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

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

Cornelia Heinisch, Frank Müller-Hofmann, Joachim Goll Java als erste Programmiersprache Vom Einsteiger zum Profi 5., überarbeitete und erweiterte Auflage

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> 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 Objekt - orientierte 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. 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 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 2000 5., überarbeitete und erweiterte Auflage März 2007 Alle Rechte vorbehalten B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Lektorat: Ulrich Sandten / Kerstin Hoffmann Der B. G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.teubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts gesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzun gen, Mikro ver filmungen und die Ein speiche rung und Verarbeitung in elek tro nischen Sys temen. 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 Waren- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.corporatedesigngroup.de Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8351-0147-0

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. Die Kapitel 1 bis einschließlich 21 enthalten Übungsaufgaben, die zum selbstständigen Programmieren herausfordern. Dasselbe Ziel hat das Flughafen-Projekt, welches begleitend zu den einzelnen Kapiteln durchgeführt werden kann und zu einem System führt, das die Fluglotsen bei Start und Landung von Flugzeugen unterstützt. Unser besonderer Dank bei dieser Auflage gilt Herrn Mathias Altmeyer, der in monatelanger Arbeit viele Kapitel wesentlich überarbeitet hat. Herrn Daniel Frank danken wir für die Überarbeitung der Kapitels Servlets und JavaServer Pages, Herrn Daniel Förster für die Erstellung der Anhänge Annotations und JNDI und Herrn Marco Hentschel für Rat und Tat beim Kapitel Swing. Herr Carsten Timm und Herr Norman Walter waren uns bei der Erstellung von Bildern und der CD eine große Hilfe. Esslingen, im Februar 2007 C. Heinisch / F. Müller-Hofmann / J. Goll

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 -Zeichen 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.

1 Grundbegriffe 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 Ein-/Ausgabe und Streams 17 Generizität 18 Collections 19 Threads 20 Applets 21 Oberflächenprogrammierung mit Swing 22 Servlets 23 JavaServer Pages 24 Sockets 25 Remote Method Invocation 26 JDBC 27 Enterprise JavaBeans 3.0 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 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 E-Mail: Cornelia.Heinisch@it-designers.de

Ihr Partner für IT-Entwicklungen Auf der Basis langjähriger Projekterfahrungen in der Konzeption und Realisierung von IT-Systemen sind wir besonders auf folgende Leistungen spezialisiert: Konzeption, Entwurf, Implementierung sowie Integration und Test von - Informationssystemen - eingebetteten Systemen - mobilen Systemen und deren Kombination Betrieb von Web-Applikationen zur Unterstützung verteilter Entwicklungsprozesse Einsatz geeigneter Vorgehensmodelle, Methoden und Tools Durchführung von Schulungen in - Software Engineering - Programmiersprachen Der ständige Wissenstransfer unserer hoch qualifizierten Systemarchitekten zu Industriekunden und Hochschulen ermöglicht die Verwendung aktueller Entwicklungstechniken. Wir entwickeln für Sie ausbaufähige maßgeschneiderte IT-Lösungen. Ihre Aufgabe unsere Herausforderung. IT-Designers GmbH Entennest 2 73730 Esslingen Tel. 0711 / 30 5111-50 Fax 0711 / 30 5111-12 E-Mail: info@it-designers.de www.it-designers.de

Inhaltsverzeichnis 1 GRUNDBEGRIFFE DER PROGRAMMIERUNG... 2 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Das erste Programm... 2 Vom Problem zum Programm... 4 Nassi-Shneiderman-Diagramme... 10 Zeichen... 16 Variablen... 18 Datentypen... 19 Übungen... 25 2 OBJEKTORIENTIERTE KONZEPTE... 28 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Modellierung mit Klassen und Objekten... 28 Information Hiding und Kapselung... 36 Abstraktion und Brechung der Komplexität... 37 Erstes Programmbeispiel mit Objekten... 41 Flughafen-Projekt... 44 Übungen... 56 3 EINFÜHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE JAVA... 58 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Sprachkonzepte von Java... 58 Eigenschaften von Java... 59 Die Java-Plattform... 60 Programmerzeugung und -ausführung... 63 Das Java Development Kit... 68 Java-Anwendungen und Internet-Programmierung... 71 Übungen... 72 4 EINFACHE BEISPIELPROGRAMME... 76 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 Lokale Variablen, Ausdrücke und Schleifen... 76 Zeichen von der Tastatur einlesen... 81 Erzeugen von Objekten... 84 Initialisierung von Objekten mit Konstruktoren... 85 Schreiben von Instanzmethoden... 88 Zusammengesetzte Objekte... 92 Selbst definierte Untertypen durch Vererbung... 96 Die Methode printf() und die Klasse Scanner... 99 Übungen... 102

