Плавный переход от C и C++ к пониманию библиотек в C# и .NET
Когда вы изучаете программирование, одной из ключевых концепций становится работа с библиотеками — это наборы функций и процедур, которые можно использовать в своих программах. Библиотеки помогают разработчикам избегать повторного написания кода и предоставляют готовые решения для типичных задач.
В языках программирования, таких как C и C++, существуют два основных типа библиотек: статические и динамические. Разберём их работу и сравним с тем, как это реализовано в C# и .NET.
1. Статические библиотеки в C и C++
Статическая библиотека — это файл (.lib), который компилируется вместе с вашей программой. При использовании статической библиотеки её код включается (линкуется) в исполняемый файл на этапе компиляции. Это делает программу автономной, но увеличивает её размер, поскольку весь код библиотеки встроен в файл .exe.
Пример: Если у вас есть статическая библиотека для выполнения математических операций, её код будет встроен в ваш исполняемый файл, и после компиляции программа сможет работать без внешних зависимостей и статическую библиотеку можно удалить вместе с проектом, exe. будет работать в этом случае.
2. Динамические библиотеки в C и C++
Динамические библиотеки (.dll в Windows или .so в Linux) загружаются программой во время её выполнения. Это экономит место и позволяет нескольким программам использовать одну и ту же библиотеку.
Пример: Программа может использовать динамическую библиотеку для работы с графикой, такую как user32.dll в Windows, которая загружается при запуске программы.
3. Переход к библиотекам в C# и .NET
В .NET основным видом библиотек являются динамические библиотеки (DLL). В отличие от C/C++, в .NET статические библиотеки не используются, и все библиотеки загружаются динамически при выполнении.
4. Управляемые динамические библиотеки в .NET
Управляемые динамические библиотеки (DLL) в .NET содержат управляемый код, который выполняется под управлением CLR (Common Language Runtime) . При сборке проекта C# (.cs) управляемый код компилируется в промежуточный язык (MSIL), который хранится в виде управляемой сборки (assembly) — .exe или .dll , который во время выполнения программы компилируется в машинный код.
CLR отвечает за:
- Управление памятью,
- Обработку исключений,
- Сборку мусора "Garbage Collection" (GC),
- Безопасность выполнения кода.
Пример: Вы можете создать управляемую библиотеку .dll на C#, содержащую классы и методы, которые можно использовать в других программах на .NET.
Также возможна работа с функциями неуправляемых библиотек, как это указано далее в статье п. 7.
5. Кроссплатформенная работа с библиотеками в .NET
Важной особенностью современной платформы .NET является её кроссплатформенность. Если в C и C++ библиотеки могут иметь различия в зависимости от операционной системы (например, .dll в Windows и .so в Linux), то в .NET основная работа с библиотеками унифицирована через кроссплатформенный CLR. Это позволяет разрабатывать программы, которые могут работать на разных операционных системах без необходимости переписывать код для каждой из них.
6. Системы управления пакетами (NuGet)
С появлением систем управления пакетами, таких как NuGet, процесс добавления библиотек стал гораздо проще. NuGet позволяет легко искать и подключать библиотеки в проект, а также следить за их обновлениями и совместимостью версий. Это избавляет разработчиков от необходимости вручную искать и загружать библиотеки, как это часто делается в C и C++.
Пример: Если вам нужна библиотека для работы с JSON, вы можете просто установить её через NuGet, и все необходимые зависимости будут автоматически настроены для вашего проекта.
7. Работа с неуправляемым кодом в .NET
В .NET можно использовать неуправляемый код из библиотек, написанных на других языках, таких как C или C++. Это делается через механизм P/Invoke (Platform Invocation Services), который позволяет вызывать только функции из динамических библиотек, не поддерживающих управление через CLR. Примером такой библиотеки может быть user32.dll, используемая для работы с интерфейсом Windows.
8. Как программы .exe находят .dll библиотеки в .NET
Программы на .NET ищут библиотеки в нескольких местах:
- Каталог программы: Программа сначала ищет библиотеки в той же папке, где находится исполняемый файл.
- Системные пути: Если библиотека не найдена в каталоге программы, она ищется в системных каталогах, например, C:\Windows\System32.
- NuGet-каталоги: Если библиотека добавлена через NuGet, программа автоматически находит её в каталоге пакетов.
9. Зависимости между библиотеками
Программы могут зависеть от нескольких библиотек, и эти библиотеки, в свою очередь, могут зависеть от других библиотек. Такая цепочка может доходить до системных библиотек операционной системы, которые взаимодействуют с аппаратным обеспечением через обращение к ядру ОС.
Пример зависимости:
- Ваше приложение C# вызывает код в управляемой динамической библиотеке CLR. Машинный код генерируется с помощью JIT-компиляции при выполнении в CLR или AOT (Ahead-Of-Time) компиляции до выполнения программы.
- Эта библиотека может вызывать другие управляемые или неуправляемые динамические библиотеки. Те в свою очередь другие библиотеки.
- В конечном итоге вызовы могут дойти до системных неуправляемых библиотек Windows, таких как kernel32.dll или user32.dll.
- Вызов функции в user32.dll передаёт управление операционной системе для отображения окна. ОС предоставляет системные вызовы и API, которые используются.
- Драйверы взаимодействуют с аппаратными компонентами, переводя команды от операционной системы в понятные для железа команды.
При неверном управлении зависимостями могут возникнуть конфликты версий (проблема известна как "DLL Hell"). Для управления этим .NET использует Global Assembly Cache (GAC) и систему зависимостей , которая следит за совместимостью версий и автоматически разрешает конфликты, возникающие при использовании разных библиотек.
10. Статическая сборка в .NET
В .NET есть возможность собрать в одно приложение .exe в режиме Self-contained, включив в него все необходимые библиотеки и сам .NET Runtime. Это позволяет запускать приложение на компьютере, где .NET не установлен, так как все зависимости уже упакованы вместе с программой. В результате вам не нужно переносить отдельные DLL вместе с .exe, всё уже включено в исполняемый файл.
Заключение
В .NET работа с библиотеками стала проще и удобнее по сравнению с C/C++. Если в C/C++ разработчики должны были выбирать между статическими и динамическими библиотеками, то в .NET используется управляемый код с автоматическим управлением памятью и поддержкой кроссплатформенности. Благодаря инструментам вроде NuGet и CLR, работа с зависимостями стала легче и безопаснее. А возможность собирать программы в виде Self-contained приложений позволяет запускать их на любом компьютере без дополнительных настроек. Это делает .NET хорошим выбором для создания современных приложений.
