Cornelia Heinisch Frank Müller-Hofmann Joachim Goll. Java als erste Programmiersprache

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2 Cornelia Heinisch Frank Müller-Hofmann Joachim Goll Java als erste Programmiersprache

3 Cornelia Heinisch Frank Müller-Hofmann Joachim Goll Java als erste Programmiersprache Vom Einsteiger zum Profi 6., überarbeitete Auflage STUDIUM

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dr. Cornelia Heinisch, geb. Weiß, Jahrgang 1976, studierte Softwaretechnik an der Hochschule Esslingen. Seit ihrem Diplom im Jahre 1999 ist sie Lehrbeauftragte für Objektorientierte Modellierung an der Hochschule Esslingen. Cornelia Heinisch arbeitet bei der Firma IT-Designers GmbH als System-Designerin für Verteilte Objektorientierte Systeme. Frank Müller-Hofmann, MSc, Jahrgang 1969, studierte Softwaretechnik an der Hochschule Esslingen nach Lehre und Beruf. Herr Müller-Hofmann arbeitet als System-Designer für Verteilte Objektorientierte Systeme bei IT-Designers GmbH. Er ist Lehrbeauftragter für Internettechnologien an der Hochschule Esslingen und für Kommunikation in Verteilten Systemen an der Brunel University of West-London. Prof. Dr. Joachim Goll, Jahrgang 1947, unterrichtet seit 1991 im Fachbereich Informationstechnik der Hochschule Esslingen die Fächer Programmiersprachen, Betriebssysteme, Software Engineering, Objektorientierte Modellierung und Sichere Systeme. Während seiner beruflichen Tätigkeit in der Industrie befasste er sich vor allem mit dem Entwurf von verteilten Informationssystemen. Prof. Goll ist Leiter des Steinbeis-Transferzentrums Softwaretechnik Esslingen. 1. Auflage , überarbeitete Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Ulrich Sandten Kerstin Hoffmann Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt ins be sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: Těšínská Tiskárna, a. s., Tschechien Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Czech Republic ISBN

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6 Vorwort Die Sprache Java ist durch ihre Betriebssystem-Unabhängigkeit ideal für die Realisierung verteilter Systeme, die aus verschiedenartigsten Rechnern vom Handy bis zum Großrechner aufgebaut sein können. Java wird heute bereits im Informatik- Unterricht an den Gymnasien unterrichtet und ist fester Bestandteil des Studiums von Ingenieuren und Betriebswirten geworden. Java stellt im Grunde genommen eine einfache Sprache dar. Darüber hinaus werden jedoch in umfangreichen Klassenbibliotheken wertvolle und weitreichende Hilfsmittel zur Verfügung gestellt, die den Bau verteilter Systeme mit Parallelität, Oberflächen, Kommunikationsprotokollen und Datenbanken in erheblichem Maße unterstützen. Dieses Buch wendet sich an Studierende, Umsteiger und Schüler, welche das Interesse haben, die Grundlagen von Java fundiert zu erlernen. Es erlaubt, Java ohne Vorkenntnisse anderer Programmiersprachen zu erlernen. Daher der Titel "Java als erste Programmiersprache". Dazu ist aber erforderlich, dass die Übungsaufgaben am Ende eines Kapitels bearbeitet werden. Wer das Buch nur lesen möchte, sollte bereits über die Kenntnisse einer anderen Programmiersprache verfügen. Dieses Buch hat das ehrgeizige Ziel, dem Neuling die Sprachkonzepte von Java, die Grundkonzepte der objektorientierten Programmierung und wichtige Teile der Klassenbibliothek so präzise wie möglich und dennoch in leicht verständlicher Weise vorzustellen. Aber unterschätzen Sie dennoch den Lernaufwand nicht. Der Buchumfang ist nicht in einer einzigen Vorlesung zu schaffen. Vorlesungen über das Programmieren verteilter Systeme mit Java oder über Grafische Oberflächen mit Java machen erst dann Sinn, wenn die Grundlagen des Programmierens erlernt sind. Alle Kapitel enthalten Übungsaufgaben, die zum selbstständigen Programmieren herausfordern. Dasselbe Ziel hat das Flughafen-Projekt, welches begleitend zu den Kapiteln 10 bis einschließlich 21 durchgeführt werden kann und zu einem System führt, das die Fluglotsen bei Start und Landung von Flugzeugen unterstützt. Das Buch enthält einige Neuerungen zu Java 7. Es wurden allerdings nur jene Änderungen integriert, die zum Zeitpunkt der Fertigstellung des Buches bereits in der aktuell vorliegenden Beta-Version des JDK 7 implementiert waren. Einen Überblick über die im Buch integrierten Java 7-Neuerungen erhalten Sie am besten durch Nachschlagen des Indexeintrages "Java 7" im Register. Unser besonderer Dank bei dieser Auflage gilt Herrn Emil Grüttner und Herrn Kevin Erath, die an der Überarbeitung einzelner Kapitel wesentlich mitgewirkt haben. Herrn Dimitri Benin, Herrn Markus Bach und Frau Karin Weiß danken wir für die Erstellung des CD-Kapitels JavaServer Faces. Herr Georg Schessler und Frau Meryem Altunkaya waren uns bei der Erstellung der Übungsaufgaben und der CD eine große Hilfe. Esslingen, im Oktober 2010 C. Heinisch / F. Müller-Hofmann / J. Goll

