- •1. Лекция: Visual Studio .Net, Framework .Net
- •Visual Studio .Net - открытая среда разработки
- •Открытость
- •Framework .Net - единый каркас среды разработки
- •Библиотека классов FCL - статический компонент каркаса
- •Единство каркаса
- •Встроенные примитивные типы
- •Структурные типы
- •Архитектура приложений
- •Модульность
- •Общеязыковая исполнительная среда CLR - динамический компонент каркаса
- •Двухэтапная компиляция. Управляемый модуль и управляемый код
- •Виртуальная машина
- •Дизассемблер и ассемблер
- •Метаданные
- •Сборщик мусора - Garbage Collector - и управление памятью
- •Исключительные ситуации
- •События
- •Общие спецификации и совместимые модули
- •2. Лекция: Язык C# и первые проекты
- •Создание C#
- •Виды проектов
- •Консольный проект
- •Windows-проект
- •Начало начал - точка "большого взрыва"
- •Выполнение проекта по умолчанию после "большого взрыва"
- •Проект WindowsHello
- •3. Лекция: Система типов языка С#
- •Общий взгляд
- •Система типов
- •Типы или классы? И типы, и классы
- •Семантика присваивания
- •Преобразование к типу object
- •Примеры преобразований
- •Семантика присваивания. Преобразования между ссылочными и значимыми типами
- •Операции "упаковать" и "распаковать" (boxing и unboxing).
- •4. Лекция: Преобразования типов
- •Где, как и когда выполняются преобразования типов?
- •Преобразования ссылочных типов
- •Преобразования типов в выражениях
- •Преобразования внутри арифметического типа
- •Явные преобразования
- •Преобразования строкового типа
- •Преобразования и класс Convert
- •Проверяемые преобразования
- •Исключения и охраняемые блоки. Первое знакомство
- •Опасные вычисления в охраняемых проверяемых блоках
- •Опасные вычисления в охраняемых непроверяемых блоках
- •Опасные преобразования и методы класса Convert
- •5. Лекция: Переменные и выражения
- •Объявление переменных
- •Проект Variables
- •Синтаксис объявления
- •Время жизни и область видимости переменных
- •Поля
- •Локальные переменные
- •Глобальные переменные уровня процедуры. Существуют ли?
- •Константы
- •6. Лекция: Выражения. Операции в выражениях
- •Выражения
- •Приоритет и порядок выполнения операций
- •Перегрузка операций
- •С чего начинается выполнение выражения
- •Операции "увеличить" и "уменьшить" (increment, decrement)
- •Операции sizeof и typeof
- •Как получить подробную информацию о классе?
- •Статические поля и методы арифметических классов
- •Операция new
- •Арифметические операции
- •Операции отношения
- •Операции проверки типов
- •Операции сдвига
- •Логические операции
- •Условное выражение
- •Операция приведения к типу
- •7. Лекция: Присваивание и встроенные функции
- •Присваивание
- •Специальные случаи присваивания
- •Определенное присваивание
- •Еще раз о семантике присваивания
- •Рассмотрим объявления:
- •Класс Math и его функции
- •Класс Random и его функции
- •8. Лекция: Операторы языка C#
- •Операторы языка C#
- •Оператор присваивания
- •Блок или составной оператор
- •Пустой оператор
- •Операторы выбора
- •Оператор if
- •Оператор switch
- •Операторы перехода
- •Оператор goto
- •Операторы break и continue
- •Оператор return
- •Операторы цикла
- •Оператор for
- •Циклы While
- •Цикл foreach
- •9. Лекция: Процедуры и функции - методы класса
- •Процедуры и функции - функциональные модули
- •Процедуры и функции - методы класса
- •Процедуры и функции. Отличия
- •Описание методов (процедур и функций). Синтаксис
- •Список формальных аргументов
- •Тело метода
- •Вызов метода. Синтаксис
- •О соответствии списков формальных и фактических аргументов
- •Вызов метода. Семантика
- •Что нужно знать о методах?
- •Почему у методов мало аргументов?
- •Поля класса или функции без аргументов?
