Система типов языка С#

Общий взгляд

Знакомство с новым языком программирования разумно начинать с изучения системы типов этого языка. Как в нем устроена система типов данных? Какие есть простые типы, как создаются сложные, структурные типы, как определяются собственные типы, динамические типы, как определяются классы?

В первых языках программирования понятие класса отсутствовало - рассматривались только типы данных. При определении типа явно задавалось только множество возможных значений, которые могут принимать переменные этого типа. Например, тип integer задает целые числа в некотором диапазоне. Неявно с типом всегда связывался и набор разрешенных операций. В типизированных языках, к которым относится большинство языков программирования, понятие переменной естественным образом связывалось с типом. Если есть тип Т и переменная x типа Т, то это означало, что переменная может принимать значения из множества, заданного типом, и к ней применимы операции, разрешенные типом.

Классы и объекты впервые появились в программировании в языке Симула 67. Произошло это спустя 10 лет после появления первого алгоритмического языка Фортран. Определение класса наряду с описанием данных содержало четкое определение операций или методов, применимых к данным. Объекты - экземпляры класса являются обобщением понятия переменной. Сегодня определение класса в C# и других объектных языках, аналогично определению типа в CTS, содержит:

• данные, задающие свойства объектов класса ;
• методы, определяющие поведение объектов класса ;
• события, которые могут происходить с объектами класса.

Так есть ли различие между этими двумя основополагающими понятиями - типом и классом? На первых порах можно считать, что класс - это хорошо определенный тип данных, объект - хорошо определенная переменная. Понятия фактически являются синонимами, какое из них употреблять лишь дело вкуса. Встроенные типы, такие как integer или string, предпочитают называть по-прежнему типами, а их экземпляры - переменными. Что же касается абстракции данных, описывающей служащих и названной, например, Employee, то естественнее называть ее классом, а ее экземпляры - объектами. Такой взгляд на типы и классы довольно полезен, но он не является полным. Позже при обсуждении классов и наследования постараемся более четко определить принципиальные различия в этих понятиях.

Объектно-ориентированное программирование, доминирующее сегодня, построено на классах и объектах. Тем не менее, понятия типа и переменной все еще остаются центральными при описании языков программирования, что характерно и для языка C#. Заметьте, что и в Framework .Net предпочитают говорить о системе типов, хотя все типы библиотеки FCL являются классами.

Типы данных принято разделять на простые и сложные в зависимости от того, как устроены их данные. У простых (скалярных) типов возможные значения данных едины и неделимы. Сложные типы характеризуются способом структуризации данных - одно значение сложного типа состоит из множества значений данных, организующих сложный тип.

Есть и другие критерии классификации типов. Так, типы разделяются на встроенные типы и типы, определенные программистом (пользователем). Встроенные типы изначально принадлежат языку программирования и составляют его базис. В основе системы типов любого языка программирования всегда лежит базисная система типов, встроенных в язык. На их основе программист может строить собственные, им самим определенные типы данных. Но способы (правила) создания таких типов являются базисными, встроенными в язык.

Типы данных разделяются также на статические и динамические. Для данных статического типа память отводится в момент объявления, требуемый размер данных (памяти) известен при их объявлении. Для данных динамического типа размер данных в момент объявления обычно неизвестен и память им выделяется динамически по запросу в процессе выполнения программы.

Еще одна важная классификация типов - это их деление на значимые и ссылочные. Для значимых типов значение переменной (объекта) является неотъемлемой собственностью переменной (точнее, собственностью является память, отводимая значению, а само значение может изменяться). Для ссылочных типов значением служит ссылка на некоторый объект в памяти, расположенный обычно в динамической памяти - "куче". Объект, на который указывает ссылка, может быть разделяемым. Это означает, что несколько ссылочных переменных могут указывать на один и тот же объект и разделять его значения. Значимый тип принято называть развернутым, подчеркивая тем самым, что значение объекта развернуто непосредственно в памяти, отводимой объекту. О ссылочных и значимых типах еще предстоит обстоятельный разговор.

Для большинства процедурных языков, реально используемых программистами - Паскаль, C++, Java, Visual Basic, C#, - система встроенных типов более или менее одинакова. Всегда в языке присутствуют арифметический, логический (булев), символьный типы. Арифметический тип всегда разбивается на подтипы. Всегда допускается организация данных в виде массивов и записей ( структур ). Внутри арифметического типа всегда допускаются преобразования, всегда есть функции, преобразующие строку в число и обратно. Так что, мой читатель, Ваше знание, по крайней мере, одного из процедурных языков позволяет построить общую картину системы типов и для языка C#. Отличия будут в нюансах, которые и придают аромат и неповторимость языку.

Поскольку язык C# является непосредственным потомком языка C++, то и системы типов этих двух языков близки и совпадают вплоть до названия типов и областей их определения. Но отличия, в том числе принципиального характера, есть и здесь.

Система типов

Давайте рассмотрим, как устроена система типов в языке C#, но вначале для сравнения приведу классификацию типов в стандарте языка C++.

Стандарт языка C++ включает следующий набор фундаментальных типов.