7 Wegweiser durch das Buch "Lernkästchen", auf die grafisch durch eine kleine Glühlampe aufmerksam gemacht wird, stellen eine Zusammenfassung eines Kapitels dar. Sie erlauben eine rasche Wiederholung des Stoffes. Gerade als Anfänger in einer Programmiersprache macht man gerne den Fehler, sich beim Lesen an nicht ganz so wesentlichen Einzelheiten festzubeißen. Um zu erkennen, welche Information grundlegend für das weitere Vorankommen ist und welche Information nur ein Detailwissen darstellt und deshalb auch noch zu einem späteren Zeitpunkt vertieft werden kann weist dieses Buch Kapitel oder Kapitelteile, die beim ersten Lesen übersprungen werden können, mit dem Symbol aus. Generell ist es empfehlenswert, ein oder mehrere Kapitel zu überfliegen, um sich einen Überblick zu verschaffen, und dann erst mit der Feinarbeit zu beginnen und gründlicher zu lesen. Dennoch gilt: Eine Vorgehensweise, die sich für den einen Leser als optimal erweist, muss noch lange nicht für alle Leser das Allheilmittel darstellen. Wenn Sie zu den Lesern gehören, die es gewohnt sind, von Anfang an möglichst detailliert zu lesen, um möglichst viel sofort zu verstehen, so sollten Sie zumindest darauf achten, dass Sie in den Kapiteln mit dem "Überspringe und komm zurück"-symbol beim ersten Durchgang nicht zu lange verweilen. Bei all den guten Ratschlägen gilt: Programmieren hat man zu allen Zeiten durch Programmierversuche erlernt. "Do it yourself" heißt der rote Faden zum Erfolg. So wie ein Kleinkind beim Erlernen der Muttersprache einfach zu sprechen versucht, so sollten auch Sie möglichst früh versuchen, in der Programmiersprache zu sprechen das heißt, eigene Programme zu schreiben. Gestalten Sie den Lernvorgang abwechslungsreich lesen Sie einen Teil und versuchen Sie, das Erlernte im Programmieren gleich umzusetzen. Um die mühsame Tipparbeit am Anfang minimal zu halten, sind alle Beispielprogramme des Buches auf der CD zu finden. Die CD enthält auch die Bilder der einzelnen Kapitel, die Übungsaufgaben und Lösungen sowie das Flughafenprojekt. Die nachfolgende Tabelle soll es dem Leser erleichtern, einzuordnen, welche Kapitel zu den Grundlagen (Symbol ) zählen und auf jeden Fall verstanden werden sollten, welche Kapitel zuerst übersprungen werden können und dann bei Bedarf gelesen werden sollten (Symbol ), und welche Kapitel rein fortgeschrittene Themen (Symbol ) behandeln, die unabhängig voneinander gelesen werden können.

