Программирование на Java

Программирование на Java

2-е издание, исправленное

Вязовик Н.А.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Программирование на Java/ Н.А. Вязовик - М.: Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”,
2016

Курс лекций посвящен современному и мощному языку программирования Java. В его рамках дается
вводное изложение принципов ООП, необходимое для разработки на Java, основы языка, библиотеки
для работы с файлами, сетью, для построения оконного интерфейса пользователя (GUI) и др.
Java изначально появилась на свет как язык для создания небольших приложений для Интернета
(апплетов), но со временем развилась как универсальная платформа для создания программного
обеспечения, которое работает буквально везде – от мобильных устройств и смарт-карт до мощных
серверов. Данный курс начинается с изложения истории появления и развития Java. Такие знания
позволят лучше понять особенности платформы и спектр существующих продуктов и технологий.
Также создание Java является интересным примером истории одного из самых популярных и
успешных проектов в компьютерном мире. Затем излагаются основные концепции ООП,
необходимые для освоения объектно-ориентированного языка программирования Java. Ключевые
понятия и конструкции языка описываются доступным языком, но, тем не менее, на достаточно
глубоком уровне. Детально рассмотрены особенности лексики, системы типов данных, объектной
модели. Уделяется особое внимание модификаторам доступа, соглашениям по именованию,
преобразованию типов, работе с массивами, обработке ошибок (исключительных ситуаций). Курс
завершается рассмотрением базовых библиотек Java, предоставляющих всю необходимую
функциональность для создания самых разных приложений – коллекции объектов, работа с файлами,
сетью, создание GUI приложений, построение многопоточной архитектуры и многое другое.
Описание сетевой библиотеки предваряется изложением основ сетевых протоколов и технологий.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2003-2016
(c) Вязовик Н.А., 2003-2016

3

Что такое Java? История создания

Первая лекция начинается с рассказа о событиях, происходивших задолго до
официального объявления Java. Хотя эта технология на сегодняшний день разительно
отличается от того, как задумывали ее создатели, однако многие особенности берут
свое начало от решений, принятых в то время. Будут освещены все основные этапы
создания, появления и развития Java. Также в лекции излагаются необходимые базовые
знания для разработчиков – основные свойства платформы Java, и почему она является
платформой, а не просто языком программирования. Что входит в пакет разработчика,
где найти нужную информацию, какие дополнительные продукты предоставляет Sun,
чем различаются Java и Java Script – ответы на эти и другие общие вопросы находятся в
первой лекции.

Что такое Java?

Что знают о Java обычные пользователи персональных компьютеров и Internet? Что
говорят о нем разработчики, которые не занимаются этой технологией
профессионально?

Java широко известна как новейший объектно-ориентированный язык, легкий в
изучении и позволяющий создавать программы, которые могут исполняться на любой
платформе без каких-либо доработок ( кроссплатформенность ). Еще с Java почему-то
всегда связана тема кофе (изображения логотипов, названия продуктов и т.д.).
Программисты могут добавить к этому описанию, что язык похож на упрощенный С
или С++ с добавлением garbage collector’а - автоматического сборщика “мусора” (
механизм освобождения памяти, которая больше не используется программой ). Также
известно, что Java ориентирована на Internet, и самое распространенное ее применение
- небольшие программы, апплеты, которые запускаются в браузере и являются частью
HTML -страниц.

Критики, в свою очередь, утверждают, что язык вовсе не так прост в применении,
многие замечательные свойства лишь заявлены, а на самом деле не очень-то работают,
а главное - программы на Java исполняются чрезвычайно медленно. Следовательно,
это просто некая модная технология, которая только на время привлечет к себе
внимание, а затем исчезнет, как и многие другие.

Однако некоторые факты не позволяют согласиться с такой оценкой. Во-первых, со
времени официального объявления Java прошло достаточно много времени для
“просто модной технологии”. Во-вторых, конференция разработчиков Java One,
которая впервые была организована в 1996 году, уже через год собрала более 10000
участников и стала крупнейшей конференцией по созданию программного
обеспечения в мире (каждый следующий год число участников росло примерно на
5000). Специальная программа Sun, объединяющая разработчиков Java по всему миру,
Java Developer Connection, также была запущена в 1996 году, через год она
насчитывала более 100.000 разработчиков, а в 2000 году - более 1,5 миллионов. На
сегодня число программистов на Java оценивается в 3 миллиона.

