1.1 .NET Framework的含義

.NET Framework（現在最新版本是4.6）是Microsoft為開發應用程序而創建的一個具有革命意義的平臺。這句話最有趣的地方在于它的廣義性，但這是有原因的。首先，注意這句話沒有說“在Windows操作系統上開發應用程序”。盡管．NET Framework的Microsoft版本運行在Windows操作系統和Windows Phone操作系統上，但它也有運行在其他操作系統上的版本，例如Mono，它是．NET Framework的開源版本(包含C#編譯器)，該版本可以運行在幾個操作系統上，包括各種Linux版本和Mac OS，詳見http://www.mono-project.com。另外，Mono還有一些版本可以運行在iPhone(MonoTouch)和Android(Mono for Android，也稱為MonoDroid)智能手機上。使用．NET Framework的一個重要原因是它可以作為集成各種操作系統的方式。

另外，上面給出的．NET Framework定義并未限制應用程序的類型。這是因為本來就沒有限制。可以使用．NET Framework創建桌面應用程序、Windows Store應用程序、云/Web應用程序、Web API和其他各種類型的應用程序。另外注意，對于Web、云和Web API應用程序，按照定義，它們是多平臺的應用程序，因為任何帶有Web瀏覽器的系統都可以訪問它們。

.NET Framework的設計方式確保它可以用于各種語言，包括本書介紹的C#語言，以及C++、Visual Basic、JScript甚至一些舊語言，如COBOL。為此，還推出了這些語言的．NET版本，目前還在不斷推出更多版本。要獲得這些語言的列表，可以訪問https://msdn.microsoft.com/library/aa292164.aspx。所有這些語言都可以訪問．NET Framework，它們彼此之間還可以通信。C#開發人員可以使用Visual Basic程序員編寫的代碼，反之亦然。

所有這些提供了意想不到的多樣性，這也是．NET Framework具有誘人前景的部分原因。

1.1.1 .NET Framework的內容

.NET Framework主要包含一個龐大的代碼庫，可以在客戶語言(如C#)中通過面向對象編程技術(OOP)來使用這些代碼。這個庫分為多個不同的模塊，這樣就可以根據希望得到的結果來選擇使用其中的各個部分。例如，一個模塊包含Windows應用程序的構件，另一個模塊包含網絡編程的代碼塊，還有一個模塊包含Web開發的代碼塊。一些模塊還分為更具體的子模塊，例如，在Web開發模塊中，有用于建立Web服務的子模塊。

其目的是，不同操作系統可以根據各自的特性，支持其中的部分或全部模塊。例如，智能手機支持所有的核心．NET功能，但不需要某些更高級的模塊。

部分．NET Framework庫定義了一些基本類型。類型是數據的一種表達方式，指定最基本類型(如32位帶符號的整數)有助于使用．NET Framework的各種語言之間進行交互操作，這稱為公共類型系統(Common Type System, CTS)。

除提供這個庫外，.NET Framework還包含．NET公共語言運行庫(Common Language Runtime, CLR)，它負責管理用．NET庫開發的所有應用程序的執行。

1.1.2 使用．NET Framework編寫應用程序

使用.NET Framework編寫應用程序，就是使用.NET代碼庫編寫代碼(使用支持Framework的任何一種語言)。本書用VS進行開發，VS是一種強大的集成開發環境，支持C#(以及托管和非托管C++、Visual Basic和其他一些語言)。這個環境的優點是便于把.NET功能集成到代碼中。我們創建的代碼完全是C#代碼，但使用了.NET Framework，并在需要時利用了VS中的其他工具。

為執行C#代碼，必須把它們轉換為目標操作系統能理解的語言，即本機代碼(native code)。這種轉換稱為編譯代碼，由編譯器執行。但在．NET Framework下，此過程包括兩個階段。

1. CIL和JIT

在編譯使用．NET Framework庫的代碼時，不是立即創建專用于操作系統的本機代碼，而是把代碼編譯為通用中間語言（Common Intermediate Language, CIL）代碼，這些代碼并非專門用于任何一種操作系統，也非專門用于C#。其他．NET語言（如Visual Basic .NET）也會在第一階段編譯為這種語言。開發C#應用程序時，這個編譯步驟由VS完成。

顯然，要執行應用程序，必須完成更多工作，這是Just-In-Time（JIT）編譯器的任務，它把CIL編譯為專用于OS和目標機器結構的本機代碼。這樣OS才能執行應用程序。這里編譯器的名稱Just-In-Time反映了CIL代碼僅在需要時才編譯的事實。這種編譯可以在應用程序的運行過程中動態發生，不過開發人員一般不需要關心這個過程。除非要編寫性能十分關鍵的代碼，否則知道這個編譯過程會在后臺自動進行，并不需要人工干預就可以了。

