Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Miroslav Virius

Programování v C#

Od základů k profesionálnímu použití

Vydala Grada Publishing, a.s.

U Průhonu 22, Praha 7

obchod@grada.cz, www.grada.cz

tel.: +420 234 264 401

jako svou 7866. publikaci

Odborná korektura Jan Hájek, NETWORG

Odpovědný redaktor Petr Somogyi

Sazba Petr Somogyi

Formát ePub Štěpán Böhm

Počet stran 424

První vydání, Praha 2021

Vytiskla Tiskárna v Ráji, s.r.o., Pardubice

© Grada Publishing, a.s., 2021

Cover Design © Grada Publishing, a. s., 2021

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-271-4004-6 (ePub)

ISBN 978-80-271-4003-9 (pdf)

ISBN 978-80-271-1216-6 (print)

Předmluva

Kniha, kterou jste právě otevřeli, vás seznámí se základy programování v jazyce C#. Je určena jak čtenářům, kteří ještě vůbec neprogramovali, tak i čtenářům, kteří již v nějakém jazyce programovali a chtějí se s tímto programovacím jazykem seznámit. Přitom předpokládám, že jste sice začátečníky v programování, ale umíte s počítačem zacházet uživatelsky, tedy že umíte spustit program, zkopírovat nebo smazat soubor atd. V průběhu osmnácti kapitol této knihy se vás pokusím dovést na úroveň lehce pokročilého programátora.

Programovací jazyk C#

Programovací jazyk C# uveřejnila firma Microsoft v roce 2002. I když byl původně určen pouze k programování pro Windows, v současné době se používá k vytváření aplikací i pro řadu dalších platforem, jako je Linux, macOS, Android a další a lze v něm vytvářet cloudové aplikace.

Co v této knize najdete

Jediným způsobem, jak se naučit nějaký programovací jazyk, je psát v něm programy, a proto už ve druhé kapitole začneme programovat. Cílem druhé, třetí a čtvrté kapitoly je uvést na scénu vybrané konstrukce jazyka C# a umožnit vám zkoušet si vše, o čem si v následujících kapitolách povíme, na vlastních programech – jednoduchých a možná nešikovných, ale fungujících.

Než se ovšem pustíme do programování, musíme si ujasnit některé pojmy a sjednotit terminologii. Proto se v první kapitole seznámíme s pojmy, které budeme používat. Povíme si, co je třeba vědět o počítači, o programovacích jazycích, algoritmech, objektově orientovaném programování a některých dalších věcech, bez nichž se při programování neobejdeme.

Ve druhé kapitole napíšeme svůj první program, ukážeme si, jak ho přeložit – neboť jazyk, v němž ho píšeme, je jiný než jazyk, v němž „myslí“ počítač – a jak ho spustit. Seznámíme se s integrovaným vývojovým prostředím Visual Studio 2019, které budeme v této knize používat.

Ve třetí kapitole napíšeme několik verzí jednoduchých programů, které přečtou číslo, vypočtou z něj jistou hodnotu a výsledek vypíší. To nám umožní seznámit se alespoň povrchně s některými základními programovacími konstrukcemi, s rozdělením programu do několika souborů, s pojmem projektu apod. Napíšeme také jednoduchou vlastní programovou knihovnu pro čtení dat z klávesnice. Se znalostmi z této kapitoly byste měli být schopni zkoušet si vše, co se v dalších kapitolách naučíte, na vlastních programech.

Ve čtvrté kapitole se seznámíme s kolekcemi – nástroji, které umožňují uchovávat v programu libovolné množství dat –, seznámíme se velmi povrchně s generickými třídami a ukážeme si, jak ladit program – tedy jak zjistit, proč dělá něco jiného, než co jsme chtěli naprogramovat.

Od páté kapitoly začíná výklad „naostro“. Po seznámení se základními pojmy postupně poznáme vestavěné datové typy, příkazy jazyka C#, s výrazy a operátory, které máme k dispozici, naučíme se používat tzv. pole. Pak přijdou na řadu kapitoly věnované programátorem definovaným negenerickým objektovým typům, rozhraním, genericitě, delegátům a lambda-výrazům (to vše jsou zajímavé a užitečné konstrukce, které jazyk C# nabízí) a tzv. výjimkám (nástrojům pro ošetřování chyb za běhu). Samostatná kapitola je věnována tzv. nulovatelným typům. Nelze samozřejmě pominout nástroj označovaný zkratkou LINQ, který umožňuje získávat vybraná data z různých zdrojů – mohou to být už zmíněné kolekce, soubory a mnohé další.

Pak přijdou na řadu kapitoly věnované použití vybraných programových knihoven. Začneme nástroji pro práci se znakovými řetězci, tedy s textem. Pak se podíváme na vstupní a výstupní operace, na vytváření grafického uživatelského rozhraní pomocí knihovny Windows Forms a pomocí knihovny Windows Presentation Foundation a na nástroje pro paralelní počítání.

Na co se nedostalo

Víc se mi bohužel do této knihy nevešlo. Nedostalo se na tvorbu databázových aplikací, na tvorbu webových aplikací, na tvorbu mobilních aplikací, na práci s datovými typy, které nebyly v době překladu k dispozici (tzv. reflexi), na použití nespravovaného kódu a dynamických knihoven napsaných v jiných programovacích jazycích, na práci s místním nastavením (kulturou) a na mnoho dalších zajímavých a užitečných témat.

Nástroje

Výklad v této knize je založen na jazyce C# verze 8 publikované v roce 2019. Pro psaní, překlad, sestavení a ladění programů používám vývojové prostředí Visual Studio 2019 Community Edition, které lze zdarma získat na stránkách firmy Microsoft.

Není to ovšem jediná možnost: Dobrou alternativou je nástroj Visual Studio Code, který je také zdarma a který lze instalovat pod operačními systémy Windows 7, 8 a 10, Debian, Ubuntu, Red Hat, Fedora, Suse a macOS 10.10 a pozdějších. Jeho ovládání se poněkud liší od ovládání Visual Studia; to ale nic nemění na platnosti výkladu o jazyce C# a jeho knihovnách, které v této knize najdete.

Terminologie

V celé knize používám důsledně českou terminologii. Jsem přesvědčen, že použití vhodných českých názvů výrazně usnadní pochopení, oč jde. Anglické termíny samozřejmě uvádím alespoň při prvním výskytu také.

Příklady

Výklad v této knize doprovází velké množství příkladů. Jejich zdrojové texty si můžete stáhnout z webových stránek nakladatelství Grada Publishing (vyhledejte na www.grada.cz stránku této knihy), nebo z mých osobních stránek, jejichž adresu najdete dále. V příkladech důsledně používám české identifikátory, a to včetně háčků a čárek. Vím, že profesionální programátoři se tomu vyhýbají a že v mezinárodních týmech jsou anglické identifikátory samozřejmostí. Mám ale dlouholetou zkušenost, že při výkladu určeném začátečníkům mohou české identifikátory výrazně usnadnit orientaci v ukázkách zdrojového kódu – a to je můj hlavní cíl.

Na závěr

I přes veškerou péči, kterou jsem této knize věnoval, se do ní mohly vloudit chyby. Jestliže při studiu nějakou najdete, pošlete mi prosím zprávu na níže uvedenou adresu; bude-li to možné, uveřejním na svých webových stránkách opravu.

Miroslav Virius, Praha, 21. srpna 2020

miroslav.virius@fjfi.cvut.cz

http://people.fjfi.cvut.cz/virius

1Než opravdu začneme

Než začneme programovat, měli bychom se seznámit s pojmy, které budeme později potřebovat. Povíme si krátce něco o nejen o počítačích a programovacích jazycích, ale také o algoritmech a objektově orientovaném programování. Mnohé z toho jistě znáte; přesto vám doporučuji tuto kapitolu alespoň zběžně přečíst, abychom si sjednotili terminologii.

1.1Počítač

Kdesi – myslím, že šlo o návod, jak vyplnit daňové přiznání – jsem četl, že počítač je „stroj na zpracování informací“. To je samozřejmě pravda, ale člověk, který se chce naučit programovat, o něm musí vědět přece jen víc.

S trochou zjednodušení můžeme říci, že běžný počítač se skládá ze čtyř základních částí:

■Součást, která opravdu „počítá“, tedy zpracovává informace, a která také řídí činnost všech ostatních částí počítače, se nazývá procesor.

■Operační paměť slouží k přechodnému ukládání dat (informací), která počítač zpracovává, a programu, tedy příkazů, které určují, co má dělat. Používá se pro ni také anglická zkratka RAM (Random Access Memory, doslova „paměť s náhodným přístupem“). Vše, co je v této paměti, se při vypnutí počítače ztratí, „zapomene“.

■Vstupní a výstupní zařízení slouží počítači k výměně informací s okolím. Nejběžnější vstupní zařízení jsou klávesnice, myš, skener, zařízení na čtení CD/DVD atd. Nejobvyklejší výstupní zařízení osobních počítačů je obrazovka monitoru nebo tiskárna. Pro vstupní a výstupní zařízení se používá zkratka V/V nebo I/O (z anglického input/output).

■Trvalá paměť slouží – jak název napovídá – k trvalému ukládání dat a programů; data v ní se při vypnutí počítače neztrácejí. Má zpravidla mnohonásobně větší kapacitu než operační paměť, ale práce s ní je také mnohonásobně pomalejší než práce s operační pamětí (přibližně tisíckrát). Jako vnější paměť se používají převážně magnetické disky (tzv. pevný disk) nebo polovodičové disky (obvykle označovaný zkratkou SSD z anglického Solid State Drive). Vedle trvalé paměti napevno zabudované v počítači se často používá i externí trvalá paměť, kterou k počítači připojujeme pouze v případě potřeby, pro účely zálohování dat atd.

■Součást, jež propojuje všechny ostatní části počítače, se nazývá sběrnice (anglicky bus).

1.2Operační paměť

Bity

Operační paměť je tvořena elektronickými obvody, které mohou mít dva dobře rozlišitelné stavy – např. vypnuto nebo zapnuto. Jeden z těchto stavů obvykle odpovídá číslici 0, druhý číslici 1. Jakékoli údaje do paměti proto můžeme zapisovat jen pomocí nul a jedniček, v tzv. dvojkové soustavě. Každé místo, na které můžeme zapsat jednu číslici 0 nebo 1, označujeme jako bit. Operační paměť je tedy dlouhá řada bitů.

Bajty

S jednotlivými bity však pracujeme jen výjimečně, protož je to nepohodlné, a to jak pro člověka, tak pro počítač. Bity v operační paměti se v dnešních počítačích sdružují do skupin velikosti 8 bitů a tyto skupiny se nazývají bajty (anglicky byte, tj. slabika).

Adresa

Aby mohl počítač s pamětí snadno pracovat, jsou jednotlivé bajty, které paměť tvoří, očíslovány. Počáteční bajt má číslo 0, následující má číslo 1 atd. Toto pořadové číslo se nazývá adresa bajtu. (Na některých počítačích, včetně PC, je záležitost s adresami ve skutečnosti trochu složitější, ale to můžeme v souvislosti s jazykem C# ponechat stranou. Pro pochopení dalšího výkladu stačí, co jsme si řekli.)

1.3Datové typy a proměnné

Není těžké zjistit, že nejmenší číslo, které může jeden bajt obsahovat, se skládá z osmi nul a představuje ve dvojkové i v desítkové soustavě nulu. Největší takové číslo se bude skládat z osmi jedniček a v desítkové soustavě vyjadřuje 255. To je pro téměř jakékoli počítání málo; v běžných programech se obvykle objevují daleko větší čísla. Proto se pro ukládání dat zpravidla používají různě velké skupiny za sebou následujících bajtů.

Ani to ovšem nestačí. Vezmeme-li např. dva za sebou následující bajty, můžeme do nich uložit celá čísla v rozmezí od 0 do 65 535 (od 0 do 1111 1111 1111 1111 ve dvojkové soustavě). Pokud nám ani to nevystačí, můžeme vzít skupinu 4 nebo třeba 8 bajtů. Jenže ani to neřeší problém, co dělat, když budeme potřebovat záporná čísla, reálná čísla, znaky nebo třeba logické hodnoty (jež vyjadřují, že nějaké tvrzení platí nebo neplatí).