4

Было выпущено пять основных версий языка, начиная с 1.0 в 1995 году и заканчивая
1.4 в феврале 2002 года (21 сентября 2017 вышла 9я версия). Следующая версия 1.5
выпущена в 2004 году. Все версии и документацию к ним всегда можно было
бесплатно получить на официальном web-сайте Java ссылка: http://java.sun.com/. Один
из первых продуктов для Java - JDK 1.1 (средство разработки на Java ) - в течение
первых трех недель после объявления был загружен более 220.000 раз. Версия 1.4 была
загружена более 2 миллионов раз за первые 5 месяцев. Практически все ведущие
производители программного обеспечения лицензировали технологию Java и
регулярно объявляют о выходе построенных на ней продуктов. Это и “голубой гигант”
IBM, и создатель платформы Macintosh фирма Apple, и лидер в области реляционных
БД Oracle, и даже главный конкурент фирмы Sun - корпорация Microsoft лицензировала Java еще в марте 1996 года.

В следующем разделе описывается краткая история зарождения и развития идей,
приведших к появлению Java, что поможет понять, чем на самом деле является эта
технология, каковы ее свойства и отличительные черты, для чего она предназначена и
откуда взялось такое разнообразие мнений о ней.

История создания Java

Если поискать в Internet историю создания Java, выясняется, что изначально язык
назывался OaK (“дуб”), а работа по его созданию началась еще в 1990 году с довольно
скандальной истории внутри корпорации Sun. Эти факты верны, однако на самом деле
все было еще интереснее.

Сложности внутри Sun Microsystems

Действительно, события начинают разворачиваться в декабре 1990 года, когда бурное
развитие WWW (World Wide Web - “всемирная паутина”) никто не мог еще даже
предсказать. Тогда компьютерная индустрия была поглощена взлетом персональных
компьютеров. К сожалению, фирма Sun Microsystems, занимающая значительную долю
рынка серверов и высокопроизводительных станций, по мнению многих сотрудников и
независимых экспертов, не могла предложить ничего интересного для обычных
пользователей “персоналок” - для них компьютеры от Sun представлялись “слишком
сложными, очень некрасивыми и чересчур “тупыми” устройствами”.

Поэтому Скотт МакНили (Scott McNealy), член совета директоров, президент и CEO
(исполнительный директор) корпорации Sun, не был удивлен, когда 25-летний хорошо
зарекомендовавший себя программист Патрик Нотон (Patrick Naughton), проработав
всего 3 года, объявил о своем желании перейти в компанию NeXT. Они были друзьями,
и Патрик объяснил свое решение просто и коротко: “Они все делают правильно”.
Скотт задумался на секунду и произнес историческую фразу. Он попросил Патрика
перед уходом описать, что, по его мнению, в Sun делается неверно. Надо было не
просто рассказать о проблеме, но предложить решение, не оглядываясь на
существующие правила и традиции, как будто в его распоряжении имеются
неограниченные ресурсы и возможности.

5

Патрик Нотон выполнил просьбу. Он безжалостно раскритиковал новую программную
архитектуру NeWS, над которой фирма работала в то время, а также высоко оценил
только что объявленную операционную систему NeXTstep. Нотон предложил привлечь
профессиональных художников-дизайнеров, чтобы сделать пользовательские
интерфейсы Sun более привлекательными; выбрать одно средство разработки и
сконцентрировать усилия на одной оконной технологии, а не на нескольких сразу
(Нотон был вынужден поддерживать сотни различных комбинаций технологий,
платформ и интерфейсов, используемых в компании); наконец, уволить почти всех
сотрудников из Window Systems Group (если выполнить предыдущие условия, они
будут просто не нужны).

Конечно, Нотон был уверен, что его письмо просто проигнорируют, но все же отложил
свой переход в NeXT в ожидании какой-нибудь ответной реакции. Однако она
превзошла все ожидания.

МакНили разослал письмо Нотона всему управляющему составу корпорации, а те
переслали его своим ведущим специалистам. Откликнулись буквально все, и, по
общему мнению, Нотон описал то, о чем все думали, но боялись высказать. Решающей
оказалась поддержка Билла Джоя (Bill Joy) и Джеймса Гослинга (James Gosling). Билл
Джой - один из основателей и вице-президент Sun, а также участник проекта по
созданию операционной системы UNIX в университете Беркли. Джеймс Гослинг
пришел в Sun в 1984 году (до этого он работал в исследовательской лаборатории IBM)
и был ведущим разработчиком, а также автором первой реализации текстового
редактора EMACS на C. Эти люди имели огромный авторитет в корпорации.

