Основы языка программирования Java

Основы языка программирования Java

Содержание

Введение

Часть 1.История и структура языка

.1 История java

.2 Объектно-ориентированное программирование (ООП)

.3 Структура и особенности java

Часть 2.Применение и значение java

.1 Применение

.2 Работа программистом java

Заключение

Источники информации

Введение

Значение информационных технологий велико в наше время. Сегодня нашу жизнь нельзя представить без компьютера и Интернета. Чтобы создавать программы, нужны языки программирования. Язык Java является одним из языков программирования, необходимым для создания программного обеспечения. Программист - одна из самых важных профессий в наше время, и важность ее будет расти. Этим обусловлен личный интерес исследователя к данной теме. В этом состоит актуальность темы работы.

Цель работы:

Изучить структуру языка Javaи продемонстрировать его возможности на практике.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

.        Изучить источники информации по теме;

.        Узнать историю языка Java;

.        Изучить основные принципы объектно-ориентированного программирования;

.        Изучить особенности синтаксиса Java;

.        Продемонстрировать прикладные возможности использования Java;

.        Выяснить перспективы работы программистом на Java/

Объект исследования: Язык программирования Java.

Предмет исследования: Структура, польза, потенциал.

Основным источником информации стал интернет.

Часть 1. История и структура языка

.1 История Java

Сегодня технология Java предоставляет средства для превращения статических Web-страниц в интерактивные динамические документы и для создания распределенных не зависящих от платформы приложений. Первоначально же язык Java корпорации Sun предназначался для устройств бытовой электроники, и в некоторых из них еще может использоваться его ранний вариант, известный под названием Oak. Однако настоящей стартовой площадкой для стремительного взлета Java стала сеть Internet.

Некоторые полагают, что для успеха любого дела, прежде всего, необходимо продумать и четко поставить задачу. Однако, совершенно очевидно, что в случае с языком программирования Java компании Sun Micro systems задача оказалась решенной до того, как ее сформулировали.

Создатель Java Джеймс Гослинг считает, что генезис этой технологии можно проследить с начала 1991 года, когда для изучения перспектив на рынке бытовой электроники в компании Sun была создана небольшая группа инженеров. В то время сеть World Wide Web существовала только в проектах.

Потребители против инженеров

"Группе была поставлена задача создать распределенную систему, которую можно было бы в качестве современной программной технологии продавать производителям бытовой электроники", - вспоминает Гослинг.

Гослинг, которому сейчас 40 с небольшим лет, перешел в Sun в 1984 г. из исследовательского отдела IBM. Его первая работа - интересный технически, но не имевший коммерческого успеха оконный интерфейс NeWS. Он также написал GOSMACS - первую реализацию текстового редактора EMACS на языке С.

Эта деятельность в области бытовой электроники (которая потом стала называться проектом "Green") показала Гослингу и его коллегам, как важны для потребителя такие показатели, как надежность, стоимость, соответствие стандартам и простота. Если пользователи рабочих станций заинтересованы в большой мощности и терпимы к высоким ценам, необходимости длительного обучения и наличию различных ошибок, то рядовым потребителям нужны дешевые, относительно простые и надежные устройства.

Чтобы успешно конкурировать на рынке бытовой электроники, компании должны рассматривать процессоры как обычный товар, который в любой момент можно заменить более дешевым, а также обеспечивать обратную совместимость и соблюдать стандарты, установившиеся на устройства длительного пользования типа тостеров и телевизоров.

В начале был С++

Чтобы не связывать разработку с конкретной платформой, Гослинг начал с расширения компилятора С++. Со временем, однако, он понял, что один С++, как его ни расширяй, не сможет удовлетворить все потребности. Поэтому в середине 1991 года был задуман язык Oak. (Впоследствии при поиске торговой марки его название было заменено на Java). "В конце концов, язык - это средство, а не самоцель, - поясняет Гослинг. - Мы не собирались зацикливаться на С++, а хотели разработать систему, которая позволяла бы создавать большую распределенную разнородную сеть из бытовых электронных устройств, способных взаимодействовать между собой".

В конце 1992 года, предприняв, по выражению тогдашнего инженера проекта Патрика Нотона, "огромные усилия по доработке Oak и других компонентов", коллектив проекта "Green" выпустил "*7" - устройство типа PDA, названное Гослингом "ручным пультом дистанционного управления".

