응용 프로그램을 구축하고 실행하기 위해 Microsoft에서 개발한 소프트웨어 개발 프레임워크 및 런타임 환경이다.
일반적인 C, C++ 같은 네이티브 언어로 만들어진 프로그램들이 운영체제에서 곧바로 실행되는 것과는 다르게 .Net 프레임워크를 기반으로 만들어진 응용 프로그램은 반드시 프레임워크가 설치된 환경이 요구된다.
.Net 프레임워크에서 사용되는 프로그래밍 언어는 대표적으로 C#과 Visual Basic이 있다.
해당 환경에서 개발된 프로그램은 컴파일 시 소스 코드를 IL(Intermediate Language)이라는 중간 언어로 바뀌는데 이때 IL코드는 메서드, 속성 및 기타 세부 정보를 포함한 메타 데이터와 함께 어셈블리라는 파일로 패키징 되어 저장된다. 어셈블리는 CLR에서 관리되며 런타임 실행 중에 JIT에 의해서 기계 언어로 변환된다. 이 기계언어 또한 지속해서 CLR에 의해서 유지 및 관리된다.
이렇게 중간언어로 변경되는 과정이 있기 때문에 빌드환경과 실행환경이 다르더라도 실행환경에 맞춰서 런타임에서 기계언어를 맞춰서 만들어 내게 된다. 일반적인 네이티브 언어는 이러한 과정이 없기 때문에 환경이 바뀌면 문제가 생기는 경우가 발생하기도 한다.
IL
Intermediate Language
중간언어, 인간이 읽을 수 있는 소스코드가 컴파일러를 통해 해석될 때 완전한 네이티브 코드가 아닌컴파일러나 소프트웨어 도구에 의해 추가 처리 또는 최적화될 수 있는 일련의 명령으로 변환되는데 이때 생성되는 파일에는 중간 언어라고 하는 명령어가 포함된다.
중간 언어는 쓰기 및 실행 사이의 가교 역할을 하는 언어로 컴파일러가 정밀한 최적화를 하도록 만들어 프로그램이 더 효율적으로 실행되도록 만들기도 하고 호환성이 없는 시스템 간에 이식 가능한 출력 파일을 생성하기 위해 사용되기도 한다.
언어의 실제 구문은 기계 코드 또는 인간이 읽을 수 없는 다른 유형의 바이트 코드와 유사하거나 또는 기존의 크로스 플랫폼 컴퓨터 프로그래밍 언어일 수도 있다.
.Net 프레임워크 환경은 다음과 같은 과정으로 작업이 진행된다.
.Net 호환 언어 > IL 코드 > CLR 실행 > CPU 기계어
IL 코드의 특이한 점은 ILASM.EXE라는 컴파일러를 가지고 있고 그 자체로 프로그래밍 언어의 문법을 가진다는 점이다.
CLR
Common Language Runtime
.Net 프로그램 실행을 위한 런타임 환경을 제공한다. CLR은 구성요소들을 통해서 다양한 서비스를 제공하여 런타임에 프로그램의 전체 작업을 관리한다.
JIT Compiler
Just In Time
중간 언어인 IL 코드를 하드웨어에서 실행할 수 있는 기계어로 변환한다.
.Net 프로그램의 모든 어셈블리 및 코드를 기계어로 컴파일하지 않고 프로그램이 실행되는 런타임 동안 즉석에서 코드를 컴파일하여 필요한 코드만 컴파일한다. 실제로 실행에 필요한 코드를 컴파일할 수 있는 마지막 순간까지 기다리기 때문에 적시 컴파일 Junt In Time Compile이라고 한다. 이러한 작동 방식으로 다음과 같은 특징을 가진다.
메모리 사용량 감소
실제로 필요한 코드만 컴파일하기 때문에 사용되지 않는 코드는 컴파일되지 않으므로 메모리에 저장할 필요가 없어 프로그램에서 메모리 사용량을 절약할 수 있다.
향상된 성능
코드를 즉석에서 컴파일함으로 기본 하드웨어 및 시스템 구성에 대한 정보를 활용할 수 있기 때문에 최대 성능 및 효율성을 위해 코드를 최적화할 수 있다.
