Programmieren in Java

Transkript

1 Programmieren in Java 2., aktualisierte und erweiterte Auflage Bearbeitet von Fritz Jobst 2. Auflage Buch. XIV, 367 S. Hardcover ISBN Format (B x L): 16,1 x 22,4 cm Gewicht: 635 g schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 1 Der Einstieg in Java James Gosling von Sun Microsystems war seit Ende der 80 er auf der Suche nach Werkzeugen zur Entwicklung von (Wintel? 1 )Plattform-unabhängiger Software [14]. Mitte 1991 gab er seine alte Idee mit der Erweiterung von C++ auf und konzipierte eine völlig neue Programmiersprache namens OAK. Diese Vision setzte sich bei Sun durch, man wählte lediglich aus Gründen des Marketings den Namen Java präsentierte Sun ein α und ein β-release der Software, seit Januar 1996 gibt es das Java Development Kit JDK von Sun. Seither gehört Java zu den von den Medien herausgestellten Neuerungen. Mit Java stellt Sun einen erweiterbaren Kontext zur Verfügung. Ähnlich wie Visual Basic von Microsoft, aber völlig unabhängig von der Plattform und a priori in der Architektur verankert, kann ein Programm erst zur Laufzeit auf die Anforderungen des Benutzers hin zusammengestellt werden. 1.1 Eigenschaften von Java Interpretierend (p-code): Ein Compiler erzeugt den sog. Java-Bytecode. Dieser ist eine symbolische Sprache, die unabhängig vom Rechner ist. Der Bytecode kann bei Bedarf auch compiliert werden. Sog. Just-In-Time-Compiler übersetzen den Bytecode beim Ladevorgang in die Maschinensprache. Die Bezeichnung p-code steht für Postfix-Code. Bei dieser Darstellung werden zunächst die Operanden, dann die Operationen abgespeichert. Beispiel: aus a+b*c wird in Postfix a b c * + Unabhängig von Plattformen: Der Java-Bytecode kann ähnlich wie ein Bild unabhängig vom Rechner benutzt werden. Zum Ablauf wird ein Interpreter bzw. Compiler benötigt. Objektorientiert: Außer Basis-Datentypen wie Zahlen und Zeichen ist alles in Java ein Object. Alle Methoden in Java sind virtuell, sofern sie nicht statisch sind. Es gibt keine Mehrfachvererbung für Implementierungen, wohl aber für Schnittstellen. Sicherheit: Viren oder trojanische Pferde würden eine Übertragung von Java-Programmen äußerst gefährlich machen. Denn anders als bei der Datenübertragung per Diskette werden unzählige Programme aus unzähligen Quellen mit enormer Geschwindigkeit weltweit verteilt. Deswegen wurden für Applets Sicherheitsmodelle in das Konzept integriert. 1 Wintel: Windows, Intel

3 2 1 Der Einstieg in Java Threads: Java unterstützt von Haus aus parallele Abläufe. Zum Transfer von Bildern o.ä. ist dies im Internet auch nicht anders vorstellbar. Zur Synchronisierung wurde das Monitor-Konzept von C.A. Hoare (vgl. [18]) gewählt. Damit könnten die Programmierfehler im Zusammenhang mit Threads minimiert werden. Graphik: GUI s (Graphical User Interface) unabhängig von der Plattform, Vektorgraphik unabhängig von der Plattform. Netzwerkfähigkeit: Zugriff auf Funktionen der Browser, Programmierung von Sockets, verteilte Anwendungen können aufgebaut werden. Modularer Aufbau: Problemlose Verteilung von Code auf mehrere Dateien ohne Header-Files. Die Konsistenz der Module wird direkt gegen den tatsächlichen Java-Bytecode geprüft. Anbindung von Routinen anderer Programmiersprachen: Wird ausdrücklich unterstützt, ist aber speziell für die in Browser eingebundenen Applets aus Sicherheitsgründen unmöglich. 1.2 Was ist neu an Java? Unabhängigkeit von der Plattform Java ist eine Programmiersprache, die in ihren elementaren Daten und Kontrollstrukturen auf C zurückgreift. Die objektorientierten Konstrukte werden Kennern von C++ leicht in der Anwendung fallen. Im Gegensatz zu C bzw. C++ wurde Java vollständig spezifiziert, z.b. ist das Ergebnis der modulo-operation in Java unabhängig von der Plattform, auch beim Schieben von Bits nach rechts gibt es keine Überraschungen mehr bei der Portierung. Auch bei der Bewertung von Ausdrücken wurden die Spielräume der Compilerbauer auf ein Minimum beschnitten. Sicherheit Da Programmabstürze bekanntlich ein offenes Scheunentor für Angriffe von Eindringlingen im Internet darstellen, mußten sie eliminiert werden. Dies war nur erreichbar, indem der Zugriff auf Zeiger für Programmierer eingeschränkt wurde. Natürlich kann man in Java mit Zeigern programmieren, man kann sie aber weder verbiegen noch den Freispeicher korrumpieren. Von daher überrascht es nicht, daß Java die Garbage- Collection übernimmt. Das Sicherheitskonzept schließt auch Überprüfungen zur Laufzeit ein: Datentypen, natürlich Indizes, Casting. Diese Konzepte fußen auf Mechanismen zur Verifizierung von Java-Bytecode bei der Übertragung. Erst auf diese elementaren Sicherheitsmechanismen können dann in Java implementierte Zugriffsbegrenzungen für

