Vorlesung Informatik B

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1 Vorlesung Informatik B Inhalt (Planung) 1 Grundlegende OO Konzepte (Fundamental Concepts) 2 Grundlagen der Software Entwicklung 3 Wichtige OO Konzepte (Major Concepts) 4 Zusätzliche OO Konzepte (Minor Concepts) 5 Klassenbibliotheken 6 Grafische Benutzeroberflächen 7 Netzwerkprogrammierung... Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 2 Informatik B Sommersemester 09

2 1 Grundlegende OO Konzepte Inhalt 1.1 Objekte, Klassen, Instanzen im Programm (Java) 1.2 Konzepte und UML Darstellung 1.3 Identität 1.4 Sichtbarkeitsbereiche (Scoping) 1.5 Parameter und Rückgabewerte 1.6 Überladen von Methoden 1.7 Spezielle Methoden 1.8 Gleichheit bzw. Identität von Objekten 1.9 Klasseneigenschaften Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 3 Informatik B Sommersemester 09

3 1 Grundlegende OO Konzepte 1.9 Klasseneigenschaften In Java gibt es keine globalen Funktionen oder globale Variablen Manchmal möchte man Variablen oder Operationen haben, die nicht an Objekte einer Klasse gebunden sind: - Klassenvariablen oder attribute (= class scope attribute): existiert pro Klasse einmal; alle Objekte teilen sich die Variable Zugriff: Klassenname.Variablenname - Klassenmethoden: Zugriff: Klassenname.Methodenname In Java mit Hilfe des Modifikators static Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 4 Informatik B Sommersemester 09

4 1 Grundlegende OO Konzepte 1.9 Klasseneigenschaften Beispiel Klassenattribut: Zählen der von einer Klasse erzeugten Instanzen public class Person { static int objno = 0; public String name; public static void main(string[] args) { } Person() { name = dummy ; ++objno; } protected void dying() { --objno; } } Person p1 = new Person(); Person p2 = new Person(); System.out.println( No: + Person.objNo); p2.dying(); System.out.println( No: + Person.objNo); Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 5 Informatik B Sommersemester 09

5 1 Grundlegende OO Konzepte 1.9 Klasseneigenschaften Beispiel Klassenattribut: Deklaration von Konstanten (für alle Instanzen der Klasse) public class Person { public static final int ANZAHLOHREN = 2;... } Lebensdauer überdauert die einzelnen Instanzen (erstreckt sich über das gesamte Programm) Unveränderliche Variable (Konstante): Keine Wertänderung während der Programmausführung möglich Großschreibung als Konvention für Konstanten (kommt aus der Sprache C) Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 6 Informatik B Sommersemester 09

6 1 Grundlegende OO Konzepte 1.9 Klasseneigenschaften Beispiel Klassenoperation: Verwendung von sqrt in der Klasse Math: public static void main (String[] args) { double x =4.0d; } System.out.println( Quadratwurzel ist: + Math.sqrt(x)); Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 7 Informatik B Sommersemester 09

7 1 Grundlegende OO Konzepte 1.9 Klasseneigenschaften z.b. in Klassenbibliotheken - System ( Toolbox, zur Kommunikation mit dem Betriebssystem z.b. Funktionen für den Aufruf des Garbage Collectors oder das Beenden des Programms) - Math (Funktionen zur Fließkommaarithmetik) Besonderheiten von Klassenmethoden: - kein Zugriff auf Instanzvariablen (Unabhängigkeit zum konkreten Objekt) - this-referenz unbekannt - beides wird bei der Übersetzung vom Compiler als Fehler erkannt Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 8 Informatik B Sommersemester 09

8 1 Grundlegende OO Konzepte 1.9 Klasseneigenschaften Statische Konstruktoren (Klasseninitialisierer) Ähnlich wie die schon bekannten Konstruktoren, jetzt aber Initialisierung von Klassenattributen Der statische Konstruktor wird einmal zu Programmbeginn (Klassen laden) aufgerufen (statt bei Instanziierungen) class Test { static int i; static int j; } static { i = 5; j = 3 + i; } statischer Konstruktor mit Name static Ohne Parameter, da keine benutzerdefinierten Parameter möglich sind (Aufruf zur Klassenladezeit durch die Java Virtual Machine) Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 9 Informatik B Sommersemester 09