"За полтора года мы сделали столько же, сколько иные большие коллективы в Sun делали за три года, - с гордостью отмечает Нотон. - Операционную систему GreenOS, язык, инструментарий, пользовательский интерфейс, новую аппаратную платформу, три заказных микросхемы... и каждый этап был связан с риском, т.к. мы использовали совершенно новые технологии".

Малогабаритность устройства *7 выгодно подчеркивала компактность и эффективность кода, являвшегося ядром технологии. Этот продукт широко демонстрировался в Sun и произвел впечатление на таких важных персон, как Скотт Макнили и Билл Джой, однако его дальнейшая судьба оставалось неясной.

Конкурс на разработку

Пока коллектив работал над Oak и *7, два его члена - специалист по оборудованию и технологии Эд Фрэнк и специалист по планированию бизнеса Майк Шеридан - подготовили примерную деловую и технологическую программу, которой могла бы воспользоваться какая-либо сторонняя компания типа Dolby Labs, чтобы создать и лицензировать технологию, и поместила бы логотип Sun на бытовую электронику вместе со своим. Ко времени появления демонстрационной модели *7 были готовы несколько версий этой программы. Однако в начале 1993 года, когда в Sun анализировались возможности применения Java, коллектив проекта Green, преобразованный к этому моменту в компанию FirstPerson, узнал об объявленном компанией Time-Warner конкурсе на разработку операционной системы для телевизионных приставок и технологии "видео по запросу". "Это было то, что надо", - вспоминает Гослинг.быстро переориентировалась на рынок ОС для телеприставок и сделала Time-Warner предложение. Однако оно было отвергнуто, по мнению Гослинга и Нотона, чисто по политическим соображениям, хотя ее технология была признана лучшей.продолжала работать над телеприставками до начала 1994 года, когда ее коллектив пришел к выводу о бесперспективности этого рынка. "Было много совершенно необоснованной рекламы", - поясняет Гослинг. Ряд недавних событий показал, что и сейчас рынок интерактивного ТВ еще не сформировался.

Тогда Нотон сумел доказать необходимость сворачивания работ над телеприставками и концентрации усилий в области онлайновых служб, CD-ROM и платформ для настольных систем. FirstPerson была распущена, и около половины ее сотрудников ушло в компанию Sun Interactive, где они стали заниматься разработкой серверов цифровых видеоданных. Но некоторые из них по-прежнему пытались найти пути применения технологии Java в объединенных в сеть настольных системах.

Обращение к Web

К середине 1994 года сеть World Wide Web выглядела уже вполне солидно. "Мы поняли, что сможем создать действительно первоклассный браузер, - говорит Гослинг. - Это один из немногих компонентов архитектуры клиент-сервер, который мы могли бы наделить такими необходимыми ему качествами, как независимость от архитектуры, работа в реальном времени, надежность, безопасность, не имеющие такого значения для рабочих станций. Поэтому мы и разработали браузер".

К осени Нотон и его коллега по Sun Джонатан Пэйн закончили писать Web Runner - Web-браузер, написанный на языке Java. Эта первая реализация Hot Java проявила Java-технологию в новом свете, и эта демонстрация произвела впечатление на директора подразделения Sun Labs Берта Сазерленда и главного технолога Sun Эрика Шмидта.

Что все это значит

Гослинг считает браузер таким компонентом, который "создает рынок" для инструментальных средств, серверов и сред разработки. И во всех этих средствах язык Java играет ключевую роль. "До появления Java страница WWW фактически представляла собой листок бумаги. Впоявлением Java браузер задает структуру и резко расширяет возможности провайдеров содержания".

Гослинг полагает, что технология Java заставит людей переосмыслить роль вычислений клиент-сервер. "В стандартной модели вы имеете определенные базы данных, пишете пакеты клиентского ПО, взаимодействующего с ними, и создаете какой-то интерфейс". В рамках этой модели трудно создавать распределенные системы и осуществлять их модернизацию, особенно если их части имеют разное происхождение, указывает Гослинг.