유연성
필요에 따라 코드를 컴파일할 수 있기 때문에 프로그램의 실행 흐름 또는 데이터 입력의 변경 사항에 적응할 수 있으므로 프로그램이 사용자 또는 시스템 입력에 더 유연하게 응답할 수 있다.
GC
Garbage Collection
더 이상 사용되지 않는 메모리를 식별하고 할당 해제하여 .Net 프로그램에서 사용하는 메모리를 자동으로 관리하는 프로세스이다.
Net 프로그램에서 개체는 프로그램 실행 중에 동적으로 생성되는데 이러한 개체를 저장하는 데 사용되는 메모리는 필요에 따라 할당 및 해제되어야 한다. GC는 프로그램에서 더 이상 참조하지 않는 개체를 식별하기 위해 메모리를 주기적으로 스캔하는 방식으로 작동한다. 그런 다음 해당되는 개체는 할당 해제되며 해당 메모리는 시스템에서 회수된다.
GC는 자동으로 사용되지 않는 메모리를 할당 해제하기 때문에 프로그램이 충돌하거나 예측할 수 없는 동작을 유발할 수 있는 메모리 누수를 방지하는데 도움이 된다. 또한 사용 가능한 메모리를 최적화하고 수동 메모리 관리의 오버헤드를 줄이면서 프로그램의 성능을 향상할 수 있으며 자동화된 프로세스를 통해 프로그래밍을 단순화할 수 있다.
하지만 GC는 사용되지 않는 개체를 식별하기 위해 주기적으로 메모리를 스캔하는 과정이 성능 오버헤드를 유발하기도 하며 메모리가 수거되는 동안 프로그램의 실행이 일시적으로 중지되거나 중단되는 등의 프로그램 응답성에 영향을 미칠 수 있다.
Exception Handling
프로그램 실행 중에 발생하는 오류 및 예외를 처리하기 위한메커니즘을제공하여 .Net프로그램이 오류를 복구하고 계속 실행할 수 있도록 한다. 이 메커니즘은 개발자가 프로그램이 다양한 유형의 예외에 응답하는 방법을 지정할 수 있는 try/catch/finally 블록의 사용을 기반으로 한다.
예외가 발생하면 CLR은 우선 예외 유형과 일치하는 catch 블록을 찾는다.
일치하는 catch 블록이 발견되면 해당 블록의 코드가 실행되어 프로그램이 적절한 방식으로 예외를 처리할 수 있다. 일반적으로 이 블록에서는 오류 메시지 로그나 대화 상자 표시 등을 처리한다.
일치하는 블록이 없으면 호출 스택에서 다음 상위 수준 catch 블록으로 예외가 전달되는데 어떤 수준에서도 블록이 발견되지 않으면 프로그램이 종료되고 오류 메시지가 표시된다.
예외를 효과적으로 처리할 수 있도록 제공되는 기능으로 Custom exception types, Exception filters, Stack traces 등이 있다.
Security Serviece
프로그램이 안전하게 실행되고 버퍼 오버플로 또는 인젝션 어택과 같은 공격에 취약하지 않도록 도움이 되는 다양한 보안 서비스를 제공한다.
CAS(Code Access Security)
코드 액세스 보안은 리소스 또는 중요한 데이터에 대한 무단 액세스를 방지하는 메커니즘으로 개발자가 다양한 코드 모듈이나 구성 요소에 대한 권한을 지정할 수 있으며 필요한 권한이 부여된 코드만 보호 중인 리소스에 액세스 할 수 있다.
Verification
CLR에는 프로그램 코드가 실행되기 전에 무결성과 안전성을 확인하는 확인 프로세스가 포함되어 있다. 확인 프로세스는 코드가 형식이 안전하고 버퍼 오버플로 또는 인젝션 어택과 같은 보안 취약성이 포함되어 있지 않은지 확인한다.
Sandboxing
프로그램을 서로 간에 그리고 기본 시스템으로부터 격리할 수 있는 샌드박싱 메커니즘을 제공한다. 샌드박싱은 프로그램에서 사용할 수 있는 권한과 리소스를 제한하고 악의적인 프로그램이 중요한 시스템 리소스나 데이터에 액세스 하지 못하도록 방지한다.
Secure execution
악성 코드가 시스템에서 실행되는 것을 방지하여 안전한 실행환경을 제공하여 프로그램이 안전하고 신뢰할 수 있는 환경에서만 실행되도록 악성 코드나 승인되지 않은 코드를 포함하지 않도록 한다.