9 1 Grundlegende OO Konzepte 1.9 Klasseneigenschaften Darstellung in UML: Person ANZAHLOHREN:int kinder:kind [0..*] name:string = Noname /alter Abgeleitetes Attribut (derived) wird berechnet; darf nicht geändert werden Klassenvariable (Großschreibung hier nicht gefordert) Multiplizität (multiplicity) / Attribut kinder hier optional Initialwert (inital value) Darstellung für Klassenmethoden analog zu Klassenattributen Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 10 Informatik B Sommersemester 09

10 1 Grundlegende OO Konzepte Überblick über die Grundbegriffe der Objektorientierung Minor Concepts: Typing Concurrency Polymorphism Persistence Major Concepts: Relations between Classes (and Objects) Abstraction, Encapsulation / Information Hiding Modularity and Hierarchy Fundamental: Class, Instance, Object [Boo94] G. Booch. Object-Oriented Analysis and Design, 2nd. Edition, Benjamin/Cummings, Redwood City, CA, 1994 Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 11 Informatik B Sommersemester 09

11 2 Inhalt 2.1 Die Programmiersprache Java 2.2 Vom Programm zur Maschine 2.3 Abstraktion von der Plattform Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 12 Informatik B Sommersemester 09

12 2.1 Die Programmiersprache Java Entwicklung der Programmiersprachen Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 13 Informatik B Sommersemester 09

13 2.1 Die Programmiersprache Java Entwicklung der Programmiersprachen Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 14 Informatik B Sommersemester 09

14 2.1 Die Programmiersprache Java Java Entwicklung: - 90iger Jahre: Programmiersprache für Consumer Geräte, Set-Top-Boxen, Netzwerk-Anwendungen - heute: hauptsächlich zur Realisierung Internetbasierter / verteilter Anwendungen - OpenJDK ( als Basis von Java 7: endgültige Freigabe als Open Source-Lizenz GPL 2 breite Industrieunterstützung für Java Sun, Apache Software Foundation, BEA, IBM, Oracle, (Microsoft) Konkurrent: C#, C++ Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 15 Informatik B Sommersemester 09

15 2.1 Die Programmiersprache Java / _ha_CZ.html?thes=8007,8008,10228,10232&tp=/ausrichtungen/prozesse Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 16 Informatik B Sommersemester 09

16 2.1 Die Programmiersprache Java Java ist konzipiert als eine... - einfache und kleine - objektorientierte - dezentrale - interpretierte - stabil laufende - architekturneutrale [plattformunabhängig] - portierbare - dynamische Sprache, die Hochgeschwindigkeitsanwendungen und Multithreading unterstützt (nach SUN Microsystems) Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 17 Informatik B Sommersemester 09

17 2.1 Die Programmiersprache Java Java-Applets - in Web-Seiten eingebettet - in der Laufzeit-Umgebung von Web-Browsern ausgeführt - aus Sicherheitsgründen eingeschränkte Rechte Java-Applikationen - von Kommandozeile oder als Anwendung gestartet - volle Rechte einer eigenständigen Anwendung Programmierung von Applets und Applikationen ist ähnlich zueinander Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 18 Informatik B Sommersemester 09

18 2.1 Die Programmiersprache Java Java Development Kit (JDK) - kostenlose Java-Entwicklungsumgebung von Sun/Oracle java javac Klassenbibliothek + JVM + Compiler + Tools - zur Java-Entwicklung reichen prinzipiell Text-Editor und JDK integrierte Entwicklungsumgebung (Integrated Development Environment = IDE) kommerziell: - Borland JBuilder (CodeGear),... frei: - Eclipse (IBM/Konsortium), - NetBeans (Sun), - BlueJ ( Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 19 Informatik B Sommersemester 09

