Paseo por el lenguaje C#

  • Artículo

C# (pronunciado "si sharp" en inglés) es un lenguaje de programación moderno, basado en objetos y con seguridad de tipos. C# permite a los desarrolladores crear muchos tipos de aplicaciones seguras y sólidas que se ejecutan en .NET. C# tiene sus raíces en la familia de lenguajes C, y a los programadores de C, C++, Java y JavaScript les resultará familiar inmediatamente. Este paseo proporciona información general de los principales componentes del lenguaje en C# 8 y versiones anteriores. Si quiere explorar el lenguaje a través de ejemplos interactivos, pruebe los tutoriales de introducción a C#.

C# es un lenguaje de programación orientado a componentes, orientado a objetos. C# proporciona construcciones de lenguaje para admitir directamente estos conceptos, por lo que se trata de un lenguaje natural en el que crear y usar componentes de software. Desde su origen, C# ha agregado características para admitir nuevas cargas de trabajo y prácticas de diseño de software emergentes. En el fondo, C# es un lenguaje orientado a objetos. Defina los tipos y su comportamiento.

Varias características de C# facilitan la creación de aplicaciones sólidas y duraderas. La recolección de elementos no utilizados reclama de forma automática la memoria que ocupan los objetos que no se utilizan y a los que no se puede acceder. Los tipos que aceptan valores NULL ofrecen protección ante variables que no hacen referencia a objetos asignados. El control de excepciones proporciona un enfoque estructurado y extensible para la detección y recuperación de errores. Las expresiones lambda admiten técnicas de programación funcional. La sintaxis de Language Integrated Query (LINQ) crea un patrón común para trabajar con datos de cualquier origen. La compatibilidad del lenguaje con las operaciones asincrónicas proporciona la sintaxis para crear sistemas distribuidos. C# tiene un sistema de tipos unificado. Todos los tipos de C#, incluidos los tipos primitivos como int y double, se heredan de un único tipo object raíz. Todos los tipos comparten un conjunto de operaciones comunes. Los valores de cualquier tipo se pueden almacenar, transportar y operar de forma coherente. Además, C# admite tanto tipos de referencia definidos por el usuario como tipos de valor. C# permite la asignación dinámica de objetos y el almacenamiento en línea de estructuras ligeras. C# admite métodos y tipos genéricos, que proporcionan una mayor seguridad de tipos, así como un mejor rendimiento. C# también proporciona iteradores, gracias a los que los implementadores de clases de colecciones pueden definir comportamientos personalizados para el código de cliente.

C# resalta el control de versiones para garantizar que los programas y las bibliotecas puedan evolucionar con el tiempo de manera compatible. Los aspectos del diseño de C# afectados directamente por las consideraciones de versionamiento incluyen los modificadores virtual y override independientes, las reglas para la resolución de sobrecargas de métodos y la compatibilidad para declaraciones explícitas de miembros de interfaz.

Arquitectura de .NET

Los programas de C# se ejecutan en .NET, un sistema de ejecución virtual denominado Common Language Runtime (CLR) y un conjunto de bibliotecas de clases. CLR es la implementación de Microsoft del estándar internacional Common Language Infrastructure (CLI). CLI es la base para crear entornos de ejecución y desarrollo en los que los lenguajes y las bibliotecas funcionan juntos sin problemas.

El código fuente escrito en C# se compila en un lenguaje intermedio (IL) que guarda conformidad con la especificación de CLI. El código y los recursos de IL, como los mapas de bits y las cadenas, se almacenan en un ensamblado, normalmente con una extensión .dll. Un ensamblado contiene un manifiesto que proporciona información sobre los tipos, la versión y la referencia cultural.

Cuando se ejecuta el programa C#, el ensamblado se carga en CLR. CLR realiza la compilación Just-In-Time (JIT) para convertir el código IL en instrucciones de máquina nativas. Además, CLR proporciona otros servicios relacionados con la recolección de elementos no utilizados, el control de excepciones y la administración de recursos. El código que se ejecuta en CLR a veces se conoce como "código administrado". El "código no administrado" se compila en un lenguaje nativo de la máquina destinado a un sistema concreto.

La interoperabilidad entre lenguajes es una característica principal de .NET. El código IL generado por el compilador de C# se ajusta a la especificación de tipo común (CTS). El código IL generado desde C# puede interactuar con el código generado a partir de las versiones de .NET de F# , Visual Basic y C++. Hay más de otros 20 lenguajes compatibles con CTS. Un solo ensamblado puede contener varios módulos escritos en diferentes lenguajes .NET y los tipos se pueden hacer referencia mutuamente igual que si estuvieran escritos en el mismo lenguaje.