Musíme tedy najít nějaký způsob, který nám umožní reprezentovat data různých „druhů“ v paměti počítače. Jinými slovy, musíme najít způsob, jakým určité hodnotě jednoznačně přiřadíme skupinu bitů, která bude tuto hodnotu představovat – jak tuto hodnotu v počítači zakódovat.

Datový typ

Můžeme se např. dohodnout, že bajt s hodnotou 65 bude představovat znak A. Táž skupina bitů může za jiných okolností také představovat celé číslo, které má v desítkové soustavě hodnotu 65. Bajt se stejnou hodnotou ale může být i součástí většího celku s naprosto jiným významem.

Odtud je vidět, že počítači nestačí znát adresu bajtu nebo bajtů, s nimiž pracuje. Vedle adresy musí vědět, jak velký úsek – kolik bajtů – má vzít a jak má jeho obsah interpretovat. Jinými slovy, musí znát datový typ hodnoty, která je tam uložena – musí vědět, zda jde o celé číslo, znak, logickou hodnotu atd.

Datový typ také určuje operace, které lze s danou hodnotou provádět. Celá čísla lze například sčítat a odečítat, znaky lze spojovat do řetězců, tedy do souvislého textu.

Proměnná

Až dosud jsme se hodnotami, uloženými v paměti, zabývali z hlediska počítače; nyní se na ně podívejme z hlediska programátora. Hodnotu, s níž budeme chtít ve svém programu pracovat, potřebujeme uložit do paměti: Musíme si vyhradit místo a říci, jakého typu budou údaje, které bude obsahovat. Takovéto místo pro ukládání hodnoty budeme nazývat proměnná.

Počítač bude s proměnnou zacházet pomocí její adresy (pořadového čísla jejího počátečního bajtu). Pro programátora by ale práce s adresou byla nepohodlná, a proto ji pojmenujeme, dáme jí identifikátor. Tomu se v programování říká deklarace proměnné.

1.4Programy a programovací jazyky

Budeme-li od počítače chtít, aby zpracovával data, která mu předložíme, musíme mu také říci, co s nimi má vlastně dělat – musíme mu dát program. Program, podobně jako data, uložíme do operační paměti.

Procesor umí s daty provádět různé jednoduché operace. Umí např. sečíst, odečíst, vynásobit nebo vydělit dvě čísla, zadáme-li mu jejich adresy, umí vzít znak a zobrazit ho na monitoru atd. Protože však do jeho paměti nelze uložit nic jiného než čísla, musí být tyto příkazy vyjádřeny – zakódovány – také čísly. Číselné vyjádření instrukcí (příkazů) pro procesor se nazývá strojový kód (v programátorštině stroják) a je to jediná věc, které procesor rozumí.

Aby nebyl život příliš jednoduchý, používají různé procesory různé strojové kódy, takže programy ve strojovém kódu nejsou obvykle přenositelné mezi počítači s různými procesory.

Vyšší programovací jazyky

Je asi jasné, že programování ve strojovém kódu je velice namáhavé a nepřehledné. Také to téměř nikdo nedělá; místo toho se používají tzv. vyšší programovací jazyky, jako je Ada, Basic, C, C++, … a také C#.

Program ve vyšším programovacím jazyce je textový soubor, který obsahuje popis řešené úlohy vyjádřený pomocí vybraných anglických slov a pomocí výrazů zapsaných podobně jako v matematice. Napsat program ve vyšším programovacím jazyce je samozřejmě daleko snazší než napsat odpovídající program ve strojovém kódu. Ovšem nic není zadarmo: Program ve vyšším programovacím jazyce nelze na počítači přímo spustit, neboť počítač mu nerozumí. Takovýto program se proto musí buď přeložit do strojového kódu, nebo interpretovat. V obou případech k tomu potřebujeme další program, který to za nás udělá.

Překlad

Textový soubor, který obsahuje zápis programu ve vyšším programovacím jazyce, se zpravidla nazývá zdrojový kód nebo zdrojový program, v programátorské hantýrce „zdroják“. K překladu do strojového kódu (hovoříme také o kompilaci), slouží program zvaný překladač neboli kompilátor. Často s ním spolupracuje ještě sestavovací program neboli linker, který dokáže spojit několik nezávisle přeložených částí programu do jednoho celku. Linker také připojí knihovny – části programu, které už někdo naprogramoval předem a které můžeme už jen používat. Dnes je však sestavovací program zpravidla součástí překladače.

Překladem (a následným sestavením) programu vznikne soubor obsahující strojový kód, který již lze na cílovém počítači spustit. Mezi typické překládané programovací jazyky patří např. C, C++ nebo Pascal.

Interpretace

Místo překladu však můžeme v některých případech použít speciální program, který bude číst zdrojový text a interpretovat ho, tj. provádět příkazy, které v něm najde. Typickým interpretovaným jazykem je klasický Basic.[1] Interpretované programy obvykle běží podstatně pomaleji než překládané programy. Vedle toho musíme na cílový počítač spolu s naším programem instalovat také interpretační program.

Jazyk C#

C# je tak trochu zvláštní případ. Zdrojový kód programu napsaného v tomto jazyce se přeloží, ovšem nikoli do strojového kódu počítače, ale do univerzálního pomocného jazyka označovaného Common Intermediate Language (CIL, dříve označovaný Microsoft Intermediate Language, MSIL, nebo jen IL). Ten se pomocí dalšího překladače převede do strojového kódu cílového počítače – ale zpravidla až v okamžiku, kdy program spustíme.

To znamená, že na cílovém počítači musí být překladač, který překládá z IL do strojového kódu. Tento počítač se nazývá JIT (z anglického Just In Time, neboť překládá právě v době, kdy je to potřeba). Věc je ale ještě složitější: Na cílovém počítači musí instalováno prostředí .NET, které kromě překladačů JIT obsahuje i další součásti potřebné pro běh programů vytvořených v jazyce C#.

Na závěr ještě doplníme, že překladač libovolného programovacího jazyka (i C#) zároveň kontroluje syntaktickou správnost programu – tedy zda je program napsán podle jistých formálních pravidel, která zaručují, že mu počítač porozumí. (Syntaktická správnost programu bohužel nezaručuje věcnou správnost programu, tj. nezaručuje, že program bude dělat to, co si přejeme.)

1.5Operační systém

Počítač bez programového vybavení by nám nebyl mnoho platný. Proto se s ním zpravidla dodává alespoň jeden základní program, který se rozeběhne automaticky hned po spuštění počítače a běží po celou dobu jeho provozu. Tento program se nazývá operační systém a „oživuje“ počítač, tj. přijímá pokyny uživatele, stará se o jejich provedení a informuje uživatele o výsledcích. Pokyny mohou být vyjádřeny příkazem zapsaným v příkazové řádce, kliknutím myší na ikoně nebo jiným způsobem.

Operační systém má ovšem ještě řadu dalších úloh, z nichž pro nás nejdůležitější je, že poskytuje služby dalším programům. Stará se o jejich spouštění, o přidělování paměti, poskytuje nástroje pro práci se soubory atd. Když např. chceme v programu otevřít soubor, program předá odpovídající požadavek operačnímu systému a ten se postará o vše potřebné.

Mezi nejznámější operační systémy na osobních počítačích patří různé verze Windows a Linuxu, macOS, IOS a Android. Poznamenejme, že pro všechny tyto systémy lze v jazyce C# vytvářet programy, to znamená, že je pro ně k dispozici prostředí .NET.

1.6Program a algoritmus

Jazyk C#, podobně jako ostatní programovací jazyky, slouží k zápisu programu. Už víme, že program je nějaký soubor instrukcí (příkazů), které počítači říkají, co má dělat.

Každý program představuje návod k řešení nějakého problému. Při programování si ale musíme uvědomit, že počítač neumí najít způsob, jak problém vyřešit: To musíme udělat my. Když už známe cestu, jak najít řešení, můžeme to naučit také počítač (musíme mu napsat program). Počítač umí jen to, co ho my nebo někdo jiný naučí, na co má program.

Algoritmus

Návod, který chceme předložit počítači, musí mít určité vlastnosti; některé z nich mohou vypadat jako samozřejmé, ale přesto je zde uvedeme.

■Návod musí vést k požadovanému výsledku. I když to možná vypadá směšně, není to vždy jednoduchá záležitost. Musíme např. uvážit, za jakých předpokladů určitý postup vede ke správnému výsledku a zda budou tyto předpoklady splněny pro data, s nimiž bude náš návod pracovat.

■Musí se skládat z kroků, kterým počítač rozumí – z tzv. elementárních kroků. (To pro nás znamená, že ho musíme umět zapsat v některém programovacím jazyce, nejlépe v C#.)

■Těchto kroků nesmí být nekonečně mnoho. Nejde o to, že bychom mohli napsat program, který je nekonečně velký; to se nám asi nepodaří. Není ale nic těžkého napsat krátký program, který nikdy neskončí, protože se v něm bude do nekonečna opakovat určitá skupina instrukcí.

Návod, který tyto podmínky splňuje, se obvykle označuje jako algoritmus. Na program se můžeme dívat jako na zápis algoritmu v programovacím jazyce.

Metoda shora dolů

Než začneme programovat, musíme tedy znát způsob, jak daný problém vyřešit. Pak musíme postup řešení zapsat jako algoritmus, tedy jako posloupnost elementárních kroků. Přitom se používá obvykle tzv. metoda shora dolů: Návod se rozkládá na menší a menší úseky, až dospějeme k elementárním krokům. Přitom se samozřejmě může stát, že budeme muset předchozí rozdělení upravit, některé kroky spojit, některé kroky přidat ap.

PŘÍKLAD 1.1

Metodu shora dolů si ukážeme na následujícím příkladu: Máme skupinu N číselných proměnných, které označíme A[0], A[1], ... , A[N-1]. Takovouto skupinu proměnných stejného typu, se kterými můžeme zacházet jako s jedním celkem, nazýváme pole. Zde tedy máme pole A s prvky A[0], A[1], ... , A[N-1]. Čísla, označující jednotlivé prvky pole, se nazývají indexy. Naším úkolem je uspořádat pole A tak, aby platila podmínka

A[0]≤ A[1]≤ ... ≤ A[N-1]                (1)

Úloha „zpřeházet“ hodnoty, uložené v prvcích pole, aby splňovaly podmínku (1), se nazývá třídění pole.[2] Naším úkolem tedy je setřídit pole A.

První pokus

Náš první pokus o napsání algoritmu třídění by mohl vypadat takto:[3]

1.Najdi v poli A prvek, který obsahuje nejmenší hodnotu, a vyměň jeho obsah s prvkem, který je na prvním místě (na místě s indexem 0).

2.Najdi v poli A prvek, který obsahuje druhou nejmenší hodnotu, a vyměň ho s prvkem, který je na druhém místě.

3.A takto postupuj dále, dokud není pole setříděné.

Je zřejmé, že tento postup povede k cíli; pro naše účely se ale příliš nehodí, neboť program nemůže obsahovat nějaké „a takto postupuj dále“. Musíme proto najít lepší formulaci.

Klíčem k úspěchu bude následující úvaha: Poté, co v prvním kroku vyhledáme nejmenší prvek a dáme ho na první místo, je nejmenší hodnota již na svém místě a nemusíme se i ni dále starat. Stačí tedy setřídit zbytek pole. (Známý princip rozděl a panuj se neuplatňuje jen v politice.)

Ve druhém kroku nám postačí najít nejmenší prvek ze zbylého úseku pole A[1], ... , A[N-1] a ten dát na druhé místo, ve třetím kroku najít nejmenší hodnotu mezi A[2], ... , A[N-1] atd. V posledním kroku budeme hledat nejmenší z prvků A[N-2] a A[N-1]. Pak bude pole setříděné, tj. bude vyhovovat podmínce (1).