19 2.1 Die Programmiersprache Java Java Entwicklungswerkzeuge javac Java Compiler (javac Example.java) java Java-Interpreter (Java Application Launcher) (java Example) appletviewer Applet-Viewer (appletviewer Example.html) javadoc Dokumentationswerkzeug (API Documentation Generator) (javadoc Example.java) jdb Textmode-Debugger (Java Application Debugger) (jdb Example) javap Disassembler (Class File Disassembler) (javap Example) javah C Header and Stub File Generator (javah Example) jar JAR Archive Tool... und andere Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 20 Informatik B Sommersemester 09

20 2.1 Die Programmiersprache Java Java Runtime Environment (JRE) - Untermenge des JDK JRE java javac Klassenbibliothek + JVM + Compiler + Tools - benötigt, um Java Applikationen auszuführen - darf ohne Lizenzgebühren eigenen Produkten beigefügt werden Java Virtual Machine (JVM) - Teil des JRE, der Bytecode (in den.class Dateien) interpretiert und ausführt -.class Dateien werden bei Bedarf geladen und interpretiert - oder just in time in Maschinensprache der Zielplattform übersetzt Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 21 Informatik B Sommersemester 09

21 2.2 Vom Programm zur Maschine Allgemeiner Ablauf: Transformation: (Präprozessor, Übersetzer, Compiler, Assemblierer, Linker, Loader) Assembler File HelloWorld... main: pushl %ebp movl %esp,%ebp subl $4,%esp call printf addl $8,%esp... Interpretation auf der Firmware Hardware, el. Schaltkreise Prozessor R1 Quelltext: HelloWorld Maschinencode: das sieht der Prozessor (HelloWorld) R2 T1 R4 +5 V x1 x2 Tv Tp D y = (x1 x2) T2 R3 0 V Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 22 Informatik B Sommersemester 09

22 2.2 Vom Programm zur Maschine Ablauf am Beispiel Java: 1) Programmierung: Entwickler schreibt Quelltext (Source Code) javac.java Dateien (z.b. Person.java) Compiler 2) Kompilierung: Übersetzer/Compiler übersetzt Quellcode in Binärcode (Java- Binärcode = Bytecode) menschenlesbare Darstellung (Mnemonic) javap java.class Dateien (z.b. Person.class) Hex Darstellung JVM Interpreter 3) Java Virtual Machine interpretiert Bytecode, führt ihn aus Applikation in Ausführung Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 23 Informatik B Sommersemester 09

23 2.1 Die Programmiersprache Java Plattformunabhängigkeit Quelltext - Bytecode ist plattformunabhängig Compiler Bytecode - JVM existieren für verschiedene Plattformen kompilierte Programme auf verschiedenen Plattformen ausführbar Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 24 Informatik B Sommersemester 09 Unix JVM Win JVM MacOS JVM IBM Mainframe Dell Laptop Macbook

24 2.2 Vom Programm zur Maschine Compilation: versus Interpretation: Quellprogramm Quellprogramm Compiler Zielprogramm (Maschinensprache) Interpreter Ausführung Ausführung Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 25 Informatik B Sommersemester 09

25 2.2 Vom Programm zur Maschine Wie macht es Java? Quellprogramm Quellprogramm Compiler Zielprogramm (Byte Code) (Maschinensprache) Ausführung Interpreter Ausführung Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 26 Informatik B Sommersemester 09

26 2.2 Vom Programm zur Maschine Wie macht es Java? Quellprogramm Compiler Zielprogramm: Byte Code Maschinensprache eines Spezialprozessors: PicoJava Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 27 Informatik B Sommersemester 09