8 1 Grundbegriffe der Programmierung 2 Objektorientierte Konzepte 3 Einführung in die Programmiersprache Java 4 Einfache Beispielprogramme 5 Lexikalische Konventionen 6 Datentypen und Variable 7 Ausdrücke und Operatoren 8 Kontrollstrukturen 9 Blöcke und Methoden 10 Klassen und Objekte 11 Vererbung und Polymorphie 12 Pakete 13 Ausnahmebehandlung 14 Schnittstellen 15 Geschachtelte Klassen 16 Ein-/Ausgabe und Streams 17 Generizität 18 Collections 19 Threads 20 Applets 21 Oberflächenprogrammierung mit Swing 22 Servlets 23 JavaServer Pages 24 Netzwerkprogrammierung mit Sockets 25 Remote Method Invocation 26 JDBC 27 Enterprise JavaBeans 3.1 Die folgende Tabelle zeigt die auf der CD enthaltenen Kapitel: 28 Java Native Interface 29 Sicherheit 30 Beans 31 Reflection 32 Java-Tools 33 Java Management Extensions 34 JavaServer Faces Schreibweise In diesem Buch sind der Quellcode und die Ein-/Ausgabe von ganzen Beispielprogrammen sowie einzelne Anweisungen und Ein-/Ausgaben in der Schriftart Courier New geschrieben. Dasselbe gilt für Programmteile wie Variablennamen, Methodennamen etc., die im normalen Text erwähnt werden. Wichtige Begriffe im normalen Text sind fett gedruckt, um sie hervorzuheben. Ihre Verbesserungsvorschläge und kritischen Hinweise, die wir gerne annehmen, erreichen uns via Cornelia.Heinisch@it-designers.de

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10 Inhaltsverzeichnis 1 GRUNDBEGRIFFE DER PROGRAMMIERUNG Das erste Programm... 2 Vom Problem zum Programm... 4 Nassi-Shneiderman-Diagramme Zeichen Variable Datentypen Übungen OBJEKTORIENTIERTE KONZEPTE Modellierung mit Klassen und Objekten Das Konzept der Kapselung Abstraktion und Brechung der Komplexität Erstes Programmbeispiel mit Objekten Flughafen-Projekt Übungen EINFÜHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE JAVA Sprachkonzepte von Java Eigenschaften von Java Die Java-Plattform Programmerzeugung und -ausführung Das Java Development Kit Java-Anwendungen und Internet-Programmierung Übungen EINFACHE BEISPIELPROGRAMME Lokale Variable, Ausdrücke und Schleifen Zeichen von der Tastatur einlesen Erzeugen von Objekten Initialisierung von Objekten mit Konstruktoren Schreiben von Instanzmethoden Zusammengesetzte Objekte Selbst definierte Untertypen durch Vererbung Die Methode printf() und die Klasse Scanner Übungen

11 X Inhaltsverzeichnis 5 LEXIKALISCHE KONVENTIONEN Zeichenvorrat von Java Der Unicode Lexikalische Einheiten Übungen DATENTYPEN UND VARIABLE Klassifikation der Datentypen von Java Einfache Datentypen Klassen-Typ Variable Array-Typ Aufzählungstyp Zeichenketten Wandlung von Datentypen Übungen AUSDRÜCKE UND OPERATOREN Operatoren und Operanden Ausdrücke und Anweisungen Nebeneffekte Auswertungsreihenfolge L-Werte und R-Werte Zusammenstellung der Operatoren Konvertierung von Datentypen Ausführungszeitpunkt von Nebeneffekten Übungen KONTROLLSTRUKTUREN Blöcke Kontrollstrukturen für die Sequenz Selektion Iteration Sprunganweisungen Übungen BLÖCKE UND METHODEN Blöcke und ihre Besonderheiten Methodendefinition und -aufruf Polymorphie von Operationen Überladen von Methoden

12 Inhaltsverzeichnis XI Parameterliste variabler Länge Parameterübergabe beim Programmaufruf Iteration und Rekursion Übungen KLASSEN UND OBJEKTE Information Hiding Klassenvariable und Klassenmethoden Die this-referenz Initialisierung von Datenfeldern Instantiierung von Klassen Freigabe von Speicher Die Klasse Object Übungen VERERBUNG UND POLYMORPHIE Das Konzept der Vererbung Erweitern und Überschreiben Besonderheiten bei der Vererbung Polymorphie und das Liskovsche Substitutionsprinzip Verträge Identifikation der Klasse eines Objektes Konsistenzhaltung von Quell- und Bytecode Übungen PAKETE "Programmierung im Großen" Pakete als Entwurfseinheiten Erstellung von Paketen Benutzung von Paketen Paketnamen Gültigkeitsbereich von Klassennamen Zugriffsmodifikatoren Übungen AUSNAHMEBEHANDLUNG Das Konzept des Exception Handling Implementierung von Exception-Handlern in Java Ausnahmen vereinbaren und auswerfen Die Exception-Hierarchie