Všimněte si, že vlastně stále opakujeme podobnou akci: Vyhledáme nejmenší prvek v úseku pole a dáme ho na první místo v tomto úseku. Přitom v každém následujícím kroku pracujeme se stále menším úsekem pole. Zkoumaný úsek pole začíná postupně prvkem s indexem 0, 1, ..., N-2.

Zapišme výsledek předešlých úvah jako posloupnost kroků, které bychom mohli považovat za elementární. Při výpočtu budeme používat pomocnou proměnnou i, která nám poslouží jako „počítadlo“.

Lepší formulace

Naše nová formulace může vypadat takto („počítadlo“ označíme i):

1.Do proměnné i vlož hodnotu 0.

2.Mezi prvky A[i], A[i+1], ... , A[N-1] najdi ten, který obsahuje nejmenší hodnotu.

3.Vyměň tuto hodnotu s hodnotou prvku, který je na i-tém místě.

4.Zvětši hodnotu proměnné i o 1.

5.Je-li i < N-1, pokračuj krokem 2, jinak skonči.

Kroky 1, 4 a 5 můžeme považovat za elementární, kroky 2 a 3 je třeba rozdělit na menší.[4] Podívejme se nejprve na krok 2. Budeme v něm potřebovat dvě pomocné proměnné. V jedné, kterou pojmenujeme min, si budeme pamatovat index nejmenšího zatím nalezeného prvku, a druhá (k) nám poslouží jako „počítadlo“ při procházení zkoumaného úseku pole. Rozepsaný krok 2 bude vypadat takto:

2. Mezi prvky A[i], A[i+1], ... , A[N-1]najdi nejmenší.

2a.Do obou pomocných proměnných, k a min, ulož hodnotu i. (To je index počátečního prvku zkoumaného úseku. Zatím jsme prozkoumali jen jeden prvek, a tak ho pokládáme za nejmenší.)

2b.Zvětši k o jedničku. (Přejdi na další prvek v poli.)

2c.Je-li k = N, přejdi na krok 3. (Vyčerpali jsme všechny prvky v úseku.)

2d.Je-li A[k] ≤ A[min], ulož do min hodnotu k. (Našli jsme menší prvek, zapamatuj si jeho index.)

2e.Přejdi na bod 2b.

Po skončení kroku 2 bude proměnná min obsahovat index nejmenšího prvku v prohledávaném úseku.

Podívejme se ještě, jak bude vypadat rozepsaný bod 3. K prohození dvou hodnot budeme potřebovat pomocnou proměnnou, kterou označíme x.

3.Vyměň prvek A[min] s prvkem A[i].

3a.Do pomocné proměnné x ulož hodnotu A[min].

3b.Do A[min] ulož hodnotu z A[i].

3c.Do A[i] ulož hodnotu z x.

Až se alespoň trochu naučíme C#, budeme vědět, že tyto kroky již můžeme pokládat za elementární.

Metoda zdola nahoru

Vedle metody shora dolů se občas se také hovoří o tzv. metodě zdola nahoru. To znamená, že naučíme svůj počítač nové elementární kroky, které poskládáme z kroků, které počítač už umí. Jestliže například často třídíme pole, naprogramujeme si výše uvedený algoritmus jednou provždy, pojmenujeme ho a později ho budeme už jen používat.

Knihovna

Součástí každého programovacího jazyka jsou tzv. knihovny (anglicky library), které obsahují řadu běžných algoritmů již naprogramovaných tak, že je můžeme ve svých programech používat jako elementární kroky.

1.7Objekty a třídy

Jazyk C# je čistě objektový, a proto než se do něj pustíme, musíme si říci, co se za tím skrývá. V tomto oddílu si vysvětlíme základní principy objektově orientovaného programování (OOP; budeme také říkat jen objektové programování). Až se trochu seznámíme s jazykem C#, budeme si moci povědět více.

1.7.1Zapouzdření

Zatím jsme uvažovali o programování a programech převážně z hlediska počítače, hardwaru. Od zobrazování dat v paměti jsme došli k datovým typům, od strojového kódu k programovacím jazykům. Pokusme se nyní na programování podívat z hlediska programátora, který stojí před úkolem něco vyřešit – ať už jde o program pro vedení účetnictví malé či velké firmy, počítačovou hru nebo systém řídící vstřikování paliva v automobilovém motoru. Program musí v každém případě odrážet vybrané stránky řešené úlohy, musí být jejím počítačovým modelem.

Je asi jasné, že programátorovi se bude lépe pracovat, bude-li moci uvažovat v termínech řešeného problému, než když bude muset uvažovat v termínech datových typů, které jsou jednou provždy dány jako součást programovacího jazyka. Jinými slovy, bylo by vhodné, aby si programátor mohl definovat své vlastní datové typy, které by mohl použít k programovému popisu řešené úlohy. V OOP se jim říká objektové typy neboli třídy, neboť popisují třídy objektů, které se vyskytují v řešeném problému.

Jako příklad si představme, že programujeme grafický editor. Jeho uživatel si v něm bude chtít kreslit obrázky složené ze základních geometrických tvarů – bodů, úseček, kružnic ap.

Programátor bude muset ve svém programu tyto grafické objekty nějak reprezentovat. Bude si muset vytvořit programový popis bodu, úsečky atd. a bude muset naprogramovat také operace, které lze s grafickými objekty dělat.

Bod jako objekt

Co to znamená? Abychom si to ujasnili, zamysleme se např. nad bodem. Z geometrie si nepochybně pamatujete, že bod v rovině (v našem případě na obrazovce monitoru) je určen souřadnicemi – dvojicí reálných čísel. Vedle toho ovšem potřebujeme určit také jeho barvu; tu můžeme v počítači vyjádřit jedním celým číslem. Z toho plyne, že k reprezentaci bodu stačí skupina tří čísel; s touto skupinou budeme chtít zacházet jako s celkem.

Abychom mohli s bodem snadno pracovat, musíme popsat (naprogramovat) také operace, které s ním chceme dělat. Musíme ho umět vytvořit, zrušit, zobrazit, přemístit, zjistit jeho barvu, změnit jeho barvu, zjistit jeho polohu, změnit jeho polohu atd.

Bod jako třída

V programu budeme určitě potřebovat větší množství bodů. Abychom nemuseli popisovat každý zvlášť, definujeme Bod jako nový datový typ – jako třídu (class). Jednotlivé body, které nakreslí uživatel našeho grafického editoru, budou v programu představovány proměnnými (budeme také říkat objekty nebo instancemi) třídy Bod. Každá instance třídy Bod bude obsahovat datové složky, které popisují jeho polohu a barvu.[5]

Metoda

K zacházení s jednotlivými body budeme používat operace, které jsme k tomu účelu naprogramovali. Také tyto operace budou součástí definice třídy; v OOP se nazývají metody.

Při definici nového typu jsme udělali (zatím jen naznačili) dvě věci, určili jsme

■datovou reprezentaci nového typu (datové složky objektu),

■operace s ním (metody).

Datové složky spolu s metodami shrnujeme pod společné označení složky třídy. Později uvidíme, že třída v jazyce C# může mít ještě další druhy složek.

Oprávnění přístupu (přístupová práva)

Jak pro datové složky, tak pro metody můžeme navíc určit tzv. přístupová práva. Můžeme např. předepsat, že určitou složku smějí používat pouze metody dané třídy (pak hovoříme o soukromé složce), nebo že je smí používat kdokoli (složka je veřejně přístupná, veřejná). O souboru všech veřejně přístupných složek hovoříme také jako o rozhraní třídy.

Poznamenejme, že datové složky deklarujeme zpravidla jako soukromé a pro zacházení s nimi mimo třídu používáme tzv. přístupové metody. Přesněji, jedno z pravidel objektového programování říká, že s datovými složkami dané třídy bychom měli manipulovat pouze prostřednictvím jejích metod. Později si vysvětlíme, proč je to tak důležité.

Zapouzdření

Skutečnost, že jsme deklarovali společně datovou reprezentaci objektů a operace s nimi a že jsme zároveň určili, kdo má právo kterou složku používat, se označuje zapouzdření (anglicky encapsulation).

1.7.2Objektový program

Objektový program se skládá pouze z objektů, tedy z instancí objektových typů, a tyto objekty si navzájem posílají zprávy. To zní jako zaklínadlo, ale v podání jazyka C# to prostě znamená, že volají (spouštějí) své metody.

Vezměme opět grafický editor a podívejme se na něj jako na celek. Celá aplikace bude nejspíš představována instancí třídy Editor, jednotlivé součásti obrázku budou představovány instancemi tříd Bod, Úsečka atd. Když uživatel stiskne tlačítko, kterým určí, že chce někde vytvořit nový bod, tedy instanci třídy Bod, dozví se to editor. Ten požádá o vytvoření instance třídy Bod (pošle třídě Bod zprávu, která bude představovat žádost o vytvoření instance určitých vlastností). Bude-li třeba vybraný bod přemístit, pošle editor této instanci zprávu „přemísti se“, tj. zavolá odpovídající metodu.

1.7.3Modelovací jazyk UML

Při návrhu a popisu objektového programu se dnes často využívá tzv. unifikovaný modelovací jazyk (Unified Modeling Language, UML). To je soubor pravidel pro vytváření diagramů, které popisují různé aspekty řešené úlohy. Mezi jiným popisuje také třídy a jejich instance, které se v úloze vyskytují, a jejich vzájemné vztahy.

Třídy a jejich vztahy popisuje tzv. diagram tříd (class diagram). Pro znázornění jednotlivých tříd se používá ikona ve tvaru obdélníka. V horní části je jméno třídy, pod ní – oddělený vodorovnou čarou – je seznam datových složek a pod ním, opět pod vodorovnou čarou, seznam metod. (Pokud seznamy datových složek nebo metod nepotřebujeme, můžeme obrázek zjednodušit a tyto seznamy vynechat.) Možné znázornění třídy Bod je zachyceno na obrázku 1.1.

Obrázek 1.1 Možné znázornění třídy Bod v diagramu tříd

1.7.4Skládání objektů

Pojďme dál. Vedle bodů budeme v programu potřebovat také kružnice. Jak víme, je každá kružnice určena svým středem a poloměrem. Vedle toho ovšem musíme ještě určit tloušťku čáry a její barvu. Mohli bychom tedy tvrdit, že k popisu kružnice nám stačí pětice čísel; ovšem podíváme-li se na to pozorněji, uvědomíme si, že střed kružnice je bod a k jeho popisu můžeme využít už hotový typ Bod.

To znamená, že nový typ – třída – Kružnice bude popsán jednou instancí třídy Bod a třemi čísly (poloměrem, barvou a tloušťkou čáry).

Podobně třída Úsečka bude popsána dvěma body, barvou a tloušťkou čáry. Při definici nového typu nám nic nebrání použít jako datovou složku typ, který už existuje. Tomu říkáme skládání objektů (i když ve skutečnosti jde spíše o skládání tříd).

Skládání objektů se v UML vyznačuje čarou zakončenou vyplněným kosočtvercem. Tato „šipka“ směřuje od třídy představující komponentu ke třídě, která ji používá. Vztah mezi třídami Bod, Úsečka a Kružnice ukazuje obrázek 1.2.

Obrázek 1.2 Znázornění vztahu mezi třídami Bod, Úsečka a Kružnice. Čísla, připojená ke spojnicím, vyjadřují, že Kružnice obsahuje jeden Bod, zatímco Úsečka obsahuje dva Body

1.7.5Dědění

Samotné zapouzdření je sice dobré, zlepšuje přehlednost programu, ale je to málo. Při psaní grafického editoru nejspíš brzy zjistíme, že velice často píšeme podobné úseky programu.

V našem editoru budeme např. chtít jako jednu z možností nabídnout otáčející se úsečku, třídu ÚsečkaRotující. Ta bude mít stejné vlastnosti jako obyčejná úsečka (bude popsána stejnými datovými složkami), navíc ale bude obsahovat údaj o rychlosti otáčení a metody, které nám umožní tuto rychlost zjišťovat a měnit.