X Inhaltsverzeichnis 5 LEXIKALISCHE KONVENTIONEN... 106 5.1 5.2 5.3 5.4 Zeichenvorrat von Java... 106 Der Unicode... 108 Lexikalische Einheiten... 108 Übungen... 125 6 DATENTYPEN UND VARIABLEN... 128 6.1 Abstrakte Datentypen und Klassen... 128 6.2 Die Datentypen von Java... 130 6.3 Variablen... 137 6.4 Modifikatoren... 154 6.5 Arrays... 154 6.6 Aufzählungstypen... 165 6.7 Konstante und variable Zeichenketten... 173 6.8 Wrapper-Klassen... 185 6.9 Boxing und Unboxing... 189 6.10 Verkettung von Strings und Variablen anderer Datentypen... 193 6.11 Übungen... 194 7 AUSDRÜCKE UND OPERATOREN... 204 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 Operatoren und Operanden... 204 Ausdrücke und Anweisungen... 205 Nebeneffekte... 207 Auswertungsreihenfolge... 207 L-Werte und R-Werte... 209 Zusammenstellung der Operatoren... 211 Konvertierung von Datentypen... 230 Ausführungszeitpunkt von Nebeneffekten... 239 Übungen... 240 8 KONTROLLSTRUKTUREN... 244 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Blöcke Kontrollstrukturen für die Sequenz... 244 Selektion... 244 Iteration... 251 Sprunganweisungen... 258 Übungen... 261 9 BLÖCKE UND METHODEN... 266 9.1 9.2 Blöcke und ihre Besonderheiten... 266 Methodendefinition und -aufruf... 271

Inhaltsverzeichnis XI 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 Polymorphie von Operationen... 282 Überladen von Methoden... 284 Parameterliste variabler Länge... 286 Parameterübergabe beim Programmaufruf... 288 Iteration und Rekursion... 290 Übungen... 296 10 KLASSEN UND OBJEKTE... 302 10.1 Information Hiding... 302 10.2 Klassenvariablen und Klassenmethoden... 304 10.3 Die this-referenz... 310 10.4 Initialisierung von Datenfeldern... 317 10.5 Instantiierung von Klassen... 334 10.6 Freigabe von Speicher... 336 10.7 Die Klasse Object... 341 10.8 Übungen... 342 11 VERERBUNG UND POLYMORPHIE... 354 11.1 Das Konzept der Vererbung... 354 11.2 Erweitern und Überschreiben... 359 11.3 Besonderheiten bei der Vererbung... 364 11.4 Polymorphie und das Liskov Substitution Principle... 384 11.5 Verträge... 399 11.6 Identifikation der Klasse eines Objektes... 415 11.7 Konsistenzhaltung von Quell- und Bytecode... 420 11.8 Übungen... 423 12 PAKETE... 432 12.1 "Programmierung im Großen"... 432 12.2 Pakete als Entwurfseinheiten... 434 12.3 Erstellung von Paketen... 435 12.4 Benutzung von Paketen... 436 12.5 Paketnamen... 440 12.6 Gültigkeitsbereich von Klassennamen... 444 12.7 Zugriffsmodifikatoren... 447 12.8 Übungen... 454 13 AUSNAHMEBEHANDLUNG... 464 13.1 Das Konzept des Exception Handlings... 464 13.2 Implementierung von Exception-Handlern in Java... 466

XII Inhaltsverzeichnis 13.3 Ausnahmen vereinbaren und auswerfen... 470 13.4 Die Exception-Hierarchie... 472 13.5 Ausnahmen behandeln... 475 13.6 Vorteile des Exception-Konzeptes... 482 13.7 Assertions... 483 13.8 Übungen... 488 14 SCHNITTSTELLEN... 496 14.1 Trennung von Spezifikation und Implementierung... 496 14.2 Ein weiterführendes Beispiel... 498 14.3 Aufbau einer Schnittstelle... 502 14.4 Verwenden von Schnittstellen... 505 14.5 Vergleich Schnittstelle und abstrakte Basisklasse... 519 14.6 Das Interface Cloneable... 522 14.7 Übungen... 529 15 GESCHACHTELTE KLASSEN... 538 15.1 Elementklassen... 540 15.2 Lokale Klassen... 545 15.3 Anonyme Klassen... 549 15.4 Statische geschachtelte Klassen und Schnittstellen... 554 15.5 Realisierung von geschachtelten Klassen... 557 15.6 Übungen... 562 16 EIN-/AUSGABE UND STREAMS... 568 16.1 Für ganz Eilige ein erstes Beispiel... 568 16.2 Klassifizierung von Streams... 572 16.3 Das Stream-Konzept... 575 16.4 Bytestream-Klassen... 579 16.5 Characterstream-Klassen... 591 16.6 Standardeingabe und Standardausgabe... 598 16.7 Ein- und Ausgabe von Objekten... 601 16.8 Übungen... 609 17 GENERIZITÄT... 614 17.1 Generische Klassen... 615 17.2 Eigenständig generische Methoden... 631 17.3 Wildcards... 635 17.4 Generische Schnittstellen... 641 17.5 Die Klasse Class<T>... 653