13 XII Inhaltsverzeichnis 13.5 Ausnahmen behandeln Vorteile des Exception-Konzeptes Assertions Übungen SCHNITTSTELLEN Trennung von Spezifikation und Implementierung Ein weiterführendes Beispiel Aufbau einer Schnittstelle Verwenden von Schnittstellen Vergleich Schnittstelle und abstrakte Basisklasse Die Schnittstelle Cloneable Übungen GESCHACHTELTE KLASSEN Elementklassen Lokale Klassen Anonyme Klassen Statisch geschachtelte Klassen und Schnittstellen Realisierung von geschachtelten Klassen Übungen EIN-/AUSGABE UND STREAMS Für ganz Eilige ein erstes Beispiel Klassifizierung von Streams Das Stream-Konzept Bytestream-Klassen Characterstream-Klassen Standardeingabe und Standardausgabe Ein- und Ausgabe von Objekten Übungen GENERIZITÄT Generische Klassen Eigenständig generische Methoden Bounded Typ-Parameter und Wildcards Generische Schnittstellen Die Klasse Class<T> Generizität und Polymorphie Übungen

14 Inhaltsverzeichnis XIII 18 COLLECTIONS Überblick über die Collection-API Iterieren über Collections Listen Warteschlangen Mengen Verzeichnisse Besonderheiten bei der Anwendung von Collections Übungen THREADS Zustände und Zustandsübergänge von Betriebssystem-Prozessen Zustände und Zustandsübergänge von Threads Programmierung von Threads Scheduling von Threads Zugriff auf gemeinsame Ressourcen Daemon-Threads Übungen APPLETS Die Seitenbeschreibungssprache HTML Das "Hello, world"-applet Der Lebenszyklus eines Applets Parameterübernahme aus einer HTML-Seite Importieren von Bildern Importieren und Abspielen von Audio-Clips Übungen OBERFLÄCHENPROGRAMMIERUNG MIT SWING Architekturmerkmale von Swing GUI-Container Anordnung von GUI-Komponenten Ereignisbehandlung Swing-GUI-Komponenten Übungen SERVLETS Das Internet und seine Dienste Dynamische Erzeugung von Seiteninhalten Web-Anwendungen erstellen

15 XIV Inhaltsverzeichnis 22.4 Wichtige Elemente der Servlet-API Der Deployment-Deskriptor Das Servlet "Forum" Übungen JAVASERVER PAGES Skriptelemente Direktiven Aktionen Verwendung von JavaBeans Tag-Bibliotheken Übungen NETZWERKPROGRAMMIERUNG MIT SOCKETS Verteilte Systeme Rechnername, URL und IP-Adresse Sockets Protokolle Übungen REMOTE METHOD INVOCATION Die Funktionsweise von RMI Entwicklung einer RMI-Anwendung Ein einfaches Beispiel Object by Value und Object by Reference Verwendung der RMI-Codebase Häufig auftretende Fehler und deren Behebung Übungen JDBC Einführung in SQL JDBC-Treiber Installation und Konfiguration von MySQL Zugriff auf ein DBMS Datentypen Exceptions Metadaten JDBC-Erweiterungspaket Connection Pooling Übungen

16 Inhaltsverzeichnis XV 27 ENTERPRISE JAVABEANS Idee der Enterprise JavaBeans Objektorientierte Modellierung Abbildung von Klassen auf Bean-Typen Überblick über die Enterprise JavaBeans-Architektur Konzept der EJB-Typen Session-Beans Der Applikations-Server JBoss Java Persistence-API Übungen ANHANG A DER ASCII-ZEICHENSATZ ANHANG B GÜLTIGKEITSBEREICHE VON NAMEN ANHANG C DIE KLASSE SYSTEM ANHANG D JNDI ANHANG E ANNOTATIONS BEGRIFFSVERZEICHNIS LITERATURVERZEICHNIS INDEX

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18 Grundbegriffe der Programmierung 1.1 Das erste Programm 1.2 Vom Problem zum Programm 1.3 Nassi-Shneiderman-Diagramme 1.4 Zeichen 1.5 Variable 1.6 Datentypen 1.7 Übungen

