Kurzeinführung in Java für C++-Programmierer

Transkript

1 c JOHANNES MAYER, SAI, UNIVERSITÄT ULM, JANUAR DOCENDO CUR ANDO SCIENDO U NIVERSITÄT ULM Kurzeinführung in Java für C++-Programmierer Johannes Mayer Universität Ulm Abteilung Angewandte Informationsverarbeitung

2 Eine südostasiatische Insel WAS IST EIGENTLICH JAVA? Ein (US-amerikanischer) umgangssprachlicher Ausdruck für starken, heißen Kaffee Eine Programmiersprache von Sun Microsystems Inc. WAS IST EIGENTLICH JAVA? 2

3 LITERATUR ➀ David Flanagan: Java Examples in a Nutshell, zweite Ausgabe, O Reilly, (Viele Beispiele zu allen möglichen Bereichen sehr zu emfehlen.) ➁ Patrick Niemeyer, Jonathan Knudsen: Learning Java, O Reilly, (Einführung in Java mit Beispielen gespickt) ➂ David Flanagan: Java in a Nutshell, dritte Augabe, O Reilly, (Nur, um sich einen vollständigen Überblick über die Sprache Java zu verschaffen bzw. nachzuschlagen.) ➃ David Flanagan: Java Foundation Classes in a Nutshell, O Reilly, (Analog zum vorigen Buch nur jetzt für AWT, Swing und Java 2D.) ➄ Mario Jeckle: Skript zur Vorlesung Java, WS 2000/2001. (Auf der Seite erhältlich.) LITERATUR 3

4 WEBSEITEN / COMPILER Alles rund um Java gibt s auf der Java-Homepage von Sun Microsystems: Download des Java 2 SDK 1.3.1: (Version ist die momentan stabile Version; Version 1.4 steht als Release Candidate zur Verfügung) Online-Handbücher und Tutorials zu Java: Online-Dokumentation der API des Java 2 SDK 1.3.1: Java 2 SDK 1.3 von IBM: (schneller JIT für Linux und Windows, nicht aber für Solaris) Sun s Forte for Java: Borland JBuilder 6 Personal: BlueJ: WEBSEITEN / COMPILER 4

5 GESCHICHTLICHES 1990 Mike Sheridan ist Initiator des Green Teams bei Sun Microsystems 1991 James Gosling beginnt seine Arbeit am Interpreter Oak (später in Java umbenannt) Patrick Naughton arbeitet am Aspen Grafik-System 1994 Van Hoff implementiert einen Java-Compiler in Java (Gosling implementierte den Compiler in C) 1995 Sun kündigt Java auf der SunWorld an Download im Internet JDK s: 1996 v 1.0, 1997 v 1.1, 1998 v 1.2, 2000 v 1.3, 2002 v 1.4 GESCHICHTLICHES 5

6 ALLGEMEINES Java ist rein objektorientierte Programmiersprache und nicht hybrid wie etwa C++ Entstanden (im Wesentlichen) aus C++ und Oberon Große Ähnlichkeit zu C/C++ Überschaubare Anzahl von Sprachmitteln im Gegensatz zu C++ Plattformunabhängig (wegen Interpretation von Bytecode) Sauberes Modulkonzept (wie in Oberon) Keine richtigen Zeiger (d. h. keine Zeigerumwandlungen und keine Zeigerarithmetik wie in Oberon) Automatische Speicherverwaltung ALLGEMEINES 6

7 ALLER ANFANG IST LEICHT ' ' % & Java kennt nur Klassen eine rein objektorientierte Sprache Minimales Programm muss also in Klasse eingebettet sein Datei sollte so wie die enthaltene Methode C/C++ Methode -Klasse heißen $#als Startpunkt für die Programmausführung wie in $#wird von dem Standardausgabe-Stream aufgerufen (rein objektorientiert) ALLER ANFANG 'IST LEICHT7