Inhaltsverzeichnis XIII 17.6 Generizität und Polymorphie... 657 17.7 Übungen... 659 18 COLLECTIONS... 668 18.1 Überblick über die Collection-API... 669 18.2 Iterieren über Collections... 675 18.3 Listen... 677 18.4 Warteschlangen... 695 18.5 Mengen... 705 18.6 Verzeichnisse... 713 18.7 Besonderheiten bei der Anwendung von Collections... 718 18.8 Übungen... 720 19 THREADS... 724 19.1 Zustände und Zustandsübergänge von Betriebssystem-Prozessen... 729 19.2 Zustände und Zustandsübergänge von Threads... 730 19.3 Programmierung von Threads... 733 19.4 Scheduling von Threads... 741 19.5 Zugriff auf gemeinsame Ressourcen... 742 19.6 Daemon-Threads... 765 19.7 Übungen... 766 20 APPLETS... 772 20.1 Die Seitenbeschreibungssprache HTML... 773 20.2 Das "Hello, world"-applet... 784 20.3 Der Lebenszyklus eines Applets... 788 20.4 Parameterübernahme aus einer HTML-Seite... 793 20.5 Importieren von Bildern... 794 20.6 Importieren und Abspielen von Audio-Clips... 796 20.7 Übungen... 797 21 OBERFLÄCHENPROGRAMMIERUNG MIT SWING... 802 21.1 Architekturmuster Model-View-Controller... 802 21.2 Die Swing-Architektur... 808 21.3 Ereignisbehandlung für Swing... 811 21.4 Integration von Swing in das Betriebssystem... 827 21.5 Swing-Komponenten... 834 21.6 Layout-Management... 875 21.7 Weitere Technologien der Ein- und Ausgabe... 892 21.8 Übungen... 894

XIV Inhaltsverzeichnis 22 SERVLETS... 900 22.1 Das Internet und seine Dienste... 900 22.2 Dynamische Erzeugung von Seiteninhalten... 908 22.3 Web-Anwendungen erstellen... 912 22.4 Wichtige Elemente der Servlet-API... 917 22.5 Der Deployment Deskriptor... 922 22.6 Das Servlet "Forum"... 924 23 JAVASERVER PAGES... 934 23.1 Skriptelemente... 937 23.2 Direktiven... 942 23.3 Aktionen... 946 23.4 Verwendung von JavaBeans... 949 23.5 Tag-Bibliotheken... 954 24 NETZWERKPROGRAMMIERUNG MIT SOCKETS... 964 24.1 Verteilte Systeme... 964 24.2 Rechnername, URL und IP-Adresse... 967 24.3 Sockets... 975 24.4 Protokolle... 996 25 REMOTE METHOD INVOCATION... 1002 25.1 Die Funktionsweise von RMI... 1002 25.2 Entwicklung einer RMI-Anwendung... 1004 25.3 Ein einfaches Beispiel... 1009 25.4 Object by Value und Object by Reference... 1015 25.5 Verwendung der RMI-Codebase... 1028 25.6 Häufig auftretende Fehler und deren Behebung... 1043 26 JDBC... 1046 26.1 Einführung in SQL... 1047 26.2 JDBC-Treiber... 1056 26.3 Installation und Konfiguration von MySQL... 1058 26.4 Zugriff auf ein DBMS... 1060 26.5 Datentypen... 1085 26.6 Exceptions... 1086 26.7 Metadaten... 1087 26.8 JDBC-Erweiterungspaket... 1089 26.9 Connection Pooling... 1090