- •Пример: две версии класса Account
- •Функции с побочным эффектом
- •Методы. Перегрузка
- •10. Лекция: Корректность методов. Рекурсия
- •Корректность методов
- •Инварианты и варианты цикла
- •Рекурсия
- •Рекурсивное решение задачи "Ханойские башни"
- •Быстрая сортировка Хоара
- •11. Лекция: Массивы языка C#
- •Общий взгляд
- •Объявление массивов
- •Объявление одномерных массивов
- •Динамические массивы
- •Многомерные массивы
- •Массивы массивов
- •Процедуры и массивы
- •12. Лекция: Класс Array и новые возможности массивов
- •Класс Array
- •Массивы как коллекции
- •Сортировка и поиск. Статические методы класса Array
- •Класс Object и массивы
- •Массивы объектов
- •Массивы. Семантика присваивания
- •13. Лекция: Символы и строки постоянной длины в C#
- •Общий взгляд
- •Строки С++
- •Строки С#
- •Класс char
- •Класс char[] - массив символов
- •Существует ли в C# тип char*
- •14. Лекция: Строки C#. Классы String и StringBuilder
- •Класс String
- •Объявление строк. Конструкторы класса string
- •Операции над строками
- •Строковые константы
- •Неизменяемый класс string
- •Статические свойства и методы класса String
- •Метод Format
- •Методы Join и Split
- •Динамические методы класса String
- •Класс StringBuilder - построитель строк
- •Объявление строк. Конструкторы класса StringBuilder
- •Операции над строками
- •Основные методы
- •Емкость буфера
- •15. Лекция: Регулярные выражения
- •Пространство имен RegularExpression и классы регулярных выражений
- •Немного теории
- •Синтаксис регулярных выражений
- •Классы Group и GroupCollection
- •Классы Capture и CaptureCollection
- •Перечисление RegexOptions
- •Класс RegexCompilationInfo
- •Примеры работы с регулярными выражениями
- •Пример "чет и нечет"
- •Пример "око и рококо"
- •Пример "кок и кук"
- •Пример "обратные ссылки"
- •Пример "Дом Джека"
- •Пример "Атрибуты"
- •16. Лекция: Классы
- •Классы и ООП
- •Две роли классов
- •Синтаксис класса
- •Поля класса
- •Доступ к полям
- •Методы класса
- •Доступ к методам
- •Методы-свойства
- •Индексаторы
- •Операции
- •Статические поля и методы класса
- •Константы
- •Конструкторы класса
- •Деструкторы класса
- •Проектирование класса Rational
- •Свойства класса Rational
- •Конструкторы класса Rational
- •Методы класса Rational
- •Закрытый метод НОД
- •Печать рациональных чисел
- •Тестирование создания рациональных чисел
- •Операции над рациональными числами
- •Константы класса Rational
- •17. Лекция: Структуры и перечисления
- •Развернутые и ссылочные типы
- •Классы и структуры
- •Структуры
- •Синтаксис структур
- •Класс Rational или структура Rational
- •Встроенные структуры
- •Еще раз о двух семантиках присваивания
- •Перечисления
- •Персоны и профессии
- •18. Лекция: Отношения между классами. Клиенты и наследники
- •Отношения между классами
- •Отношения "является" и "имеет"
- •Отношение вложенности
- •Расширение определения клиента класса
- •Отношения между клиентами и поставщиками
- •Сам себе клиент
- •Наследование
- •Добавление полей потомком
- •Конструкторы родителей и потомков
- •Добавление методов и изменение методов родителя
- •Статический контроль типов и динамическое связывание
- •Три механизма, обеспечивающие полиморфизм
- •Пример работы с полиморфным семейством классов
- •Абстрактные классы
- •Классы без потомков
- •19. Лекция: Интерфейсы. Множественное наследование
- •Интерфейсы
- •Две стратегии реализации интерфейса
- •Преобразование к классу интерфейса
- •Проблемы множественного наследования
- •Коллизия имен
- •Наследование от общего предка
- •Встроенные интерфейсы
- •Упорядоченность объектов и интерфейс IComparable
- •Клонирование и интерфейс ICloneable
- •Сериализация объектов
- •Класс с атрибутом сериализации
- •Интерфейс ISerializable
- •20. Лекция: Функциональный тип в C#. Делегаты
- •Как определяется функциональный тип и как появляются его экземпляры
- •Функции высших порядков
- •Вычисление интеграла
- •Построение программных систем методом "раскрутки". Функции обратного вызова
- •Наследование и полиморфизм - альтернатива обратному вызову
- •Делегаты как свойства
- •Операции над делегатами. Класс Delegate
- •Операции "+" и "-"
- •Пример "Комбинирование делегатов"
- •Пример "Плохая служба"
- •21. Лекция: События
- •Классы с событиями
- •Класс sender. Как объявляются события?