8 VON DER QUELLE BIS ZUR AUSFÜHRUNG Java Quelle (Hello.java) Java Bytecode (Hello.class) Just In Time Compiler (JIT) Java Compiler (javac) Java Virtual Machine (java) Java-Quellcode wird vom Compiler in maschinenunabhängigen Java-Bytecode übersetzt (Plattformunabhängigkeit) Java-Bytecode wird von virtueller Maschine (JVM) interpretiert Evtl. übersetzt ein in die JVM integrierter Just-In-Time-Compiler (JIT) Methoden vor ihrer ersten Ausführung ( Performance vergleichbar zu C/C++) VON DER QUELLE BIS ZUR AUSFÜHRUNG 8

9 COMPILATION UND AUSFÜHRUNG Compiler erzeugt aus die Klassendatei keine ausführbare Datei, sondern enthält Java-Bytecode JVM wird mittels aufgerufen Klassenname angeben beim Aufruf der JVM und nicht den Namen der Klassendatei COMPILATION UND AUSFÜHRUNG 9

10 dem Namen Methode TYPISCHE ANFÄNGERFEHLER Tippfehler bei der Eingabe des Klassennamens Exception gibt JVM sucht in einer auszuführenden Klasse eine öffentliche statische TYPISCHE ANFÄNGERFEHLER 10 $# signalisiert, dass es keine Klasse mit

11 PRIMITIVE DATENTYPEN Name des Typs Art des Typs Speicherplatzbedarf byte vorzeichenbehaftete ganze Zahl 1 Byte short vorzeichenbehaftete ganze Zahl 2 Bytes int vorzeichenbehaftete ganze Zahl 4 Bytes long vorzeichenbehaftete ganze Zahl 8 Bytes float reelle Zahl 4 Bytes double reelle Zahl 8 Bytes boolean boolescher Wert 1 Byte char Unicode-Zeichen 2 Bytes Genau spezifizierte Größe aller primitiven Datentypen auf allen Plattformen (im Gegensatz zu in C/C++) kann nicht von/in andere Typen konvertiert werden PRIMITIVE DATENTYPEN 11

12 KOMMANDOZEILEN-ARGUMENTE Parameter von $#enthält die Kommandozeilen-Argumente (im Gegensatz zu C/C++ steht das erste Argument bei Index 0) KOMMANDOZEILEN-ARGUMENTE 12

13 % % ist der Array-Typ mit String-Elementen Im Gegensatz zu C/C++ kann man in Java die Länge eines Arrays bestimmen ist eine Standard-Java-Klasse Mit dem Operator kann man Strings konkatenieren Zahlen werden im String-Kontext automatisch in Strings konvertiert KOMMANDOZEILEN-ARGUMENTE 13

14 STRINGS STRINGS 14

15 # % % ist eine Standard-Java-Klasse für Strings konstruiert bereits ein String-Objekt ( also ineffizient, da zwei String-Objekte konstruiert werden) Strings sind nicht veränderbar ( keine Kopie nötig) $ist STRINGS 15

16 ARRAYS Wegen der Annahme sehr fehleranfällig Array-Typen, wie z. B., sind Klassen ist dieses Programm noch ARRAYS 16

17 % KLASSEN UND OBJEKTE Mit und % % bzw. haben wir schon spezielle Klassen kennen gelernt Wir haben schon selbst Klassen geschrieben ( Von der Oberklasse abgeleitet entweder explizit oder implizit sind alle Klassen (zumindest indirekt),, ) Bei Klassen gibt es nur einfache Vererbung somit ist die Vererbungshierarchie in Java ein Baum für alle Klassen Alles was zur Klasse gehört, muss in der Klasse stehen (im Gegensatz zu Implementierungen und Initialisierungen außerhalb von Klassen wie bei C++) Objekte, d. h. Instanzen einer Klasse werden mit dem angewandt auf einen Konstruktor erzeugt -Operator Java besitzt eine automatische Speicherverwaltung, daher keinen -Operator KLASSEN UND OBJEKTE 17

18 Referenzen haben per Voreinstellung den Wert REFERENZEN Variablen vom Typ einer Klasse heißen Referenzen Referenzen sind ähnlich den Zeigern von Oberon Unterschiede zu C/C++: Keine Dereferenzierung notwendig und möglich Kein allgemeiner Zeigertyp wie etwain C/C++ Keine Typumwandlungen von Referenzen erlaubt Keine Zeigerarithmetik möglich Keine Referenzen auf primitive Datentypen Implizit erfolgt kein Aufruf eines Konstruktors (wie bei den Variablen vom Typ einer Klasse in C++) REFERENZEN 18