Чтобы не останавливаться на достигнутом, Нотон решил предложить какой-то
совершенно новый проект. Он объединился с группой технических специалистов, и
они просидели до 4.30 утра, обсуждая базовые концепции такого проекта. Их
получилось всего три: главное - потребитель, и все строится исключительно в
соответствии с его интересами; небольшая команда должна спроектировать
небольшую аппаратно-программную платформу; эту платформу нужно воплотить в
устройстве, предназначенном для персонального пользования, удобном и простом в
обращении - т.е. создать компьютер для обычных людей. Этих идей оказалось
достаточно, чтобы Джон Гейдж (John Gage), руководитель научных исследований Sun,
смог организовать презентацию для высшего руководства корпорации. Нотон изложил
условия, которые он считал необходимыми для успешного развития этого
предприятия: команда должна расположиться вне офиса Sun, чтобы не испытывать
никакого сопротивления революционным идеям; проект будет секретным для всех,
кроме высшего руководства Sun; аппаратная и программная платформы могут быть
несовместимы с продуктами Sun; на первый год группе необходим миллион долларов.

Проект Green

5 декабря 1990 года, в день, когда Нотон должен был перейти в компанию NeXT, Sun
сделала ему встречное предложение. Руководство согласилось со всеми его условиями.
Поставленная задача - “создать что-нибудь необычайное”. 1 февраля 1991 года Патрик
Нотон, Джеймс Гослинг и Майк Шеридан (Mike Sheridan) вплотную приступили к

6

реализации проекта, который получил название Green.

Цель они выбрали себе амбициозную - выяснить, какой будет следующая волна
развития компьютерной индустрии (первыми считаются появление полупроводников и
персональных компьютеров) и какие продукты необходимо разработать для успешного
участия в ней. С самого начала проект не рассматривался как чисто исследовательский,
задача была создать реальный продукт, устройство.

На ежегодном собрании Sun весной 1991 года Гослинг заметил, что компьютерные
чипы получили необычайное распространение, они применяются в
видеомагнитофонах, тостерах, даже в дверных ручках гостиниц! Тем не менее, до сих
пор в каждом доме можно увидеть до трех пультов дистанционного управления - для
телевизора, видеомагнитофона и музыкального центра. Так родилась идея разработать
небольшое устройство с жидкокристаллическим сенсорным экраном, которое будет
взаимодействовать с пользователем с помощью анимации, показывая, чем можно
управлять и как. Чтобы создать такой прибор, Нотон начал работать над
специализированной графической системой, Гослинг взялся за программное
обеспечение, а Шеридан занялся бизнес-вопросами.

В апреле 1991 года команда покидает офис Sun, отключаясь даже от внутренней сети
корпорации, и въезжает в новое помещение. Закупаются разнообразные бытовые
электронные устройства, такие как игровые приставки Nintendo, телевизионные
приставки, пульты дистанционного управления, и разработчики играют в различные
игры целыми днями, чтобы лучше понять, как сделать пользовательский интерфейс
легким в понимании и использовании. В качестве идеального примера Гослинг
отмечал, что современные тостеры с микропроцессорами имеют точно такой же
интерфейс, что и тостер его мамы, который служит уже 42 года. Очень быстро
исследователи обнаружили, что практически все устройства построены на самых
разных центральных процессорах. Это означает, что добавление новых
функциональных возможностей крайне затруднено, так как необходимо учитывать
ограничения и, как правило, довольно скудные возможности используемых чипов.
Когда же Гослинг побывал на концерте, где смог воочию наблюдать сложное
переплетение проводов, огромное количество колонок и полуавтоматических
прожекторов, которые, казалось, согласованно двигаются в такт музыке, он понял, что
будущее - за объединением сетей, компьютеров и других электронных устройств в
единую согласованную инфраструктуру.

Сначала Гослинг попытался модифицировать С++, чтобы создать язык для написания
программ, минимально ориентированных на конкретные платформы. Однако очень
скоро стало понятно, что это практически невозможно. Основное достоинство С++ скорость программ, но отнюдь не их надежность. А надежность работы для обычных
пользователей должна быть так же абсолютно гарантирована, как совместимость
обычных электрических вилки и розетки. Поэтому в июне 1991 года Гослинг, который
написал свой первый язык программирования в 14 лет, начинает разработку замены
C++. Создавая новый каталог и раздумывая, как его назвать, он выглянул в окно, и
взгляд его остановился на растущем под ним дереве. Так язык получил свое первое
название - OaK (дуб). Спустя несколько лет, после проведения маркетинговых
исследований, имя сменили на Java.