- •Делегаты и события
- •Как зажигаются события
- •Классы receiver. Как обрабатываются события
- •Классы с событиями, допустимые в каркасе .Net Framework
- •Пример "Списки с событиями"
- •Класс sender
- •Классы receiver
- •Две проблемы с обработчиками событий
- •Игнорирование коллег
- •Переопределение значений аргументов события
- •Классы с большим числом событий
- •Проект "Город и его службы"
- •22. Лекция: Универсальность. Классы с родовыми параметрами
- •Наследование и универсальность
- •Синтаксис универсального класса
- •Класс с универсальными методами
- •Два основных механизма объектной технологии
- •Стек. От абстрактного, универсального класса к конкретным версиям
- •Ограниченная универсальность
- •Синтаксис ограничений
- •Список с возможностью поиска элементов по ключу
- •Как справиться с арифметикой
- •Родовое порождение класса. Предложение using
- •Универсальность и специальные случаи классов
- •Универсальные структуры
- •Универсальные интерфейсы
- •Универсальные делегаты
- •Framework .Net и универсальность
- •23. Лекция: Отладка и обработка исключительных ситуаций
- •Корректность и устойчивость программных систем
- •Жизненный цикл программной системы
- •Три закона программотехники
- •Первый закон (закон для разработчика)
- •Второй закон (закон для пользователя)
- •Третий закон (закон чечако)
- •Отладка
- •Создание надежного кода
- •Искусство отладки
- •Отладочная печать и условная компиляция
- •Классы Debug и Trace
- •Метод Флойда и утверждения Assert
- •Классы StackTrace и BooleanSwitch
- •Отладка и инструментальная среда Visual Studio .Net
- •Обработка исключительных ситуаций
- •Обработка исключений в языках C/C++
- •Схема обработки исключений в C#
- •Выбрасывание исключений. Создание объектов Exception
- •Захват исключения
- •Параллельная работа обработчиков исключений
- •Блок finally
- •Схема Бертрана обработки исключительных ситуаций
- •Класс Exception
- •Организация интерфейса
- •Форма и элементы управления
- •Взаимодействие форм
- •Модальные и немодальные формы
- •Передача информации между формами
- •Образцы форм
- •Главная кнопочная форма
- •Шаблон формы для работы с классом
- •Работа со списками (еще один шаблон)
- •Элемент управления класса ListBox
- •Наследование форм
- •Два наследника формы TwoLists
- •Огранизация меню в формах
- •Создание меню в режиме проектирования
- •Классы меню
- •Создание инструментальной панели с командными кнопками
- •Рисование в форме
- •Класс Graphics
- •Методы класса Graphics
- •Класс Pen
- •Класс Brush
- •Проект "Паутина Безье, кисти и краски"
- •Паутина Безье
- •Событие Paint
- •Кисти и краски
- •Абстрактный класс Figure
- •Классы семейства геометрических фигур
- •Класс Ellipse
- •Класс Circle
- •Класс LittleCircle
- •Класс Rect
- •Класс Square
- •Класс Person
- •Список с курсором. Динамические структуры данных
- •Классы элементов списка
- •Организация интерфейса
10. Лекция: Корректность методов. Рекурсия
Корректность методов
Написать метод, задающий ту или иную функциональность, нетрудно. Это может сделать каждый. Значительно сложнее написать метод, корректно решающий поставленную задачу. Корректность метода - это не внутреннее понятие, подлежащее определению в терминах самого метода. Корректность определяется по отношению к внешним спецификациям метода. Если нет спецификаций, то говорить о корректности "некорректно".
Спецификации можно задавать по-разному. Мы определим их здесь через понятия предусловий и постусловий метода, используя символику триад Xoара, введенных Чарльзом Энтони Хоаром - выдающимся программистом и ученым, одну из знаменитых программ которого приведем чуть позже в этой лекции.
Пусть P(x,z) - программа P с входными аргументами x и выходными z. Пусть Q(y) - некоторое логическое условие (предикат) над переменными программы y. Язык для записи предикатов Q(y) формализовать не будем. Отметим только, что он может быть шире языка, на котором записываются условия в программах, и включать, например, кванторы. Предусловием программы P(x,z) будем называть предикат Pre(x), заданный на входах программы. Постусловием программы P(x,z) будем называть предикат Post(x,z), связывающий входы и выходы программы. Для простоты будем полагать, что программа P не изменяет своих входов x в процессе своей работы. Теперь несколько определений:
Определение 1 (частичной корректности): Программа P(x,z) корректна (частично, или условно) по отношению к предусловию Pre(x) и постусловию Post(x,z), если из истинности предиката Pre(x) следует, что для программы P(x,z), запущенной на входе x, гарантируется выполнение предиката Post(x,z) при условии завершения программы.
