Introducción. Diferencias entre C# y C/C++.

Marco Besteiro y Miguel Rodríguez
Introducción al lenguaje C#
Introducción.
C# es un lenguaje orientado a objetos (es más correcto decir orientado a componentes)
diseñado para el CLR (Common Language Runtime) de la plataforma .NET que se
llamó en un principio NGWS, es decir, Next Generation Windows Services.
El CLR es un entorno de ejecución basado en componentes, ofrecidos por el Framework
de la tecnología .NET.
Visual Studio.NET soporta esta plataforma y también el lenguaje C#, así como C++,
Visual Basic y los lenguajes de script VBScript y JScript.
Con C# se pretende combinar la facilidad de Visual Basic y la potencia de C++. C#
deriva de C y C++. Elimina características inseguras y complejas de éstos y les añade
otras que ofrecen mayor comodidad.
Por ejemplo: se eliminan los punteros (es posible utilizarlos en un código llamado
inseguro), las macros, las plantillas, la herencia múltiple, los ficheros de cabecera, IDL,
librerías de tipos... Además se añaden otras características, como orientación a objetos
casi pura, seguridad de tipos, versiones, gestión automática de memoria (garbage
collector)...
C# se compila a un lenguaje intermedio llamado IL (MSIL) (Intermediate Language),
que no es binario dependiente de la plataforma, sino que se ejecuta sobre una máquina
virtual que provee el Common Language Runtime. Esto no quiere decir que C# no
pueda compilarse a código binario dependiente de la plataforma. Simplemente ha sido
pensado para el CLR.
Existe una solución intermedia, que es la posibilidad de utilizar código nativo desde C#.
El inconveniente de esta solución es que rompe la portabilidad.
En definitiva, desde C# se puede utilizar no sólo el API provisto por el Framework
.NET, sino que también se puede utilizar el API COM, la Automatización y las APIs de
estilo C.
Diferencias entre C# y C/C++.
C# ha sido diseñado para ser fácilmente aceptado por los desarrolladores de C y C++.
No obstante presenta importantes diferencias:
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La gestión de memoria es automática, lo cual quiere decir que el desarrollador
sólo ha de preocuparse de crear un objeto cuando lo necesite pero no de
eliminarlo, ya que esta tarea queda a cargo del garbage collector (recolector de
basura). Este hecho cambia el sentido del destructor de una clase.
No se utilizan punteros. En su lugar se utilizan referencias a objetos. No
obstante, se permite utilizar punteros en casos especiales, como por ejemplo
cuando es necesario acceder a código nativo (dll) al que hay que pasarle o que
devuelve punteros (al código C# de este tipo se le denomina código inseguro).
Existe una posibilidad de utilizar punteros en código seguro y es a través de
objetos de un tipo especial llamados Delegates Su comportamiento es similar a
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los punteros a funciones, con la ventaja de ser más seguro y respetar los tipos de
datos.
Se cambian ciertos aspectos referentes a los operadores:
o No se utilizan los operadores -> ni ::. El único operador de acceso a
métodos de objetos que se utiliza es el operador punto ‘.’ .
o Se incluyen dos operadores nuevos: is y typeof.
o Se cambia el funcionamiento de los operadores lógicos &, ^ y |.
o La sobrecarga de operadores es diferente.
Hay ciertas palabras clave que se utilizan de modo distinto, como extern y
static.
El método Main se declara de modo distinto.
No se permiten las declaraciones adelantadas (forward).
El manejo de errores se hace mediante excepciones.
No se soportan las macros, aunque sí las directivas de preprocesador.
No se utilizan ficheros de cabecera (.h) ni similares (IDL y librerías de tipos). El
código es compilado en unidades llamadas assemblies, en las cuales se almacena
la representación del código en un lenguaje intermedio llamado IL y los
metadatos, que sustituyen a los ficheros .h de C++ (o a las librerías de tipos y
entradas de registro). Los assemblies se pueden generar a partir de código escrito
en otros lenguajes, como C++ o Visual Basic, lo cual quiere decir que desde C#
se puede utilizar código IL generado a partir de otros lenguajes.
Los assemblies se agrupan en namespaces (que siguen una estructura
jerárquica).
No existe una librería de tiempo de ejecución (Runtime) C# como en C y C++.
