Java: Der Einstieg

Java: Der Einstieg
Algorithmen und Datenstrukturen II
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Grundlegendes zu Java: Historisches
• 1990-1991: Entwicklung der Programmiersprache OAK durch James Gosling
von Sun Microsystems (zunächst für Toaster, Mikrowellen etc.; unabhängig
vom Chip, extrem zuverlässig)
• Umbenennung in Java
• 1995: α und β Release
• von IBM, SGI, Oracle und Microsoft lizensiert
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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++)
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Anwendungen
Selbstständig
laufende
Anwendung
Quellprogramm
Java-Compiler
?
Java-Bytecode auf dem Server
Java-Interpreter
?
Ablauf des Programms
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Applets
Applet
Quellprogramm
Java-Compiler
?
Java-Bytecode auf dem Server
Übertragung per Internet
?
Bytecodes auf dem Rechner des
Benutzers (Client)
Java-Interpreter im Browser oder
Applet-Viewer
?
Ablauf des Programms
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Sicherheit
• keine Pointerarithmetik wie in C
• Garbage Collectiona
• Überprüfungen zur Laufzeit (Datentypen, Indizes, etc.) durch Mechanismen zur
Verifizierung von Java-Bytecode bei der Übertragung
• dennoch ist die (Netz-)Sicherheit umstritten
a Ein
Garbage Collector entfernt automatisch Objekte, Felder und Variablen, auf die keine Referenz
mehr vorhanden ist, aus dem Speicher (siehe Arnold & Gosling [?], S. 12, Kapitel 1.6).
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Erstellen eines Java-Programms
1. Quellprogramm erstellen:
class Hello {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World");
}
}
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Erstellen eines Java-Programms
1. Quellprogramm erstellen:
class Hello {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World");
}
}
2. Übersetzen eines Programms:
> javac Hello.java
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Erstellen eines Java-Programms
1. Quellprogramm erstellen:
class Hello {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello World");
}
}
2. Übersetzen eines Programms:
> javac Hello.java
3. Interpretation des Bytecodes:
> java Hello
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Grundzüge imperativer Sprachen
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Das Behältermodell der Variablen
Imperative Programmierung geht aus vom Modell eines Speichers, aufgegliedert in
einzelne Variablen, in denen Werte abgelegt werden können. Der Speicher bzw. die
Variablen werden verändert durch Befehle bzw. Anweisungen, die selbst vom
aktuellen Speicherinhalt abhängen.
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Das Behältermodell der Variablen
Imperative Programmierung geht aus vom Modell eines Speichers, aufgegliedert in
einzelne Variablen, in denen Werte abgelegt werden können. Der Speicher bzw. die
Variablen werden verändert durch Befehle bzw. Anweisungen, die selbst vom
aktuellen 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 der
Variablen x ab.
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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 führen
können. Das Prinzip der „referential transparency“ (Werttreue), das in der
funktionalen Programmierung gilt, ist in der imperativen verletzt.
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Konsequenzen
1. Der Nachweis von Programmeigenschaften wird viel schwieriger, ebenso das
Verstehen von Programmen.
2. Die Semantik eines Programms hängt von einem strikten Nacheinander der
Ausführung der einzelnen Anweisungen ab.
3. Wiederverwendung von Programmteilen in anderem Kontext bedarf
besonderer Vorsicht.
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Klassen, Objekte und Methoden im Überblick
Java-Programme werden aus Klassen aufgebaut. Aus einer Klassendefinition lassen
sich 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
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Klassen, Objekte und Methoden im Überblick
Java-Programme werden aus Klassen aufgebaut. Aus einer Klassendefinition lassen
sich 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
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Datenfelder (Synonym: Attribute) enthalten den Zustand des Objektes oder der
Klasse. Methoden sind Sammlungen von imperativ formulierten Anweisungen, die
auf den Datenfeldern operieren, um deren Zustand zu ändern.