4 1.3 Potential für die Anwendung 3 Schreiben und Lesen von über das Internet verteilte Anwendungen sicher gegründet werden. Dennoch bleibt ein Restrisiko zu beachten, wie die Diskussion im Internet zeigt. Jeder Anwender von Java-Programmen muß hier seine persönliche Strategie für eine optimale Sicherheit finden. 1.3 Potential für die Anwendung Minus Als interpretierte Sprache mit eingebauten hohen Sicherheitsanforderungen muß Java mit einem Laufzeit-Handicap leben. Nach [6] ergibt sich auf Solaris gegenüber C bzw. C++ ein Faktor von 15, d.h. ein Java-Programm reduziert die Rechnerleistung auf ca. 6,66 %. Die Wintel-Allianz ist so dominierend, daß der Stellenwert einer plattformunabhängigen Programmierung reduziert wird. Anwendungen für Benutzeroberflächen erfordern eine hohe Leistung auf der Seite der Systemschnittstelle und auf der Seite der Werkzeuge. Plus Aber viele Anwendungen im Internet - und im Intranet- können mit der relativ hohen Performance von Java ausgeführt werden. Just-In-Time Compiler werden Java-Bytecode während des Ladevorgangs übersetzen, wodurch die Nachteile bei der Laufzeit stark reduziert werden. Administrationsprobleme in Client-Server-Umgebungen etwa bei der Distribution von Software können reduziert werden. Auch die Programmierung von Graphiken wird unabhängig vom Rechner. Web-Seiten lassen sich auch bei der beschränkten Bandbreite des Netzes interaktiv gestalten. Mit CORBA Implementierungen z.b. von Sun im JDK erhält Java einen fliegenden Teppich : verteilte Anwendungen werden ohne aufwendige Programmierung von Sockets möglich. 1.4 Erstellung von Programmen Programme werden in der Sprache Java als Text in Dateien eingegeben. Hierzu wird ein Texteditor oder ein integriertes Entwicklungssystem (IDE = Integrated Development Environment) benutzt. Diese Programme werden als Textdatei mit dem Zusatz.java gespeichert. Ein Übersetzer oder Compiler erzeugt hieraus den Java-Bytecode, der für jede Klasse in einer Datei mit dem Zusatz.class abgelegt wird. Dieser Java-Bytecode hängt nicht vom Rechner ab, er ist eine Darstellung des Programms in einem für alle Rechner gleichen Format wie es etwa auch ein Bild im gif-format ist. Dabei muß man in Java zwischen eingebetteten Anwendungen auf der einen Seite und selbständig lauffähigen Anwendungen auf der anderen Seite unterscheiden. Die eingebetteten Anwendungen, sog. Applets, können in Internet-Browser wie andere Objekte