19 BEISPIEL: FIGUREN Schlüsselwort Klasse ist abstrakt, wenn sie mindestens eine abstrakte, d. h. mit dem deklarierte und nicht implementierte Methode besitzt Standardmäßig erfolgt dynamische Bindung bei allen (Objekt-)Methoden in Java (was bei C++ durch das Schlüsselwort explizit gefordert werden muss) ( Schlüsselwort ) Bei der Definition der Klasse ist keine Oberklasse angegeben, also ist sie implizit von Object abgeleitet Fehlt ein Konstruktor, so wir ein -Konstruktor ohne Parameter hinzugefügt, der als einzige Anweisung ebenfalls den parameterlosen Konstruktor der Oberklasse aufruft BEISPIEL: FIGUREN 19

20 BEISPIEL: FIGUREN 20

21 # ist von abgeleitet Konstruktor enthält als erste Zeile nicht den Aufruf $eines Konstruktors der Oberklasse $#wird als erste Zeile eingefügt ist Referenz auf das Objekt selbst Sichtbarkeit eines jeden Klassenelements wird durch die Angabe von etc. getrennt voneinander festgelegt Polymorphie: Einer Referenz können auch Objekte einer abgeleiteten Klasse zugewiesen werden BEISPIEL: FIGUREN 21

22 TYPENTEST UND TYPZUSICHERUNG TYPENTEST UND TYPZUSICHERUNG 22

23 Mit dem Operator kann man überprüfen, ob ein Objekt einen bestimmten Typ besitzt Durch den (...)-Operator kann dann schließlich zugesichert werden, dass es sich um ein Objekt vom angegebenen Typ handelt Typzusicherung schlägt fehl, falls das Objekt nicht vom angegebenen Typ ist ( Typzusicherung ist keine Typumwandlung ) TYPENTEST UND TYPZUSICHERUNG 23

24 AUSNAHMEN Zugriff auf Array-Elemente außerhalb des erlaubten Bereichs führt in AUSNAHMEN 24

25 Java automatisch zu einer Ausnahme ( & Ausnahmen sind in Java mit Objekten vom Typ parametrisiert Wird eine Ausnahme nicht abgefangen, so führt dies zu einem Stack-Trace, also der Ausgabe aller zur Zeit aktiven Methoden, und i. A. zum Abbruch des Programms ( nützlich bei der Fehlersuche) Erzeugen einer Ausnahme geht wie folgt: ) # & & # $ $ Abfangen einer Ausnahme geht wie in C++: AUSNAHMEN 25

26 EIN-/AUSGABE STREAMS, READER UND WRITER EIN-/AUSGABE STREAMS, READER UND WRITER 26

27 % & % & % & % % % % % Klassen zur Ein- und Ausgabe im Paket ist abstrakte Klasse zum zeichenweisen Lesen ( Unicode-Zeichen) führt Pufferung ein und ermöglicht somit das Lesen von ganzen Zeilen konkrete Klasse zum Lesen aus einer Datei konkrete Klasse zum Lesen aus einem String ist abstrakte Klasse zum byteweisen Lesen für komplizierteres Parsen der Eingabe Analog dazu gibt es für die Ausgabe die abstrakten Klassen und sowie die konkreten Klassen,,, etc., und sind Beispiele Geprüpfte Ausnahmen müssen entweder abgefangen oder bei der Methodendeklaration angegeben werden EIN-/AUSGABE STREAMS, READER UND WRITER 27

28 SCHNITTSTELLEN Eine Schnittstelle deklariert eine Menge von öffentlichen Methoden und Variablen, die eine implementierende Klasse besitzen muss (vgl. Definitions-Modul in Oberon) Keine Implementierung einer Methode in der Schnittstelle möglich Mehrfachvererbung im Zusammenhang mit Schnittstellen möglich: Schnittstelle kann von mehreren Schnittstellen erben Klasse kann mehrere Schnittstellen implementieren Schnittstellen sind genauso Typen wie es Klassen sind Ideales Information Hiding SCHNITTSTELLEN 28

