Java to obiektowy język programowania zbudowany przez grupę roboczą pod kierunkiem Jamesa Goslinga z firmy Sun Microsystems. Java jest językiem tworzenia programów źródłowych kompilowanych do kodu bajtowego, czyli postaci wykonywanej przez maszynę wirtualną. Język cechuje się silnym typowaniem. Jego podstawowe koncepcje zostały przejęte z języka Smalltalk (maszyna wirtualna, zarządzanie pamięcią) oraz z języka C++ (duża cząstka składni oraz słów kluczowych).
Javy nie trzeba mylić ze skryptowym językiem JavaScript, z którym wspólną ma zaledwie składnię podstawowych instrukcji.
Obecnym właścicielem tej technologii jest Oracle Corporation.
Główne koncepcje
Autorzy języka Java określili kilkanaście kluczowych koncepcji swojego języka. Najważniejsze z nich to:
Obiektowość
W przeciwieństwie do proceduralno-obiektowego języka C++, Java jest silnie ukierunkowana na obiektowość. Wszelkie dane oraz akcje na nich podejmowane są pogrupowane w klasy obiektów. O obiekcie da się myśleć jako o samoistnej części programu, która może przyjmować określone stany oraz ma określone zachowania, które potrafią zmieniać te stany bądź przesyłać dane do innych obiektów. Wyjątkiem od całkowitej obiektowości (jak np. w Smalltalku) są typy proste (int, float itp.).
// oznacza komentarz
// w tej postaci to obiekt reprezentujący kolorowy punkt
public class Figura {
// właściwości (atrybuty/pola)
private float środekX;
private float środekY;
private int kolor; //tak naprawdę do przechowywania(tworzenia)
//koloru używa się zwykle obiektu java.awt.Color
// operacje (metody)
public float obliczPole() {
return 0;
}
public float obliczObwód() {
return 0;
}
public void wyświetl() {...}
...
}
Jak widać z powyższego, silne typowanie oznacza, że każda wprowadzana zmienna czy pole musi posiadać przypisany typ przechowywanych w niej danych (
float oznacza
typ zmiennoprzecinkowy), a każda metoda musi deklarować, jakiego typu dane zwraca (lub
void, jeśli nic nie zwraca). Z przykładu widać też, że w nazwach zmiennych oraz metod da się używać polskich liter – to zasługa wbudowanej obsługi kodowania
Unicode. Pokazany w nazwach zmiennych oraz metod
standard kodowania (polegający na pisaniu słów bez
spacji, a z kapitalizowaniem drugiego oraz następnych słów składowych) jest nieobowiązkowy, ale jest jedną z uznanych za dobre praktyk programowania w Javie
Dziedziczenie
W Javie wszystkie obiekty są pochodną obiektu nadrzędnego (jego klasa nazywa się po prostu Object), z którego dziedziczą podstawowe zachowania oraz właściwości. Dzięki temu wszystkie posiadają wspólny podzbiór podstawowych możliwości, takich jak ich: identyfikacja, porównywanie, kopiowanie, niszczenie czy wsparcie dla programowania współbieżnego.
// "extends" oznacza dziedziczenie po klasie Figura pól: środekX, środekY oraz kolor
// oraz metod: obliczPole, obliczObwód oraz wyświetl
public class Kwadrat extends Figura {
// dodatkowe atrybuty
private float wierzchołekX;
private float wierzchołekY;
private float długośćBoku;
// "przesłaniamy" operacje rodzica, dzięki czemu dla każdej zdefiniowanej Figury
// da się policzyć pole czy obwód
@Override
public float obliczPole() {
return długośćBoku*długośćBoku;
}
...
}
Choć C++ udostępniał dziedziczenie wielobazowe, projektanci Javy odeszli od tego pomysłu. Java dopuszcza zaledwie dziedziczenie jednobazowe, a więc jedynie jedna klasa może przekazać swoje właściwości oraz operacje jako podstawę do rozszerzania ich o dodatkowe możliwości. Dzięki temu wyeliminowano możliwość konfliktów pomiędzy właściwościami przekazywanymi przez klasy nadrzędne.