Bylo by jistě nesmyslné při programování otáčivé úsečky opisovat znovu vše, co jsme naprogramovali pro obyčejnou úsečku. Ostatně jedna ze základních zásad, kterou se při programování řídíme, zní NEOPAKUJTE SE, nepište stejný kód vícekrát.[6] Programovat jednu věc několikrát, to je jednak zbytečná práce navíc, jednak rozhodneme-li se něco změnit, musíme to měnit na několika místech a snadno se stane, že na některé místo zapomeneme.

Objektově orientované programování proto nabízí mechanizmus nazvaný nepříliš šťastně dědění (nebo též dědičnost, anglicky inheritance), který umožňuje od existující třídy odvodit třídu novou.

Odvozená třída bude obsahovat všechny datové složky a všechny metody třídy, od níž byla odvozena. K nim můžeme přidat nové datové složky a nové metody. Můžeme také překrýt (změnit; anglicky override) některou z metod předka. Při dědění nemůžeme žádnou datovou složku ani žádnou metodu odstranit.[7]

Vraťme se k našemu příkladu s otáčející se úsečkou. Třída ÚsečkaRotující, kterou odvodíme jako potomka třídy Úsečka, bude obsahovat:

■Stejné datové složky jako rodičovská třída. My k nim přidáme novou datovou složku vyjadřující rychlost otáčení.

■Stejné metody jako rodičovská třída. My k nim přidáme metody pro zjištění a nastavení rychlosti otáčení a změníme metodu pro kreslení, neboť otáčející se úsečka se bude kreslit jinak než obyčejná úsečka.

Obrázek 1.3 Dědická hierarchie tříd z příkladu o grafickém editoru

Ovšem dědění se při práci na grafickém editoru uplatní ještě jinak. Při programování tříd vyjadřujících různé grafické objekty brzy zjistíme, že mnohé části programu jsou stejné nebo hodně podobné: Všechny třídy vyjadřující grafické objekty obsahují datovou složku popisující barvu a metody pro její zjištění a nastavení, všechny tyto třídy obsahují metody pro nakreslení a smazání objektu a další… Jinými slovy, budeme se opakovat, a to, jak už víme, nikdy není dobré.

Proto vezmeme společné vlastnosti všech tříd grafických objektů z našeho programu a přeneseme je do společného předka. Tuto třídu nazveme výstižně GrafickýObjekt a ostatní třídy Bod, Úsečka a další pak odvodíme jako její potomky.

Jestliže bude třída GrafickýObjekt obsahovat např. metodu nakresli, jež objekt nakreslí, bude tuto metodu obsahovat i každá z odvozených tříd. Je ovšem pravděpodobné, že ji budeme muset v každém z potomků překrýt; přece jen úsečka se kreslí jinak než kružnice a ta se kreslí jinak než obecný grafický objekt. (Jak dále uvidíme, ten vlastně vůbec nakreslit nejde.)

V UML znázorňujeme dědění pomocí nevyplněné šipky, která směřuje od potomka k předkovi. Třída, která je sama potomkem, může sloužit jako předek jiné třídy. Tak mohou vzniknout dědické hierarchie, posloupnosti tříd, navzájem odvozených děděním. Obrázek 1.3 ukazuje dědickou hierarchii tříd, o kterých jsme hovořili v příkladu o grafickém editoru.

1.7.6Polymorfizmus

Zamysleme se nyní nad během našeho grafického editoru. Uživatel si bude kreslit: To znamená, že bude vytvářet úsečky, rotující úsečky, kružnice a další instance jednotlivých tříd představujících grafické objekty. Se všemi se bude v programu zacházet velmi podobně: Bude třeba je vytvořit, určit jejich polohu, barvu atd., bude potřeba je nakreslit, možná smazat. Z našich předchozích úvah vyplynulo, že budou obsahovat řadu stejných metod. Bylo by tedy velice pohodlné, kdybychom s nimi mohli také v programu jednotným způsobem zacházet – kdybychom se nemuseli starat o konkrétní typ té které instance, kdyby stačilo vědět, že jde o instanci třídy, která je odvozena od společného předka, třídy GrafickýObjekt.

To opravdu v objektově orientovaném programování jde. Platí totiž velice důležité pravidlo, které lze zjednodušeně formulovat slovy Potomek může vždy zastoupit předka. To znamená, že na místě, kde v programu očekáváme instanci předka, můžeme vždy použít instanci potomka.

V našem editoru tedy použijeme pro reprezentaci nakresleného obrázku např. pole instancí třídy GrafickýObjekt a budeme do něj ukládat úsečky, kružnice, body – podle toho, co uživatel zrovna vytvoří.

Když budeme chtít celý obrázek nakreslit, vezmeme prostě jednu instanci po druhé a pošleme jí zprávu, že se má nakreslit, tj. zavoláme její metodu nakresli. O skutečný typ instance se nebudeme starat: Ať je jakéhokoli typu, metodu nakresli určitě obsahuje, neboť ji obsahuje společný předek. (V každém z odvozených typů je samozřejmě definována jinak, neboť Úsečka se kreslí jinak než Kružnice.)

Této vlastnosti se říká polymorfizmus neboli mnohotvarost. Jeden objekt může představovat mnoho různých tvarů: Např. jedna instance třídy GrafickýObjekt může představovat podle okolností bod, kružnici…

1.7.7Abstraktní třída

Při úvahách o třídě GrafickýObjekt, která představuje obecný grafický objekt, narazíme na malý problém: Jak se vlastně takový obecný grafický objekt kreslí?

Nijak – kreslit obecný grafický objekt přece nemá smysl, stejně jako nemá smysl třeba chtít kupovat obecnou potravinu nebo obouvat si obecnou obuv. GrafickýObjekt je tzv. abstraktní třída, tj. třída, která představuje pojem natolik abstraktní, že určitá operace, typická pro všechny její podtřídy, pro něj nemá smysl. V našem případě nemá smysl uvažovat o kreslení obecného grafického objektu. Přesto je jasné, že třída GrafickýObjekt bude muset mít metodu nakresli, abychom ji mohli použít pro instance odvozené třídy – abychom mohli říci „nakresli tento grafický objekt“. Ve skutečnosti to bude instance některého z odvozených typů, ale v době psaní programu nevíme, který to bude.

Metodu, která nemá v dané třídě konkrétní smysl, ale kterou musíme definovat, abychom ji mohli volat v odvozených třídách, označujeme také jako abstraktní.

1.7.8Dědění versus skládání

Při vytváření tříd pro grafické objekty bychom se mohli nechat svést následující úvahou: Kružnice je popsána středem a poloměrem. Střed je bod. Odvodíme tedy třídu Kružnice jako potomka třídy Bod a ušetříme tak jednu zdánlivě zbytečnou třídu, totiž GrafickýObjekt.

To by mohlo na první pohled fungovat. Jenže ono by to také znamenalo, že můžeme kružnici použít všude, kde program očekává bod – a to může vést k problémům, neboť kružnice není bod.

Odvozená třída totiž vždy znamená zvláštní případ bázové třídy. Úsečka je zvláštní případ grafického objektu; rotující úsečka je zvláštní případ úsečky. Proto má smysl odvodit třídu Úsečka jako potomka třídy GrafickýObjekt a třídu ÚsečkaRotující jako potomka třídy Úsečka. Na druhé straně kružnice není bod, takže odvodit třídu Úsečka jako potomka třídy Bod nemá smysl.

Ovšem kružnice má bod (střed). Proto má smysl použít skládání.

Test je – má

Předchozí úvahy ukazují něco, čemu se občas říká test je – má (anglicky is a – has a, někdy psáno isa – hasa). Jestliže můžeme říci, že třída B je zvláštní případ třídy A, má smysl odvodit třídu B jako potomka třídy A. Jinak je vhodnější použít skládání.

1.8Jazyk C#

Programovací jazyk C# je dílem firmy Microsoft. První zmínky o něm pronikly na veřejnost někdy v roce 2000 a oficiálně byl uveden na trh počátkem roku 2002 jako součást integrovaného vývojového prostředí Visual Studio .NET 2002. V současné době je k dispozici verze 8, publikovaná v roce 2019 jako součást Visual Studia 2019. Je to čistě objektový programovací jazyk určený k vývoji aplikací pro prostředí .NET, jež bylo původně pouze nadstavbou operačního systému Windows, nyní je jeho standardní součástí a jsou k dispozici i implementace pro řadu dalších prostředí – o tom jsme hovořili v oddílu 1.4.

Označení C# – mříž se někdy také píše jako horní index, C# – se přepisuje C sharp. Tento název ve skutečnosti znamená C♯, tedy tón Cis. Znak ♯ ovšem není na klávesnici běžných počítačů k dispozici, proto se místo něj používá mříž. (Filosofie názvu je tedy podobná jako u jazyka C++: jde o následovníka jazyka C, v tomto případě posazeného o půl tónu výš.)

Tento programovací jazyk byl několikrát standardizován, poslední verze jeho mezinárodního standardu nese označení ISO/IEC 23270:2018 [1].

Mezijazyk CIL

Už víme, že jazyk C# se překládá do společného mezijazyka označovaného zkratkou CIL. Ve skutečnosti se do tohoto jazyka překládají programy pro prostředí .NET napsané v jakémkoli programovacím jazyce, nejen v C#. Lze samozřejmě programovat i přímo v CIL, i když to není obvyklé, neboť jde o jazyk nižší úrovně (leží někde mezi strojovým kódem a vyššími programovacími jazyky).

1.8.1Prostředí .NET

Už jsme se zmínili, že toto prostředí je k dispozici na různých platformách (pod různými operačními systémy), ovšem je třeba poznamenat, že jeho možnosti se na různých platformách zatím liší, i když je zřejmá tendence ke sjednocení). V této knize se budeme zabývat především vývojem aplikací pro Windows, protože tam jsou (zatím) možnosti nejširší.

V současné době pod Windows je k dispozici prostředí .NET verze 4.7, která je standardní součástí Windows 10 a lze ji doinstalovat do Windows 8.1. Toto prostředí se skládá z několika částí, o nichž se zde alespoň krátce zmíníme (viz též obr. 1.4).

Už také víme, že v okamžiku spuštění se program přeloží do strojového kódu překladačem JIT. Doplňme, že to je sice typický postup, není však nezbytný.

Obrázek 1.4 Struktura prostředí .NET

Jádrem prostředí .NET je společný běhový systém, anglicky označovaný Common Language Runtime (CLR). Tento systém zajišťuje běh programů přeložených z různých programovacích jazyků do mezijazyka CIL. CLR umožňuje jejich vzájemnou spolupráci, takže různé součásti programu mohou být napsány v různých programovacích jazycích. Stará se mj. o tzv. automatickou správu paměti, o řízení doby života objektů a o další věci nezbytné pro běh programů v tomto prostředí. (Dále se dozvíme, co to znamená.)

Další důležitou součástí prostředí .NET je Knihovna tříd (Framework Class Library, dříve nazývaná Basic Class Library). Pokrývá téměř vše, nač si lze vzpomenout – od vstupních a výstupních operací po kontejnery (třídy sloužící pro ukládání různých druhů dat). Vzhledem k tomu jazyk C# prakticky nepotřebuje své vlastní knihovny.

Nad touto knihovnou jsou ještě knihovny pro tvorbu grafického uživatelského rozhraní programů, pro tvorbu databázových aplikací, knihovny pro webové služby, alternativní nástroje pro tvorbu grafického uživatelského rozhraní (Windows Presentation Foundation, WPF), nástroje pro tvorbu systémů pro oběh dokumentů („správu pracovních postupů“, Workflow Foundation, WF) a mnohé další specializované knihovny. Najdeme tu také vnořený dotazovací jazyk LINQ, nástroje pro paralelní programování a mnohé další; téměř každá nové verze prostředí .NET přinese nové nástroje.

Jedním z důležitých pojmů, které se v souvislosti s CLR používají, je řízený kód (managed code). To je kód, který běží pod dozorem CLR a využívá jeho služeb – např. kód, který vznikne překladem programu napsaného v C#.

Jazyk C# – a prostředí .NET – ovšem umožňuje spolupracovat i s tzv. neřízeným kódem (unmanaged code). To je kód, který neběží v rámci CLR; může jít o starší programy nebo o dynamické knihovny napsané v programovacím jazyce, který není určen pro .NET. Neřízený kód lze psát i v C#, i když to není standardní postup.