Además de los servicios en tiempo de ejecución, .NET también incluye amplias bibliotecas, que admiten muchas cargas de trabajo diferentes. Se organizan en espacios de nombres que proporcionan una amplia variedad de funcionalidades útiles. Las bibliotecas incluyen todo, desde la entrada y salida de archivos, la manipulación de cadenas y el análisis de XML hasta los marcos de aplicaciones web y los controles de Windows Forms. En una aplicación de C# típica se usa la biblioteca de clases de .NET de forma extensa para controlar tareas comunes de infraestructura.

Para obtener más información sobre .NET, vea Introducción a .NET.

Hola a todos

El programa "Hola mundo" tradicionalmente se usa para presentar un lenguaje de programación. En este caso, se usa C#:

using System;

class Hello
{
    static void Main()
    {
        Console.WriteLine("Hello, World");
    }
}

El programa "Hola mundo" empieza con una directiva using que hace referencia al espacio de nombres System. Los espacios de nombres proporcionan un método jerárquico para organizar las bibliotecas y los programas de C#. Los espacios de nombres contienen tipos y otros espacios de nombres; por ejemplo, el espacio de nombres System contiene varios tipos, como la clase Console a la que se hace referencia en el programa, y otros espacios de nombres, como IO y Collections. Una directiva using que hace referencia a un espacio de nombres determinado permite el uso no calificado de los tipos que son miembros de ese espacio de nombres. Debido a la directiva using, puede utilizar el programa Console.WriteLine como abreviatura de System.Console.WriteLine.

La clase Hello declarada por el programa "Hola mundo" tiene un miembro único, el método llamado Main. El método Main se declara con el modificador static. Mientras que los métodos de instancia pueden hacer referencia a una instancia de objeto envolvente determinada utilizando la palabra clave this, los métodos estáticos funcionan sin referencia a un objeto determinado. Por convención, un método estático denominado Main sirve como punto de entrada de un programa de C#.

La salida del programa la genera el método WriteLine de la clase Console en el espacio de nombres System. Esta clase la proporcionan las bibliotecas de clase estándar, a las que, de forma predeterminada, el compilador hace referencia automáticamente.

Tipos y variables

Un tipo define la estructura y el comportamiento de los datos en C#. La declaración de un tipo puede incluir sus miembros, tipo base, interfaces que implementa y operaciones permitidas para ese tipo. Una variable es una etiqueta que hace referencia a una instancia de un tipo específico.

Hay dos clases de tipos en C#: tipos de valor y tipos de referencia. Las variables de tipos de valor contienen directamente sus datos. Las variables de tipos de referencia almacenan referencias a los datos, lo que se conoce como objetos. Con los tipos de referencia, es posible que dos variables hagan referencia al mismo objeto y que, por tanto, las operaciones en una variable afecten al objeto al que hace referencia la otra. Con los tipos de valor, cada variable tiene su propia copia de los datos y no es posible que las operaciones en una variable afecten a la otra (excepto para las variables de parámetro ref y out).

Un identificador es un nombre de variable. Un identificador es una secuencia de caracteres Unicode sin ningún espacio en blanco. Un identificador puede ser una palabra reservada de C# si tiene el prefijo @. El uso de una palabra reservada como identificador puede ser útil al interactuar con otros lenguajes.

Los tipos de valor de C# se dividen en tipos simples, tipos de enumeración, tipos de estructura, tipos de valor que aceptan valores NULL y tipos de valor de tupla. Los tipos de referencia de C# se dividen en tipos de clase, tipos de interfaz, tipos de matriz y tipos delegados.

En el esquema siguiente se ofrece información general del sistema de tipos de C#.

Los programas de C# utilizan declaraciones de tipos para crear nuevos tipos. Una declaración de tipos especifica el nombre y los miembros del nuevo tipo. Seis de las categorías de tipos de C# las define el usuario: tipos de clase, tipos de estructura, tipos de interfaz, tipos de enumeración, tipos de delegado y tipos de valor de tupla. También puede declarar tipos record, bien sean record struct o record class. Los tipos de registro tienen miembros sintetizados por el compilador. Los registros se usan principalmente para almacenar valores, con un comportamiento mínimo asociado.