過去，常需要把代碼編譯為幾個應用程序，每個應用程序都用于特定的操作系統和CPU結構。這通常是一種優化形式（例如，為了讓代碼在AMD芯片組上運行得更快），有時則是非常重要的（例如，使應用程序可以同時工作在Win9x和WinNT/2000環境下）。現在就沒必要了，因為JIT編譯器使用CIL代碼，而CIL代碼是獨立于計算機、操作系統和CPU的。目前有幾種JIT編譯器，每種編譯器都用于不同的結構，CIL會使用合適的編譯器創建所需的本機代碼。

這樣，開發人員需要做的工作就比較少了。實際上，可以忽略與系統相關的細節，將注意力集中在代碼的功能上就夠了。

2．程序集

編譯應用程序時，所創建的CIL代碼存儲在一個程序集中。程序集包括可執行的應用程序文件（這些文件可以直接在Windows上運行，不需要其他程序，其擴展名是．exe）和其他應用程序使用的庫（其擴展名是．dll）。

除包含CIL外，程序集還包含元信息（即程序集中包含的數據的信息，也稱為元數據）和可選的資源（CIL使用的其他數據，例如，聲音文件和圖片）。元信息允許程序集是完全自描述的。不需要其他信息就可以使用程序集，也就是說，我們不會遇到沒有把需要的數據添加到系統注冊表中這樣的問題，而在使用其他平臺進行開發時這個問題常常出現。

因此，部署應用程序就非常簡單了，只需把文件復制到遠程計算機上的目錄下即可。因為不需要目標系統上的其他信息，所以只需從該目錄中運行可執行文件即可（假定安裝了．NET CLR）。

當然，不必把運行應用程序需要的所有信息都安裝到一個地方。可以編寫一些代碼來執行多個應用程序所要求的任務。此時，通常把這些可重用的代碼放在所有應用程序都可以訪問的地方。在．NET Framework中，這個地方是全局程序集緩存（Global Assembly Cache, GAC），把代碼放在這個緩存中是很簡單的，只需把包含代碼的程序集放在包含該緩存的目錄中即可。

3．托管代碼

在將代碼編譯為CIL，再用JIT編譯器將它編譯為本機代碼后，CLR的任務尚未全部完成，還需要管理正在執行的用.NET Framework編寫的代碼（這個執行代碼的階段通常稱為運行時（runtime））。即CLR管理著應用程序，其方式是管理內存、處理安全性以及允許進行跨語言調試等。相反，不受CLR控制運行的應用程序屬于非托管類型，某些語言（如C++）可以用于編寫此類應用程序，例如，訪問操作系統的底層功能。但是在C#中，只能編寫在托管環境下運行的代碼。我們將使用CLR的托管功能，讓.NET處理與操作系統的任何交互。

4．垃圾回收

托管代碼最重要的一個功能是垃圾回收（garbage collection）。這種．NET方法可確保應用程序不再使用某些內存時，就會完全釋放這些內存。在．NET推出以前，這項工作主要由程序員負責，代碼中的幾個簡單錯誤會把大塊內存分配到錯誤的地方，使這些內存神秘失蹤。這通常意味著計算機的速度逐漸減慢，最終導致系統崩潰。

.NET垃圾回收會定期檢查計算機內存，從中刪除不再需要的內容。執行垃圾回收的時間并不固定，可能一秒鐘內會進行數千次的檢查，也可能幾秒鐘才檢查一次，不過一定會進行檢查。

這里要給程序員一些提示。因為在不可預知的時間執行這項工作，所以在設計應用程序時，必須留意這一點。需要許多內存才能運行的代碼應自行完成清理工作，而不是坐等垃圾回收，但這不像聽起來那樣難。

5．把它們組合在一起

在繼續學習之前，先總結一下上述創建．NET應用程序所需的步驟：

（1）使用某種．NET兼容語言（如C#）編寫應用程序代碼，如圖1-1所示。

（2）把代碼編譯為CIL，存儲在程序集中，如圖1-2所示。

（3）在執行代碼時（如果這是一個可執行文件，就自動運行，或者在其他代碼使用它時運行），首先必須使用JIT編譯器將代碼編譯為本機代碼，如圖1-3所示。

（4）在托管的CLR環境下運行本機代碼，以及其他應用程序或進程，如圖1-4所示。

6．鏈接

在上述過程中還有一點要注意。在第（2）步中編譯為CIL的C#代碼未必包含在單獨文件中，可以把應用程序代碼放在多個源代碼文件中，再把它們編譯到一個程序集中。這個過程稱為鏈接（linking），是非常有用的。原因是處理幾個較小的文件比處理一個大文件要簡單得多。可以把邏輯上相關的代碼分解到一個文件中，以便單獨進行處理，這也更便于在需要時找到特定的代碼塊，讓開發小組把編程工作分解為一些可管理的塊，讓每個人編寫一小塊代碼，而不會破壞已編寫好的代碼部分或其他人正在處理的部分。