Součástí prostředí .NET jsou také mechanizmy, které se starají o zabezpečení distribuovaných aplikací. Tím se ale zabývat nebudeme, neboť programování distribuovaných aplikací přesahuje rámec naší knihy.

Nejvyšší vrstvu prostředí .NET tvoří překladače z různých programovacích jazyků a překladač JIT. Přitom jsou možné tři režimy:

■Celý program se přeloží v okamžiku spuštění. To je nejobvyklejší režim.

■Celý program se přeloží v době instalace, uloží se ve strojovém kódu a tento „nativní obraz“ se pak spouští.

■Při spuštění se přeloží jen část, která je právě nezbytná, a další části se spouštějí, až když jsou potřeba.

Tím se však zde nebudeme zabývat, budeme využívat výchozí režim.

1.8.2Metadata

Prostředí .NET Framework podporuje práci s tzv. metadaty. To jsou dodatečné informace, které se ukládají do CIL v době překladu a které umožňují získávat z přeloženého programu velmi podrobné informace o třídách, které obsahuje, o jejich metodách atd. Tomuto mechanizmu se říká reflexe (reflection).

1.8.3Společný systém typů

Společný systém typů (Common Type System, CTS) je základním nástrojem prostředí .NET, který umožňuje snadnou spolupráci kódu napsaného v různých programovacích jazycích. Určuje, jak jsou datové typy popsány a reprezentovány v paměti, jaké operace jsou s nimi dovoleny, ale také jakými pravidly se musí řídit programovací jazyky pro .NET, aby bylo možno kód napsaný v jednom jazyce použít v jazyce jiném.

CTS definuje objektový model závazný pro všechny programovací jazyky určené pro prostředí .NET – mimo jiné pravidla doby života objektů, pravidla dědění, pravidla viditelnosti datových typů a jejich složek, tedy práva pro přístup ke datovým typům a k jejich složkám, jako jsou metody, vlastnosti atd. Vedle toho definuje CTS sadu základních datových typů.

Hodnotové a odkazové typy

V C# se rozlišují dvě základní skupiny datových typů: Do první patří tzv. hodnotové typy, což jsou např. čísla, znaky, logické hodnoty, struktury, a do druhé odkazové (referenční) typy, což jsou třídy. Jak později uvidíme, zacházení s proměnnými těchto dvou skupin se v některých ohledech významně liší.

Třída Object

V C#, podobně jako v mnoha jiných čistě objektových jazycích, je řada předdefinovaných tříd, které všechny tvoří jednu hierarchii, tj. jsou odvozeny od společného předka – třídy Object. V této hierarchii leží i třídy, které ve svém programu definujeme my. Jestliže v deklaraci nové třídy neuvedeme předka, doplní si překladač jako předka třídu Object. To znamená, že všechny třídy obsahují určité základní metody, a tedy u všech instancí všech tříd lze očekávat jisté společné chování. Tyto metody lze v odvozených třídách samozřejmě překrývat.

Potomky třídy Object jsou i hodnotové typy. To znamená, že např. i pro proměnné celočíselných typů můžeme volat metody zděděné od třídy Object. Hodnotové typy ovšem nepodporují dědění (nelze od nich odvozovat potomky).

Podrobněji si o třídě Object povíme v 6. kapitole.

1.8.4C#, Java a C++

Čtenáři, kteří se dosud nesetkali s jazyky C, C++ nebo Java, mohou tento oddíl klidně přeskočit. Pokud některý z nich alespoň povrchně znáte, najdete v tomto odstavci upozornění na vlastnosti C#, které vám budou připadat známé, ale mohou způsobit problémy.

Syntax jazyka C#, tedy způsob zápisu programu, se totiž – alespoň na první pohled – velmi podobá syntaxi C++ nebo Javy. To znamená, že programátoři, kteří znají některý z těchto jazyků, se velice brzy naučí používat příkazy a některé další konstrukce C#. Ovšem pozor: Podobnost C# s těmito jazyky je povrchní a brzy zjistíte, že C# se v mnoha ohledech podstatně liší.

■C# je na rozdíl od C++ tzv. čistě objektový jazyk. To znamená, že vše v tomto jazyce jsou objekty.

■Na rozdíl od C++ (a podobně jako v Javě) pracujeme v C# pouze s dynamickými objekty (vytváříme je pomocí operátoru new). O úklid vytvořených objektů se nemusíme starat, .prostředí NET obsahuje automatickou správu paměti (tzv. garbage collector). To je mechanismus, který se postará o automatické odstranění nepoužívaných objektů.

■C# má zcela jiné knihovny než C++ i než Java. Tyto knihovny jsou společné pro všechny programovací jazyky pro .NET. Obsahují mj. třídy pro vytváření grafického uživatelského rozhraní, pro programování vstupních a výstupních operací atd. Některé z tříd této knihovny jsou podobné třídám z knihovny jazyka Java, ale práce s nimi se může odlišovat.

■Zatímco v Javě se prakticky všechny metody volají pomocí pozdní vazby, v C# můžeme – podobně jako v C++ – používat i časnou vazbu. Metody, které chceme volat pomocí pozdní vazby, označujeme klíčovými slovy virtual a override. (Jestliže jste se s těmito pojmy dosud nesetkali, nevadí; vysvětlíme si je později, v 9. kapitole.)

■Na rozdíl od Javy (a podobně jako C++) podporuje C# přetěžování operátorů.

1.9Kde získat překladač C#

Překladač jazyka C# je součástí instalace vývojových nástrojů, jako je Visual Studio nebo Visual Studio Code. Informace v tomto oddílu mohou bohužel za čas pozbýt platnosti, neboť s příchodem další verze těchto nástrojů se může změnit licenční politika firmy Microsoft, může se změnit způsob instalace atd. To, co si zde řekneme, platí pro tyto nástroje v roce 2020.

Visual Studio 2019 Community Edition

Už víme, že překladač jazyka C# je součástí všech provedení integrovaného vývojového prostředí[8] Microsoft Visual Studio 2019. Pro nás bude zajímavá edice zvaná Community Edition, která je k dispozici zdarma a v současné době ji lze získat na webových stránkách [3]. Z této stránky si stáhneme instalátor, program, který se postará o instalaci. Po spuštění se tento program zeptá na několik věcí, mimo jiné nám nabídne možnost vybrat si doplňky; žádný z nich však nebudeme potřebovat. Pak se rozeběhne stahování potřebných souborů a vlastní instalace. Počítejte s tím, že je zdlouhavá; skutečný čas bude samozřejmě záviset na kvalitě připojení a na možnostech vašeho počítače, ale i při velmi rychlém připojení a na kvalitním počítači trvá přes hodinu.

Visual Studio 2019 je k dispozici v řadě lokalizací (jazykových mutací); mezi nimi je i česká, která se – pokud máte česká Windows – instaluje automaticky. Profesionální programátoři dávají přednost nelokalizovaným vývojovým nástrojům, ovšem pro úplného začátečníka je podle mého názoru česky mluvící prostředí mnohem pohodlnější.

Při prvním spuštění po instalaci je třeba Visual Studio konfigurovat; pro naše účely stačí přijmout nabídnuté možnosti.

Pro instalaci Visual Studia je potřebný počítač PC s procesorem o rychlosti alespoň 1.8 GHz; doporučuje se, aby měl alespoň 4 jádra. Paměť by měla být alespoň 2 GB, ovšem doporučená velikost je 8 GB. Minimální verze Visual Studia vyžaduje 800 MB diskového prostoru.

Výsledkem instalace je 30denní zkušební verze Visual Studia 2019; abychom ho mohli používat trvale, je třeba se zaregistrovat (popřípadě vytvořit si účet u Microsoftu; obojí je samozřejmě také bezplatné).

Další podrobnosti najdete na adrese [4].

Visual Studio Code 1.48

Dobrou alternativou je nástroj Visual Studio Code, který je také zdarma a který lze instalovat pod operačními systémy Windows 7, 8 a 10, Debian, Ubuntu, Red Hat, Fedora, SUSE a macOS 10.10 a pozdějších. V době, kdy jsem dokončoval tuto knihu, byla k dispozici verze Visual Studio Code 1.48, která je ke stažení z webových stránek [17]. Tam najdete i dokumentaci a další zdroje informací o tomto nástroji. Jeho ovládání se poněkud liší od ovládání Visual Studia, ale jinak se jeho použitím nic nezmění – vše, co si povíme o jazyce C# a o jeho knihovnách, zůstane beze změny v platnosti, všechny programy, které napíšeme, budou bez jakékoli změny přeložitelné i pod Visual Studio Code.

1 To se netýká současných verzí Visual Basicu; s programem v tomto jazyce se zachází stejně jako s programem v C#, jak o tom budeme hovořit dále.

2 Ve skutečnosti jde o řazení prvků podle velikosti, nikoli o rozdělování do tříd. V české programátorské hantýrce se ale zpravidla mluví o třídění, a proto u tohoto termínu zůstaneme. Ostatně anglický termín sorting znamená také třídění, nikoli řazení, a podobné je to i v mnoha dalších (lidských i programovacích) jazycích.

3 Popsaná metoda se nazývá třídění výběrem (anglicky selection sort) a je vhodná pro menší pole; pro rozsáhlá pole se zpravidla používá tzv. rychlé třídění (quicksort). To je velmi efektivní postup, jeho výklad ale přesahuje rámec naší knihy.

4 Prozatím to berte jako fakt; z vašich dosavadních znalostí to nevyplývá, protože ještě nevíte, jak vypadají příkazy jazyka C#.

5 Datovým složkám se v teorii objektově orientovaného programování říkalo také atributy. V souvislosti s C# se ale tomuto termínu vyhneme, neboť jej budeme používat pro něco podstatně jiného.

6 Anglicky Don’t Repeat Yourself, ve zkratce DRY. Proto se někdy v žertu hovoří o „suchém principu“.

7 Pro třídu, od které odvozujeme, se používá označení rodičovská nebo bázová třída nebo předek; v anglické terminologii dnes převažuje označení base class. Pro odvozenou třídu se používá také označení potomek nebo dceřiná třída. Tyto termíny budeme dále používat.

8 Pod označením integrované vývojové prostředí, anglicky Integrated Development Environment (zkráceně IDE), se rozumí nástroj, který v sobě spojuje editor zdrojového textu, správu projektu, překladač, ladicí a další nástroje potřebné k vývoji aplikací.

2První programy

Chceme-li se naučit nějaký programovací jazyk, musíme v něm psát programy – jinak to nejde. Proto budu předpokládat, že si vše, o čem zde budeme hovořit, hned vyzkoušíte. V této kapitole si napíšeme jednoduchý program a ukážeme si, jak se překládá a spouští. Postupně se seznámíme s nejzákladnějšími prvky jazyka, abychom si později, až se pustíme do výkladu „naostro“, mohli ukazovat alespoň trochu smysluplné příklady. Začneme překladem a spuštěním programu z příkazové řádky, abychom si předvedli, jak věci vlastně fungují. Pak si ukážeme tytéž úlohy v integrovaném vývojovém prostředí Visual Studia 2019.

2.1Nápis na obrazovce

Většina dnešních učebnic programování začíná jednoduchým programem, který vytiskne nějaký vtipný text – třeba „hello, world“ – a skončí. Je to dobrá tradice, a proto se jí přidržíme.

2.1.1Zdrojový text

Nejprve vytvoříme zdrojový kód programu. K tomu potřebujeme libovolný ASCII editor, tj. editor, který vytvoří soubor obsahující pouze znaky rozčleněné na řádky. Pokud máte k dispozici editor, který ukazuje čísla řádků, dejte mu přednost, bude se vám to hodit při hledání chyb. Pokud takový editor nemáte, můžete použít třeba známý poznámkový blok (notepad) z Windows. Později budeme používat editor, který je součástí Visual Studia. Jako editor pro vývoj programů se nehodí například Word neb jiný editor, který text formátuje, tj. vkládá do něj i dodatečné informace o velikosti a typu písma apod.

