.NET 4和VS2010新技术亮点选析

文 / 金旭亮

　　原文链接：http://www.programmer.com.cn/3774/ 

微软公司宣布， 2010年4月12日，在全球同步发布.NET 4和Visual Studio 2010。

作为微软平台最重要的产品，.NET 4和Visual Studio 2010所带来的诸多新技术成为了众人关注的焦点，本文将选取其中几个重要的技术创新点，介绍其来龙去脉，点出其设计思路，剖析其技术关键，展示其应用前景，从而帮助读者在这一轮新技术浪潮中占据先机。

保证代码质量的强有力工具：Code Contract

防卫型编程风格已为广大程序员所熟悉，最典型的做法是在函数开头书写代码检测传入参数的有效性，发现无效参数时抛出一个异常。

“防卫式编码”简单而有效，因而在实际开发中得到了广泛应用。

但是，任何事物都不是完美无缺的，“防卫式编码”也一样，因为它要求在执行真正的功能代码前进行一些检测工作，因此必然会引入一些额外的开销，如果某些检测工作还比较复杂，对程序运行效率会有负面影响。

为了避免这种情况的出现，人们就想出一个“两全其美”的方法——使用“条件编译”。通过定义条件编译符号控制编译器是否编译特定的代码。

从.NET 4开始，软件工程师们多了一个选择，这就是“代码协定（Code Contract）”。

代码协定（Code Contract）的核心类是“Contract”，以下是一个示例：

static double Divide(double divisor, double dividend)

{

Contract.Requires(divisor >= 0 && dividend > 0,

“除数与被除数必须大于0,并且除数不能为0″);

return divisor / dividend;

}

如果只是重复已有的功能，那么“代码协定”就没有太多存在的意义，事实上，它的最强大之处在于提供了一系列的静态方法实现 “协定式编程”。

“协定式编程”要求软件工程师在设计和编写代码时必须考虑：

• 方法调用入口所必须满足的条件，称为“前条件（precondition）”
• 方法调用出口所必须满足的条件，称为“后条件（postcondition）”。
• 方法调用前后，必须始终满足的条件是什么，称为“不变量（invariant）”。

由此可见，“协定式编程”能清晰地传递“原始”开发者的设计意图，使得代码调用者在编写新代码时有所参照，无须另外查找文档。

.NET 4将代码协定相关的类型移入到.NET核心程序集Mscorlib.dll中，成为CLR功能集的组成部分，对所有.NET编程语言“一视同仁”地给予了代码协定的支持。

使用MEF开发拥抱变化的软件系统

.NET 4引入了一个“Managed Extensibility Framework（MEF）”，开发支持插件的软件系统变得前所未有的简单。

MEF的基本原理

将一个MEF应用程序可看成是多个“可组合部件（Composable Part）”的集合，通过简单地给部件附加“[Import]”和“[Export]”标记，可以清晰地表明部件之间的“服务消费”与“服务提供”关系（图 1）。

图1 可组合部件示意图

“导入（Import）”描述了一个部件需要什么。“导出（Export）”描述了一个部件能提供什么。

从面向对象的角度来看，MEF其实就是将类之间的组合关系转换为“导入（需要外界提供的服务）”和“导出（向外界提供服务）”罢了。

导入与导出之间必须相互匹配，匹配的标准由“协定（contract）”进行描述。协定由“协定名（ContractName）”和“元数据（Metadata）”组成。

协定名通常就是导出所关联的字段或属性类型的完整名称。

元数据其实是一个“名称/值”的集合，在实际开发中，程序员可以给部件附加特定的元数据，然后在部件宿主程序中查询这些元数据，完成特定的功能。

装配部件为一个完备的软件系统的过程称为“组合（Compose）”，由部件“组合容器（Composition Container）”完成。每个需要装配部件的.NET部件宿主程序都至少创建一个部件组合容器对象。

部件组合容器为了完成“为部件宿主程序创建合适的部件对象”的工作，必须知道以下信息：

• 有哪些部件可用。
• 这些部件之间的依赖关系。

MEF使用 “部件编目（Catalog）”来封装上述信息。

部件组合容器通过查询Catalog，就能获得它所需要的信息，然后，在底层使用反射动态地完成组件识别、装配工作。

MEF的具体应用

在实际项目中，我们可以将系统中需要动态扩展或升级的部分封装为部件，将其编译为独立的程序集（一个程序集中可以包容多个部件），通过MEF完成部件的实时装配。由此可见，MEF可用于实现系统的可扩充点，多用于应用系统的中间层。