By zrekompensować spadek elastyczności wynikający z pojedynczego dziedziczenia wprowadzono interfejsy oraz podklasy umożliwiające wielokrotne dziedziczenie implementacji. Pozwalają one nazwać pewien określony zbiór operacji, dzięki czemu da się określić, że dany obiekt, któremu przypisano dany interfejs (implementujący go), dopuszcza wykonanie owego zestawu operacji.
Niezależność od architektury
Tę właściwość Java ma dzięki temu, że kod źródłowy programów pisanych w Javie kompiluje się do kodu pośredniego. Powstały kod jest niezależny od systemu operacyjnego oraz procesora, a wykonuje go tzw. wirtualna maszyna Javy, która (między innymi) tłumaczy kod uniwersalny na kod dostosowany do specyfiki konkretnego systemu operacyjnego oraz procesora. W tej chwili wirtualna maszyna Javy jest już dostępna dla większości systemów operacyjnych oraz procesorów.
Jednak z uwagi na to, że kod pośredni jest interpretowany, taki program jest wolniejszy niż kompilowany do kodu maszynowego. Z tego względu maszynę wirtualną wielokrotnie uzupełnia się o kompilator JIT. Istnieją także niezależne od Suna kompilatory Javy – przykładem podprojekt GCC o nazwie GCJ. W rezultacie powstaje szybszy kod, ale da się go uruchamiać na jednej tylko platformie, a więc nie jest przenośny.
Sieciowość oraz obsługa programowania rozproszonego
Dzięki wykorzystaniu reguł obiektowości, Java nie widzi różnicy pomiędzy danymi płynącymi z pliku lokalnego a danymi z pliku dostępnego przez HTTP czy FTP.
Biblioteki Javy udostępniają wyspecjalizowane funkcje umożliwiające programowanie rozproszone – zarówno pomiędzy aplikacjami Javy (RMI) jak oraz pomiędzy aplikacją Javy a aplikacjami napisanymi w innych językach (CORBA, usługi sieciowe). Odmienne biblioteki udostępniają możliwość pisania aplikacji uruchamianych w przeglądarkach internetowych (aplety Javy) oraz aplikacji działających ciągle po stronie serwera (serwlety).
Niezawodność oraz bezpieczeństwo
W zamierzeniu Java miała zastąpić C++ – obiektowego następcę języka C. Jej projektanci zaczęli od rozpoznania cech języka C++, które są przyczyną największej liczby błędów programistycznych, by stworzyć język prosty w użyciu, bezpieczny oraz niezawodny.
O ile po pięciu odsłonach Javy jej prostota jest dyskusyjna, o tyle język faktycznie robi dużo, by utrudnić programiście popełnienie błędu. Przede wszystkim Java ma system wyjątków czyli sytuacji, kiedy kod programu natrafia na nieprzewidywane trudności, takie jak np.:
- operacje na elemencie poza zadeklarowaną granicą tablicy albo elemencie pustym
- czytanie z niedostępnego pliku albo nieprawidłowego adresu URL
- podanie nieprawidłowych danych przez użytkownika
W innych językach programowania programista bez wątpienia może przeistoczenie wewnętrzne testy sprawdzające poprawność danych, pozycję indeksu tablicy, inicjalizację zmiennych itd., ale jest to jego dobra wola oraz nie jest to jakoś szczególnie wspierane przez dany język. W Javie jest inaczej – obsługa wyjątków jest obowiązkowa, bez tego program się nie skompiluje. Przy tym obiekty wchodzące w skład pakietu standardowego Javy (i gros obiektów z pakietów pochodzących od poważnych programistów niezależnych) implementują wyjątki w każdym miejscu kodu, którego wykonanie jest niepewne ze względu na okoliczności zewnętrzne.
Sama obsługa wyjątków opiera się na napisaniu kodu, który wykona się w odpowiedzi na taką sytuację nadzwyczajną. Może to być np. podstawienie wartości domyślnej przy natrafieniu na nieprawidłową wartość parametru, zaniechanie danej akcji oraz powrót do stanu stabilnego czy choćby zapisanie pracy przed wyjściem. W sytuacji wyjątkowej program przerywa normalne wykonanie oraz tworzy specjalny obiekt wyjątku odpowiedniej klasy, który "wyrzuca" z normalnego biegu programu. Następnie zdefiniowany przez użytkownika kod "łapie" ten obiekt wyjątku oraz podejmuje odpowiednie działanie. Działanie bywa dwojakiego typu: wspomniane wyżej środki zaradcze albo odrzucenie takiego "śmierdzącego jaja" dalej, do bloku programu, który nakazał wykonanie wadliwej operacji. Takie podawanie sobie wyjątku bywa wieloetapowe oraz jeśli skończy się w bloku podstawowym programu powoduje jego przerwanie oraz ogłoszenie błędu krytycznego.