29 SCHNITTSTELLEN 29

30 % % besitzt implizit die Oberklasse Außerdem implementiert % die Schnittstelle Zusweisung eines Student-Objekts also an Referenzen vom Typ, und möglich Typmehrfachvererbung also möglich SCHNITTSTELLEN 30

31 MODULKONZEPT MODULKONZEPT 31

32 MODULKONZEPT 32

33 Klassen und Schnittstellen sind die Module in Java Anordnung von Klassen und Schnittstellen in Unterverzeichnissen möglich (Pakete) Paketname am Anfang mit angeben Relativer Pfad vom jeweiligen Hauptverzeichnis entspricht (nach Ersetzung von / durch. ) dem Paketnamen Alle Klassen, Schnittstellen, Methoden und Variablen ohne eines der Schlüsselworte, und sind genau für alle Klassen und Schnittstellen aus dem selben Paket sichtbar (Paket-Sichtbarkeit) Import von Klassen und Schnittstellen aus anderen Paketen mittels MODULKONZEPT 33

34 PARAMETERÜBERGABE PARAMETERÜBERGABE 34

35 Nur Call by Value möglich in Java Objektzustand kann sich aber ändern, die Referenz nicht Simulation von Call by Reference : Variablen-Parameter in eine Klasse verpacken Wie in C++ gibt es in Java auch innere Klassen und zusätzlich auch innere Schnittstellen ( direkt zu einer Klasse gehörig) Innere Klassen können Bruch der Kapselung durch innere Klassen oder auch nicht sein PARAMETERÜBERGABE 35

36 VERGLEICH VON OBJEKTEN VERGLEICH VON OBJEKTEN 36

37 # # Mit dem Operator werden nur die Referenzen verglichen bei Referenzen auf verschiedene Objekte immer ungleich und Vergleich referenzieren unterschiedliche Objekte, also liefert der erste $ist eine von definierte Methode, die standardmäßig (wenn keine eigene Implementierung vorhanden ist) die Referenzen vergleicht Weil vom Typ $für alle Objekte funktionieren soll, ist der Parameter ( Typentest und Typzusicherung) VERGLEICH VON OBJEKTEN 37

38 $ verfügbar sind) gibt es die Schnittstelle # Im Paket expliziten, (vom dem alle Klassen und Schnittstellen ohne die nur folgende Methodendeklaration enthält: Evtl. Sonst: kleiner, bei unvergleichbarem Objekt gleich und größer VERGLEICH VON OBJEKTEN 38

39 VERGLEICH VON OBJEKTEN 39

40 generische Sortieralgorithmen sind auf diese Art möglich (Java kennt momentan noch keine Templates im Gegensatz zu C++) Bei Zuweisungen von Referenzen wird nicht das Objekt, sondern nur die Referenz (also der Zeiger ) kopiert Ein Array ist ein Objekt daher ist die Vertauschung der Elemente trotz Call by Value möglich VERGLEICH VON OBJEKTEN 40

41 KOPIEN VON OBJEKTEN ERZEUGEN KOPIEN VON OBJEKTEN ERZEUGEN 41

42 % Zuweisung von Referenzen erzeugt noch keine Kopie Methode $#vonerzeugt eine byteweise Kopie mit demselben dynamischen Typ ( keinen Konstruktor verwenden) Bei Aggregation werden nur die Referenzen und nicht die Objekte bei einer byteweisen Kopie dupliziert ( $#ist aber nicht implementiert wird Die Schnittstelle Paket $#überschreiben) und löst eine aus, wenn die Schnittstelle aus dem automatisch importierten enthält keine Methodendeklaration ( Marker Interface ) KOPIEN VON OBJEKTEN ERZEUGEN 42