En su lugar existe un Runtime .NET accesible a través de la clase System.
El mecanismo de herencia sufre cambios:
o No se permite herencia múltiple en clases pero sí en interfaces.
o La sobrescritura de métodos se ha de hacer utilizando el operador
explícito override.
o El modificador new permite ocultar miembros heredados.
Existen tres posibles grupos de tipos:
o Tipos valor: son tipos primitivos como char, int, struct... C# incluye
dos tipos nuevos, boolean (True o False, se utiliza en las sentencias
condicionales, en lugar de integer, como se hacía en C++) y decimal
(para operaciones financieras). Las variables de tipo valor se guardan en
la pila.
o Tipos referencia: incluye los tipos class, interface, delegate y
array. Los objetos referenciados por variables de tipo referencia se
guardan en el heap o montón. Existen dos tipos de referencia
predefinidos, object y string. object es el tipo base de la jerarquía de
clases .NET. Todo dato deriva del tipo object mediante herencia simple
(sólo se permite herencia múltiple de interfaces). Todo dato de cualquier
otro tipo puede convertirse a object (a esta conversión se la llama
boxing) permitiéndose también la operación inversa (unboxing). Esto
permite la existencia de lo que se denomina sistema de tipos unificado.
o Tipos puntero: sólo se permite su utilización en código inseguro.
Las sentencias sufren ciertos cambios y aparecen otras nuevas:
o La sentencia switch admite string.
o La sentencia foreach se puede aplicar a tipos y colecciones.
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o Las sentencias checked y unchecked permiten controlar
desbordamientos.
El mantenimiento de versiones es más sencillo que en C y C++. Entre otros
aspectos, la compatibilidad a nivel binario deja de ser un problema.
Se utilizan Atributos (Attributes) que son anotaciones que se adjuntan a una
clase para almacenar cierta información (ficheros de ayuda, versión, etc...) y que
pueden ser obtenidos mediante reflexión.
Razones para utilizar C#.
C# es un lenguaje elegante, sencillo, orientado a componentes y ofrece un manejo de
tipos seguro.
Además, C# ofrece la posibilidad de construir componentes de sistema perdurables en
base a:
- Soporte total a la plataforma COM para permitir la integración con código ya
existente.
- Posibilidad de construir código robusto gracias a la seguridad de tipos y a la
gestión automática de memoria (garbage collector).
- Seguridad a nivel de código basada en mecanismos de confianza.
- Soporte total a los metadatos y a sus posibles extensiones.
Por último, C# permite la interoperación con otros lenguajes en base a las siguientes
características:
- Acceso a librerías a través de COM+ y los servicios .NET.
- Soporte XML para interacción basada en componentes.
- Simplificación de la administración y desarrollo de aplicaciones y componentes
gracias a un cuidado mecanismo de versiones.
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La plataforma .NET
Podría pensarse en la plataforma .NET como un sustituto de la arquitectura Windows
DNA (Distributed Network Architecture) pero sería una comparación insuficiente. La
arquitectura DNA se centra en la construcción de aplicaciones de tres capas para
Windows basándose en tecnologías como ASP, COM, etc...
La plataforma .NET es una nueva plataforma para el desarrollo de aplicaciones en
general (no necesariamente para Windows, ni de tres capas) que cubre todos los
aspectos que afectan a tales aplicaciones, desde un entorno de ejecución común (CLR)
hasta lenguajes específicamente diseñados para rentabilizar al máximo las
características de esta plataforma.
El objetivo principal de la plataforma .NET es ofrecer una red de servicios que se
ejecuten sobre el CLR y que hayan sido diseñados con cualquier lenguaje compatible
con el CLR (lenguajes de este tipo son C#, C++ y Visual Basic, pero podría añadirse
cualquier lenguaje para el que se haya diseñado un compilador a IL, que es el lenguaje
intermedio que entiende el CLR).
Figura 1.1. Framework .NET
El CLR ofrece las bases para poder ejecutar los servicios. Las clases base ofrecen el
control de tipos de datos básico, las clases de tipo colección y de otras clases generales.
Los servicios de datos permiten el acceso a los datos desde los servicios Web y
Windows, para lo cual tienen clases de soporte de datos y XML.