nieoczekiwanie systemu wyjątków Java od wersji 1.4 ma dwa inne systemy wspomagające pisanie niezawodnych programów: logowanie oraz asercje. Pierwsze pozwalają na zapisanie w plikach dziennika przebiegu działania programu, z dodatkową możliwością filtrowania zawartości, określenia poziomu logowanych błędów itp. Drugie rozwiązanie dopuszcza na upewnienie się, że pewne założenia co do określonych wyrażeń (np. że liczba, z której wyciągamy pierwiastek jest nieujemna) są prawdziwe. Asercje są o tyle ciekawe, że działają tylko z odpowiednią opcją wykonania programu, dzięki czemu programista może sprawdzić działanie programu, a później bez wysiłku spowodować pominięcie testowej części kodu po prostu przez ominięcie tej opcji.
Krytyka oraz kontrowersje
Język Java pomimo swoich wielu zalet, ma wiele wad w tym takie, które wzbudzają rozliczne kontrowersje:
- Najczęściej wymienianą wadą języka Java jest to, że programy pisane w Javie wykonują się wolniej niż programy pisane w językach natywnie kompilowanych (np. C++). Zarzut ten odnosi się szczególnie do starych wersji Javy, kiedy zaawansowane mechanizmy takie jak JIT albo współbieżny odśmiecacz nie były dostępne. Aktualnie zdania są mocno podzielone. Można podać przykłady programów zarówno takich, które w Javie będą wykonywały się wolniej niż w C++, jak oraz takich, które będą wykonywały się szybciej.
- Javie zarzuca się, że niezbyt dobrze nadaje się do zastosowań czasu rzeczywistego. Podstawowym problemem jest niedobór przewidywalności wydajności oraz nieoczekiwane przestoje powodowane działaniem odśmiecacza. W nowych wersjach Javy ten drugi problem stał się radykalnie ograniczony, jednak nadal do zastosowań czasu rzeczywistego lepiej stosować języki natywnie kompilowane.
- Wielokrotnie Javie zarzucane jest to, że ma mniejszą funkcjonalność niż np. C++, co ogranicza programistę. Jako przykład przywołuje się czasami fakt, że aby uruchomić niewielki program trzeba napisać dłuższy kod programu. Pewni ludzie jednak zwracają uwagę, że także język C++ nie ma wielu elementów, które da się znaleźć w Javie jak np. klasy anonimowe, odśmiecacz pamięci, system pakietów, dynamiczne ładowanie klas czy reflection API.
- Java wymusza konwersję typów prostych (np. int) na odpowiadający typ referencyjny (np. java.lang.Integer) przy pracy z kolekcjami, co może posiadać negatywny wpływ na wydajność w specyficznych sytuacjach oraz zmniejsza czytelność programu. Typy generyczne, wprowadzone w wersji 5 oraz tzw. autoboxing, czyli automatyczna konwersja pomiędzy typami prostymi oraz ich obiektowymi odpowiednikami usunęły problem czytelności. Programista może już także wybrać, jakim algorytmem zostanie zaimplementowana dana kolekcja (np. lista bywa zaimplementowana jako tablica o zmiennym rozmiarze, drzewo, albo lista jednokierunkowa), co dopuszcza na poprawienie wydajności.
