Java als erste Programmiersprache

Transkript

1 Java als erste Programmiersprache

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3 Joachim Goll Cornelia Heinisch Java als erste Programmiersprache Grundkurs für Hochschulen 8., überarbeitete Auflage

4 Joachim Goll STZ Softwaretechnik Esslingen, Deutschland Cornelia Heinisch FOM Hochschule Stuttgart, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2000, 2001, 2002, 2005, 2007, 2011, 2014, 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, 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. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

5 Vorwort Die Sprache Java ist durch ihre Betriebssystemunabhängigkeit 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 konzentriert sich auf die Sprache und nicht auf den Bau verteilter Systeme und die dafür vorhandenen nützlichen Bibliotheken. Es wendet sich an Studierende, welche das Interesse haben, die Grundlagen von Java fundiert zu erfahren. Es erlaubt, Java ohne Vorkenntnisse anderer Programmiersprachen zu erlernen. Daher lautet der Titel "Java als erste Programmiersprache". Ein Neuling sollte aber unbedingt die Übungsaufgaben am Ende eines Kapitels bearbeiten. Wer hingegen das Buch nur lesen möchte, sollte jedoch bereits über die Kenntnisse einer anderen Programmiersprache verfügen. Dieses Buch hat das ehrgeizige Ziel, dem Neuling die Sprachkonzepte von Java und die Grundkonzepte der objektorientierten Programmierung so präzise wie möglich und dennoch in leicht verständlicher Weise vorzustellen. Dabei werden Fortgeschrittenen-Themen als solche explizit ausgewiesen, damit ein Anfänger sich zunächst auf die Grundlagen von Java konzentrieren kann. Ausgehend von dieser Basis können darauf aufbauend die fortgeschrittenen Themen erschlossen werden. Alle Kapitel enthalten Übungsaufgaben, die zum selbstständigen Programmieren herausfordern. Selbst zu modellieren und zu programmieren ist das Ziel des Flughafen- Projekts, welches begleitend zu den Kapiteln 10 bis einschließlich 18 durchgeführt werden kann und zu einem System führt, das die Fluglotsen bei Start und Landung der Flugzeuge unterstützt. Auf viele Details von Java kann wegen des Umfangs des Buchs leider nicht eingegangen werden. Die zentralen Themen der Sprache sind jedoch im Buch erfasst. Auf die Java Language Specification unter der Internet-Adresse wird verwiesen. Es soll hier nicht unerwähnt bleiben, dass die Java-Klassenbibliothek über 4000 Klassen enthält. Hierzu treten noch zahlreiche kommerzielle bzw. offene Bibliotheken beispielsweise für einen komfortablen Zugriff auf Datenbanken oder das Einlesen und Erzeugen von xml-dateien. Das vorliegende Buch ist kompatibel zu Java 8. Besonderheiten von Java 8 wie Lambda-Audrücke oder die neue Stream API sprengen jedoch den Rahmen eines Einsteiger-Buches und können hier nicht behandelt werden. V

6 VI Vorwort Unser besonderer Dank bei dieser Auflage gilt Herrn Markus Schuler für zahlreiche Diskussionen und Herrn Steffen Wahl sowie Herrn Antonio Pomarico für die professionelle Durchführung des Konfigurationsmanagements. Esslingen, im Dezember 2015 J. Goll / C. Heinisch Wegweiser durch das Buch "Lernkästchen", auf die grafisch durch eine kleine Glühlampe aufmerksam gemacht wird, weisen auf für das Verständnis wichtige Aspekte eines Kapitels hin. Die Zusammenfassung eines jeden Kapitels erlaubt dem Leser eine rasche Wiederholung des Stoffes. "Warnkästchen" hingegen weisen den Leser zum einen auf gerne begangene Fehler hin, zum anderen warnen sie den Leser vor einer Fehlinterpretation des Textes an "gefährlichen" Stellen des Buchs. Vorsicht! Gerade ein Anfänger in einer Programmiersprache macht gerne den Fehler, sich beim Lesen an nicht ganz so wesentlichen Einzelheiten festzubeißen. Damit ein Leser leichter erkennen kann, 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 gibt dieses Buch eine einfache Hilfestellung. Es weist Kapitel oder Kapitelteile, die beim ersten Lesen des Buchs übersprungen werden können, mit dem "Überspringe und komm zurück"- Symbol aus 1. 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 gründlich 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 allzu lange verweilen. Bei all den guten Ratschlägen gilt: Programmieren hat man zu allen Zeiten durch Programmierversuche erlernt. "Do it yourself" heißt der Schlüssel 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 beim Programmieren gleich umzusetzen. Die Beispielprogramme des Buches können zum Ausprobieren auf der Internetseite des Verlags unter bezogen werden. Diese Internetseite enthält auch die Bilder der einzelnen Kapitel, die Übungsaufgaben und Lösungen sowie das Flughafenprojekt. Aber bitte versuchen Sie zuerst, die angebotenen Aufgaben alleine zu lösen. 1 Je höher der Schwierigkeitsgrad der Texte, umso mehr dieser Symbole werden vergeben.