43 STRINGREPRÄSENTATION STRINGREPRÄSENTATION 43

44 % $# % % Von wird die Methode $#geerbt Referenz im Stringkontext führt zur Anwendung der Methode Überschreiben der Methode bestimmen Interessant für Fehlersuche $#, um die Form der Ausgabe zu STRINGREPRÄSENTATION 44

45 THREADS THREADS 45

46 # Threads sind leichtgewichtige Prozesse, d. h. Threads teilen sich den Adressraum Laufen parallel (keine explizite Kooperation wie etwa bei Koroutinen in Oberon) Thread-Ausführung wird mit der Methode Mittels Ausführung der Methode $#des Threads $#gestartet $schlafender Thread kann durch eine unterbrochen werden Beide Threads sind Beispiele für Objekte anonymer Klassen THREADS 46

47 SYNCHRONISATION VON THREADS SYNCHRONISATION VON THREADS 47

48 SYNCHRONISATION VON THREADS 48

49 & & & Java stellt Sprachmittel zur Synchronisation von Threads bereit Zwei -Anweisungsblöcke, bei denen dasselbe zu synchronisierende Objekt angegeben ist, können nie gleichzeitig aktiv sein (gegenseitiger Ausschluss bzw. Mutual Exclusion ) Zusätzlich zu -Anweisungsblöcken kann auch eine Methode mit dem Schlüsselwort synchronized deklariert werden implizites Einschließen aller Aufrufe dieser Methode in einen -Block parametrisiert mit dem Objekt, auf dem die Methode ausgeführt werden soll Bei mehr als einer zu synchronisierenden Resource kann es zu Verklemmungen kommen ( Deadlocks ) Alle in anonymen Klassen von außerhalb verwendeten Variablen müssen mit Hilfe des Schlüsselwortes final als konstant deklariert werden (Referenz ist konstant, Objektzustand, d. h. die Werte seiner Variablen, nicht) SYNCHRONISATION VON THREADS 49

50 CONTAINER-KLASSEN DES JAVA-API CONTAINER-KLASSEN DES JAVA-API 50

51 % % ist eine Container-Klasse aus der Java Bibliothek, die dynamisch wachsende Arrays implementiert Verwendung auch als Liste möglich (z. B. Methode Elemente von Templates kennt besitzen den Typ Queues bzw. doppelt verkettete Listen: Stacks: Mengen: Assoziative Arrays: $#), da Java keine CONTAINER-KLASSEN DES JAVA-API 51

52 GUI-PROGRAMMIERUNG MIT JAVA-SWING GUI-PROGRAMMIERUNG MIT JAVA-SWING 52

53 # % # $ Java-GUI-Programme auf Turing ausführen (wegen der installierten JDK-Version) Swing und AWT sind die GUI-Bibliotheken der Java Foundation Classes (Swing ist aktueller) ist ein Fenster Reaktion auf Schließen des Fensters durch Installation eines eigenen s Hinzufügen eines Textfeldes ( Entweder Größe mittels ermitteln lassen ( $#) Schließlich Fenster mittels ) mittels $#setzen oder benötigte Größe $anzeigen GUI-PROGRAMMIERUNG MIT JAVA-SWING 53

54 ZUSAMMENFASSUNG: C++ VS. JAVA C++ Java übersetzt plattformabhängig hybrid objektorientiert schnelle Ausführung Präprozessor interpretiert (evtl. JIT) plattformunabhängig echt objektorientiert mit gutem JIT nur etwa ein Drittel langsamer (anwendungsabhängig) echtes Modulkonzept Templates noch nicht für Java SDK 1.5 geplant Mehrfachvererbung bei Klassen ZUSAMMENFASSUNG: C++ VS. JAVA 54

55 C++ Java Schnittstellen und dadurch volles Information Hiding und Typ-Mehrfachvererbung unsichere Zeiger leicht Speicherlecks möglich Überladen von Operatoren typsichere Zeiger automatische Speicherverwaltung anonyme Klassen große Standardbibliothek Persistenz integriert Threads mit Synchronisation ZUSAMMENFASSUNG: C++ VS. JAVA 55

56 C++ Java Reflection automatische erzeugte HTML- Dokumentation (javadoc) ZUSAMMENFASSUNG: C++ VS. JAVA 56