La plataforma .NET ha hecho que las siguientes tecnologías se vuelvan obsoletas:
- La Librería de tiempo de ejecución C/C++ (Runtime Library)
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STL (Standard Template Library)
MFC (Microsoft Foundation Class Library)
ATL (Active Template Library)
WTL (Windows Template Library)
ADO (ActiveX Data Objects)
ASP (Active Server Pages)
VBScript & VBA (Visual Basic Script y VB for Applications)
COM (Component Object Model)
Win32 API
No obstante, es posible acceder al API Win32 o a componentes COM desde
aplicaciones .NET, aunque las tecnologías emergentes son las que se recomiendan:
- Runtime .NET
- COM+
- ATL+
- ADO+
- ASP+
- El API de Win32 es encapsulado en la plataforma .NET por la BCL (Base Class
Library).
El CLR y la Librería de Clases Base (BCL, Base Class Library).
El CLR es un entorno de ejecución común, capaz de ejecutar aplicaciones codificadas
en un lenguaje intermedio (no dependiente de la máquina) llamado IL (MSIL).
La ventaja que implica soportar un lenguaje intermedio es que las aplicaciones que se
ejecutan sobre el CLR son portables. Al no depender de una máquina concreta, sólo
necesitan para ejecutarse sobre cualquier máquina que el CLR esté instalado en tal
máquina.
Como todo entorno de ejecución, el CLR se ayuda de una librería de clases para ofrecer
una serie de servicios a los desarrolladores, permitiendo que puedan desarrollar
aplicaciones sencilla y rápidamente reutilizando componentes así como que puedan
desarrollar componentes reutilizables.
Las aplicaciones y componentes que los desarrolladores compilan con compiladores
para el CLR son llamados de “código dirigido” (“managed code”). El “managed code”
se beneficia de características tales como:
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Soporte multi-lenguaje: cualquier lenguaje para el que se disponga de
compilador a IL permitirá desarrollar aplicaciones y componentes que puedan
interaccionar directamente con componentes y aplicaciones desarrollados en
otros lenguajes para los que también exista compilador a IL. EL lenguaje IL
sigue una especificación estándar, llamada CLS (Common Languaje
Specification) que indica el formato con el que han de generar el código los
compiladores a IL. Además, para que el soporte multi-lenguaje no se vea
afectado por los diferentes tipos de datos de los diferentes lenguajes se ha creado
un sistema de tipos común (CTS), de modo que sólo se deberán utilizar tipos del
CTS si se desea la interoperabilidad con otros lenguajes.
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Gestión de excepciones multilenguaje: es una característica que deriva del
soporte multi-lenguaje y permite el control de excepciones en aplicaciones
creadas a partir de fuentes en diferentes lenguajes.
Seguridad mejorada.
Soporte para versiones.
Modelo simple de interacción entre componentes.
Servicios de debug.
Metadatos.
Para permitir al CLR ofrecer servicios al “managed code” los compiladores no sólo han
de generar el código IL correspondiente al código fuente, sino también metadatos, los
cuales se almacenarán junto con el código intermedio IL y harán innecesario el registro
del sistema (los metadatos son a la plataforma .NET lo que las bibliotecas de tipos, las
entradas del registro del sistema y algún que otro dato son a COM). Para un objeto de la
plataforma .NET, los metadatos guardan información necesaria para utilizar el objeto,
como puede ser:
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El nombre del objeto.
Los nombres y tipos de todos sus campos.
Los nombres de todos los métodos, así como los nombres y tipos de sus
parámetros.
Figura 1.2. Jerarquía de los Metadatos.
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El CLR utilizará los metadatos para localizar y cargar clases, resolver invocaciones a
métodos, generar código nativo, gestionar la seguridad, manejar las instancias de clases
y fijar los límites del contexto de tiempo de ejecución.
El CLR también se encarga de la gestión de memoria dinámica con la consecuente
desaparición de errores asociados a la gestión manual de memoria. A los objetos cuyo
tiempo de vida es gestionado por el CLR se les llama “managed data” (“datos dirigidos
o gestionados”). Para que el CLR pueda trabajar con “managed data” es necesario que
el código sea también “managed code”. No obstante hay ocasiones en que por utilizar
características distintas de distintos lenguajes en el desarrollo no es posible utilizar
managed code ni managed data, en este caso se habla de “unmanaged code” y
“unmanaged data”.