7 Vorwort VII Die nachfolgende Tabelle soll es dem Leser erleichtern, einzuordnen, welche Kapitel zu den Grundlagen (Symbol ) zählen und auf jeden Fall verstanden werden sollten, sowie, welche Kapitel zuerst übersprungen werden können und dann bei Bedarf gelesen werden sollten (Symbol ). Hier die bereits erwähnte Tabelle: 1 Grundlagen der Programmierung 2 Objektorientierte Konzepte 3 Einführung in die Programmiersprache Java 4 Einfache Beispielprogramme 5 Lexikalische Konventionen 6 Datentypen und Variablen 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 Threads 17 Generizität 18 Collections 19 Ein-/ Ausgabe und Streams Anhang A B C D Der ASCII-Zeichensatz Gültigkeitsbereiche von Namen Die Klasse System jar-dateien 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. Ziffern werden in Einzelfällen ebenfalls in der Schriftart Courier New geschrieben, um sie vom Text deutlich abzugrenzen. 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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9 Inhaltsverzeichnis Grundlagen der Programmierung... 1 Das erste Java-Programm... 2 Programme und ihre Abläufe... 4 Entwurf mit Nassi-Shneiderman-Diagrammen Zeichen Variablen Datentypen Zusammenfassung Übungen Objektorientierte Konzepte Modellierung mit Klassen und Objekten Kapselung, Abstraktion und Information Hiding Individuelle und geteilte Daten von Objekten in Java Abstraktion und Brechung der Komplexität Erstes Programmbeispiel mit Objekten Flughafen-Projekt Zusammenfassung Übungen Einführung in die Programmiersprache Java Sprachkonzepte von Java Eigenschaften von Java Die Java-Plattform Programmerzeugung und -ausführung Das Java Development Kit Begriffe im Java-Umfeld Zusammenfassung Übungen Einfache Beispielprogramme Lokale Variablen, Ausdrücke und Schleifen Erzeugen von Objekten Initialisierung von Objekten mit Konstruktoren Schreiben von Instanzmethoden Zusammengesetzte Objekte IX

10 X Inhaltsverzeichnis 4.6 Selbst definierte Untertypen durch Vererbung Ein- und Ausgabe am Bildschirm Zusammenfassung Übungen Lexikalische Konventionen Zeichenvorrat von Java Der Unicode Lexikalische Einheiten Zusammenfassung Übungen Datentypen und Variablen Klassifikation der Datentypen von Java Einfache Datentypen Der Typ einer Klasse Variablen Array-Typ Aufzählungstyp Zeichenketten Wandlung von Datentypen Annotationen Zusammenfassung Übungen Ausdrücke und Operatoren Operatoren und Operanden Ausdrücke und Anweisungen Nebeneffekte Auswertungsreihenfolge L-Werte und R-Werte Zusammenstellung der Operatoren Konvertierung von Datentypen Zusammenfassung Übungen Kontrollstrukturen Blöcke Kontrollstrukturen für die Sequenz Selektion

11 Inhaltsverzeichnis XI 8.3 Iteration Sprunganweisungen Zusammenfassung Übungen Blöcke und Methoden Blöcke und ihre Besonderheiten Methodendefinition und -aufruf Polymorphie von Operationen Überladen von Methoden Parameterliste variabler Länge Parameterübergabe beim Programmaufruf Iteration und Rekursion Zusammenfassung Übungen Klassen und Objekte Information Hiding Klassenvariablen und Klassenmethoden Die this-referenz Initialisierung von Datenfeldern Instanziierung von Klassen Freigabe von Speicher Die Klasse Object Zusammenfassung 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 Operatoren für Referenztypen Konsistenzhaltung von Quell- und Bytecode Kovarianz und Kontravarianz beim Überschreiben Zusammenfassung

12 XII Inhaltsverzeichnis Übungen Pakete "Programmierung im Großen" Pakete zur Gruppierung Erstellung von Paketen Benutzung von Paketen Paketnamen Gültigkeitsbereich von Klassennamen Zugriffsmodifikatoren Zusammenfassung Übungen Ausnahmebehandlung Das Konzept des Exception Handling Implementierung von Exception Handlern in Java Die Klasse Throwable Die Exception-Hierarchie Behandlung von Ausnahmen Vorteile des Exception-Konzeptes Assertions Zusammenfassung Übungen Schnittstellen Trennung von Spezifikation und Implementierung Ein weiterführendes Beispiel Aufbau einer Schnittstelle Verwenden von Schnittstellen Vergleich Schnittstelle und abstrakte Basisklasse Die Schnittstelle Cloneable Marker Interfaces Zusammenfassung Übungen Geschachtelte Klassen Elementklassen Lokale Klassen Statisch geschachtelte Klassen und Schnittstellen

13 Inhaltsverzeichnis XIII 15.4 Realisierung von geschachtelten Klassen Zusammenfassung Übungen Threads Prozesskonzept für Betriebssystem-Prozesse Zugriffe auf Betriebsmittel und Synchronisation Schwergewichtige und leichtgewichtige Prozesse Zustände und Zustandsübergänge von Betriebssystem-Prozessen Zustände und Zustandsübergänge von Threads Programmierung von Threads Scheduling von Threads Zugriff auf gemeinsame Ressourcen Dämon-Threads Zusammenfassung Übungen Generizität Generische Klassen Eigenständig generische Methoden Bounded Typ-Parameter und Wildcards Generische Schnittstellen Die Klasse Class<T> Generizität bei variablen Parameterlisten Generizität und Polymorphie Zusammenfassung Übungen Einführung in Collections Das Konzept der Collection-API Eigenschaften und Fähigkeiten der Collections Zusammenfassung Übungen Ein-/Ausgabe und Streams Klassifizierung von Streams Das Stream-Konzept Bytestream-Klassen Characterstream-Klassen

14 XIV Inhaltsverzeichnis 19.5 Standardeingabe und Standardausgabe Ein Beispiel für die Anwendung von Stream-Klassen Ein- und Ausgabe der Datenfelder von Objekten Zusammenfassung Übungen Begriffsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Anhang A Der ASCII-Zeichensatz Anhang B Gültigkeitsbereiche von Namen Anhang C Die Klasse System Anhang D jar-dateien Literaturverzeichnis Index