7

Всего несколько месяцев потребовалось, чтобы довести разработку до стадии, когда
стало возможным совместить новый язык с графической системой, над которой
работал Нотон. Уже в августе команда смогла запустить первые программы,
демонстрирующие возможности будущего устройства.

Само устройство, по замыслу создателей, должно было быть размером с обычный
пульт дистанционного управления, работать от батареек, иметь привлекательный и
забавный графический интерфейс и, в конце концов, стать любимой (и полезной!)
домашней игрушкой. Чтобы построить этот не имеющий аналогов прибор, находчивые
разработчики применили “технологию молотка”. Они попросту находили какойнибудь аппарат, в котором были подходящие детали или микросхемы, разбивали его
молотком и таким образом добывали необходимые части. Так были получены
основной жидкокристаллический экран, сенсорный экран и миниатюрные встроенные
колонки. Центральный процессор и материнская плата были специально разработаны
на основе высокопроизводительной рабочей станции Sun. Было придумано и
оригинальное название - *7, или Star7 (с помощью этой комбинации кнопок можно
было ответить с любого аппарата в офисе на звонок любого другого телефона, а
поскольку редко кого из них можно было застать на рабочем месте, эти слова очень
часто громко кричали на весь офис). Для придания интерфейсу большей
привлекательности разработчики создали забавного персонажа по имени Дьюк (Duke),
который всегда был готов помочь пользователю выполнить его задачу. В дальнейшем
он стал спутником Java, счастливым талисманом - его можно встретить во многих
документах, статьях, примерах кода.

Задача была совершенно новая, не на что было опереться, не было никакого опыта,
никаких предварительных наработок. Команда трудилась, не прерываясь ни на один
день. В августе 1991 года состоялась первая демонстрация для Билла Джоя и Скотта
МакНили. В ноябре группа снова подключилась к сети Sun по модемной линии. Чем
дальше развивался проект, тем больше новых специалистов присоединялось к команде
разработчиков. Примерно в то время было придумано название для той идеологии,
которую они создавали,- 1st Person (условно можно перевести как “первое лицо”).

Наконец, 4 сентября 1992 года Star7 был завершен и продемонстрирован МакНили. Это
было небольшое устройство с 5” цветным (16 бит) сенсорным экраном, без единой
кнопки. Чтобы включить его, надо было просто дотронуться до экрана. Весь
интерфейс был построен как мультик - никаких меню! Дьюк перемещался по
комнатам нарисованного дома, а чтобы управлять им, надо было просто водить по
экрану пальцем - никаких специальных средств управления. Можно было взять
виртуальную телепрограмму с нарисованного дивана, выбрать передачу и
“перетащить” ее на изображение видеомагнитофона, чтобы запрограммировать его на
запись.

Результат превзошел все ожидания! Стоит напомнить, что устройства типа карманных

8

компьютеров (PDA), начиная с Newton, появились заметно позже, не говоря уже о
цветном экране. Это было время 286i и 386i процессоров Intel (486i уже появились, но
стоили очень дорого) и MS DOS, даже мышь еще не была обязательным атрибутом
персонального компьютера.

Руководители Sun были просто в восторге - появилось отличное оружие против таких
могучих конкурентов, как HP, IBM и Microsoft. Новая технология была способна не
только демонстрировать мультики. Объектно-ориентированный язык OaK обещал
стать достаточно мощным инструментом для написания программ, которые могут
работать в сетевом окружении. Его объекты, свободно распространяемые по сети,
работали бы на любом устройстве, начиная с персонального компьютера и заканчивая
обычными бытовыми видеомагнитофонами и тостерами. На презентациях Нотон
представлял области применения OaK, изображая домашние компьютеры, машины,
телефоны, телевизоры, банки и соединяя их единой сетью. Целое приложение,
например, для работы с электронной почтой, могло быть построено в виде группы
таких объектов, причем они не обязательно должны были располагаться на одном
устройстве. Более того, как язык, ориентированный на распределенную архитектуру,
OaK имел механизмы безопасности, шифрования, процедур аутентификации, причем
все эти возможности были встроенные, а значит, незаметные и удобные для
пользователя.