Assemblies.
El CLR trabaja realmente con assemblies. Un assembly es un fichero con un formato
muy parecido al formato PE (el que se utiliza en los ficheros .exe o .dll tradicionales)
que contiene el código IL resultado de compilar el código fuente, los metadatos y otros
ficheros necesarios para poder ejecutar el paquete o assembly. Además, un assembly
contiene un fichero llamado “fichero de manifiesto” o manifest, el cual indica los
assemblies de los que depende, los ficheros que contiene, controla los tipos y recursos
expuestos por el assembly y establece un mapeo entre esos tipos y recursos y los
ficheros que contienen esos tipos y recursos.
Existen dos tipos de assemblies:
- aplicaciones: tienen un punto de entrada principal y único (Main) y suelen tener
extensión .exe.
- librerías: no tienen un punto de entrada principal (Main) y suelen tener
extensión .dll.
El CLR provee APIs que los motores de scripts pueden utilizar para crear
dinámicamente un assembly a partir de un script. A este tipo de assemblies se les llama
assemblies dinámicos y podría ser considerado como un tercer tipo.
Un assembly puede estar físicamente contenido en varios ficheros o en uno sólo. La
ventaja de utilizar varios ficheros es que en caso de ser pedidos a través de la red, sólo
se han de pasar los necesarios.
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Figura 1.3. Tipos de assemblies. De uno o de varios ficheros.
Como puede verse, el fichero de manifiesto (manifest) puede ser almacenado de varios
modos:
- Para un assembly de un fichero, el manifiesto es incorporado al fichero PE.
- Para un assembly de varios ficheros, el manifiesto puede almacenarse como un
fichero separado o puede incorporarse en uno de los ficheros PE del assembly.
El assembly que contiene los tipos básicos del CLR se llama mscorlib.dll y es el
único que se toma por defecto al compilar. Si se desea utilizar un tipo que esté en otro
assembly, ha de indicarse al compilador el nombre de tal assembly.
Namespaces.
Así como un assembly es una agrupación física de clases, otros tipos e información
sobre tales, un namespace es una agrupación lógica. De este modo, al escribir el código
de una aplicación y utilizar clases y otros tipos se ha de indicar (en el código) el
namespace al que pertenecen tales tipos, no el assembly. Como se ha comentado, el
assembly se ha de pasar como parámetro al compilador.
La lógica que lleva a esta separación es muy sencilla. Supóngase que se crean 5
assemblies con tipos relacionados con el manejo de redes. Aunque físicamente son 5
ficheros distintos, lógicamente se refieren al mismo tema, de modo que podrían estar
agrupados bajo un mismo nombre lógico (nótese que namespace significa “espacio de
nombre”).
De modo similar, un assembly puede contener clases y tipos dispares que puedan ser
divididos en varios namespace. De hecho, tal es el caso del assembly mscorlib.dll en
el que uno de sus namespace es System. El namespace System incluye los tipos de bajo
nivel básicos, como el tipo base Object, Byte, Int32, Math y Delegate.
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Los namespace forman una jerarquía lógica, lo cual quiere decir que se pueden anidar.
Por ejemplo, dentro del namespace System se encuentra el namespace Collections
que incluye tipos como ArrayList, BitArray, Queue y Stack.
Figura 1.4. Namespaces del Framework .NET.
Se podría pensar, recordando que un assembly puede ser partido en varios ficheros, que
el assembly puede también realizar la función del ejemplo comentado. Visto así es
cierto, pero el hecho de partir un assembly en varios ficheros se realiza por motivos de
eficiencia en la transmisión de sólo parte del assembly, no por motivos de organización
lógica.
Attributes.
Para poder convertir una clase en un componente es necesaria información adicional
sobre la clase como:
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Información sobre persistencia.
Modo en que han de ser manejadas las transacciones.
El CLR de la plataforma .NET soporta atributos personalizados como un modo de
asociar información sobre el componente a los metadatos y después poder recuperarla
mediante el mecanismo de reflexión.
Los atributos no son valores concretos y son extensibles, lo cual puede hacerlo el propio
programador.
