Увод

C# и .NET

Програмски језик C# настао је 2000. године у компанији Microsoft као део .NET Framework развојне платформе за Windows оперативне системе. C# је језик опште намене са јаком типизацијом, слично као и програмски језик C, али C# подржава више парадигми: императивну, декларативну, функционалну, генеричку, објектно-оријентисану и компонентски-оријентисану парадигму.

До сада си сигурно дошао у ситуацију да је неопходно да инсталираш или ажурираш неку верзију развојне платформе .NET Framework или .NET чак и ако се ниси бавио програмирањем или имао инсталирано развојно окружење Visual Studio. Шта је .NET и зашто је неопходно инсталирати .NET???

.NET је развојна платформа компаније Microsoft за развој различитих типова апликација, укључујући десктоп, веб, мобилне, клауд и друге типове апликације. Дизајнирана је да поједностави развој пружајући конзистентан и свеобухватан скуп библиотека и алата за програмере. .NET подржава више програмских језика, укључујући C#, VB.NET и F#.

.NET Framework платформа настала је почетком 2000-их. Првобитни фокус био је на развоју Windows десктоп апликације, али се касније проширио и на веб апликације, веб сервисе и друге врсте софтвера искључиво за Windows оперативне системе. Каже се да је платформа монолитна јер један велики оквир пружа све што је неопходно за развој и извршавање апликација. Битне верзије .NET Framework платформе су: 1.0, 2.0, 3.5, 4.0, 4.5 и последњe 4.7.2, 4.8 и 4.8.1.

.NET Core платформа настала је 2016. године као нови вишеплатформски оквир отвореног кода. Дизајниран је да елиминише ограничења .NET Framework платформе и обезбеди модуларнију и свестранију платформу за развој апликација. Међуплатформска компатибилност омогућава програмерима да праве апликације које раде на ширем спектру оперативних система - Windows, MacOS и различитим дистрибуцијама оперативног система Linux. Каже се да је платформа модуларна јер је могуће укључити само неопходне библиотеке и компоненте, што доприноси бољим перформансама и бржим извршавањем. Битне верзије .NET Core платформе су: 1.0, 1.1, 2.0, 2.1 и 2.2.

.NET платформа је наследник .NET Framework и .NET Core настала 2019. године, почевши од верзије 5.0, а значајне верзије су 6.0 (LTS), 7.0, 8.0 (LTS) и 9.0.

C# програми извршавају се у оквиру .NET-а. Шта то значи? Зар се програми не извршавају у оперативном систему? У I и II разреду развијао си апликације у програмском језику C које се извршавају у оквиру оперативног система:

graph LR
    A[Апликација] --> B[Оперативни систем]
    B --> C[Процесор]

Како би се превазишао проблем са компатибилношћу - да старији програми не могу да функционишу на новијим верзијама оперативних система и обрнуто - осмишљен је још један слој под називом .NET Framework. Захваљујући том слоју, функционалност апликације више не зависи од оперативног система:

graph LR
    A[Апликација] --> B[**.NET Framework**]
    B --> C[Оперативни систем]
    C --> D[Процесор]

Од изворног кода до извршавања програма

Данас је .NET Framework саставна компонента Windows-а која садржи општу језичку извршну платформу CLR (The Common Language Runtime) и библиотеку основних класа BCL (The Base Class Library) која садржи око 13000 класа, 4500 вредносних типова и 1500 интерфејса. CLR представља имплементацију опште језичке инфраструктуре CLI (Common Language Infrastructure) - међународног стандарда за развој окружења у којима различити програмски језици и библиотеке раде заједно.

Поједностављено објашњење било би да током компајлирања C# компајлер преводи твој изворни кôд и ресурсе у .exe или .dll склоп...

graph LR
    sc[Изворни кôд] --> c[C# компајлер]
    c --> a[Склоп]

...а током извршавања склоп се учитава у CLR који га преводи у машински извршни кôд и предаје оперативном систему на извршавање (у процесору):

graph LR
    a[Склоп] --> clr[CLR]
    clr --> bin[Машински кôд]
    bin --> os[Оперативни систем]
    os --> cpu[Процесор]

Кôд који се предаје CLR-у назива се управљив кôд, супротно од компајлираног машинског кода који се назива неуправљив кôд. И компајлер за време компајлирања, и CLR за време извршавања, референцирају и користе BCL.

Компајлирање (Compile Time)

Један C# пројекат обично садржи изворни кôд и одређене ресурсе. C# компајлер компајлира изворни код са ресурсима у склоп (Assembly) - датотеку са екстензијом .exe или .dll. Склоп није "обична" извршна датотека, као она коју си добијао компајлирањем C кода - она захтева постојање .NET Framework-а да би могла да се изврши! Основни делови склопа су:

Мајкрософтов посреднички језик MSIL (Microsoft Intermediate Language), који се често назива само посреднички језик IL (Intermediate Language). MSIL представља имплементацију општег посредничког језика CIL (Common Intermediate Language), дефинисаног у оквиру CLI стандарда. MSIL је заправо кôд којег генерише компајлер на основу изворног кода, а који је независан од процесора.
Метаподаци (Metadata) описују типове, чланове, референце итд.
Манифест (Manifest) садржи информације о склопу, о референцираним склоповима и коришћеним датотекама.
Ресурси (Resources) могу бити стрингови, бинарни фајлови, слике и други ресурси.

Извршавање (Runtime)

Приликом извршавања, склоп се учитава у CLR који се састоји из:

компоненти за извршавање и управљање кодом:
- CLR Loader, учитава склопове и иницијализује метаподатке,
- Type Checker, валидира типове и спречава небезбедне конверзије,
- Code Manager, надгледа извршавање кода и руковање метаподацима,
- Exception Manager, обрађује изузетке током извршавања,
компонента за безбедност:
- Security Engine, спроводи безбедност приступа коду и верификује интегритет кода,
компоненте за управљање меморијом и нитима:
- Garbage Collector, управља меморијом чишћењем некоришћених објеката,
- Thread Manager, управља извршавањем нити и паралелним извршавањем,
компоненте за интероперације и отклањање грешака:
- COM Marshaller, омогућава интеракцију са COM компонентама,
- Debug Engine, обезбеђује отклањање грешака и праћење изузетака,
компонента за везу са библиотеком класа:
- BCL Support, обезбеђује везу са .NET библиотеком основних класа,
и на крају компонента за компајлирање:
- JIT Compiler, компајлира MSIL у машински кôд за дефинисани тип процесора.

Интероперабилност језика је једна од главних .NET карактеристика. Пошто је MSIL кôд произведен од стране компајлера у складу са заједничком спецификацијом типова CTS (Common Type Specification), он може да сарађује са кôдом написаним на више од двадесет CTS-компатибилних програмских језика попут Managed C++, F# и Visual Basic .NET.