Компания FirstPerson

Крупные компании-производители, такие как Mitsubishi Electric, France Telecom, Dolby
Labs, заинтересовались новой технологией, начались переговоры. Шеридан подготовил
бизнес-план с оригинальным названием “Beyond the Green Door” (“За зеленой
дверью”), в котором предложил Sun учредить дочернюю компанию для продвижения
платформы OaK на рынок. 1 ноября 1992 года создается компания FirstPerson, которую
возглавила Вэйн Роузинг (Wayne Rosing), перешедшая из Sun Labs. Арендуется
роскошный офис, число сотрудников возрастает с 14 до 60 человек.

Однако позднее оказалось, что стоимость подобного решения (процессор, память,
экран) составляет не менее $50. Производители же бытовой техники не привыкли
платить значительные суммы за дополнительную функциональность, облегчающую
использование их продуктов.

В это время внимание компьютерной индустрии захватывает идея интерактивного
телевидения, создается ощущение, что именно оно станет следующим революционным
прорывом. Поэтому, когда в марте 1993 года Time Warner объявляет конкурс для
производителей компьютерных приставок к телевизору для развертывания пробной
сети интерактивного телевидения, FirstPerson полностью переключается на эту задачу.
И снова неудача - победителем оказывается Джеймс Кларк (James Clark), основатель
Silicon Graphics Inc., несмотря на то, что технологически его предложение уступает
OaK. Впрочем, через год проект Time Warner и SGI проваливается, а Джеймс Кларк
создает компанию Netscape, которая еще сыграет важную роль в успехе Java.

Другим потенциальным клиентом стал производитель игровых приставок 3DO.

9

Понадобилось всего 10 дней, чтобы импортировать OaK на эту платформу, однако
после трехмесячных переговоров директор 3DO потребовал полные права на новый
продукт, и сделка не состоялась.

Наконец, в начале 1994 года стало понятно, что идея интерактивного телевидения
оказалась нежизнеспособной. Ожиданиям не суждено было стать реальностью. Анализ
состояния FirstPerson показал, что компания не имеет ни одного клиента или партнера
и ее дальнейшие перспективы довольно туманны. Руководство Sun требует
немедленного составления нового бизнес-плана, позволяющего компании снова
приносить прибыль.

World Wide Web

В погоне за призраком интерактивного телевидения многие участники компьютерного
рынка пропустили поистине эпохальное событие. В апреле 1993 года Марк Андриссен
(Marc Andreessen) и Эрик Бина (Eric Bina), работающие в Национальном центре
суперкомпьютерных приложений (National Center for Supercomputing Applications,
NCSA) при университете Иллинойс, выпустили первую версию графического браузера
(“обозревателя”) Mosaic 1.0 для WWW. Хотя Internet существовал на тот момент уже
около 20 лет, имеющимися протоколами связи (FTP, telnet и др.) пользоваться было
очень неудобно и Глобальная Сеть использовалась лишь в академической и
государственной среде. Mosaic же основывался на новом языке разметки
гипертекстовых документов (HyperText Markup Language, HTML ), который с 1991 года
разрабатывался в Европейском институте физики частиц (CERN) специально для
представления информации в Internet. Этот формат позволял просматривать текст и
изображения, а главное - поддерживал ссылки, с помощью которых можно было одним
нажатием мыши перейти как на другую часть той же страницы, так и на страницу,
которая могла располагаться совсем в другой части сети и в любой точке планеты.
Именно такие перекрестные обращения, используя которые, пользователь мог
незаметно для себя посетить множество узлов Internet, и позволили считать все HTML документы связанными частями единого целого - Всемирной Паутины (World Wide
Web, WWW).

И самое важное - все эти новые достижения были совершенно бесплатны и доступны
для всех желающих. Впервые обычные пользователи персональных компьютеров без
всякой специальной подготовки могли пользоваться глобальной сетью не только для
решения рабочих вопросов, но и для поиска информации на самые разные темы.
Количество документов в пространстве WWW стало расти экспоненциально, и очень
скоро сеть Internet стала поистине Всемирной. Правда, со временем обнаружилось, что
такой способ организации и хранения информации очень напоминает свалку, в которой
крайне трудно найти данные по какому-нибудь конкретному вопросу, однако эта тема
относится к совершенно другому этапу развития компьютерного мира. Итак, каким-то
непостижимым образом Sun не замечает зарождения новой эпохи. Технический
директор Sun впервые увидел Mosaic лишь три месяца спустя! И это притом, что около
50% серверов и рабочих станций в сети Internet были произведены именно Sun.

Новый бизнес-план FirstPerson ставил цель, которая была неким промежуточным

10