Encryption
CLR은 중요한 데이터를 보호하고 무단 액세스를 방지할 수 있도록 데이터 암호화 및 암호 해복에 대한 지원을 한다. 이 암호화 메커니즘을 사용하면 디스크에 저장되거나 네트워크를 통해 전송되는 데이터를 보호할 수 있다.
Thread Management
개발자가 단일 프로그램 내에서 여러 스레드를 만들고 제어할 수 있도록 한다.
Thread Pool
개발자가 각 작업에 대해 새로운 스레드를 만드는 대신 여러 작업에 스레드를 재사용할 수 있도록 스레드 풀 메커니즘을 제공한다. 스레드 풀은 성능을 향상시키고 스레드 생성 및 소멸시 발생하는 오버헤드를 줄일 수 있다.
Thread Synchronization
여러 스레드가 공유 리소스나 데이터에 액세스할 때 발생할 수 있는 경합 상태 및 기타 동기화 문제를 방지하도록 다양한 동기화 메커니즘이 제공되는데 이 메커니즘에는 locks, mutexes, semaphores, synchronization primitives 가 있다.
Thread Prioritization
스레드의 우선 순위를 지정할 수 있어 중요한 작업이 먼저 실행되도록 할 수 있다. 우선 순위는 실행 예약 순서를 결정하는데 이것은 성능을 최적화하거나 중요한 작업이 먼저 실행되도록 하는 데 유용하다.
Thread Interruption
현재 실행 중인 스레드를 중단할 수 있는데 오래 실행되거나 응답하지 않는 스레드를 중지시킬 수 있다.
Thread Local Storage
여러 스레드 간에 공유되지 않고 특정 스레드에 로컬 데이터를 저장한다. 스레드 로컬 저장소는 성능을 최적화하거나 동기화 오버헤드를 줄일 수 있다.
Type System
.Net 호환 언어는 지켜야 할 타입의 표준 규격을 정의한 CTS를 만족한다면 누구나 새로운 언어를 만들어 .Net 프레임워크 상에서 실행할 수 있다. CTS의 모든 규격을 구현할 필요는 없으며 사용할 언어 사양에 맞게 구현하는 것도 가능하다.
CTS
Common Type System
공통 유형 시스템은 데이터 유형을 정의하고 사용하기 위한 표준이다.
데이터 유형은 언어 간 통합을 용이하게 하기 위해 런타임에 의해 사용되고 관리된다.
공용 언어 사양
CTS 이외에도 한 가지 지켜할 사항인 CLS가 있다.
직접 .Net 호환 언어를 만든다면 CTS는 전체를 구현할 필요가 없더라도 CLS만큼은 완벽하게 구현할 필요가 있는데 .Net 호환 언어끼리는 서로 사용할 수 있고 상속도 받을 수 있기 때문에 항상 외부에서 사용할 기능에 대한 호환성 문제를 염두하고 CLS를 준수해야 한다. 모든 .Net 호환 언어는 CLS에 정의한 사양만큼 구현하도록 하며 서로 간에 호출해야 하는 경우에는 그 기능에 한해서 만족시킬 수 있어야 한다.
CLS
Common Language Specification
완전한 상호운용성을 만들기 위한 언어의 공통점이다.
CTS의 서브셋으로 CLS의 규칙이 더 엄격하지 않은 이상 CTS 내의 모든 규칙이 CLS에 동일하게 적용될 수 있다.
사용하려는 함수, 변수를 하나의 객체로 만들어 사용하는것이 특징이며 전역 변수나 전역 함수와 같은 방식은 허용되지 않으며 어디서든 사용하기 위한 함수나 변수를 선언하기 위해서는 정적 클래스를 선언하고 그 내부에 함수와 변수를 선언하고 해당 정적 클래스를 통해 접근해서 사용하는 방식을 권장한다.
Multi-Paradigm Programming
하나의 프로그래밍 언어에서 하나의 패러다임에 국한되지 않고 여러 가지 프로그래밍 패러다임을 지원하는 것을 의미한다. 이 패러다임이란 사고 방식이나 문제 해결을 위한 접근 방식 그리고 특정 언어의 디자인 패턴과 같은 것을 말한다,
* Paradigm : 어떤 분야에서의 일관된 이론적 모델이나 철학적 접근 방식을 말한다.
