Язык программирования Java и среда NetBeans

Язык программирования Java и среда NetBeans

2-е издание, исправленное

Монахов В.В.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Язык программирования Java и среда NetBeans/ В.В. Монахов - М.: Национальный Открытый
Университет “ИНТУИТ”, 2016

Курс рассчитан на широкую аудиторию начинающих программистов, от школьниковстаршеклассников до студентов старших курсов, а также людей, желающих самостоятельно
научиться программировать на языке Java.
Курс может быть интересен даже опытным программистам, которые по каким-либо причинам не
отслеживали изменения и нововведения в Java за последние годы. Курс содержит информацию об
основных синтаксических конструкциях языка Java, особенностях и типичных ошибках их
использования, а также сведения о среде NetBeans 5.5, поддерживающей самые современные
средства разработки приложений Java - визуальное проектирование графического пользовательского
интерфейса, прямое и обратное проектирование с использованием UML-диаграмм, рефакторинг.
Курс подготовлен на основе лекций и материалов практических занятий для студентов 1-6 курсов
физического факультета СПбГУ.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2009-2016
(c) Монахов В.В., 2009-2016

3

Общие представления о языке Java

Java и другие языки программирования. Системное и прикладное программирование.
Виртуальная Java-машина, байт-код, JIT-компиляция. Категории программ,
написанных на языке Java. Алфавит языка Java. Десятичные и шестнадцатеричные
цифры и целые числа. Зарезервированные слова. Управляющие последовательности.
Символы Unicode. Специальные символы. Идентификаторы. Переменные и типы.
Примитивные и ссылочные типы.

1.1. Java и другие языки программирования. Системное и
прикладное программирование

Язык программирования Java был создан в рамках проекта корпорации Sun
Microsystems по созданию компьютерных программно-аппаратных комплексов нового
поколения. Первая версия языка была официально опубликована в 1995 году. С тех пор
язык Java стал стандартом де-факто, вытеснив за десять лет языки C и C++ из многих
областей программирования. В 1995 году они были абсолютными лидерами, но к 2006
году число программистов, использующих Java, стало заметно превышать число
программистов, использующих C и C++, и составляет более четырех с половиной
миллионов человек. А число устройств, в которых используется Java, превышает
полтора миллиарда.

Как связаны между собой языки C, C++, JavaScript и Java? Что между ними общего, и в
чем они отличаются? В каких случаях следует, а в каких не следует их применять? Для
того чтобы ответить на этот вопрос, следует сначала остановиться на особенностях
программного обеспечения предыдущих поколений и на современных тенденциях в
развитии программного обеспечения.

Первоначально программирование компьютеров шло в машинных кодах. Затем
появились языки ASSEMBLER, которые заменили команды процессоров
мнемоническими сокращениями, гораздо более удобными для человека, чем
последовательности нулей и единиц. Их принято считать языками программирования
низкого уровня (то есть близкими к аппаратному уровню), так как они ориентированы
на особенности конкретных процессоров. Именно поэтому программы, написанные на
языках ASSEMBLER, нельзя было переносить на компьютеры с другим типом
процессора - процессоры имели несовместимые наборы команд. То есть они были
непереносимы на уровне исходного кода (source code).

Программы, написанные в машинных кодах, то есть в виде последовательности
ноликов и единиц, соответствующих командам процессора и необходимым для них
данным, нет необходимости как-то преобразовывать. Их можно скопировать в нужное
место памяти компьютера и передать управление первой команде программы (задать
точку входа в программу).

Программы, написанные на каком-либо языке программирования, сначала надо
перевести из одной формы (текстовой) в другую (двоичную, то есть в машинные
коды). Процесс такого перевода называется трансляцией (от английского translation –

4

“перевод”, “перемещение”). Не обязательно переводить программу из текстовой
формы в двоичные коды, возможен процесс трансляции с одного языка
программирования на другой. Или из кодов одного типа процессора в коды другого
типа.

Имеется два основных вида трансляции – компиляция и интерпретация.

При компиляции первоначальный набор инструкций однократно переводится в
исполняемую форму (машинные коды), и в последующем при работе программы
используются только эти коды.