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JIT (Just In Time) Compiler.
El CLR posee un compilador en línea o JIT que tiene como labor convertir el código IL
de un assembly a código nativo de la plataforma para que sea ejecutado.
Esta conversión se realiza una sola vez, si se vuelve a invocar durante la ejecución un
código ya compilado a código nativo, se utiliza el código nativo.
Por defecto no se elige la opción de compilar todo el assembly a nativo, ya que implica
un coste de tiempo que en la mayoría de los casos no se ve justificado, ya que es raro
que se ejecute todo el código del assembly en una ejecución concreta.
Según lo comentado, la ejecución del código intermedio de un assembly por parte del
CLR es algo así:
Figura 1.5. Funcionamiento del entorno de tiempo de ejecución CLR.
CTS (Common Type System).
El CTS es la especificación formal del sistema de tipos implementado por el CLR. El
CTS especifica cómo están definidas las clases de objetos, también llamadas “tipos”.
Por ejemplo: el CTS permite a un tipo clase contener cero o más miembros, los cuales
pueden ser campos, métodos, propiedades o eventos.
El CTS también especifica reglas para:
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La visibilidad de tipos y el acceso a miembros de un tipo. Los tipos pueden ser
visibles desde el exterior de su assembly, desde los clientes de su assembly o
sólo desde el código de su mismo assembly.
La herencia y las funciones virtuales.
La raíz de la jerarquía de herencia: todos los tipos de clase de la plataforma
.NET deben derivar de un tipo de clase predefinido llamado System.Object
(System es un namespace). De este modo, todos los tipos de clase que se
definan heredarán las características de la clase Object.
El ciclo de vida de un objeto.
Si se desarrolla una aplicación para la plataforma .NET, independientemente del
lenguaje utilizado, ésta debe ajustarse al CTS. Esto implica que no siempre van a poder
ser utilizadas todas las características de un lenguaje determinado. Por ejemplo, si se
desarrolla con C++ para la plataforma .NET, aunque este lenguaje soporte la herencia
múltiple no puede ser utilizada (en este caso concreto, el compilador para la plataforma
.NET de Visual C++ avisa del error).
Figura 1.6. Sistema de Tipos del Framework .NET.
CLS (Common Language Specification)
El CLR de la tecnología .NET permite generar un assembly partiendo de varios
lenguajes, de modo que los objetos de los diferentes lenguajes puedan interoperar entre
sí. Esto es posible gracias a que el CLR tiene un conjunto de tipos estándar, metadatos
para hacer que la información de tipos sea auto descriptiva y un entorno de ejecución
común.
Al intentar llevar a cabo esta interoperabilidad entre lenguajes el primer problema que
aparece son las diferencias que hay entre los diversos lenguajes. Para salvar este
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problema a la hora de crear tipos .NET que sean fácilmente accesibles desde otros
lenguajes de programación es necesario utilizar características de cada lenguaje que
sean compatibles con los demás. Para hacer esta labor más sencilla, Microsoft ha
definido el CLS, que informa a los proveedores de compiladores del conjunto mínimo
de características que han de soportar sus compiladores para adaptarse al CLR.
Se dice que un tipo es compatible con el CLS si todas sus partes accesibles
públicamente:
- Están compuestas sólo por tipos compatibles con el CLS.
- En caso de que alguna no esté compuesta por tipos compatibles con el CLS ha
de estar marcada explícitamente como no compatible con el CLS.
Se dice que una herramienta es un consumidor compatible con el CLS si puede utilizar
íntegramente cualquier tipo compatible con el CLS, es decir, llamar a cualquier método
compatible con el CLS, crear una instancia de cualquier tipo compatible con el CLS,
leer y modificar cualquier campo compatible con el CLS, etc...
Por último, se dice que una herramienta es un extensor compatible con el CLS si es un
consumidor compatible con el CLS y además puede extender cualquier clase base
compatible con el CLS, implementar cualquier interface compatible con el CLS, definir
nuevos interfaces compatibles con el CLS y situar cualquier atributo compatible con el
CLS en todos los elementos de metadatos apropiados.
Sistema de Ejecución Virtual (Virtual Execution System, VES)
El Sistema de Ejecución Virtual implementa y refuerza el modelo CTS. Es responsable
de cargar y ejecutar los programas escritos para el CLR.