5 4 1 Der Einstieg in Java eingefügt werden, sind aber im Gegensatz zu diesen aktiv. Ein Applet läuft auf dem Rechner des Anwenders ab, es nutzt die dort vorhandenen Ressourcen an Rechnerleistung aus. Da ein Applet im HTML-Dokument (Hypertext Markup Language) ähnlich wie ein Bild eine Fläche zugewiesen bekommt, überrascht es nicht, daß Applets ohne weitere Anstrengung für den Programmierer graphikfähig sind. Eine selbständig lauffähige Anwendung in Java entspricht eher einem aus anderen Programmiersprachen her vertrauten Programm, ist allerdings derzeit nur in Gegenwart eines Interpreters lauffähig, wenn man von speziellen, plattformspezifischen Implementierungen absieht. Dieser Interpreter muß die Anweisungen im Java-Bytecode auf dem Rechner des Anwenders zum Ablauf bringen. Solche Anwendungen können ihrerseits im Textmodus ablaufen. Sie können aber auch Fenster aktivieren und dort mit Graphik arbeiten. 1.5 Übersicht: Erstellung Selbständig laufende Anwendung Quellprogramm Java-Bytecode auf dem Server Ablauf des Programms Java-Compiler Java-Interpreter Applet Quellprogramm Java-Bytecode auf dem Server Ggfs. Übertragung des Bytecodes per Internet auf den Rechner des Benutzers (Client) Ablauf des Programms Java-Compiler Browser oder Applet-Viewer

6 1.6 Erste Programme 5 test.class test.java javac x1.class java, AppletViewer, Netscape ab 2.0, HotJava Bildschirm x2.class lib x.class y.class 1.6 Erste Programme Text-basierende Anwendung Zum Einstieg soll als Anwendung das Beispiel Hello World benutzt werden. Hierzu muß das folgende Programm in der Datei hello.java abgelegt werden. 1. Schritt: Das Quellprogramm // Das erste Programm public class hello { public static void main (String args []) { System.out.println ("Hello World"); } } Dieses Java-Programm besteht aus der Klasse hello. Diese Klasse enthält eine Methode namens main. Der Leser möge sich eine Methode als eine in die Zeichen {} eingeschlossene Folge von Anweisungen vorstellen. main wird bei der Ausführung des Programms von außen aktiviert: die Anweisungen in main werden der Reihe nach

7 6 1 Der Einstieg in Java durchlaufen. In diesem Beispiel wird die Methode System.out.println aufgerufen. Kommentare können in einer Zeile ab // eingefügt werden. Ein für sich alleine ablauffähiges Programm muß die main-methode in o.a. Form enthalten. main hat Zugriff auf die sog. Parameter args der Kommandozeile, macht aber in diesem Beispiel keinen Gebrauch davon. 2. Schritt: Übersetzen des Programms javac hello.java Der Compiler liefert eine Datei namens hello.class. Diese Datei enthält das Ergebnis der Übersetzung des Java-Compilers in einer Darstellung, die unabhängig vom benutzten Computersystem ist. Die Datei hello.class kann in unveränderter Form auf jedem anderen Computersystem mit Hilfe eines Interpreters zum Ablauf gebracht werden. 3. Schritt: Ablauf des Programms java hello Zum Ablauf des Programms wird der Interpreter java benötigt. Das Programm wird die erwartete Ausgabe liefern: Hello World Applets Java unterscheidet strikt zwischen Groß- und Kleinschreibung bei Dateinamen, auch wenn das Betriebssystem Hello und hello gleichbehandelt. Achten Sie auf die korrekte Schreibweise für die Namen der Klassen in Ihrem Texteditor. In Java ist der Schritt zu einer Anwendung für eine graphische Oberfläche kein Sprung mehr wie in anderen Systemen. Solche Anwendungen kann man in der Form eines sog. Applets schreiben. Das folgende Applet in Java soll in der Mitte des Bildschirms einen Text ausgeben. 1. Schritt: das Quellprogramm import java.applet.applet; import java.awt.graphics; // Ein erstes Applet in Java public class DemoFuerApplet extends Applet { public void paint (Graphics g) { g.drawstring ("Hello World", getsize().width/2, getsize().height/2); } }