Nyní tedy spusťte editor a vytvořte v něm soubor První.cs, který bude obsahovat následující text. Vytvořený soubor uložte do samostatného adresáře – pro jednoduchost budu předpokládat, že to je adresář C:\Pokusy:

/ * Náš první program v C# - soubor První.cs */

class Program

{

static void Main()

{

System.Console.WriteLine("Nazdárek, lidičky");

}

}

Je důležité, abyste při opisování dodrželi velikost písmen, neboť v C# se velká a malá písmena důsledně rozlišují. Soubor také musí mít příponu .cs a uložíme ho v kódové stránce 1250.

Tento zdrojový text najdete také na WWW v adresáři 02 mezi soubory ke stažení.[9]

2.1.2Příprava překladu z příkazové řádky

Jak víme, musíme program nejprve přeložit do podoby srozumitelné pro počítač, teprve pak jej budeme moci spustit. V našem případě to znamená překlad do jazyka CIL. Postará se o něj překladač csc.exe, který je součástí prostředí .NET. Najdeme ho v adresáři, který je součástí instalace Visual Studia; přesné jméno a umístění tohoto adresáře bohužel závisí na verzi Visual Studia; ukážeme si však, že to není důležité.

Začneme tím, že si otevřeme si okno příkazové řádky (command prompt) s potřebnými nastaveními. Myší klepneme na tlačítko s ikonou okna v levém rohu hlavního panelu Windows a vyvoláme nabídku programů. Pak napíšeme cmd; Windows nám nabídne několik programů a my z nich zvolíme Developer Command Prompt for VS 2019; objeví se konzolové okno (okno příkazové řádky) s nastaveními pro Visual Studio.

Pak zadáme v příkazové řádce příkaz

CD \Pokusy

kterým přejdeme do pracovního adresáře.

2.1.3Překládáme program z příkazové řádky

Nyní můžeme náš první program přeložit. K tomu použijeme příkaz

csc Program.cs

Příponu .cs ve jméně souboru nelze vynechat. Jestliže překlad proběhne bez problémů, vypíše překladač na konzolu (do příkazové řádky) zprávu, že se rozeběhl, a nic víc (viz obr. 2.1).

Soubory

Jestliže se nyní podíváte do adresáře, kde je uložen zdrojový program, najdete v něm kromě souboru První.cz také soubor První.exe. To je spustitelný soubor, tedy hotový program. Je ve formátu PE (portable executable, standardní formát spustitelných souborů pro Windows), neobsahuje ovšem téměř žádný strojový kód, ale instrukce v jazyce CIL. Budeme-li chtít hotový program přenést na jiný počítač, budeme přenášet právě tento soubor.

Obrázek 2.1 Překlad a spuštění našeho prvního programu z příkazové řádky. Hlášení vypsaná překladačem mohou být anglicky – záleží na jazykové mutaci Visual Studia, kterou máte k dispozici

Spuštění našeho prvního programu

Přeložený program spustíme z příkazové řádky příkazem

První

Náš program se rozeběhne a vypíše

Nazdárek, lidičky

O překlad programu z CIL do strojového kódu se postaralo prostředí .NET samo, bez našeho zásahu.

2.1.4Jak to zkazit

Může se stát, že se náš první program nepodaří přeložit. V tom případě nás buď překladač csc, nebo operační systém informuje o vzniklých problémech.

■Objeví-li se na obrazovce hlášení bad command or file name, případně 'csc' is not recognized as an internal or external command, operable program or batch file nebo podobná zpráva, znamená to, že operační systém nenašel program csc.exe. Jestliže máte správně instalováno Visual Studio a použili jste Developer Command Prompt for VS 2019, nemělo by se to stát.

■Objeví-li se hlášení error CS2001: Source file 'C:\Pokusy\Prvni' could not be found, popřípadě error CS2001: Zdrojový soubor 'C:\Pokusy\Prvni' se nenašel, znamená to nejspíš, že jsme ve jménu souboru zapomněli uvést příponu cs.

Syntaktické chyby

Ne vždy napíšeme do zdrojového textu programu přesně to, co je třeba. Pokud bude náš program obsahovat prohřešek proti pravidlům jazyka C# (syntaktickou chybu), překladač to zjistí a nebude ho schopen přeložit. Smažme např. středník na konci šesté řádky, takže náš program bude mít tvar

/ * Náš první program v C# - soubor První.cs */

class Program

{

static void Main()

{

System.Console.WriteLine("Nazdárek, lidičky")

}

}

a výsledek zkuste přeložit. Překladač vypíše zprávu

První.cs(5, 48): error CS1002: Očekával se středník (;)

jež nám říká, že v souboru První.cs našel překladač na šestém řádku chybu, kterou lze v dokumentaci vyhledat pod označením CS1002. Následuje stručná charakteristika chyby v češtině (nebo v angličtině, ale pod českými Windows hovoří překladač csc víceméně česky): očekával se středník. Bohužel, zdaleka ne vždy jsou chybová hlášení tak přehledná a snadno srozumitelná jako v tomto případě.

2.2Co jsme naprogramovali

Nyní umíme napsat, přeložit a spustit jednoduchý program; je tedy nejvyšší čas, abychom se také podívali, co vlastně znamená. Náš výklad ovšem nebude úplný, v mnoha případech si řekneme jen nejdůležitější a zjednodušené informace. Upřesníme je pak v dalších kapitolách.

Komentář

V prvním řádku najdete text

/ * Náš první program v C# - soubor První.cs */

To je komentář – část programu, která nemá pro překladač vůbec žádný význam, nijak neovlivní chod přeloženého programu. Komentáře slouží programátorům, kteří si do nich zapisují poznámky o významu různých částí programu.

Komentář začíná dvojicí znaků / * zapsaných bezprostředně za sebou a končí dvojicí znaků */, opět zapsaných bezprostředně za sebou. Vše, co je mezi těmito „komentářovými závorkami“, překladač ignoruje. (Přesvědčte se o tom: Smažte komentář v souboru První.cs, potom program přeložte a spusťte. Program se přeloží a poběží úplně stejně jako předtím.)

Komentář ohraničený závorkami / * a */ může zabírat i několik řádek. C# ovšem zná i jednořádkový komentář. Ten začíná dvojicí lomítek zapsaných těsně za sebou a končí na konci řádky. Náš program by tedy mohl začínat také takto:

// Náš první program v C# - soubor První.cs

V C# existuje ještě třetí druh komentářů, tzv. dokumentační komentáře. Ty začínají znaky /// a končí na konci řádky.

Začínajícím programátorům komentáře často připadají zbytečné, neboť svému programu přece rozumějí. Jenže o to nejde: Nyní mu sice rozumíte, ale budete mu rozumět i za týden, až zjistíte, že v něm chcete něco opravit? A co za měsíc, za rok? Až po čase budete ve svém programu potřebovat něco změnit, budou pro vás dobře napsané komentáře představovat neocenitelnou pomoc. (A představu, že program lze napsat hned napoprvé tak, aby ho již nebylo třeba měnit, pusťte z hlavy; to se téměř nestává ani nejzkušenějším programátorům.)

Deklarace třídy

Na dalším řádku začíná deklarace jediné třídy v našem programu. To říká slovo class, za kterým následuje jméno (identifikátor) této třídy, představované slovem Program. Za jménem třídy následuje levá (otevírací) složená závorka {. Mezi ní a odpovídající pravou složenou závorkou } pak je tělo třídy, tj. programový popis třídy. Deklarace třídy Program tedy vypadá takto:

class Program

{

// ... Tělo třídy Program ...

}

Metoda Main()

Jak víme, mohou třídy obsahovat jednak datové složky, ve kterých se ukládají data, jednak metody, které vyjadřují operace s instancemi tříd. Třída Program neobsahuje žádné datové složky. Obsahuje jedinou metodu, která se jmenuje Main().[10] Její deklarace je

static void Main()

{

System.Console.WriteLine("Nazdárek, lidičky");

}

Metoda Main() je nesmírně důležitá, neboť od ní bude program začínat. Když zadáme v příkazové řádce příkaz

První

kterým program spouštíme, říkáme vlastně operačnímu systému našeho počítače: Najdi soubor První.exe a spusť jeho metodu Main().

Soubor První.exe ovšem obsahuje příkazy, které způsobí, že se nejprve zavolá překladač JIT, který přeloží CIL z tohoto souboru do strojového kódu. V tom, co vznikne překladem do strojového kódu, se vyhledá metoda Main(), a ta se spustí. To znamená, že se začnou provádět příkazy, které tato metoda obsahuje, počínaje prvním.

První řádek, „hlavička“ metody Main(), bude v našich úvodních příkladech vypadat vždy tak, jak to vidíte v našem příkladu. Bude tedy obsahovat slova static, void a Main v uvedeném pořadí. Identifikátor Main musí mít první písmeno velké a ostatní malá. Za ním budou následovat prázdné kulaté závorky.

Později uvidíme, že v této deklaraci lze leccos změnit. Zatím se o to ale nepokoušejte, nejspíš byste se dostali do zbytečných problémů.

Za hlavičkou následuje „tělo“ metody Main(). To jsou příkazy, které má tato metoda provést, uzavřené mezi složené závorky { a }. Naše metoda Main() obsahuje jediný příkaz,

System.Console.WriteLine("Nazdárek, lidičky");

I když vypadá na pohled komplikovaně, neříká tento příkaz nic jiného než „vezmi text

Nazdárek, lidičky

a vypiš ho do standardního výstupu, tj. do konzolového okna, z něhož byl program spuštěn“.

Místo o „textu“ ovšem zpravidla hovoříme o (znakovém) řetězci. Řetězec, který má vystoupit, musíme zapsat mezi dvojici uvozovek; tento zápis označujeme jako řetězcovou konstantu nebo řetězcový literál.

Bude-li metoda Main() obsahovat více příkazů, budou se většinou provádět v pořadí, v jakém je zde zapíšeme; o výjimkách z tohoto pravidla si řekneme později. Program skončí, když přejde přes složenou závorku } uzavírající tělo metody Main().

Doplňující poznámky

Deklarace metody Main()začíná slovem static, které říká, že jde o tzv. statickou metodu. To znamená, že ji lze volat i v případě, že neexistuje ani jedna instance třídy Program. Slovo void říká, že metoda Main()nevrací žádný výsledek.

Už jsme si řekli, že příkaz System.Console.WriteLine("Nazdárek, lidičky"); vypisuje zadaný text do standardního výstupu. Tento výstup můžeme příkazem operačního systému přesměrovat, např. do souboru. Spustíme-li program příkazem

První > pozdrav.txt

nevypíše se text na obrazovku, ale do souboru pozdrav.txt.

2.3Ódy žlutého koně: čeština v programu

Nezadatelným právem uživatele počítače je, aby s ním počítač komunikoval v jeho rodném jazyce. Podívejme se tedy, jak to s naší řečí v programech v C# je.

Druhý program

Opraváři prý testovali dálnopisy tak, že na nich napsali větu „Quick brown fox jumps over the lazy dog.“ Obsahuje totiž všechny znaky anglické abecedy a přitom naťukat ji a zkontrolovat, zda se vypsala správně, je mnohem snazší než napsat a zkontrolovat jednotlivá písmena.

Pro testování, zda se správně zobrazují znaky specifické pro češtinu, se ze stejných důvodů používá věta o žluťoučkém koni, který příšerně úpěl ďábelské ódy. (Podobná věta se jistě používá i při testování slovenštiny, já ji ale bohužel neznám.)

Zajděme ale ještě dál: Použijeme české znaky nejen ve výstupu, ale i v identifikátoru třídy a – stejně jako u prvního programu – v názvu souboru. Náš druhý program tedy bude vypadat takto:

/ * Test češtiny v C# - soubor ŽlutýKůň.cs */

class ŽlutýKůň

{

public static void Main()

{

System.Console.WriteLine("Žluťoučký kůň příšerně " +

"úpěl ďábelské ódy.");

}

}

Program uložíme do souboru ŽlutýKůň.cs,[11] přeložíme ho příkazem

csc žlutýkůň.cs

a spustíme příkazem

žlutýkůň

Pod Windows se malá a velká písmena nerozlišují, takže jsme si dovolili je nerozlišovat ani v uvedených příkazech. Program po spuštění vypíše

Žluťoučký kůň příšerně úpěl ďábelské ódy.