Имея же такие инструментальные средства как Java и Web, вы получаете исходно организованную систему, подчеркивает он. "Если вы создаете на языке Java клиентскую часть приложения, то его запуск сводится просто к переходу на соответствующую страницу. Инсталляция тривиальна - просто поместите необходимое ПО на Web-сервер. И никаких проблем с переносом, поскольку имеется только одна версия приложения". Многие компании, по словам Гослинга, уже организуют базы данных в виде Web-страниц с использованием интерфейса Common Gateway Interface (CGI) - специфического стандарта для работы внешних программ на сервере HTTP [7].

Версии

·        JDK 1.0 (Январь 21, 1996)

·        JDK 1.1 (Февраль 19, 1997)

·        J2SE 1.2 (Декабрь 8, 1998)

·        J2SE 1.3 (Май 8, 2000)

·        J2SE 1.4 (Февраль 6, 2002)

·        J2SE 5.0 (Сентябрь 30, 2004)

·        Java SE 6 (Декабрь 11, 2006)

·        Java SE 7 (Июль 28, 2011)

·        Java SE 8.0(ожидается в середине 2013 года)

Принципы

Было 5 основных целей при создании языка Java

.        Это должно быть “простым, объектно-ориентированным и знакомым”;

.        Это должно быть “надежным и безопасным”;

.        Это должно быть “архитектно-нейтральным и портативным”;

.        Это должно выполняться с “высокой производительностью”;

.        Это должно быть“интерпретируемым идинамичным”.

1.2 Объектно-ориентированное программирование (ООП)

язык программирование java

Для того чтобы понять структуру Java, нужно сначала понять что такое объектно-ориентированное программирование.

Основные понятия

Абстракция

Абстрагирование - это способ выделить набор значимых характеристик объекта, исключая из рассмотрения незначимые. Соответственно, абстракция - это набор всех таких характеристик.

Инкапсуляция

Инкапсуляция - это свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними, в классе и скрыть детали реализации от пользователя.

Наследование

Наследование - это свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым, родительским или суперклассом. Новый класс - потомком, наследником или производным классом.

Полиморфизм

Полиморфизм - это свойство системы использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта.

Класс

Класс является описываемой на языке терминологии (пространства имён) исходного кода моделью ещё не существующей сущности (объекта). Фактически он описывает устройство объекта, являясь своего рода чертежом. Говорят, что объект - это экземпляр класса. При этом в некоторых исполняющих системах класс также может представляться некоторым объектом при выполнении программы посредством динамической идентификации типа данных. Обычно классы разрабатывают таким образом, чтобы их объекты соответствовали объектам предметной области.

Объект

Сущность в адресном пространстве вычислительной системы, появляющаяся при создании экземпляра класса или копирования прототипа (например, после запуска результатов компиляции и связывания исходного кода на выполнение).

Прототип

⎼это объект-образец, по образу и подобию которого создаются другие объекты. Объекты-копии могут сохранять связь с родительским объектом, автоматически наследуя изменения в прототипе; эта особенность определяется в рамках конкретного языка.

Определение ООП и его основные концепции

В центре ООП находится понятие объекта. Объект - это сущность, которой можно посылать сообщения, и которая может на них реагировать, используя свои данные. Данные объекта скрыты от остальной программы. Сокрытие данных называется инкапсуляцией.

Наличие инкапсуляции достаточно для объектности языка программирования, но ещё не означает его объектной ориентированности - для этого требуется наличие наследования.

Но даже наличие инкапсуляции и наследования не делает язык программирования в полной мере объектным с точки зрения ООП. Основные преимущества ООП проявляются только в том случае, когда в языке программирования реализован полиморфизм; то есть возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию.

Особенности реализации

Поля данных

Параметры объекта (конечно, не все, а только необходимые в программе), задающие его состояние (свойства объекта предметной области). Иногда поля данных объекта называют свойствами объекта, из-за чего возможна путаница. Физически поля представляют собой значения (переменные, константы), объявленные как принадлежащие классу.

Методы

Процедуры и функции, связанные с классом. Они определяют действия, которые можно выполнять над объектом такого типа, и которые сам объект может выполнять.