  • A tipo class define una estructura de datos que contiene miembros de datos (campos) y miembros de función (métodos, propiedades y otros). Los tipos de clase admiten herencia única y polimorfismo, mecanismos por los que las clases derivadas pueden extender y especializar clases base.
  • Un tipo struct es similar a un tipo de clase, por el hecho de que representa una estructura con miembros de datos y miembros de función. Pero a diferencia de las clases, las estructuras son tipos de valor y no suelen requerir la asignación del montón. Los tipos de estructura no admiten la herencia especificada por el usuario y todos se heredan implícitamente del tipo object.
  • Un tipo interface define un contrato como un conjunto con nombre de miembros públicos. Un valor class o struct que implementa interface debe proporcionar implementaciones de miembros de la interfaz. Un interface puede heredar de varias interfaces base, y un class o struct pueden implementar varias interfaces.
  • Un tipo delegate representa las referencias a métodos con una lista de parámetros determinada y un tipo de valor devuelto. Los delegados permiten tratar métodos como entidades que se puedan asignar a variables y se puedan pasar como parámetros. Los delegados son análogos a los tipos de función proporcionados por los lenguajes funcionales. También son similares al concepto de punteros de función de otros lenguajes. A diferencia de los punteros de función, los delegados están orientados a objetos y tienen seguridad de tipos.

Los tipos class, struct, interface y delegate admiten parámetros genéricos, mediante los que se pueden parametrizar con otros tipos.

C# admite matrices unidimensionales y multidimensionales de cualquier tipo. A diferencia de los tipos enumerados antes, no es necesario declarar los tipos de matriz antes de usarlos. En su lugar, los tipos de matriz se crean mediante un nombre de tipo entre corchetes. Por ejemplo, int[] es una matriz unidimensional de int, int[,] es una matriz bidimensional de int y int[][] es una matriz unidimensional de las matrices unidimensionales, o la matriz "escalonada", de int.

Los tipos que aceptan valores NULL no requieren una definición independiente. Para cada tipo T que no acepta valores NULL, existe un tipo T? que acepta valores NULL correspondiente, que puede tener un valor adicional, null. Por ejemplo, int? es un tipo que puede contener cualquier entero de 32 bits o el valor null y string? es un tipo que puede contener cualquier string o el valor null.

El sistema de tipos de C# está unificado, de tal forma que un valor de cualquier tipo puede tratarse como object. Todos los tipos de C# directa o indirectamente se derivan del tipo de clase object, y object es la clase base definitiva de todos los tipos. Los valores de tipos de referencia se tratan como objetos mediante la visualización de los valores como tipo object. Los valores de tipos de valor se tratan como objetos mediante la realización de operaciones de conversión boxing y operaciones de conversión unboxing. En el ejemplo siguiente, un valor int se convierte en object y vuelve a int.

int i = 123;
object o = i;    // Boxing
int j = (int)o;  // Unboxing

Cuando se asigna un valor de un tipo de valor a una referencia object, se asigna un "box" para contener el valor. Ese box es una instancia de un tipo de referencia, y es donde se copia el valor. Por el contrario, cuando una referencia object se convierte en un tipo de valor, se comprueba si el elemento object al que se hace referencia es un box del tipo de valor correcto. Si la comprobación se realiza correctamente, el valor del box se copia en el tipo de valor.

El sistema de tipos unificado de C# significa que los tipos de valor se tratan como referencias de object "a petición". Debido a la unificación, las bibliotecas de uso general que usan el tipo object se pueden utilizar con todos los tipos que se derivan de object, incluidos los tipos de referencia y los tipos de valor.

Hay varios tipos de variables en C#, entre otras, campos, elementos de matriz, variables locales y parámetros. Las variables representan ubicaciones de almacenamiento. Cada variable tiene un tipo que determina qué valores se pueden almacenar en ella, como se muestra a continuación.