1. Логический тип ( bool ).
2. Символьный тип ( char ).
3. Целые типы. Целые типы могут быть одного из трех размеров - short, int, long, сопровождаемые описателем signed или unsigned, который указывает, как интерпретируется значение, - со знаком или без оного.
4. Типы с плавающей точкой. Эти типы также могут быть одного из трех размеров - float, double, long double. Кроме того, в языке есть тип void, используемый для указания на отсутствие информации. Язык позволяет конструировать типы.
5. Указатели (например, int* - типизированный указатель на переменную типа int ).
6. Ссылки (например, double& - типизированная ссылка на переменную типа double ).
7. Массивы (например, char[] - массив элементов типа char ).

   Язык позволяет конструировать пользовательские типы
8. Перечислимые типы ( enum ) для представления значений из конкретного множества.
9. Структуры ( struct ).
10. Классы.

Первые три вида типов называются интегральными или счетными. Значения их перечислимы и упорядочены. Целые типы и типы с плавающей точкой относятся к арифметическому типу. Типы подразделяются также на встроенные и типы, определенные пользователем.

Эта схема типов сохранена и в языке C#. Однако здесь на верхнем уровне используется и другая классификация, носящая для C# принципиальный характер. Согласно этой классификации все типы можно разделить на четыре категории:

1. Типы-значения ( value ), или значимые типы.
2. Ссылочные ( reference ).
3. Указатели ( pointer ).
4. Тип void.

Эта классификация основана на том, где и как хранятся значения типов. Для ссылочного типа значение задает ссылку на область памяти в "куче", где расположен соответствующий объект. Для значимого типа используется прямая адресация, значение хранит собственно данные, и память для них отводится, как правило, в стеке.

В отдельную категорию выделены указатели, что подчеркивает их особую роль в языке. Указатели имеют ограниченную область действия и могут использоваться только в небезопасных блоках, помеченных как unsafe.

Особый статус имеет и тип void, указывающий на отсутствие какого-либо значения.

В языке C# жестко определено, какие типы относятся к ссылочным, а какие - к значимым. К значимым типам относятся: логический, арифметический, структуры, перечисление. Массивы, строки и классы относятся к ссылочным типам. На первый взгляд, такая классификация может вызывать некоторое недоумение, почему это структуры, которые в C++ близки к классам, относятся к значимым типам, а массивы и строки - к ссылочным. Однако ничего удивительного здесь нет. В C# массивы рассматриваются как динамические, их размер может определяться на этапе вычислений, а не в момент трансляции. Строки в C# также рассматриваются как динамические переменные, длина которых может изменяться. Поэтому строки и массивы относятся к ссылочным типам, требующим распределения памяти в "куче".

Со структурами дело сложнее. Структуры C# представляют частный случай класса. Определив свой класс как структуру, программист получает возможность отнести класс к значимым типам, что иногда бывает крайне полезно. Замечу, что в хорошем объектном языке Eiffel программист может любой класс объявить развернутым ( expanded ), что эквивалентно отнесению к значимому типу. У программиста C# только благодаря структурам появляется возможность управлять отнесением класса к значимым или ссылочным типам. Правда, это неполноценное средство, поскольку на структуры накладываются дополнительные ограничения по сравнению с обычными классами.

Рассмотрим классификацию, согласно которой все типы делятся на встроенные и определенные пользователем. Все встроенные типы C# однозначно отображаются, и фактически совпадают с системными типами каркаса Net Framework, размещенными в пространстве имен System. Поэтому всюду, где можно использовать имя типа, например, - int, с тем же успехом можно использовать и имя System.Int32.

В заключение этого раздела приведу таблицу (3.1), содержащую описание всех встроенных типов языка C# и их основные характеристики.

Логический тип
Имя типа	Системный тип	Значения	Размер
bool	System.Boolean	true, false	8 бит
Арифметические целочисленные типы
Имя типа	Системный тип	Диапазон	Размер
sbyte	System.SByte	-128 — 127	Знаковое, 8 Бит
byte	System.Byte	0 — 255	Беззнаковое, 8 Бит
short	System.Short	-32768 —32767	Знаковое, 16 Бит
ushort	System.UShort	0 — 65535	Беззнаковое, 16 Бит
int	System.Int32	(-2*10^9 — 2*10^9)	Знаковое, 32 Бит
uint	System.UInt32	(0 — 4*10^9)	Беззнаковое, 32 Бит
long	System.Int64	(-9*10^18 — 9*10^18)	Знаковое, 64 Бит
ulong	System.UInt64	(0— 18*10^18)	Беззнаковое, 64 Бит
Арифметический тип с плавающей точкой
Имя типа	Системный тип	Диапазон	Точность
float	System.Single	+1.5*10^-45 -/+3.4*10^38	7 цифр
double	System.Double	+5.0*10^-324 -/+1.7*10^308	15-16 цифр
Арифметический тип с фиксированной точкой
Имя типа	Системный тип	Диапазон	Точность
decimal	System.Decimal	+1.0*10^-28 - +7.9*10^28	28-29 значащих цифр
Символьные типы
Имя типа	Системный тип	Диапазон	Точность
char	System.Char	U+0000 - U+ffff	16 бит Unicode символ
string	System.String	Строка из символов Unicode
Объектный тип
Имя типа	Системный тип	Примечание
object	System.Object	Прародитель всех встроенных и пользовательских типов

Система встроенных типов языка C# не только содержит практически все встроенные типы (за исключением long double ) стандарта языка C++, но и перекрывает его разумным образом. В частности тип string является встроенным в язык, что вполне естественно. В области совпадения сохранены имена типов, принятые в C++, что облегчает жизнь тем, кто привык работать на C++, но собирается по тем или иным причинам перейти на язык C#.