19 1 Grundbegriffe der Programmierung Bevor man mit einer Programmiersprache umzugehen lernt, muss man wissen, was ein Programm prinzipiell ist und wie man Programme konstruiert. Damit wird sich das erste Kapitel befassen. Leser, die bereits eine höhere Programmiersprache erlernt haben, können prüfen, ob sie tatsächlich die hier präsentierten Grundbegriffe (noch) beherrschen, und können dieses Kapitel "überfliegen". Ehe es "zur Sache geht", zunächst als spielerischen Einstieg in Kapitel 1.1 das Programm "Hello, world". 1.1 Das erste Programm Seit Kernighan und Ritchie ist es Usus geworden, als erstes Beispiel in einer neuen Programmiersprache mit dem Programm "Hello, world" zu beginnen. Das Programm "Hello, world" macht nichts anderes, als Hello, world! auf dem Bildschirm auszugeben. In Java sieht das "Hello, world"-programm folgendermaßen aus: // Datei: HelloWorld.java public class HelloWorld // Klasse zur Ausgabe von Hello, world! { public static void main (String[] args) // Methode main() zur { // Ausgabe der Zeichen- System.out.println ("Hello, world!"); // kette "Hello, world!" } } Die Methode println() sie wird ausgesprochen als "print line" wird über System.out.println() aufgerufen und schreibt die Zeichenfolge Hello, world! auf den Bildschirm. In der Programmiersprache Java stellt man eine Zeichenfolge durch eine so genannte Zeichenkette (einen String) dar. Eine Zeichenkette beginnt mit einem Anführungszeichen " und endet mit einem Anführungszeichen. Die Anführungszeichen sind nur Begrenzer und werden nicht auf dem Bildschirm ausgegeben. Bitte erstellen Sie dieses Programm mit einem Texteditor, der Ihnen vertraut ist, und speichern Sie es unter dem Dateinamen HelloWorld.java in einer Datei ab. Dieses Programm besteht aus einer Klasse mit dem Namen HelloWorld. Eine Klasse ist dadurch gekennzeichnet, dass sie das Schlüsselwort class trägt. Beachten Sie, dass alles, was hinter zwei Schrägstrichen in einer Zeile steht, zusammen mit den beiden Schrägstrichen einen so genannten Kommentar darstellt. Ein Kommentar dient zur Dokumentation eines Programms und hat keinen Einfluss auf den Ablauf des Programms. In Java kann man nur objektorientiert programmieren. Alle Programme in Java basieren von ihrem Aufbau her komplett auf Klassen. Bitte achten Sie beim Eintippen des Programms im Texteditor und bei der Vergabe des Dateinamens auf die Groß- und Kleinschreibung, da in Java zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden wird. In anderen Worten: Java ist case sensitiv. C. Heinisch et al., Java als erste Programmiersprache, DOI / _1, Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

20 Grundbegriffe der Programmierung 3 Kompilieren Sie das Programm mit dem javac-compiler 1 des Java Development Kits 2 durch die folgende Eingabe auf der Kommandozeile: javac HelloWorld.java Danach drücken Sie die <RETURN>-Taste. Auf der <RETURN>-Taste ist oftmals das Symbol zu sehen. Der javac-compiler übersetzt dann den Java-Quellcode der Datei HelloWorld.java in so genannten Bytecode (siehe Kap ) und legt diesen in der Datei HelloWorld.class ab. Durch die Eingabe von java HelloWorld und das anschließende Drücken der <RETURN>-Taste wird der Bytecode-Interpreter java gestartet, der den Bytecode interpretiert, d. h. in Maschinencode übersetzt und zur Ausführung bringt. Hierbei ist Maschinencode ein spezieller Code, den der entsprechende Prozessor versteht. Java-Anwendungen können wie hier gezeigt von der Kommandozeile aus gestartet werden. Sie können aber auch aus Entwicklungsumgebungen wie z. B. aus Eclipse aufgerufen werden. Bild 1-1 zeigt die Ein- und Ausgaben in einer Windows-Konsole. Bild 1-1 Kompilieren und Starten über Kommandos in der Windows-Konsole Zu beachten ist, dass der Interpreter java den Klassennamen HelloWorld und nicht den Dateinamen HelloWorld.class verlangt! Die Ausgabe des Programms ist: Hello, world! So schnell kann es also gehen. Das erste Programm läuft schon. Sie hatten "ein Händchen" im Umgang mit Texteditor, Compiler und Interpreter. Da es hier nur darum geht, ein allererstes Programm zu starten, wird auf eine detaillierte Erläuterung des Programms verzichtet. 1 2 Der Name javac wurde gewählt als Abkürzung für Java Compiler. Die Installation des Java Development Kits wird in Kap beschrieben.