  • Tipo de valor distinto a NULL
    • Un valor de ese tipo exacto
  • Tipos de valor NULL
    • Un valor null o un valor de ese tipo exacto
  • objeto
    • Una referencia null, una referencia a un objeto de cualquier tipo de referencia o una referencia a un valor de conversión boxing de cualquier tipo de valor
  • Tipo de clase
    • Una referencia null, una referencia a una instancia de ese tipo de clase o una referencia a una instancia de una clase derivada de ese tipo de clase
  • Tipo de interfaz
    • Un referencia null, una referencia a una instancia de un tipo de clase que implementa dicho tipo de interfaz o una referencia a un valor de conversión boxing de un tipo de valor que implementa dicho tipo de interfaz
  • Tipo de matriz
    • Una referencia null, una referencia a una instancia de ese tipo de matriz o una referencia a una instancia de un tipo de matriz compatible
  • Tipo delegado
    • Una referencia null o una referencia a una instancia de un tipo delegado compatible

Estructura del programa

Los conceptos organizativos clave de C# son programas, espacios de nombres, tipos, miembros y ensamblados. Los programas declaran tipos, que contienen miembros y pueden organizarse en espacios de nombres. Las clases, estructuras e interfaces son ejemplos de tipos. Los campos, los métodos, las propiedades y los eventos son ejemplos de miembros. Cuando se compilan programas de C#, se empaquetan físicamente en ensamblados. Normalmente, los ensamblados tienen las extensiones de archivo .exe o .dll, en función de si implementan aplicaciones o bibliotecas, respectivamente.

Como ejemplo pequeño, considere la posibilidad de usar un ensamblado que contenga el código siguiente:

namespace Acme.Collections;

public class Stack<T>
{
    Entry _top;

    public void Push(T data)
    {
        _top = new Entry(_top, data);
    }

    public T Pop()
    {
        if (_top == null)
        {
            throw new InvalidOperationException();
        }
        T result = _top.Data;
        _top = _top.Next;

        return result;
    }

    class Entry
    {
        public Entry Next { get; set; }
        public T Data { get; set; }

        public Entry(Entry next, T data)
        {
            Next = next;
            Data = data;
        }
    }
}

El nombre completo de esta clase es Acme.Collections.Stack. La clase contiene varios miembros: un campo denominado _top, dos métodos denominados Push y Pop, y una clase anidada denominada Entry. La clase Entry contiene además tres miembros: una propiedad llamada Next, otra llamada Data y un constructor. Stack es una clase genérica. Tiene un parámetro de tipo, T, que se reemplaza con un tipo concreto cuando se usa.

Una pila es una colección de tipo "el primero que entra es el último que sale" (FILO). Los elementos nuevos se agregan a la parte superior de la pila. Cuando se quita un elemento, se quita de la parte superior de la pila. En el ejemplo anterior se declara el tipo Stack que define el almacenamiento y comportamiento de una pila. Puede declarar una variable que haga referencia a una instancia del tipo Stack para usar esa funcionalidad.

Los ensamblados contienen código ejecutable en forma de instrucciones de lenguaje intermedio (IL) e información simbólica en forma de metadatos. Antes de ejecutarlo, el compilador Just-In-Time (JIT) del entorno de ejecución de .NET convierte el código de IL de un ensamblado en código específico del procesador.

Como un ensamblado es una unidad autodescriptiva de funcionalidad que contiene código y metadatos, no hay necesidad de directivas #include ni archivos de encabezado de C#. Los tipos y miembros públicos contenidos en un ensamblado determinado estarán disponibles en un programa de C# simplemente haciendo referencia a dicho ensamblado al compilar el programa. Por ejemplo, este programa usa la clase Acme.Collections.Stack desde el ensamblado acme.dll:

class Example
{
    public static void Main()
    {
        var s = new Acme.Collections.Stack<int>();
        s.Push(1); // stack contains 1
        s.Push(10); // stack contains 1, 10
        s.Push(100); // stack contains 1, 10, 100
        Console.WriteLine(s.Pop()); // stack contains 1, 10
        Console.WriteLine(s.Pop()); // stack contains 1
        Console.WriteLine(s.Pop()); // stack is empty
    }
}

Para compilar este programa, necesitaría hacer referencia al ensamblado que contiene la clase de pila que se define en el ejemplo anterior.

Los programas de C# se pueden almacenar en varios archivos de origen. Cuando se compila un programa de C#, todos los archivos de origen se procesan juntos y se pueden hacer referencia entre sí de manera libre. Conceptualmente, es como si todos los archivos de origen estuviesen concatenados en un archivo de gran tamaño antes de que se procesen. En C# nunca se necesitan declaraciones adelantadas porque, excepto en contadas ocasiones, el orden de declaración es insignificante. C# no limita un archivo de origen a declarar solamente un tipo público ni precisa que el nombre del archivo de origen coincida con un tipo declarado en el archivo de origen.

En otros artículos de este paseo se explican estos bloques organizativos.

Siguiente