Классы могут наследоваться друг от друга. Класс-потомок получает все поля и методы класса-родителя, но может дополнять их собственными либо переопределять уже имеющиеся. Большинство языков программирования поддерживает только единичное наследование (класс может иметь только один класс-родитель), лишь в некоторых допускается множественное наследование - порождение класса от двух или более классов-родителей. Множественное наследование создаёт целый ряд проблем, как логических, так и чисто реализационных, поэтому в полном объёме его поддержка не распространена. Вместо этого в 1990-е годы появилось и стало активно вводиться в объектно-ориентированные языки понятие интерфейса. Интерфейс - это класс без полей и без реализации, включающий только заголовки методов. Если некий класс наследует (или, как говорят, реализует) интерфейс, он должен реализовать все входящие в него методы. Использование интерфейсов предоставляет относительно дешёвую альтернативу множественному наследованию. Взаимодействие объектов в абсолютном большинстве случаев обеспечивается вызовом ими методов друг друга.

Инкапсуляция обеспечивается следующими средствами:

Контроль доступа

Поскольку методы класса могут быть как чисто внутренними, обеспечивающими логику функционирования объекта, так и внешними, с помощью которых взаимодействуют объекты, необходимо обеспечить скрытость первых при доступности извне вторых. Для этого в языки вводятся специальные синтаксические конструкции, явно задающие область видимости каждого члена класса. Традиционно это модификаторы public, protected и private, обозначающие, соответственно, открытые члены класса, члены класса, доступные только из классов-потомков и скрытые, доступные только внутри класса. Конкретная номенклатура модификаторов и их точный смысл различаются в разных языках.

Методы доступа

Поля класса, в общем случае, не должны быть доступны извне, поскольку такой доступ позволил бы произвольным образом менять внутреннее состояние объектов. Поэтому поля обычно объявляются скрытыми (либо язык в принципе не позволяет обращаться к полям класса извне), а для доступа к находящимся в полях данным используются специальные методы, называемые методами доступа. Такие методы либо возвращают значение того или иного поля, либо производят запись в это поле нового значения. При записи метод доступа может проконтролировать допустимость записываемого значения и, при необходимости, произвести другие манипуляции с данными объекта, чтобы они остались корректными (внутренне согласованными). Методы доступа называют ещё аксессорами (от англ. access - доступ), а по отдельности - геттерами (англ. get - чтение) и сеттерами (англ. set - запись).

Свойства объекта

Псевдополя, доступные для чтения и/или записи. Свойства внешне выглядят как поля и используются аналогично доступным полям (с некоторыми исключениями), однако фактически при обращении к ним происходит вызов методов доступа. Таким образом, свойства можно рассматривать как «умные» поля данных, сопровождающие доступ к внутренним данным объекта какими-либо дополнительными действиями (например, когда изменение координаты объекта сопровождается его перерисовкой на новом месте). Свойства, по сути - не более чем синтаксический сахар, поскольку никаких новых возможностей они не добавляют, а лишь скрывают вызов методов доступа. Конкретная языковая реализация свойств может быть разной. Например, в C# объявление свойства непосредственно содержит код методов доступа, который вызывается только при работе со свойствами, то есть не требует отдельных методов доступа, доступных для непосредственного вызова. В Delphi объявление свойства содержит лишь имена методов доступа, которые должны вызываться при обращении к полю. Сами методы доступа представляют собой обычные методы с некоторыми дополнительными требованиями к сигнатуре.

Полиморфизм реализуется путём введения в язык правил, согласно которым переменной типа «класс» может быть присвоен объект любого класса-потомка её класса.

1.3 Структура и особенности Java

Основные особенности

Программы на Java транслируются в байт-код, выполняемый виртуальной машиной Java (JVM) - программой, обрабатывающей байтовый код и передающей инструкции оборудованию как интерпретатор.

Достоинство подобного способа выполнения программ - в полной независимости байт-кода от операционной системы и оборудования, что позволяет выполнять Java-приложения на любом устройстве, для которого существует соответствующая виртуальная машина. Другой важной особенностью технологии Java является гибкая система безопасности благодаря тому, что исполнение программы полностью контролируется виртуальной машиной. Любые операции, которые превышают установленные полномочия программы (например, попытка несанкционированного доступа к данным или соединения с другим компьютером) вызывают немедленное прерывание.

