf Dauer wird die .Net Klassenbibliothek die oben genannten klassischen Bibliotheken und Programmiermöglichkeiten für Windows ersetzen.

Auch wenn es hier nicht ganz passt, sein auch noch ASP.NET genannt.
ASP.NET ist die Webtechnologie in der .Net Vision. Sie ist nicht nur einfach eine Weiterentwicklung vom klassischen ASP sondern bietet eine fast vollkommen neue Möglichkeit, wirklich Web Applikationen zu schreiben. Die Oberfläche besteht in Version 1 vom Framework aus Controls, ähnlich zu den Windows Forms Controls, die aber zu klassischen HTML gerendert werden. Auch das wird sich in Zukunft mit der Windows Presentation Foundation ändern. Sie vereinheitlicht die Oberflächen von Web- und Windows Applikationen und beide können einheitlich mit XAML beschrieben werden. Technisch basiert ASP.NET in Version 1 größtenteils auf dem IIS als ausführende Umgebung, da aber ASP.NET auch extensiv die FCL benutzt, ist es ohne weiteres möglich mit den entsprechenden Klassen selber in der eigenen Anwendung zu hosten. In Version 2 vom .Net Framework wurde diese Möglichkeit sogar noch ausgebaut. Es gibt im Prinzip schon einen einfachen http Server als vorgefertigte Klassen im Framework. Auch Webservices lassen sich selber hosten. Webservices sind am ehesten vergleichbar mit den Diensten eines Windows Systems. Sie nehmen Anfragen entgegen, verarbeiten sie, und senden eine Antwort zurück. Kommuniziert wird dabei über XML in Form von SOAP Nachrichten. Das ganze geschieht auch so transparent, dass es möglich ist eine Funktion eines Webservices im eigenen Programm anzusprechen als wenn die Funktion in einer beliebigen lokalen Bibliothek vorhanden ist.

Nun sind wir im Prinzip wieder bei den verteilten Anwendungen vom Anfang des Artikels! Und ich bin auch mit dem groben Überblick des Frameworks fertig. Man sieht, dass die CLR und das Framework wirklich durchdacht worden sind und neue aufregende Möglichkeiten bieten zu Programmieren. Die Art und Weise wie in Zukunft auf der Windows Plattform programmiert wird, wird sich ändern.

Ausblick
Man sieht schon heute dass mit dem .Net Framework eine extrem fähige Programmierumgebung geschaffen wurde. Doch dies ist erst der Anfang. Microsoft hat beschlossen, selbst Teile künftiger Betriebssysteme in .Net Code zu schreiben – daran sieht man die Tragweite dieser Vision. Mit der Version 2 steht schon ein großer Schritt vorwärts in die Richtung einer noch mächtigeren Plattform bevor. Version 3 ist schon in Planung bzw. es gibt erste Entwürfe. Außerdem werden die Windows Workflow/Presentation/Communication Foundation besonders im kommenden Windows Vista schon maßgeblich die Programme beeinflussen. Für Windows Programmierer steht eine wahrlich aufregende Zukunft bevor – einerseits werden die Programme nicht nur ihr Aussehen verändern, auch die Weise wie sie programmiert sind, ändert sich.

[estartu]

Wow...
Dieser Text erschlägt einen irgendwie.

Ich habe ihn in den letzten Tagen schon mehrfach gelesen, aber noch immer weiß ich nicht, was ich noch alles fragen muss, damit der Kopf etwas klarer wird.

Was ist CIL?
Was ist FCL?

Ansonsten muss ich den Artikel noch eine Weile wirken lassen.
Das .net scheint mehr zu sein, als man mal eben verdauen kann - aber deswegen wollte ich den Artikel ja gerne haben.

[Talla]

Ja, von der Gliederung gefällt mir der Text auch nicht wirklich, da ich einfach das geschrieben habe was mir grad eingefallen ist, und gerede im CLR Abschnitt spring ich doch von einem Punkt zum nächsten und jemand der davon noch nie was gehört hat, ist Wäre ganz praktisch wenn sich jemand den Text mal zu gemüte führt der auch in der Materie ist.

Zu deinen beiden Punkten werde ich mir was überlegen. Im Prinzip kann man da schon noch ne Menge schreiben, bloß ich wollte nicht bei jeder Sache so ins Detail gehen, gerade die Einzelheiten der Common Intermediate Langage(CIL - wird auch im Text so genannt ) interessiert ja für einen groben Überblick über .Net nicht.

Und zur FCL: merke grad selbe das ich oben noch BCL drin hab und unten dann FCL schreibe obwohls im Prinzip das selbe ist, aber werde versuchen da noch mehr Klarheit reinzubringen - eventuell auch auf Besonderheiten der Klassenbibliothek mehr eingehen.

Andere Anmerkungen sind natürlich gerne willkommen. Hoffe auch man merkt nicht gleich auf den ersten Blick das ich leicht von .Net schwärme *gg*

[estartu]

Talla schrieb:

Hoffe auch man merkt nicht gleich auf den ersten Blick das ich leicht von .Net schwärme *gg*

Naja, Schwärmerei in Grenzen kann einen Skeptiker wie mich vielleicht etwas besser erreichen.

Wie wäre es am Ende des Artikels mit einer Liste der Abkürzungen?
Man kann sich so viele kaum merken, auch nicht bei wiederholtem Lesen... ich jedenfalls nicht.

Zwei Fragen habe ich schon wieder:

In nicht allzu ferner Zukunft werden nicht nur PCs vernetzt sein, sondern auch Konsumelektronik, Handys oder Küchengeräte.

Ohne Internet/Netzwerk ist .net also unvollständig bzw. um es provokativ auszudrücken "ziemlich sinnlos"?

Es stellt eine Plattform zur Verfügung auf der Programme laufen, unabhängig von dem Gastsystem.

Für Windows Programmierer steht eine wahrlich aufregende Zukunft bevor [...]

Das widerspricht sich irgendwie.
Mein Handy hat Symbian, mein PDA Palm... und was ist mit Apple und Linux?
Zuerst klingt es wie endlich eine wirklich platformübergreifende Programmiermöglichkeit - und dann doch wieder nur Windows?

[estartu]

Da geht es weiter: http://www.c-plusplus.net/forum/viewtopic-var-t-is-124793.html
@Talla: Eigentlich wird nur die Endversion als neuer Post gemacht, die Rechtschreibkorrektur noch nicht.
Fürs nächste Mal.

[Talla]

Upps Wie kann ich dann den Tag(also des [T] zu [R]) vorne ändern? Muss ich direkt bei meinem Ausgangspost editieren oder wie?

[estartu]

Talla schrieb:

Upps Wie kann ich dann den Tag(also des [T] zu [R]) vorne ändern? Muss ich direkt bei meinem Ausgangspost editieren oder wie?

Genau so geht das.
Ich hab diesen jetzt in ein X geändert - aber du kannst es ja mal testen.