Inhaltsverzeichnis XV 27 ENTERPRISE JAVABEANS 3.0... 1098 27.1 Idee der Enterprise JavaBeans... 1099 27.2 Objektorientierte Modellierung... 1099 27.3 Abbildung von Klassen auf Bean-Typen... 1105 27.4 Überblick über die Enterprise JavaBeans-Architektur... 1106 27.5 Konzept der EJB-Typen... 1111 27.6 Session-Beans... 1112 27.7 Der Applikations-Server JBoss... 1121 27.8 Java Persistence API... 1130 27.9 Vollständiges Beispiel: Eine einfache Bankanwendung... 1157 ANHANG A DER ASCII-ZEICHENSATZ... 1171 ANHANG B GÜLTIGKEITSBEREICHE VON NAMEN... 1174 ANHANG C DIE KLASSE SYSTEM... 1179 ANHANG D JNDI... 1182 ANHANG E ANNOTATIONS... 1199 BEGRIFFSVERZEICHNIS... 1207 LITERATURVERZEICHNIS... 1216 INDEX... 1218

Kapitel 1 Grundbegriffe der Programmierung 1.1 Das erste Programm 1.2 Vom Problem zum Programm 1.3 Nassi-Shneiderman-Diagramme 1.4 Zeichen 1.5 Variablen 1.6 Datentypen 1.7 Übungen

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 gegebenenfalls 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 den Text "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 } } Die Methode println() sie wird ausgesprochen als print line wird über System.out.println() aufgerufen und schreibt die Zeichenkette "Hello, world!" auf den Bildschirm. 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 sowohl beim Eintippen des Programms im Texteditor, als auch 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.

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 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! Wie Sie bemerkt haben, werden die Anführungszeichen " nicht mit ausgegeben. Sie dienen nur dazu, den Anfang und das Ende einer Zeichenkette (eines Strings) zu markieren. 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. 3.5.1 beschrieben.

4 Kapitel 1 1.2 Vom Problem zum Programm Der Begriff Programm ist eng mit dem Begriff Algorithmus verbunden. Algorithmen sind Vorschriften für die Lösung eines Problems, welche die Handlungen und ihre Abfolge kurz, die Handlungsweise beschreiben. Im Alltag begegnet man Algorithmen in Form von Bastelanleitungen, Kochrezepten und Gebrauchsanweisungen. Abstrakt kann man sagen, dass die folgenden Bestandteile und Eigenschaften zu einem Algorithmus gehören: eine Menge von Objekten, die durch den Algorithmus bearbeitet werden, eine Menge von Operationen, die auf den Objekten ausgeführt werden, ein definierter Anfangszustand, in dem sich die Objekte zu Beginn befinden, und ein gewünschter Endzustand, in dem sich die Objekte nach der Lösung des Problems befinden sollen. Dies sei am Beispiel Kochrezept erläutert: Objekte: Zutaten, Geschirr, Herd,... Operationen: waschen, anbraten, schälen, passieren,... Anfangszustand: Zutaten im "Rohzustand", Teller leer, Herd kalt,... Endzustand: fantastische Mahlzeit auf dem Teller. Was dann noch zur Lösung eines Problems gebraucht wird, ist eine Anleitung, ein Rezept oder eine Folge von Anweisungen und jemand, der es macht. Mit anderen Worten, man benötigt einen Algorithmus also eine Rechenvorschrift und einen Prozessor. Während aber bei einem Kochrezept viele Dinge gar nicht explizit gesagt werden müssen, sondern dem Koch aufgrund seiner Erfahrung implizit klar sind z.b. dass er den Kuchen aus dem Backofen holen muss, bevor er schwarz ist, muss einem Prozessor alles explizit und eindeutig durch ein Programm, das aus Anweisungen einer Programmiersprache besteht, gesagt werden. Ein Programm besteht aus einer Reihe von einzelnen Anweisungen an den Prozessor, die von diesem der Reihe nach in anderen Worten sequenziell ausgeführt werden. Ein Algorithmus in einer Programmiersprache besteht aus Anweisungen, die von einem Prozessor ausgeführt werden können. Arbeitsspeicher des Rechners Anweisung Anweisung Anweisung Anweisung Anweisung 1 2 3... Prozessor des Rechners Anweisung Bild 1-2 Der Prozessor bearbeitet eine Anweisung des Programms nach der anderen