需要特别指出的是，Silverlight 4支持MEF。

可以给一个Silverligtht页面附加[Import]标记，指明它可以装配部件，类似地，通过给Silverlight“用户控件（User Control）”附加[Export]标记，每个用户控件就可以成为一个可组合的部件，我们可以将这些用户控件编译为独立的Silverlight程序集，放置在网站的特定文件夹下。

当用户访问Silverlight应用程序时，开始可以只显示一个“初始的简单的”页面，当用户需要时，再动态从Web网站上下载新的Silverlight程序集（这利用了Silverlight所支持的“按需下载（download on demand）”功能），然后，Silverlight客户端应用程序再使用MEF将程序集中所包容的页面组件“组装”为一个新的功能增强了的Silverlight页面。

应用这种技术，可以减少Silverlight客户端与Web服务器间的数据流量，提升Silverlight应用程序的响应性能，同时，也使得Silverlight应用程序的动态扩展变得简单。

迈入多核时代

多核化是CPU确定不移的发展方向，双核CPU早已普及，装备有四核CPU的个人电脑正在热卖，所有一切都告诉我们，硬件技术的发展推动着软件开发进入了多核时代。

.NET 4为程序员提供了强大的工具以迎接这一技术挑战。

线程取消模型

.NET 4在多线程开发中新推出了一个引人注目的线程“统一取消模型（Unified Model for Cancellation）”。

这个模型的核心是两个类：CancellationToken和CancellationTokenSource。

CancellationToken称为“取消令牌”，它用于代表一个外界的“取消操作”请求。

.NET4所提供的线程统一取消模型可以简述如下。

• 创建CancellationTokenSource对象，它包容了一个取消令牌对象，外界可以通过其Token属性获取“取消令牌”。
• 设计可以被“中断”的线程函数，在此函数中检测取消令牌的IsCancellationRequested属性，从而知道是否应该中止执行。
• 需要取消线程执行时，调用CancellationTok-enSource类的Cancel()方法即可。

.NET 4所引入的线程统一取消模式，规范了多线程程序中“提前结束”线程的方式，在.NET 4新增加的类和组件中得到了较为广泛的应用。

并行任务库

“任务并行库（Task Parallel Library ：TPL）”是.NET 4为帮助软件工程师开发并行程序而提供的一组类，位于System.Threading和System.Threading.Tasks这两个命名空间中，驻留在3个.NET核心程序集Mscorlib.dll、System.dll和 System.Core.dll里。使用这些类，可以让软件工程师在开发并行程序时，更关注于问题本身，而不是诸如线程的创建、取消和同步等烦琐的技术细节。

使用TPL开发并行程序，考虑的着眼点是“任务（task）”而非“线程”。

一个任务是一个Task类的实例，它代表某个需要计算机执行的数据处理工作，其特殊之处在于：

在TPL中，任务通常代表一个可以被计算机并行执行的工作。

任务可以由任何一个线程执行，特定的任务与特定的线程之间没有绑定关系。在.NET 4中，TPL使用.NET线程池中的线程来执行任务。

负责将任务“分派”到线程的工作由“任务调度器（Task Scheduler）”负责。任务调度器集成于线程池中。

1 Parallel类

在TPL中，最容易使用的类是Parallel，此类提供了三个方法“群”用于实现三种常用的并行程序执行结构。

（1）使用Parrallel.Invoke()方法可以让多条语句并行执行：

Parallel.Invoke(

() => StatementA(),

() => StatementB(),

() => StatementC() );

（2）使用Parrallel.For()方法启动并行循环

Parallel.For(0, 100, (i) => DoWork(i));

（3）如果你有一大堆“单个”的数据，并且每个数据都需要进行同样的处理，并且这些处理可以并行，那么使用Parallel.ForEach()方法可以实现这些处理工作的并行执行。

Parallel.ForEach(sourceCollection, item => Process(item));

2 Task类

TPL提供了多种手段实现多任务间的同步。例如，以下代码在task1完成之后自动运行task2:

Task task1=new Task(()=>

{

DoStep1();

});

Task task2 = task1.ContinueWith((PrevTask) =>

{

DoStep2();

});

task1.Start();