Часто к недостаткам концепции виртуальной машины относят то, что исполнение байт-кода виртуальной машиной может снижать производительность программ и алгоритмов, реализованных на языке Java. В последнее время был внесен ряд усовершенствований, которые несколько увеличили скорость выполнения программ на Java:

·        применение технологии трансляции байт-кода в машинный код непосредственно во время работы программы (JIT-технология) с возможностью сохранения версий класса в машинном коде;

·        широкое использование платформенно-ориентированного кода (native-код) в стандартных библиотеках;

·        аппаратные средства, обеспечивающие ускоренную обработку байт-кода (например, технология Jazelle, поддерживаемая некоторыми процессорами фирмы ARM).

По данным сайта shootout.alioth.debian.org, для семи разных задач время выполнения на Java составляет в среднем в полтора-два раза больше, чем для C/C++, в некоторых случаях Java быстрее, а в отдельных случаях в 7 раз медленнее. С другой стороны, для большинства из них потребление памяти Java-машиной было в 10-30 раз больше, чем программой на C/C++. Также примечательно исследование, проведённое компанией Google, согласно которому отмечается существенно более низкая производительность и большее потребление памяти в тестовых примерах на Java в сравнении с аналогичными программами на C++.

Идеи, заложенные в концепцию и различные реализации среды виртуальной машины Java, вдохновили множество энтузиастов на расширение перечня языков, которые могли бы быть использованы для создания программ, исполняемых на виртуальной машине. Эти идеи нашли также выражение в спецификации общеязыковой инфраструктуры CLI, заложенной в основу платформы .NET компанией Microsoft.

Основные возможности

·        автоматическое управление памятью;

·        расширенные возможности обработки исключительных ситуаций;

·        богатый набор средств фильтрации ввода/вывода;

·        набор стандартных коллекций: массив, список, стек и т. п.;

·        наличие простых средств создания сетевых приложений (в том числе с использованием протокола RMI);

·        наличие классов, позволяющих выполнять HTTP-запросы и обрабатывать ответы;

·        встроенные в язык средства создания многопоточных приложений;

·        унифицированный доступ к базам данных:

·        поддержка обобщений (начиная с версии 1.5);

·        параллельное выполнение программ.

Примитивные типы

Классы и функциине является процедурным языком: любая функция может существовать только внутри класса. Это подчёркивает терминология языка Java, где нет понятий «функция» или «функция-член» (англ. member function), а только метод. В методы превратились и стандартные функции. Например, в Java нет функции sin(), а есть метод Math.sin() класса Math (содержащего, кроме sin(), методы cos(), exp(), sqrt(), abs() и многие другие).

Абстрактность

В Java методы, не объявленные явно как static, final или private, являются виртуальными в терминологии C++: при вызове метода, по-разному определённого в базовом и наследующем классах, всегда производится проверка времени выполнения.

Абстрактным методом (модификатор abstract) в Java называется метод, для которого заданы параметры и тип возвращаемого значения, но не тело. Абстрактный метод определяется в классах-наследниках. В C++ то же самое называется чисто виртуальной функцией. Для того чтобы в классе можно было описывать абстрактные методы, сам класс тоже должен быть описан как абстрактный. Объекты абстрактного класса создавать нельзя.

Интерфейсы

Высшей степенью абстрактности в Java является интерфейс (interface). Все методы интерфейса абстрактны: описатель abstract даже не требуется. Интерфейс в Java не считается классом, хотя, по сути, является полностью абстрактным классом. Класс может наследовать/расширять (extends) другой класс или реализовывать (implements) интерфейс. Кроме того, интерфейс может наследовать/расширять другой интерфейс.

В Java класс не может наследовать более одного класса, зато может реализовывать сколько угодно интерфейсов. Множественное наследование интерфейсов не запрещено, то есть один интерфейс может наследоваться от нескольких.

Интерфейсы можно передавать методам как параметры, но нельзя создавать экземпляры интерфейсов.

Пример программы

Программа, выводящая «Hello, world!»:

Библиотеки классов

·        JDK - содержит набор базовых классов для всего ПО на платформах Java SE и Java EE

·        CDK - для создания химического ПО

·        MARF - модульная библиотека для распознавания аудио

·        JDOM - реализация XML DOM, учитывающая особенности платформы Java.