27 2.2 Vom Programm zur Maschine Vom Programm auf die Virtuelle Maschine und umgekehrt [Bill Venners, The Java Virtual Machine] class Act { public static void domathforever() { int i = 0; for (;;) { i += 1; i *= 2; } } } javac Disassembly 0 iconst_0 // 03 1 istore_0 // 3b 2 iinc 0, 1 // iload_0 // 1a 6 iconst_2 // 05 7 imul // 68 8 istore_0 // 3b 9 goto 2 // a7 ff f9 javap Bytecode stream: 03 3b a b a7 ff f9 (hexadezimale Darstellung) Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 28 Informatik B Sommersemester 09

28 2.2 Vom Programm zur Maschine Bytecode zum Weiterlesen: Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 29 Informatik B Sommersemester 09

29 2.3 Abstraktion von der Plattform Abstraktion in Java Java Programm (Anwendungsprogramm) Java API Java Virtual Machine (JVM) Laufzeitsystem Betriebssystem JVM zum Weiterlesen: Tim Lindholm, Frank Yellin: The Java TM Virtual Machine Specification, Second Edition Online frei verfügbar: Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 30 Informatik B Sommersemester 09

30 2.3 Abstraktion von der Plattform Abstraktion von der Plattform Java Programm Java API Java Virtual Machine (JVM) Systemprogramme, z.b. vi Systemaufrufschnittstelle (System Call Interface) Betriebssystem (Operating System) Verwaltung der Ressourcen (z.b. Speicher, Dateien, I/O, Benutzer, Prozesse) Maschinensprache Mikroprogramme Physikalische Geräte (CPU, Speicher,...) Treiber Sicherheit durch kontrollierende JVM Zwischenschicht Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 31 Informatik B Sommersemester 09

31 2.3 Abstraktion von der Plattform Programm javac java int i = 99; A obja = new A();... API JVM Garbage Collector Betriebssystem (BS) Prozess N Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 32 Informatik B Sommersemester 09

32 2.3 Abstraktion von der Plattform Systemressource Prozess (vom Betriebssystem verwaltet) Prozesse (Processes / Tasks): die ausführbaren / ausgeführten Programme auf einem Rechner - Multi-Processing vs. Single-Processing - Multi-User vs. Single-User Prozesszustände: 1 (just) created 2 runnable execute on CPU 4 blocked 6 Zombie suspended 8 Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 33 Informatik B Sommersemester 09

33 2.3 Abstraktion von der Plattform Systemressource Prozess Prozesse (Processes / Tasks): die ausführbaren / ausgeführten Programme auf einem Rechner - Prozesse besitzen eigene Speicherbereiche (Adressräume) für Daten und Code. - Prozesse besitzen Zugriffsrechte (Access Rights) auf Ressourcen wie Dateien oder Netzwerkverbindungen. - Prozesse haben Verwaltungsinformationen über ihren Zustand, z.b. Priorität und Ablaufzustand. - Das Betriebssystem hält in einer Prozesstabelle (Process Table) alle Prozesse gespeichert (Process ID, pid) und steuert den Ablauf der Prozesse. Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 34 Informatik B Sommersemester 09

34 2.3 Abstraktion von der Plattform - einem Prozess ist ein Speicherbereich zugeordnet = Adressraum eines Prozesses - Der Adressraum eines Prozesses (Speichermodell) besteht aus: Datensegment, Programmsegment und dem Stack (Stapelspeicher) Stack kurzfristige Speicherung (push/pop) empty Prozess N Data Segment Text Segment längerfristige Speicherung Änderung nur in Ausnahmenfällen Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 35 Informatik B Sommersemester 09

35 2.3 Abstraktion von der Plattform Speicherbedarf für: - die Speichervariablen gemäß Datentyp - das Programm / den Programmtext Speicherverwaltung für Prozesse durch das Betriebssystem (UNIX Speichermodell) Systemspeicher... B-Stack B-Data B-Text A-Stack A-Data A-Text OS Stack empty Data Segment (== Heap) Text Segment Prozessadressraum = Programmspeicher verwaltet durch die Programmiersprache (Laufzeitumgebung bzw. Virtual Machine) Jun. Prof. Dr. E. Pulvermüller Folie 36 Informatik B Sommersemester 09