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Java: Der Einstieg

Algorithmen und Datenstrukturen II 1

Grundlegendes zu Java: Historisches

• 1990-1991: Entwicklung der Programmiersprache OAK durch James Goslingvon Sun Microsystems (zunächst für Toaster, Mikrowellen etc.; unabhängigvom Chip, extrem zuverlässig)

• Umbenennung in Java

• 1995: α und β Release

• von IBM, SGI, Oracle und Microsoft lizensiert


Grundlegendes zu Java: Eigenschaften• durch den Bytecode (Zwischensprachencode) unabhängig von der Plattform

• Syntax an C und C++ angelehnt

• im Gegensatz zu C und C++ vollständig spezifiziert

• objektorientiert

• streng typisiert

• unterstützt parallele Abläufe (Nebenläufigkeit / Threads)

• Graphical User Interface (GUI)

• netzwerkfähig

• modularer Aufbau

• Nachteil: Effizienz leidet (ca. 5–10mal langsamer als C und C++)


Anwendungen

SelbstständiglaufendeAnwendung

Quellprogramm

?Java-Compiler

Java-Bytecode auf dem Server

?Java-Interpreter

Ablauf des Programms


Applets

Applet Quellprogramm

?Java-Compiler

Java-Bytecode auf dem Server

?Übertragung per Internet

Bytecodes auf dem Rechner desBenutzers (Client)

?

Java-Interpreter im Browser oderApplet-Viewer

Ablauf des Programms


Sicherheit

• keine Pointerarithmetik wie in C

• Garbage Collectiona

• Überprüfungen zur Laufzeit (Datentypen, Indizes, etc.) durch Mechanismen zurVerifizierung von Java-Bytecode bei der Übertragung

• dennoch ist die (Netz-)Sicherheit umstritten

aEin Garbage Collector entfernt automatisch Objekte, Felder und Variablen, auf die keine Referenzmehr vorhanden ist, aus dem Speicher (siehe Arnold & Gosling [?], S. 12, Kapitel 1.6).


Erstellen eines Java-Programms1. Quellprogramm erstellen:

class Hello {

public static void main(String[] args) {

System.out.println("Hello World");

}

}



class Hello {



}

}

2. Übersetzen eines Programms:

> javac Hello.java



class Hello {



}

}

2. Übersetzen eines Programms:

> javac Hello.java

3. Interpretation des Bytecodes:

> java Hello


Grundzüge imperativer Sprachen


Das Behältermodell der Variablen

Imperative Programmierung geht aus vom Modell eines Speichers, aufgegliedert ineinzelne Variablen, in denen Werte abgelegt werden können. Der Speicher bzw. dieVariablen werden verändert durch Befehle bzw. Anweisungen, die selbst vomaktuellen Speicherinhalt abhängen.


Das Behältermodell der Variablen

Imperative Programmierung geht aus vom Modell eines Speichers, aufgegliedert ineinzelne Variablen, in denen Werte abgelegt werden können. Der Speicher bzw. dieVariablen werden verändert durch Befehle bzw. Anweisungen, die selbst vomaktuellen Speicherinhalt abhängen. Ein typisches Beispiel ist die Anweisung

x = y + z.

Sie bedeutet: Addiere die Variableninhalte von y und z und lege die Summe in derVariablen x ab.


Seiteneffekte

• nicht nur der Variableninhalt von x kann sich ändern, sondern auch der von y

und z sowie aller möglicher anderer Variablen;

• falls x ≡ y oder y ≡ z, dann ist dies unmittelbar einsichtig.

Also ist “x = y + z” keine Gleichheit, die zwischen den Werten (Inhalten) von x, y

und z gilt, und mittels der wir über Programme nachdenken und Beweise führenkönnen. Das Prinzip der „referential transparency“ (Werttreue), das in derfunktionalen Programmierung gilt, ist in der imperativen verletzt.


Konsequenzen

1. Der Nachweis von Programmeigenschaften wird viel schwieriger, ebenso dasVerstehen von Programmen.

2. Die Semantik eines Programms hängt von einem strikten Nacheinander derAusführung der einzelnen Anweisungen ab.

3. Wiederverwendung von Programmteilen in anderem Kontext bedarfbesonderer Vorsicht.


Klassen, Objekte und Methoden im Überblick

Java-Programme werden aus Klassen aufgebaut. Aus einer Klassendefinition lassensich beliebig viele Objekte erzeugen, die auch Instanzen genannt werden (vgl.Arnold & Gosling [?], Kapitel 1.6 und 1.7).

Eine Klasse enthält folgende Bestandteile:

• Objektvariablen (objektbezogene Datenfelder)

• objektbezogene Methoden

• Klassenvariablen (klassenbezogene Datenfelder)

• klassenbezogene Methoden


Datenfelder (Synonym: Attribute) enthalten den Zustand des Objektes oder derKlasse. Methoden sind Sammlungen von imperativ formulierten Anweisungen, dieauf den Datenfeldern operieren, um deren Zustand zu ändern.