Grundbegriffe der Programmierung 5 Bild 1-2 zeigt Anweisungen, die im Arbeitsspeicher des Rechners abgelegt sind und nacheinander durch den Prozessor des Rechners abgearbeitet werden. 1.2.1 Der Euklid sche Algorithmus als Beispiel für Algorithmen Als Beispiel wird der Algorithmus betrachtet, der von Euklid ca. 300 v. Chr. zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers (ggt) zweier natürlicher Zahlen aufgestellt wurde. Der größte gemeinsame Teiler wird zum Kürzen von Brüchen benötigt: x y ungekürzt ungekürzt x = y ungekürzt ungekürzt /ggt(x /ggt(x ungekürzt ungekürzt,y,y ungekürzt ungekürzt ) = ) x y gekürzt gekürzt Hierbei ist ggt(x ungekürzt, y ungekürzt ) der größte gemeinsame Teiler der beiden Zahlen x ungekürzt und y ungekürzt. Beispiel: 24 9 24/ggT ( 24, 9 ) 24/ 3 = = = 9/ggT ( 24, 9 ) 9/ 3 8 3 Der Euklid sche Algorithmus lautet: Zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers zwischen zwei natürlichen Zahlen x und y tue Folgendes 3 : Solange x ungleich y ist, wiederhole: Wenn x größer als y ist, dann: Ziehe y von x ab und weise das Ergebnis x zu. Andernfalls: Ziehe x von y ab und weise das Ergebnis y zu. Wenn x gleich y ist, dann: x (bzw. y) ist der gesuchte größte gemeinsame Teiler. Man erkennt in diesem Beispiel Folgendes: Es gibt eine Menge von Objekten, mit denen etwas passiert: x und y. Diese Objekte x und y haben am Anfang beliebig vorgegebene Werte, am Schluss enthalten sie den größten gemeinsamen Teiler. Es gibt gewisse Grundoperationen, die hier nicht weiter erläutert werden, da sie implizit klar sind: vergleichen, abziehen und zuweisen. Es handelt sich um eine sequenzielle Folge von Anweisungen (Operationen), d.h. die Anweisungen werden der Reihe nach hintereinander ausgeführt. Es gibt aber auch bestimmte Konstrukte, welche die einfache sequenzielle Folge (Hintereinanderausführung) gezielt verändern: eine Auswahl zwischen Alternativen (Selektion) und eine Wiederholung von Anweisungen (Iteration). 3 Die Arbeitsweise dieses Algorithmus für die Zahlen x == 24 und y == 9 wird anhand der Tabelle 1-1 in Kapitel 1.2.3 verdeutlicht.

6 Kapitel 1 Es gibt auch Algorithmen zur Beschreibung von parallelen Aktivitäten, die zum gleichen Zeitpunkt nebeneinander ausgeführt werden. Diese Algorithmen werden unter anderem bei Betriebssystemen oder in der Prozessdatenverarbeitung benötigt. Im Folgenden werden bewusst nur sequenzielle Abläufe behandelt, bei denen zu einem Zeitpunkt nur eine einzige Operation durchgeführt wird. 1.2.2 Beschreibung sequenzieller Abläufe Die Abarbeitungsreihenfolge von Anweisungen wird auch als Kontrollfluss bezeichnet. Den Prozessor stört es überhaupt nicht, wenn eine Anweisung einen Sprungbefehl zu einer anderen Anweisung enthält. Solche Sprungbefehle werden in manchen Programmiersprachen beispielsweise mit dem Befehl GOTO und Marken wie z.b. 100 realisiert: IF(a > b) GOTO 100 Anweisungen2 GOTO 300 100 Anweisungen1 300 Anweisungen3 In Worten lauten diese Anweisungen an den Prozessor: "Vergleiche die Werte von a und b. Wenn 4 a größer als b ist, springe an die Stelle mit der Marke 100. Führe an der Stelle mit der Marke 100 die Anweisungen Anweisungen1 aus. Fahre dann mit den Anweisungen3 fort. Ist aber die Bedingung a > b nicht erfüllt, so arbeite die Anweisungen Anweisungen2 ab. Springe dann zu der Marke 300 und führe die Anweisungen Anweisungen3 aus." Will jedoch ein Programmierer ein solches Programm lesen, so verliert er durch die Sprünge sehr leicht den Zusammenhang und damit das Verständnis. Für den menschlichen Leser ist es am besten, wenn ein Programm einen einfachen und damit überschaubaren Kontrollfluss hat. Während typische Programme der sechziger Jahre noch zahlreiche Sprünge enthielten, bemühen sich die Programmierer seit Dijkstras grundlegendem Artikel "Go To Statement Considered Harmful" [1], möglichst einen Kontrollfluss ohne Sprünge zu entwerfen. Beispielsweise kann der oben mit GOTO beschriebene Ablauf auch folgendermaßen realisiert werden: IF(a > b) Anweisungen1 ELSE Anweisungen2 ENDIF Anweisungen3 4 "Wenn wird ausgedrückt durch das Schlüsselwort IF der hier verwendeten Programmiersprache FORTRAN.