Условие частичной корректности записывается в виде триады Хоара, связывающей программу с ее предусловием и постусловием:
[Pre(x)]P(x,z)[Post(x,z)]
Определение 2 (полной корректности): Программа P(x,z) корректна (полностью, или тотально) по отношению к предусловию Pre(x) и постусловию Post(x,z), если из истинности предиката Pre(x) следует, что для программы P(x,z), запущенной на входе x, гарантируется ее завершение и выполнение предиката Post(x,z).
Условие полной корректности записывается в виде триады Хоара, связывающей программу с ее предусловием и постусловием:
{Pre(x)}P(x,z){Post(x,z)}
Доказательство полной корректности обычно состоит из двух независимых этапов - доказательства частичной корректности и доказательства завершаемости программы. Заметьте, полностью корректная программа, которая запущена на входе, не удовлетворяющем ее предусловию, вправе зацикливаться, а также возвращать любой результат. Любая программа корректна по отношению к предусловию, заданному тождественно ложным предикатом False. Любая завершающаяся программа корректна по отношению к постусловию, заданному тождественно истинным предикатом True.
Корректная программа говорит своим клиентам: если вы хотите вызвать меня и ждете гарантии выполнения постусловия после моего завершения, то будьте добры гарантировать выполнение предусловия на входе. Задание предусловий и постусловий методов - это такая же важная часть работы программиста, как и написание самого метода. На языке C# пред- и постусловия обычно задаются в теге <summary>, предшествующем методу, и являются частью XML-отчета. К сожалению, технология работы в Visual Studio не предусматривает возможности автоматической проверки предусловия перед вызовом метода и проверки постусловия после его завершения с выбрасыванием исключений в случае их невыполнения. Программисты, для которых требование корректности является важнейшим условием качества их работы, сами встраивают такую проверку в свои программы. Как правило, подобная проверка обязательна на этапе отладки и может быть отключена в готовой системе, в корректности которой программист уже уверен. А вот проверку предусловий важно оставлять и в готовой системе, поскольку истинность предусловий должен гарантировать не разработчик метода, а клиент, вызывающий метод. Клиентам же свойственно ошибаться и вызывать метод в неподходящих условиях.
Формальное доказательство корректности метода - задача ничуть не проще, чем написание корректной программы. Но вот парадокс. Чем сложнее метод, его алгоритм, а следовательно, и само доказательство, тем важнее использовать понятия предусловий и постусловий, понятия инвариантов циклов в процессе разработки метода. Рассмотрение этих понятий параллельно с разработкой метода может существенно облегчить построение корректного метода. Этот подход будет продемонстрирован в нашей лекции при рассмотрении метода QuickSort - быстрой сортировки массива.
Инварианты и варианты цикла
Циклы, как правило, являются наиболее сложной частью метода - большинство ошибок связано именно с ними. При написании корректно работающих циклов крайне важно понимать и использовать понятия инварианта и варианта цикла. Без этих понятий не обходится и формальное доказательство корректности циклов. Ограничимся рассмотрением цикла в следующей форме:
Init(x,z); while(B)S(x,z);
Здесь B - условие цикла while, S - его тело, а Init - группа предшествующих операторов, задающая инициализацию цикла. Реально ни один цикл не обходится без инициализирующей части. Синтаксически было бы правильно, чтобы Init являлся бы формальной частью оператора цикла. В операторе for эта частично сделано - инициализация счетчиков является частью цикла.
Определение 3 (инварианта цикла): предикат Inv(x, z) называется инвариантом цикла while, если истинна следующая триада Хоара:
{Inv(x, z)& B}S(x,z){Inv(x,z)}
Содержательно это означает, что из истинности инварианта цикла до начала выполнения тела цикла и из истинности условия цикла, гарантирующего выполнение тела, следует истинность инварианта после выполнения тела цикла. Сколько бы раз ни выполнялось тело цикла, его инвариант остается истинным.
Для любого цикла можно написать сколь угодно много инвариантов. Любое тождественное условие (2*2 =4) является инвариантом любого цикла. Поэтому среди инвариантов выделяются так называемые подходящие инварианты цикла. Они называются подходящими, поскольку позволяют доказать корректность цикла по