Dystrybucje języka Java
Pakiety
Java nie jest monolitem, lecz składa się z szeregu klas definiujących obiekty różnego typu. Dla przejrzystości klasy te pogrupowane są w hierarchicznie ułożone pakiety. Każdy pakiet grupuje klasy związane z pewnym szerokim zakresem zastosowań języka np. java.io (klasy wejścia-wyjścia), java.util.prefs (klasy użytkowe do obsługi preferencji) czy java.awt (system obsługi trybu graficznego). Hierarchię klas oddają nazwy pakietów, które skonstruowane są analogicznie jak ścieżki dostępu do plików. Dla przykładu klasa Preferences znajdująca się w pakiecie java.util.prefs ma pełną nazwę: java.util.prefs.Preferences, co oznacza:
- java – pakiet trzeba do zestawu standardowych pakietów Javy,
- util – to różnego typu klasy użytkowe (pomocnicze) z reguły organizujące obsługę różnego typu struktur danych,
- prefs – system obsługi preferencji w sposób niezależny od platformy, w którym preferencje systemowe oraz użytkownika są składowane w postaci hierarchicznego rejestru,
- Preferences – konkretna nazwa klasy.
Dzięki takiemu systemowi nazwy klas są niepowtarzalne, co dopuszcza uniknąć niejednoznaczności (np. czy chodzi o klasę List implementującą strukturę listy danych czy o List implementującą graficzną listę wyświetlaną w okienku).
Wszystkie klasy pisane przez programistów niezależnych powinny być umieszczane w innych hierarchiach. Firma Sun wielokrotnie zaleca, by w nazewnictwie klas niestandardowych przed właściwą nazwą pakietu stosować odwróconą nazwę domeny internetowej autora pakietu. Dla przykładu narzędzie Ant istnieje w pakiecie org.apache.ant, co zapobiega konfliktom nazw z pakietami innych autorów, którzy także chcieliby nazwać swój pakiet Ant.
Domyślnie klasy pakietu nie są możliwe do użycia poza nim. Stąd nie są konflikty nazw klas przy imporcie wielorakich pakietów. Klasa pakietu staje się publiczną przy deklaracji public class Foo.
JRE a JDK
Pakiety z hierarchii java oraz javax (dodatki wprowadzone w późniejszych wersjach) należą do podstawowego zestawu klas rozprowadzanych jako Java. Zestaw ten jest dostępny w dwóch wersjach: JRE (Java Runtime Environment) – udostępnia kod bajtowy wszystkich klas standardowych oraz wirtualną maszynę do ich uruchamiania, zaś JDK (Java Development Kit) dodatkowo udostępnia źródła tych klas oraz dodatkowe narzędzia takie jak kompilator, paker czy debuger. Podział ten wprowadzono dlatego, że użytkownik Javy do uruchamiania programów potrzebuje tylko JRE, natomiast do programowania działających aplikacji potrzeba już JDK.
Implementacje Javy
Potocznie pod nazwą Java rozumie się nie tylko język programowania, ale także całe środowisko (JDK) wykonywane przez firmę Sun. Z tego uogólnienia wynikają pewne nieścisłości, jak np. to, że Java jest niezależna od architektury – nie jest to jednak cecha samego języka, a mechanizmu wirtualnej maszyny, wykorzystywanego w standardowej implementacji Suna.
Swoją własną implementację JDK, certyfikowaną w ramach Java Community Process, tworzy dla przykładu IBM, a na bazie kodu oryginalnej implementacji powstaje przeznaczona dla Linuksa Blackdown Java.
Istnieją też projekty odtworzenia poszczególnych elementów środowiska. Wśród nich są wirtualne maszyny Javy wykonywane przez społeczność FLOSS SableVM oraz Kaffe, doświadczalny IBM-owski kompilator Jikes, czy optymalizowany pod względem szybkości dla architektur Intela JRockit, autorstwa firmy BEA. Najczęściej wykorzystują one bibliotekę standardowych klas rozwijaną w ramach projektu GNU Classpath.
Inne podejście prezentuje projekt GCJ, który dopuszcza kompilować programy w Javie bezpośrednio do kodu maszynowego.
JavaFX
W 2007 roku firma Sun ogłosiła swe plany wprowadzenia nowego języka skryptowego o nazwie JavaFX Script. Cele przyświecające temu językowi są podobne do tych, które stale towarzyszyły Javie:
Język JavaFX Script nie jest całkowicie nowym produktem, lecz rozszerzeniem wcześniejszej Javy. Nowe aplikacje będą funkcjonować bez żadnych modyfikacji na każdej maszynie wirtualnej Javy.
Tym posunięciem firma Sun stara się dorównać konkurencji, która promuje takie rozwiązania jak:
Przypisy
Sprawdź też
Linki zewnętrzne
Tutoriale