Structed Programming
구조적 프로그래밍은 선택 및 반복 그리고 블록 구조 및 서브루틴의 구조화된 제어 흐름을 광범위하게 사용하여 컴퓨터 프로그램의 명료성, 품질 및 개발 시간을 향상시키는 것을 목표로한다.
Imperative Programming
명령형 프로그래밍은 프로그램의 상태를 Statements를 사용해 변경시키는 것을 말하며 명령적 프로그래밍은 컴퓨터가 수행할 명령으로 구성된다. 프로그램의 예상 결과에 대한 높은 수준의 설명보다 단계별로 프로그램이 작동하는 방식을 설명하는데 중점을 둔다.
Object-Oriented Programming
객체 지향 프로그래밍은 데이터와 코드를 포함할 수 있는 객체의 개념을 기반으로 하는 프로그래밍 패러다임이다.
데이터는 필드의 형태이고 코드는 절차의 형태를 한다. 객체는 일반적으로 프로시저나 메서드가 붙어있고 그것들을 통해서 객체의 데이터에 접근하고 수정하는 형태를 가진다.
Event-Driven Programming
이벤트 기반 프로그래밍은 마우스 클릭, 키 입력같은 사용자 동작이나 센서 출력, 메시지 전달 등의 이벤트에 의해 프로그램의 흐름이 결정되는 방식이다.
Asnychronous Method Invocation
비동기 메서드 호출, 멀티스레드 컴퓨터 프로그래밍에서 호출된 코드가 끝나기를 기다리는 동안 다른 호출이 차단되지 않는 설계 패턴이다. 응답이 도착하면 호출 스레드가 알려지고 응답에 대한 폴링은 되지 않는다.
* Polling
스레드에 플래그를 놓아 값이 준비되면 플래그를 메인 프로그램에 전달해주는 것을 말한다. 메인 프로그램에서는 주기적으로 스레드에 값이 준비되었는지 확인하는 작업이 필요하다.
Functional Programming
함수형 프로그래밍은 상태와 가변 데이터를 멀리하는 프로그래밍 패러다임이다. 자료처리를 수학적 함수의 계산처럼 취급한다.
Generic Programming
범용 프로그래밍은 하나의 코드를 통해 다양한 타입을 처리하는 것을 말한다.
Reflective Programming
Reflection을 활용하는 프로그래밍 패러다임이다.
* Reflection
런타임 시점에서 자신의 구조와 행위를 관리하고 수정할 수 있는 프로세스를 뜻한다.
행위 관리(Type Introspection) 은 런타임에서 객체의 타입을 결정할 수 있는 능력을 의미한다.
Concurrent Computing
동시 컴퓨팅, 프로세스에 대해 별도의 실행 지점 또는 제어 스레드가 있는 시스템 속성이다. 동시 시스템은 다른 연산이 완료될 때까지 기다리지 않고 연산이 진행될 수 있는 시스템이다.
모듈러 프로그래밍의 한 형태로 전체적인 계산은 동시에 실행될 수 있는 서브 컴퓨터에 반영된다.
Garbage Collection
C#이 다른 언어들과 가장 큰 차이를 보이는 부분은 메모리 관리에 있다. 메모리는 GC(Galbage Collector)를 통해서 관리된다. GC는 동적으로 할당된 메모리에 대해서 특정 시점에 특정 조건을 통해서 더 이상 사용되지 않는다고 판단되는 할당된 메모리를 해제하는 작업을 한다.
GC는 사용자로 하여금 메모리 관리에 신경쓰지 않아도 되는 편의성을 제공하지만 동시에 메모리에 대해서는 사용자가 관리할 수 없다는 단점도 가지고 있다.
Static
C#에서는 모든 메서드나 변수의 선언은 클래스 내부에서 가능하다. 즉 다른 언어처럼 전역으로 선언하고 어디서든 호출할 수 있게 만드는게 불가능하다.
애초에 C#은 어떤 클래스든 다른 클래스에서 호출하는것이 가능하기 때문에 전역으로 선언이 사용될 필요가 없게 되는데 이때 매번 인스턴스를 생성하는게 불편하다면 정적 클래스를 생성하고 그 내부에 메서드와 변수를 선언하여 사용하면 된다.