Средства разработки ПО

·        JDK - помимо набора библиотек для платформ Java SE и Java EE содержит компилятор командной строки javac и набор утилит, также работающих в режиме командной строки.

·        Net Beans IDE - свободная интегрированная среда разработки для всех платформ Java - Java ME, Java SE и Java EE. Пропагандируется Sun Micro systems, разработчиком Java, как базовое средство для разработки ПО на языке Java и других языках (C, C++, PHP, Fortran и др.).

·        Eclipse IDE - свободная интегрированная среда разработки для Java SE, Java EE и Java ME[40]. Пропагандируется IBM, одним из важнейших разработчиков корпоративного ПО, как базовое средство для разработки ПО на языке Java и других языках (C, C++, Ruby, Fortran и др.)

·        IntelliJ IDEA - среда разработки для платформ Java SE, Java EE и Java ME. Разработчик - компания JetBrains. Распространяется в двух версиях: свободной бесплатной (Community Edition) и коммерческой проприетарной (Ultimate Edition).

·        JDeveloper - среда разработки для платформ Java SE, Java EE и Java ME. Разработчик - компания Oracle.

·        BlueJ - Среда разработки программного обеспечения на языке Java, созданная в основном для использования в обучении, но также подходящая для разработки небольших программ.

Часть 2. Применение и значениеJava

.1 Применение

На сегодняшний день платформа Java привлекла более 9 миллионов разработчиков программного обеспечения. Она используется во всех главных сегментах индустрии, а также в широком диапазоне устройств, компьютеров и сетей.

Универсальность, эффективность, портативность платформ и безопасность технологии Java делают эту технологию идеальным выбором для сетевых вычислений. От портативных компьютеров до центров сбора данных, от игровых консолей до суперкомпьютеров, используемых для научных разработок, от сотовых телефонов до сети Интернет - Java используется повсюду!

·        Java используется на 1.1 млрд. настольных ПК

·        Следующие успешные проекты реализованы с привлечением Java (J2EE) технологий: RuneScape, Amazon, eBay, Yandex, LinkedIn, Yahoo!

·        Ежегодно регистрируется 930 миллионов загрузок среды выполнения Java

·        Java используется в 3 млрд. мобильных телефонов

·        Ежегодно поставляется в 31 раз больше телефонов Java, чем телефонов Apple и Android вместе взятых

·        Java используется в 100% всех проигрывателей Blu-ray

·        Ежегодно выпускается 1.4 млрд. платформ Java Card

·        На основе технологий Java работают приставки, принтеры, веб-камеры, игры, навигационные системы для автомобилей, терминалы для проведения лотерей, медицинские устройства, автоматы для оплаты парковки и многое другое[11].

Популярность Java среди других языков[8]

2.2 Работа программистом Java

Следующие таблицы показывают средние зарплаты программистов Java.

Россия[10]

США (Зарплата в год) [5]

Заключение

Были выполнены все поставленные задачи. Было выяснено, что

·        Java создавалась несколько лет и совершила прорыв в информационных технологиях;

·        Java является типичным объектно-ориентированным языком.

·        Программы на Java транслируются в байт-код, выполняемый виртуальной машиной, что позволяет выполнять Java-приложения на любом устройстве, для которого существует соответствующая виртуальная машина;

·        Язык имеет широкое применение, на нем работают компьютеры, телефоны, приставки, принтеры, медицинские устройства и многое другое;

·        Java является перспективным языком, а у программистов Java высокие зарплаты.

Источники информации

1.       Грэхем Иан. Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика. - 3-е изд. - М.: «Вильямс», 2004

2.       Zakhour, S: The Java Tutorial: A Short Course on the Basics, 4th Edition 2006

3.       Синтес Антони. Освой самостоятельно объектно-ориентированное программирование за 21 день. - М.: «Вильямс», 2002

.        Эккель Брюс: Thinking in Java 2, Prentice Hall, 2000

6.       http://www.javabegin.ru/

7.       http://www.javaportal.ru/articles/historyJava.html

.        http://www.langpop.com/

.        http://www.oracle.com/technetwork/java/index.html

10.     http://www.superjob.ru/research/articles/1905/programmist-java/

.        http://www.java.com/ru/about/