使用Task开发，比直接使用Thread要方便许多。

3 并行LINQ

PLINQ主要用于并行执行数据查询，而它本身又是.NET 4所引入的并行扩展的有机组成部分，因此，它与LINQ和TPL都有着密切的联系。

在目前的版本中，PLINQ只实现了LINQ to Object的并行执行。

将LINQ查询转换为PLINQ非常简单，在许多情况下只需简单地添加一个AsParallel子句就行了，例如，以下代码将把整数集合中的偶数挑出来：

//创建一个100个元素的整数集合，保存从1到100的整数.

var source = Enumerable.Range(1, 100);

var evenNums = from num in source.AsParallel()

where num % 2==0

select num;

与LINQ类似，PLINQ也具有“延迟执行”的特性，只有对查询集合调用foreach迭代、或者调用ToList()之类方法时，PLINQ查询才会真正执行。

另外，PLINQ在底层使用TPL所提供的基础架构完成所有工作，因此，PLINQ是比“Task”抽象层次更高的编程手段。

总之，在设计并行程序时，推荐按照以下顺序来设计技术解决方案：

基于PLINQ的声明式编程方式→使用Task的直接基于TPL的“任务并行”编程方式→使用线程的基于CLR的“多线程”编程方式。

使用Silverlight 4开发多层商业应用

Visual Studio 2010的正式版本中集成了Silverlight 4，与以前的版本相比，Silverlight 4带来了众多的新变化，最大的亮点是Silverlight 4已成为了一个强大的商业应用开发平台。

图2所示为一个典型的Silverlight多层应用程序架构。

图2 Silverlight多层应用程序架构

如图2所示，在Web服务端我们使用ASP.NET应用程序作为WCF RIA Service的宿主，使用ADO.NET实体框架封装数据。

WCF RIA Service在服务端将业务逻辑功能封装为“领域服务（Domain Service）”，Visual Studio 2010在编译项目时，会同时生成此领域服务的客户端代理类（派生自DomainContext），Silverlight 4提供了一个DomainDataSource组件作为数据绑定源，诸如TextBlock和DataGrid之类客户端数据绑定控件可以直接绑定到DomainDataSource组件。

可以这么说，Silverlight直到4.0版本才算是成为了一个真正的商业应用开发平台，我想这将大大地促进其推广和应用。

.NET编程语言新成员：F#

函数式编程语言拥有很长的历史，但大多局限于学术界使用，直到Visual Studio 2010中新添加了F#，才使函数式编程开始走向真正的商业应用。

Visual Studio 2010为F#提供了方便和强大的编辑手段，只需在代码编辑器中选中要执行的F#语句，按Alt+Enter组合键，就可以直接在Visual Studio 2010集成的F# Interactive窗口显示结果。

与其他的函数式编程语言Lisp、OCaml等不一样，F#是一个“混血儿”，它同时支持函数式和面向对象两种编程风范，并且可以直接调用.NET基类库中的各种组件，它所开发出来的组件也可以被其他.NET编程语言所调用。

由于F#中的数据结构都是不可改（immutable）的，因此如果使用它来开发多线程程序会非常简单，因为它无须耗用计算资源来进行解决多线程开发中的“竞台条件（race condition）”共享资源的问题。另外，函数式编程的风格，使得F#在实现某些计算机算法时显得简洁而高效，因此，预计F#会在计算密集型的应用系统中有较好的表现。

新时代的曙光——云计算

微软首次将对云计算的支持直接融入到Visual Studio 2010中，微软的云计算应用依托于Azure这个云计算平台。

如果希望在云计算应用中访问传统的关系型数据，微软提供了一个SQL Azure服务，云计算应用访问此服务，非常类似于传统.NET应用程序为了方便用户开发云计算应用，微软在Visual Studio 2010中提供了一个本地的Azure开发环境（称为“Windows Azure Simulation Environment”），它使用本地的SQL Server Express作为数据存储。毫无疑问，云计算将是下一个十年中软件技术竞争的主战场，从微软在Visual Studio 2010中首次集成云计算应用开发功能这一现象上，我们似乎已经嗅到了一场技术大战的硝烟：一个新时代正在向我们走来！

作者简介：

金旭亮，任教于北京理工大学计算机学院，15年开发经验，8年从教生涯，已著三本.NET技术书籍和大学教材。中国高校计算机教育改革的实践者，致力于软件技术的应用与推广，为计算机专业学生和程序员个人提供技术学习指导，为企业提供员工.NET技术系统培训服务。