Zdrojový text tohoto programu najdete na WWW mezi soubory ke stažení v adresáři 02.

Pozor na kódovou stránku

Přesměrujeme-li výstup programu ŽlutýKůň do souboru příkazem

ŽlutýKůň > výstup.txt

zjistíme, že jej běžné editory pro Windows (např. notepad) nepřečtou správně – uvidíme něco jako

¦luśouźkě k…ĺ pýˇçernŘ ŁpŘl Ô belsk‚ ˘dy.

Příčina je jednoduchá: Tyto editory očekávají češtinu v kódování pro Windows, tedy v kódové stránce 1250. Ovšem pro výstup do konzolového okna používá systém Windows dosovské kódování Latin 2, tedy kódovou stránku 852. Proto i soubor výstup.txt obsahuje češtinu v kódové stránce 852.

Rozdělený řetězec

Znakový řetězec, který jsme v našem druhém programu vypisovali, se nám nevešel na jeden řádek. Proto jsme ho rozdělili do dvou řetězových konstant, které jsme spojili znaménkem plus:

"Žluťoučký kůň příšerně " + "úpěl ďábelské ódy."

Program si tyto dva znakové řetězce spojil v jeden a ten pak vypsal. Podobně lze samozřejmě spojit i více znakových řetězců.

Programátoři, čeština a my

Mnozí programátoři píší komentáře ke svým programům buď anglicky (kdyby to náhodou četl někdo cizí...), nebo alespoň cesky (tj. bez háčků a čárek). Důvod je jednoduchý: Už jsme si naznačili, že v různých prostředích se můžeme setkat s různými způsoby kódování češtiny, a při přenosu programu z jednoho prostředí do jiného mohou vzniknout problémy.

V naší knize budeme ovšem psát komentáře důsledně česky, to znamená i s diakritickými znaménky. I zde je důvod jednoduchý: Jak vidite z teto kratke veticky, cesky psane komentare byvaji spatne srozumitelne. Nebudeme si tedy přidělávat zbytečnou práci s luštěním „cestiny“.

Také používání znaků s diakritickými znaménky v identifikátorech, tedy ve jménech tříd, proměnných ap., není příliš obvyklé – především proto, že to donedávna dovolovalo jen málo programovacích jazyků. C# bylo spíše čestnou výjimkou; většina programovacích jazyků požadovala, aby se identifikátory skládaly pouze z písmen anglické abecedy a z číslic. Ovšem dnešní standardy řady programovacích jazyků to dovolují a většina současných překladačů to podporuje. Je to logické: Můžeme-li dávat součástem svého programu nezkomolená jména, můžeme se snáze soustředit na problém, který řešíme. Proto budeme této možnosti využívat.

2.4Sestavení (assembly)

Když jsme si říkali, že překladem zdrojového programu vznikne spustitelný soubor, neříkali jsme si celou pravdu. Překladač ve skutečnosti vytvoří něco, co se nazývá sestavení (assembly).

Sestavení může obsahovat jeden nebo několik modulů, tj. souborů ve formátu PE pro prostředí .NET; může jít o spustitelné soubory (.exe), o dynamické knihovny (.dll) nebo o jiné součásti programů. Vedle toho obsahuje tzv. manifest, soubor s dodatečnými informacemi.

Soubory .exe nebo .dll obsahují kromě instrukcí v jazyce CIL také tzv. metadata. To jsou doplňující informace o datových typech – např. jak se jmenují třídy v sestavení, jaké mají metody atd. Tyto informace mohou využívat nejen překladače, ale i ostatní programy, např. při automatickém generování dokumentace. Z programů jsou dostupné pomocí tzv. reflexe.

V sestavení je také uložena informace o verzi a o kultuře, tedy o jazykové mutaci (culture). Verze jsou číslovány, číslo verze sestavení se skládá z hlavního a vedlejšího čísla, čísla překladu a čísla revize.

Sestavení představují základní jednotku při šíření hotových programů. Prostředí .NET rozlišuje soukromá a sdílená seskupení (private, shared assembly). Soukromá sestavení jsou součástí jediné aplikace, sdílená sestavení slouží všem programům spouštěným v prostředí .NET. Číslování verzí se používá pouze pro sdílená sestavení.

Rozsah této knihy nám nedovolí zabývat se sdílenými sestaveními.

2.5Opět žlutý kůň, tentokrát s Visual Studiem 2019

Nyní si ukážeme, jak vytvořit, přeložit a spustit program ve Visual Studiu 2019. Nejprve si ale musíme vysvětlit některé pojmy.

2.5.1Projekt a řešení

Naše programy se zatím skládaly z jednoho zdrojového souboru; u rozsáhlejšího programu jich však bude více. Všechny soubory, které jsou potřebné k vytvoření programu, shrnujeme pod označení projekt. Ovšem ne vždy se aplikace, kterou chceme vytvořit, skládá z jediného projektu, a proto používáme ve Visual Studiu ještě pojem řešení (solution). To je skupina souvisejících projektů. Visual Studio rozlišuje několik druhů projektů:

■Konzolová aplikace (console application). To je program, který spouštíme z příkazové řádky, který čte data z příkazové řádky a do příkazové řádky zapisuje také své výsledky. (Může pracovat i se soubory na disku, ale nemá grafické uživatelské rozhraní, tedy okna). V současné verzi Visual Studia je ve dvou variantách.

■Aplikace založená na knihovně Windows Forms. To je aplikace s grafickým uživatelským rozhraním.

■Knihovna tříd. Slouží k vytvoření vlastní programové knihovny.

■… a další.

Naše první programy byly konzolové aplikace a zpočátku u nich zůstaneme, k některým pokročilejším druhům projektů se dostaneme později.

Platforma

U každého projektu musíme určit cílovou platformu. Tím se myslí, zda jde o projekt pro Windows, Linux nebo některé z dalších prostředí, pro které můžeme v jazyce C# psát programy. Visual Studio nabízí (v abecedním pořadí) tyto možnosti: Android, Azure, iOS, Linux, macOS, tvOS, Windows, Xbox. My se budeme zabývat projekty pro Windows, neboť tato platforma nabízí v současné době nejvíce možností.

2.5.2Projekt nového programu

Po spuštění se zobrazí pomocné okno, které nám nabízí, zda chceme vytvořit nový projekt, otevřít existující projekt atd.; pokud jsme ve Visual Studiu už pracovali, nabídne nám také nedávno otevřené projekty. Vybereme možnost Vytvořit nový projekt. (Jestliže jsme v IDE už pracovali, vybereme v nabídce příkaz Soubor | Nový | Projekt...) Zobrazí se dialog Vytvořit nový projekt (viz obrázek 2.2).

Vedle titulního nápisu tohoto okna je textové pole; zapíšeme do něj Konzolová aplikace (ve skutečnosti stačí prvních několik písmen). IDE ze seznamu možných druhů projektů vybere ty, jejichž jména takto začínají. Z nich zvolíme Konzolová aplikace (.NET Core). Prostředí nám nabídne ještě možnost .NET Framevork; tato možnost byla ve starších verzích Visual Studia jediná, dnes je však na ústupu, a proto se jí budeme věnovat jen okrajově.

Pod záhlavím tohoto dialogu, nad seznamem typů projektů, je rozbalovací seznam s nápisem Všechny jazyky; vybereme v něm C#, neboť v tomto jazyce chceme programovat. Vedle je rozbalovací seznam s nápisem Všechny platformy, v němž určíme, pro jakou platformu (pro jaké zařízení a pro jaký operační systém) bude náš program určen; vybereme Windows. Ve třetím rozbalovacím seznamu ponecháme Všechny typy projektů a stiskneme tlačítko Další. Objeví se dialog Konfigurovat nový projekt (obr. 2.3).

Obrázek 2.2 Dialog Vytvořit nový projekt, v němž jsme nastavili volby

Obrázek 2.3 Dialog Konfigurovat nový projekt, v němž jsme zadali jméno projektu

V prvním vstupním poli zadáme jméno projektu, např. ŽlutýKůň; umístění projektu, nabídnuté ve druhém textovém poli, ponecháme (je v adresáři Users\jméno\source\repos, kde jméno zastupuje uživatelské jméno programátora) a zaškrtneme políčko Umístit řešení a projekt do stejného adresáře. V posledním textovém poli, nadepsaném Architektura, můžeme zvolit prostředí, pro které bude náš program určen; ponecháme nabídnutou hodnotu a stiskneme tlačítko Vytvořit.

Visual Studio vytvoří soubor Program.cs obsahující následující zdrojový text a zobrazí ho v editoru (obr. 2.4):

using System;

using System.Collections.Generics;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading.Tasks;

namespace ŽlutýKůň

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

}

}

}

Jak vidíte, poněkud se liší od našich dosavadních programů, i když jeho smysl je v podstatě stejný; k tomu se vrátíme dále, na konci tohoto oddílu. Začneme však tím, že do metody Main() doplníme příkaz vypisující větu o žluťoučkém koni – to pro nás nebude nic nového – a pak upravený soubor uložíme příkazem Soubor | Uložit z nabídky nebo klávesovou zkratkou Ctrl+S. Můžeme také použít tlačítko s ikonou diskety na panelu nástrojů.

Překlad

Naším dalším krokem bude překlad programu. K tomu nám poslouží příkaz Sestavit | Sestavit ŽlutýKůň z nabídky nebo klávesová zkratka Shift+B. Výsledek překladu a sestavování nám Visual Studio oznámí na panelu ve spodní části okna; bude-li vše v pořádku, bude tato zpráva končit textem

Sestavení: 1 úspěšně, 0 se nezdařilo, 0 aktuální, 0 přeskočeno

Obrázek 2.4 Okno Visual Studia 2019 se zdrojovým textem našeho programu a se zprávou o výsledku překladu

jenž říká, že 1 projekt byl úspěšně přeložen a sestaven, žádný projekt neobsahoval chyby, žádný nebyl vynechán, protože se od posledního překladu a sestavování nezměnil, a žádný nebyl vynechán, protože ho z nějakých důvodů nelze zpracovat. (Viz též obr. 2.4.)

Spuštění programu

Chceme-li přeložený program z IDE Visual Studia spustit, použijeme příkaz nabídky Spustit | Spustit ladění nebo klávesovou zkratku F5. Můžeme také stisknout tlačítko se zelenou šipkou na panelu nástrojů (za ním je uvedeno jméno projektu, viz obr. 2.4). IDE otevře konzolové okno, do kterého program vypíše větu o žlutém koni, a upozornění, že po stisknutí libovolné klávesy se toto okno uzavře (obr. 2.5).

Poznamenejme, že před spuštěním IDE kontroluje, zda byl program od poslední změny přeložen, a pokud nebyl, spustí nejprve překlad.

Obrázek 2.5 Konzolové okno s výstupem našeho programu, které otevřelo Visual Studio

Když se něco nepodaří

Obsahuje-li program chyby, překlad se nepodaří. Zprávy o chybách, které překladač našel, vypíše do panelu ve spodní části okna IDE.

Ve skutečnosti IDE kontroluje syntaktickou správnost programu průběžně a když narazí na chybu, označí ji v editoru podtržením červenou vlnovkou.

Přeložený program, adresář projektu

Výchozí cesta adresáře projektu je, jak víme, Users\jméno\source\repos, kde jméno zastupuje uživatelské jméno programátora; můžeme ho ale změnit. Na této cestě najdeme adresář, který se jmenuje stejně jako náš projekt, tedy ŽlutýKůň.

V tomto adresáři najdeme zdrojový text, tedy soubor Program.cs, a dále soubory, v nichž si IDE udržuje informace o tomto projektu (ŽlutýKůň.csproj) a o tomto řešení (ŽlutýKůň.sln). Dále tu najdeme podadresář bin, v němž je podadresář Debug, v něm adresář netcoreapp3.1 a v něm konečně výsledek překladu: soubor ŽlutýKůň.exe, ŽlutýKůň.dll a několik pomocných souborů. Podívejme se na ně:

■ŽlutýKůň.exe je ve skutečnosti podle našeho programu pojmenovaný předem připravený spustitelný soubor.