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Klassen
Beispiel der Deklaration einer einfachen Klasse:
class Point {
double x, y;
}
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Das Erzeugen von Objekten
Objekte werden mit dem Schlüsselwort new erzeugt. Neu geschaffene Objekte
bekommen innerhalb eines Bereiches des Speichers (welcher Heap genannt wird)
einen Speicherplatz zugewiesen und werden dort abgelegt. Auf alle Objekte in Java
wird über Objektreferenzen zugegriffen – jede Variable, die ein Objekt zu enthalten
scheint, enthält tatsächlich eine Referenz auf dieses Objekt (bzw. auf deren
Speicherplatz). Objektreferenzen haben den Wert null, wenn sie sich auf kein
Objekt beziehen. Wir werden im folgenden Objekte und Objektreferenzen
synonym verwenden, es sei denn, die Unterscheidung ist wichtig.
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Erzeugung und Initialisierung
Point lowerLeft = new Point();
Point upperRight = new Point();
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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;
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Klassenvariablen
class Point {
double x, y;
static Point origin = new Point();
}
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Klassenvariablen
class Point {
double x, y;
static Point origin = new Point();
}
static final Point origin = new Point();
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Methoden
Eine Methode ist eine Funktion bzw. Prozedur. Sie kann parameterlos sein oder
Parameter 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.
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Methoden
Eine Methode ist eine Funktion bzw. Prozedur. Sie kann parameterlos sein oder
Parameter 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;
}
}
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Um eine Methode aufzurufen, gibt man ein Objekt und den Methodennamen,
getrennt durch einen Punkt, an.
lowerLeft.clear();
upperRight.clear();
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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);
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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);
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Vererbung, Pakete und Gültigkeitsbereiche
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Vererbung
Klassen in Java können um zusätzliche Variablen und Methoden erweitert werden.
Dies wird durch das Schlüsselwort extends angezeigt. Die entstehende Unterklasse
besitzt dann alle Eigenschaften der Oberklasse und zusätzlich die in der jeweiligen
Erweiterung angegebenen Eigenschaften. Dieses Konzept wird auch als Vererbung
bezeichnet, weil die Unterklasse alle Eigenschaften der Oberklasse erbt.
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Vererbung
Klassen in Java können um zusätzliche Variablen und Methoden erweitert werden.
Dies wird durch das Schlüsselwort extends angezeigt. Die entstehende Unterklasse
besitzt dann alle Eigenschaften der Oberklasse und zusätzlich die in der jeweiligen
Erweiterung angegebenen Eigenschaften. Dieses Konzept wird auch als Vererbung
bezeichnet, weil die Unterklasse alle Eigenschaften der Oberklasse erbt.
Zum Beispiel ist ein farbiger Punkt eine Erweiterung eines Punktes:
class ColoredPoint extends Point {
String color;
}
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Pakete
Bei größeren Softwareprojekten ist es häufig ratsam, diese in verschiedene,
unabhängige Teile aufzuteilen. Solche Teile werden als Module oder Pakete
bezeichnet. Java besitzt einige Eigenschaften, die es erlauben, Software modular
aufzubauen: Verschiedene (i.d.R. logisch zusammengehörige) Klassen können in
einem Paket zusammengefasst werden. Die Klassendefinitionen können in
verschiedenen Dateien enthalten sein.
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Der Paketname muss im Header jeder Datei angegeben sein:
A.java
package abc;
public class A {
...
}
C.java
package abc;
class C {
...
}
class B {
...
}
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Der Paketname muss im Header jeder Datei angegeben sein:
A.java
package abc;
public class A {
...
}
C.java
package abc;
class C {
...
}
class B {
...
}
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import abc.A;
class test {
A a;
}
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Gültigkeitsbereiche
public
default (package)
protected
zugreifbar für Nicht-Unterklassen im
selben Paket
ja
ja
ja
nein
zugreifbar für Unterklassen im selben
Paket
ja
ja
ja
nein
zugreifbar für Nicht-Unterklassen in einem
anderen Paket
ja
nein
nein
nein
zugreifbar für Unterklassen in einem
anderen Paket
ja
nein
ja
nein
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priva
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