8 1.6 Erste Programme 7 Das Programm benutzt Teile der von SUN entwickelten Bibliothek für Java. Die benutzten Teile müssen dem Compiler per import-anweisung mitgeteilt werden. Das Programm ist ein Applet. Diese ist-ein-beziehung wird durch die Schreibweise class DemoFuerApplet extends Applet zum Ausdruck gebracht. Applets können sich selbst in einer graphischen Umgebung darstellen. Hierzu muß jedes Applet eine spezielle Methode angeben, die Methode paint (Graphics g). Diese Methode wird von der Umgebung des Programms dann aufgerufen, wenn ein Neuzeichnen der zugewiesenen Fläche erforderlich ist, also insbesondere bei Beginn eines Programmlaufes oder bei einer Änderung der Größe der Zeichenfläche. Der Parameter Graphics g liefert den Bezug zum graphischen Kontext der Umgebung und wird hier zum Ausgeben des Textes "Hello World" benutzt. Die Graphik bezieht sich auf den Bildschirm, genauer gesagt, auf die dem Applet zugeteilte Teilfläche des Bildschirms. Diese Teilfläche hat eine Breite und eine Höhe. Das Applet kann die Ausdehnung seiner Zeichenfläche über die getsize()-methode ermitteln. In obigem Beispiel wurde der Text in der Mitte der Zeichenfläche plaziert: getsize().width/2, getsize().height/2 Alle Angaben erfolgen hier in Pixeln. Die x-koordinate läuft von links nach rechts, die y-koordinate von oben nach unten, wie es bei pixelorientierten Darstellungen üblich ist. Wenn das Applet eine Zeichenfläche der Breite 200 Pixel und der Höhe 100 Pixel erhält, so liegt die linke untere Ecke eines den Text umfassenden Rechtecks genau bei den Koordinaten x = 100 und y = 50. (0,0) x y (getsize().width-1, getsize().height)-1) g.drawstring(zeichenkette, x, y); sorgt für die Ausgabe des Textes an der durch x und y definierten Stelle des Bildschirms. Die y-koordinate definiert dabei die Basislinie für den Text.

9 8 1 Der Einstieg in Java 2. Schritt: Übersetzen des Programms javac DemoFuerApplet.java Der Compiler legt das Ergebnis der Übersetzung in der Datei DemoFuerApplet.class ab. Applets sind als eingebettete Applikationen in der o.a. Form nicht alleine lauffähig. 3. Schritt: Einbetten in ein HTML-Dokument <title>demo fuer Applet</title> <hr> <applet code=demofuerapplet.class width=200 height=100> </applet> <hr> Der Name der Klasse muß in dem HTML-Dokument angegeben sein. Das HTML- Dokument soll in diesem Beispiel etwa example.html heißen. Applets werden mit dem sog. applet-tag eingebettet. Vgl. Kap Für die zum Betrachten benutzten Browser können noch Angaben über Breite und Höhe der Teilfläche gemacht werden. 4.Schritt: Ablauf des Programms Das HTML-Dokument kann mit einem Browser betrachtet werden, der Java unterstützen muß. In diesem Fall muß der Browser die Datei example.html laden. Zu Testzwecken kann auch das Programm Appletviewer aus dem JDK benutzt werden: Appletviewer example.html In jedem Fall läuft das o.a. Programm in einer graphischen Umgebung ab.

10 1.6 Erste Programme 9 Zusammenfassung Java-Programme werden vom Entwickler auf Server-Rechner als Text eingegeben Die Java-Compiler erzeugen einen Bytecode, der unabhängig vom Rechner ist Java-Programme können als selbständige Anwendung laufen, wie man es von anderen Programmiersprachen her gewohnt ist Java Programme in Form von sog. Applets können als Anwendungen von geeigneten Browsern im Rahmen des http-protokolls vom Server auf Client-Rechner versandt werden, und dort zum Ablauf gebracht werden. Im Rahmen des file-protokolls ist dies natürlich auch auf einem lokalen Rechner möglich Es gibt umfangreiche Klassenbibliotheken mit Programmteilen für Java Java ist eine objektorientierte Sprache Java unterscheidet zwischen Groß- und Kleinschreibung Java-Programme beginnen mit einer optionalen Folge von import-anweisungen, die die Bezüge zu anderen Java-Programmen herstellen. Das Programm wird in Klassen angegeben. Diese Klassen können Methoden enthalten, die den ablauffähigen Teil des Quellprogramms darstellen Kommentare können in der nachstehend angegebenen Form geschrieben werden. Sie werden vom Compiler überlesen // der Rest der Zeile ist Kommentar /* Der eingeschlossene Text ist Kommentar */ /** Dieser Kommentar wird vom Generator fuer die Dokumentation ausgewertet. Vgl. javadoc in Kap. 12 */