El VES ofrece los servicios necesarios para ejecutar “managed code” y “managed data”,
así como utilizar los metadatos para conectar en tiempo de ejecución (“enlace tardío” o
“late binding”) módulos que han sido generados por separado.
Verificación y Seguridad.
La seguridad es inherente al diseño de la plataforma .NET. Entra en acción tan pronto
como una clase es cargada realizando chequeos para verificar el código (seguridad de
tipos...).
Tras los chequeos controla el acceso del código a los recursos. La seguridad de la
plataforma .NET ofrece mecanismos para controlar la identidad y las posibilidades del
código. Estos mecanismos alcanzan los límites del contexto, del proceso y de la
máquina para asegurar la seguridad de los datos en escenarios remotos. Estos
mecanismos de seguridad trabajan y extienden los mecanismos de seguridad del
Sistema Operativo.
Las áreas que abarca el mecanismo de seguridad de la plataforma .NET son:
- Seguridad de tipos: el código que respeta la seguridad de tipos sólo referencia
memoria que haya sido reservada para su uso y sólo accede a los objetos a través
de sus interfaces. El CLR cumple la seguridad de tipos combinando un sistema
de tipos fuerte en los metadatos (parámetros, miembros y elementos de arrays,
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valores de retorno de métodos y valores estáticos) con un sistema de tipos fuerte
en el lenguaje intermedio MSIL (variables locales y manejo de la pila). Es
posible saltar la verificación utilizando justificantes de confianza.
Identificación de código: sólo existen dos modos para que el código se pueda
ejecutar, a través del “class loader” (cargador de clases) o a través de los
servicios de interoperabilidad. Ambos son proporcionados por el CLR y se
basan en información que se conoce (como puede ser la dirección de origen del
código, o la identidad de quien lo ha publicado...), la cual cotejan con la que
extraen al cargar el código.
Seguridad de acceso del código: Esta seguridad se basa en pólizas o justificantes
asociados a los assemblies en las que se indican conjuntos de permisos que
especifican qué es lo que puede y no puede hacer el código de un assembly.
Permisos sobre recursos: Estos permisos son utilizados para saber si el código
tiene derechos de acceso a recursos concretos en tiempo de carga y/o en tiempo
de ejecución.
Permisos de identificación: se basan en datos de un assembly como el lugar de
origen, quién lo ha publicado, el nombre compartido del assembly... y permiten
controlar el acceso a los métodos de las clases (son similares en cuanto a su
origen a la identificación de código).
Seguridad declarativa: es un mecanismo muy potente que permite insertar
controles de seguridad en las clases, campos o métodos mediante anotaciones.
Seguridad imperativa: es similar a la declarativa, pero en lugar de anotaciones se
utiliza código, con lo cual se pueden realizar controles de seguridad dinámicos,
es decir, durante la ejecución.
Seguridad basada en pólizas o justificantes: Este tipo de seguridad consiste en
crear archivos o pólizas que indiquen qué puede hacer o no un determinado
código en función de su origen... (por ejemplo: se puede confiar en código local
y en código del servidor ‘x’ pero no en código del servidor ‘y’).
Seguridad basada en roles: es similar a la basada en pólizas pero en este caso es
el papel de un código en una cierta situación el que determina lo que puede
hacer. Por ejemplo, se puede limitar el dinero a transferir en una transacción
dependiendo de quien la haga y en que entidad bancaria.
Seguridad remota: Cuando se superan los límites de una máquina, ciertos
aspectos de la seguridad como la autenticación, autorización, confidencialidad e
integridad se vuelven críticos. La plataforma .NET ha de proveer soporte para
estos mecanismos de un modo compatible con los protocolos de red existentes y
con la infraestructura remota. De este modo, las aplicaciones podrán soportar
este tipo de seguridad de un modo cómodo.
Criptografía: La plataforma .NET ofrece un conjunto de objetos criptográficos
que soportan los algoritmos conocidos y su utilización más común (hashing,
encriptación y firmas digitales). Los objetos criptográficos son utilizados por la
plataforma .NET para soportar servicios internos y además están disponibles
para los desarrolladores que necesiten soporte criptográfico.
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