■Soubor ŽlutýKůň.dll obsahuje výsledek překladu našeho programu, a to v podobě tzv. dynamické knihovny.

■Prostředím vytvořené konfigurační soubory naší aplikace; mají příponu .json. Jedná se o textové soubory ve formátu JSON; nebudeme se jím dále zabývat.

■ŽlutýKůň.pdb je pomocný soubor, který prostředí využije při ladění.

Budeme-li chtít svůj program nasadit na jiný počítač, přeneseme právě tyto soubory.

Poznamenejme, že kdybychom zvolili konzolovou aplikaci pro .NET Framework, byl by výsledek překladu v adresáři podadresář bin\Debug a obsahoval by soubor ŽlutýKůň.exe (přeložený program), soubor ŽlutýKůň.exe.config (konfigurační soubor v jazyce XML) a pomocný soubor ŽlutýKůň.pdb.s

2.5.3Visual Studio nám našeptává

Jistě jste si všimli, že při psaní zdrojového kódu se nám Visual Studio snaží pomoci. Napíšeme-li např. slovo System a uděláme-li za ním tečku, zobrazí nabídku možných pokračování; vhodnou možnost vybereme např. myší a IDE ji po stisknutí myší doplní. To je součástí nástroje, který se ve Visual Studiu nazývá IntelliSense a který programátorům může významně usnadnit život.

Jiným takovým našeptáváním je skutečnost, že deklarace using, které jsou na počátku zdrojového textu, jsou lehce zašeděné. To je náznak, že je ve skutečnosti není třeba. Umístíme-li kurzor na některou z těchto deklarací, zobrazí IDE vedle čísla řádky žárovku (podobnou vidíme na obr. 2.4 u 13. řádky). Klepneme-li na ni, nabídne nám IDE možné akce (v tomto případě Odebrat nepotřebné direktivy using), a když tuto možnost vybereme myší, IDE nabídnutou akci provede.

Další možnost, jak nás IDE může upozornit, že lze něco udělat lépe a že je připraveno udělat to za nás, vypadá tak, že vedle čísla řádky zobrazí ikony šroubováku.

2.5.4Nové konstrukce v programu

Program vytvořený Visual Studiem se od našeho programu liší ve dvou věcech: používá jmenné prostory a metoda Main() má parametr. Povězme si o tom více.

Jmenný prostor

Začneme zeširoka: v rozsáhlém programu bude mnoho entit (tříd, jejich metod atd.), které budeme potřebovat smysluplně pojmenovat. Vedle toho budeme používat knihovny, a to nejen standardní, dodávané s překladačem jazyka C#, ale i vlastní nebo od jiných programátorů – a v nich bude opět mnoho pojmenovaných entit. Abychom se snáze vyhnuli konfliktu jmen (tedy že dvě různé entity dostanou stejné jméno), nabízí nám jazyk C# možnost připojit ke jménu ještě jakési příjmení, tedy deklarovat ho ve jmenném prostoru (anglicky namespace). Jestliže máme třídu A, deklarovanou ve jmenném prostoru B, je celé jméno této třídy B.A; jméno jmenného prostoru zapisujeme jako první a za ně tečkou připojíme jméno třídy. (Říkáme také, že jméno třídy kvalifikujeme jménem jmenného prostoru.) Příkladem může být třída Console, s níž jsme se už v našich programech setkali – ta je v knihovně deklarována ve jmenném prostoru System, a proto jsme ji dosud (bez bližšího vysvětlení) používali zápisem System.Console.

Aby věci nebyly tak jednoduché, může být jeden jmenný prostor vnořen do jiného jmenného prostoru. Například v knihovně prostředí .NET je do jmenného prostoru System vnořen jmenný prostor Collections a do něj je vnořen jmenný prostor Generics. Pak zapisujeme „vnější“ jmenný prostor jako první a za něj připojíme tečkou vnořený.

Když však konflikt jmen nehrozí, je důsledné uvádění jmenného prostoru obtěžující; proto nám jazyk C# umožňuje říci překladači „a když nebudeš vědět, kde to hledat, zkus si k tomu připojit tento jmenný prostor“. K tomu slouží deklarace složená z vyhrazeného (klíčového) slova using, za nímž následuje jméno jmenného prostoru. To znamená, že direktiva

using System;

kterou vidíte na první řádce zdrojového textu, nám umožní psát dále pouze Console místo System.Console; toho je využito v osmé řádce programu. (Přesvědčte se o tom: Když ve zdrojovém textu smažete kvalifikaci třídy Console jmenným prostorem System, program se přeloží a poběží úplně stejně jako předtím.)

Na sedmé řádce zdrojového textu je deklarován jmenný prostor ŽlutýKůň (je obvyklé, že se jmenný prostor aplikace jmenuje podle projektu této aplikace). Deklarace jmenného prostoru začíná vyhrazeným slovem namespace, za nímž následuje jméno – identifikátor – jmenného prostoru. Pak následuje otevírací složená závorka. Vše, co následuje za touto závorkou, až po odpovídající uzavírací složenou závorku, leží v tomto jmenném prostoru. To znamená, že naše třída Program leží ve jmenném prostoru ŽlutýKůň, takže její plné jméno je ŽlutýKůň.Program.

Parametr metody Main()

My jsme dosud používali metodu Main() bez parametrů – za identifikátorem následovaly prázdné složené závorky. Ve skutečnosti může tato metoda mít jeden parametr, a to pole znakových řetězců, které představují parametry zadané programu v příkazové řádce při spuštění. My jsme je dosud nepotřebovali (a ani program vytvořený Visual Studiem je ve skutečnosti nepotřebuje), proto jsme je v našich předchozích programech ani nedeklarovali. Jestliže v našem programu smažete text string[] args, takže závorky za identifikátorem Main zůstanou prázdné, program se opět přeloží a poběží stejně jako předtím.

O parametrech programu zadávaných v příkazové řádce a o parametrech metody Main() budeme hovořit později, v oddílu 9.4.8.

9 Adresu stránky, z níž si můžete stáhnout zdrojové texty příkladů, najdete na straně 16.

10 Samotný identifikátor této metody je Main. Závorky za ním v zápisu Main() naznačují, že jde o metodu, nikoli o datovou složku; měly by usnadnit čtení textu této knihy.

11 Zdrojový soubor se v jazyce C# může, ale nemusí jmenovat stejně jako třída, kterou obsahuje.

3Jednoduché příklady

3.1Drobné úpravy programu

Podívejme se znovu na náš první nebo druhý program. Zatím víme, že zápis

System.Console.Writeln("Nazdar, lidi");

Volání metody

Nová řádka

using System;

namespace ŽlutýKůň

{

class Program

{

static void Main()

Doslovný řetězec

Když Visual Studio zlobí

3.2Počítač ať počítá

Proměnná

Celá čísla

Přiřazení

Výpis výsledku

Reálná čísla

3.3Metoda, která vypočte hodnotu

Druhá mocnina

Formální parametr

Volání metody

Hlavička metody

Zkrácený zápis metody

Jinak zapsaný výstup

3.4Jednoduchý vstup zkonzole

3.4.1Vytváříme dynamickou knihovnu

Projekt dynamické knihovny ve Visual Studiu

3.4.2Použití dynamické knihovny

Použití dynamické knihovny ve Visual Studiu

3.5Ještě trochu počítání

3.5.1Faktoriál

Algoritmus výpočtu

Příkaz while

Podmínky, relační operátory

Typ bool

Metoda Faktoriál()

3.5.2Užitečné operátory

Operátory @=

Operátory ++ a--

3.5.3Podmínka

3.5.4Indikace chyby

3.5.5Výjimky

Co je to výjimka

Vyvolání výjimky

3.5.6Magická čísla

3.6Univerzální nápis

3.6.1Třída Text

Konstruktor

Neopakujme se

3.6.2Přetěžování metod

3.6.3Vytvoření instance

Odkaz

3.6.4Volání metod

3.6.5Program

3.6.6Přiřazování odkazů

3.6.7Automatická správa paměti

Třída string

Table of Contents

Předmluva

Programovací jazyk C#

Co v této knize najdete

Na co se nedostalo

Nástroje

Terminologie

Příklady

Na závěr

1 Než opravdu začneme

1.1 Počítač

1.2 Operační paměť

Bity

Bajty

Adresa

1.3 Datové typy a proměnné

Datový typ

Proměnná

1.4 Programy a programovací jazyky

Vyšší programovací jazyky

Překlad

Interpretace

Jazyk C#

1.5 Operační systém

1.6 Program a algoritmus

Algoritmus

Metoda shora dolů

Metoda zdola nahoru

Knihovna

1.7 Objekty a třídy

1.7.1 Zapouzdření

Bod jako objekt

Bod jako třída

Metoda

Oprávnění přístupu (přístupová práva)

Zapouzdření

1.7.2 Objektový program

1.7.3 Modelovací jazyk UML

1.7.4 Skládání objektů

1.7.5 Dědění

1.7.6 Polymorfizmus

1.7.7 Abstraktní třída

1.7.8 Dědění versus skládání

Test je – má

1.8 Jazyk C#

Mezijazyk CIL

1.8.1 Prostředí .NET

1.8.2 Metadata

1.8.3 Společný systém typů

Hodnotové a odkazové typy

Třída Object

1.8.4 C#, Java a C++

1.9 Kde získat překladač C#

Visual Studio 2019 Community Edition

Visual Studio Code 1.48

2 První programy

2.1 Nápis na obrazovce

2.1.1 Zdrojový text

2.1.2 Příprava překladu z příkazové řádky

2.1.3 Překládáme program z příkazové řádky

Soubory

Spuštění našeho prvního programu

2.1.4 Jak to zkazit

Syntaktické chyby

2.2 Co jsme naprogramovali

Komentář

Deklarace třídy

Metoda Main()

Doplňující poznámky

2.3 Ódy žlutého koně: čeština v programu

Druhý program

Pozor na kódovou stránku

Rozdělený řetězec

Programátoři, čeština a my

2.4 Sestavení (assembly)

2.5 Opět žlutý kůň, tentokrát s Visual Studiem 2019

2.5.1 Projekt a řešení

Platforma

2.5.2 Projekt nového programu

Překlad

Spuštění programu

Když se něco nepodaří

Přeložený program, adresář projektu

2.5.3 Visual Studio nám našeptává

2.5.4 Nové konstrukce v programu

Jmenný prostor

Parametr metody Main()

3 Jednoduché příklady

3.1 Drobné úpravy programu

Volání metody

Nová řádka

Doslovný řetězec

Když Visual Studio zlobí

3.2 Počítač ať počítá

Proměnná

Celá čísla

Přiřazení

Výpis výsledku

Reálná čísla

3.3 Metoda, která vypočte hodnotu

Druhá mocnina

Formální parametr

Volání metody

Hlavička metody

Zkrácený zápis metody

Jinak zapsaný výstup

3.4 Jednoduchý vstup z konzole

3.4.1 Vytváříme dynamickou knihovnu

Projekt dynamické knihovny ve Visual Studiu

3.4.2 Použití dynamické knihovny

Použití dynamické knihovny ve Visual Studiu

3.5 Ještě trochu počítání

3.5.1 Faktoriál

Algoritmus výpočtu

Příkaz while

Podmínky, relační operátory

Typ bool

Metoda Faktoriál()

3.5.2 Užitečné operátory

Operátory @=

Operátory ++ a --

3.5.3 Podmínka

3.5.4 Indikace chyby

3.5.5 Výjimky

Co je to výjimka

Vyvolání výjimky

3.5.6 Magická čísla

3.6 Univerzální nápis

3.6.1 Třída Text

Konstruktor

Neopakujme se

3.6.2 Přetěžování metod

3.6.3 Vytvoření instance

Odkaz

3.6.4 Volání metod

3.6.5 Program

3.6.6 Přiřazování odkazů

3.6.7 Automatická správa paměti

Třída string