При интерпретации во время каждого вызова необходимых инструкций каждый раз
сначала происходит перевод инструкций из одной формы (текстовой или двоичной) в
другую – в исполняемые коды процессора используемого компьютера. И только потом
эти коды исполняются. Естественно, что интерпретируемые коды исполняются
медленнее, чем скомпилированные, так как перевод инструкций из одной формы в
другую обычно занимает в несколько раз больше времени чем выполнение полученных
инструкций. Но интерпретация обеспечивает большую гибкость по сравнению с
компиляцией, и в ряде случаев без нее не обойтись.

В 1956 году появился язык FORTRAN – первый язык программирования высокого
уровня (то есть не ориентированный на конкретную аппаратную реализацию
компьютера). Он обеспечил переносимость программ на уровне исходных кодов, но
довольно дорогой ценой. Во-первых, быстродействие программ, написанных на
FORTRAN, было в несколько раз меньше, чем для ассемблерных. Во-вторых, эти
программы занимали примерно в два раза больше места в памяти компьютера, чем
ассемблерные. И, наконец, пришлось отказаться от поддержки особенностей
периферийных устройств – общение с “внешним миром” пришлось ограничить
простейшими возможностями, которые в программе одинаково реализовывались для
ввода-вывода с помощью перфокарточного считывателя, клавиатуры, принтера,
текстового дисплея и т.д. Тем не менее языки программирования высокого уровня
постепенно вытеснили языки ASSEMBLER, поскольку обеспечивали не только
переносимость программ, но и гораздо более высокую их надежность, а также
несоизмеримо более высокую скорость разработки сложного программного
обеспечения. FORTRAN до сих пор остается важнейшим языком программирования
для высокопроизводительных численных научных расчетов.

Увеличение аппаратных возможностей компьютеров (количества памяти,
быстродействия, появления дисковой памяти большого объема), а также появление
разнообразных периферийных устройств, привело к необходимости пересмотра того,
как должны работать программы. Массовый выпуск компьютеров потребовал
унификации доступа из программ к различным устройствам. Возникла идея, что из
программы можно обращаться к устройству без учета особенностей его аппаратной
реализации. Это возможно, если обращение к устройству идет не напрямую, а через
прилагающуюся программу – драйвер устройства (по-английски driver означает
“водитель”). Появились операционные системы - наборы драйверов и программ,
распределяющих ресурсы компьютера между разными программами. Соответственно,
программное обеспечение стало разделяться на системное и прикладное. Системное

5

программное обеспечение – непосредственно обращающееся к аппаратуре, прикладное
– решающее какие-либо прикладные задачи и использующее аппаратные возможности
компьютера не напрямую, а через вызовы программ операционной системы.
Прикладные программы стали приложениями операционной системы, или,
сокращенно, приложениями (applications). Этот термин означает, что программа может
работать только под управлением операционной системы. Если на том же компьютере
установить другой тип операционной системы, программа-приложение первой
операционной системы не будет работать.

Требования к прикладным программам принципиально отличаются от требований к
системным программам. От системного программного обеспечения требуется
максимальное быстродействие и минимальное количество занимаемых ресурсов, а
также возможность доступа к любым необходимым аппаратным ресурсам. От
прикладного – максимальная функциональность в конкретной предметной области.
При этом быстродействие и занимаемые ресурсы не имеют значения до тех пор, пока
не влияют на функциональность. Например, нет совершенно никакой разницы,
реагирует программа на нажатие клавиши на клавиатуре за одну десятую или за одну
миллионную долю секунды. Правда, на первоначальном этапе создания прикладного
программного обеспечения даже прикладные по назначению программы были
системными по реализации, так как оказывались вынуждены напрямую обращаться к
аппаратуре.

Язык C был создан в 1972 году в одной из исследовательских групп Bell Laboratories
при разработке операционной системы Unix. Сначала была предпринята попытка
написать операционную систему на ASSEMBLER, но после появления в группе новых
компьютеров пришлось создать платформонезависимый язык программирования
высокого уровня, с помощью которого можно было бы писать операционные системы.
Таким образом, язык C создавался как язык для создания системного программного
обеспечения, и таким он остается до сих пор. Его идеология и синтаксические
конструкции ориентированы на максимальную близость к аппаратному уровню
реализации операций – в той степени, в какой он может быть обеспечен на аппаратнонезависимом уровне. При этом главным требованием была максимальная скорость
работы и минимальное количество занимаемых ресурсов, а также возможность доступа
ко всем аппаратным ресурсам. Язык C является языком процедурного
программирования, так как его базовыми конструкциями являются подпрограммы. В
общем случае подпрограммы принято называть подпрограммами-процедурами (откуда
и идет название “процедурное программирование“) и подпрограммами-функциями. Но
в C имеются только подпрограммы-функции. Обычно их называют просто функциями.