Klassen

Beispiel der Deklaration einer einfachen Klasse:

class Point {

double x, y;

}


Das Erzeugen von Objekten

Objekte werden mit dem Schlüsselwort new erzeugt. Neu geschaffene Objektebekommen innerhalb eines Bereiches des Speichers (welcher Heap genannt wird)einen Speicherplatz zugewiesen und werden dort abgelegt. Auf alle Objekte in Javawird über Objektreferenzen zugegriffen – jede Variable, die ein Objekt zu enthaltenscheint, enthält tatsächlich eine Referenz auf dieses Objekt (bzw. auf derenSpeicherplatz). Objektreferenzen haben den Wert null, wenn sie sich auf keinObjekt beziehen. Wir werden im folgenden Objekte und Objektreferenzensynonym verwenden, es sei denn, die Unterscheidung ist wichtig.


Erzeugung und Initialisierung

Point lowerLeft = new Point();

Point upperRight = new Point();


Erzeugung und Initialisierung

Point lowerLeft = new Point();

Point upperRight = new Point();

0.0.1 Wertzuweisung

lowerLeft.x = 0.0;

lowerLeft.y = 0.0;

upperRight.x = 1280.0;

upperRight.y = 1024.0;


Klassenvariablen

class Point {

double x, y;

static Point origin = new Point();

}


Klassenvariablen

class Point {

double x, y;

static Point origin = new Point();

}

static final Point origin = new Point();


MethodenEine Methode ist eine Funktion bzw. Prozedur. Sie kann parameterlos sein oderParameter haben. Sie kann einen Rückgabewert liefern oder als void deklariert sein,wenn sie keinen Wert zurückliefert. Methoden dürfen nicht geschachtelt werden.Innerhalb von Methoden dürfen lokale Variablen deklariert werden.


MethodenEine Methode ist eine Funktion bzw. Prozedur. Sie kann parameterlos sein oderParameter haben. Sie kann einen Rückgabewert liefern oder als void deklariert sein,wenn sie keinen Wert zurückliefert. Methoden dürfen nicht geschachtelt werden.Innerhalb von Methoden dürfen lokale Variablen deklariert werden.

class Point {

double x, y;

void clear() {

x = 0.0;

y = 0.0;

}

}


Um eine Methode aufzurufen, gibt man ein Objekt und den Methodennamen,getrennt durch einen Punkt, an.

lowerLeft.clear();

upperRight.clear();


Methode distance

double distance(Point p) {

double xdiff, ydiff; // Beispiel fuer lokale Variablen

xdiff = x - p.x;

ydiff = y - p.y;

return Math.sqrt(xdiff*xdiff + ydiff*ydiff);

}

Aufruf: double d = lowerLeft.distance(upperRight);


Klassenbezogene Methoden

Klassenbezogene Methoden werden durch das Schlüsselwort static deklariert, z.B.ist Math.sqrt() eine Klassenmethode der vordefinierten Klasse Math.

0.0.2 “distance” als Klassenmethode

static double distance(Point p1, Point p2) {

double xdiff = p1.x - p2.x;

double ydiff = p1.y - p2.y;

return Math.sqrt(xdiff*xdiff + ydiff*ydiff);

}

Aufruf: double d = Point.distance(lowerLeft, upperRight);


Vererbung, Pakete und Gültigkeitsbereiche


Vererbung

Klassen in Java können um zusätzliche Variablen und Methoden erweitert werden.Dies wird durch das Schlüsselwort extends angezeigt. Die entstehende Unterklassebesitzt dann alle Eigenschaften der Oberklasse und zusätzlich die in der jeweiligenErweiterung angegebenen Eigenschaften. Dieses Konzept wird auch als Vererbungbezeichnet, weil die Unterklasse alle Eigenschaften der Oberklasse erbt.


Vererbung

Klassen in Java können um zusätzliche Variablen und Methoden erweitert werden.Dies wird durch das Schlüsselwort extends angezeigt. Die entstehende Unterklassebesitzt dann alle Eigenschaften der Oberklasse und zusätzlich die in der jeweiligenErweiterung angegebenen Eigenschaften. Dieses Konzept wird auch als Vererbungbezeichnet, weil die Unterklasse alle Eigenschaften der Oberklasse erbt.

Zum Beispiel ist ein farbiger Punkt eine Erweiterung eines Punktes:

class ColoredPoint extends Point {

String color;

}


Pakete

Bei größeren Softwareprojekten ist es häufig ratsam, diese in verschiedene,unabhängige Teile aufzuteilen. Solche Teile werden als Module oder Paketebezeichnet. Java besitzt einige Eigenschaften, die es erlauben, Software modularaufzubauen: Verschiedene (i.d.R. logisch zusammengehörige) Klassen können ineinem Paket zusammengefasst werden. Die Klassendefinitionen können inverschiedenen Dateien enthalten sein.


Der Paketname muss im Header jeder Datei angegeben sein:

A.java C.java

package abc; package abc;

public class A { class C {

... ...

} }

class B {

...

}


import abc.A;

class test {

A a;

}


Gültigkeitsbereiche

public default (package) protected private

zugreifbar für Nicht-Unterklassen imselben Paket

ja ja ja nein

zugreifbar für Unterklassen im selbenPaket

ja ja ja nein

zugreifbar für Nicht-Unterklassen in einemanderen Paket

ja nein nein nein

zugreifbar für Unterklassen in einemanderen Paket

ja nein ja nein


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