Язык C произвел настоящую революцию в разработке программного обеспечения,
получил широкое распространение и стал промышленным стандартом. Он до сих пор
применяется для написания операционных систем и программирования
микроконтроллеров. Но мало кто в полной мере осознает причины его популярности. В
чем они заключались? - В том, что он смог обеспечить необходимую
функциональность программного обеспечения в условиях низкой производительности
компьютеров, крайней ограниченности их ресурсов и неразвитости периферийных
устройств! При этом повторилась та же история, что и с FORTRAN, но теперь уже для
языка системного программирования. Переход на язык программирования высокого

6

уровня, но с минимальными потерями по производительности и ресурсам, дал большие
преимущества.

Большое влияние на развитие теории программирования дал язык PASCAL,
разработанный в 1974 году швейцарским профессором Никлаусом Виртом. В данной
разработке имелось две части. Первая состояла в собственно языке программирования
PASCAL, предназначенном для обучения идеям структурного программирования.
Вторая заключалась в идее виртуальной машины. Никлаус Вирт предложил обеспечить
переносимость программ, написанных на PASCAL, за счет компиляции их в набор
команд некой абстрактной P-машины (P- сокращение от PASCAL), а не в исполняемый
код конкретной аппаратной платформы. А на каждой аппаратной платформе должна
была работать программа, интерпретирующая эти коды. Говорят, что такая программа
эмулирует (то есть имитирует) систему команд несуществующего процессора. А саму
программу называют виртуальной машиной.

В связи с ограниченностью ресурсов компьютеров и отсутствием в PASCAL средств
системного программирования этот язык не смог составить конкуренцию языку C, так
как практически все промышленное программирование вплоть до середины последней
декады двадцатого века по реализации было системным. Идеи P-машины были в
дальнейшем использованы и значительно усовершенствованы в Java.

Развитие теории и практики программирования привело к становлению в 1967-1972
годах нового направления – объектного программирования, основанного на
концепциях работы с классами и объектами. Оно обеспечило принципиально новые
возможности по сравнению с процедурным. Были предприняты попытки расширения
различных языков путем введения в них конструкций объектного программирования.
В 1982 году Бьерном Страуструпом путем такого расширения языка C был создан
язык, который он назвал “C с классами”. В 1983 году после очередных
усовершенствований им был создан первый компилятор языка C++. Два плюса
означают “C с очень большим количеством добавлений”. C++ является надмножеством
над языком C – на нем можно писать программы как на “чистом C”, без использования
каких-либо конструкций объектного программирования. В связи с этим, а также
дополнительными преимуществами объектного программирования, он быстро
приобрел популярность и стал промышленным стандартом, сначала “де факто”, а
потом и “де юре”. Так что в настоящее время C++ является базовым языком
системного программирования. Длительное время он использовался и для написания
прикладных программ. Но, как мы уже знаем, требования к прикладным программам
совпадают с требованиями к системным только в том случае, когда быстродействие
компьютера можно рассматривать как низкое, а ресурсы компьютера – малыми. Кроме
этого, у языков C и C++ имеется еще два принципиальных недостатка: а) низкая
надежность как на уровне исходного кода, так и на уровне исполняемого кода; б)
отсутствие переносимости на уровне исполняемого кода. С появлением компьютерных
сетей эти недостатки стали очень существенным ограничивающим фактором,
поскольку вопросы безопасности при работе в локальных, и, особенно, глобальных
сетях приобретают первостепенную значимость.

В 1995 году появились сразу два языка программирования, имеющие в настоящее
время огромное значение –Java, разработанный в корпорации Sun, и JavaScript,

7

разработанный в небольшой фирме Netscape Communication, получившей к тому
времени известность благодаря разработке браузера Netscape Navigator.

Java создавался как универсальный язык, предназначенный для прикладного
программирования в неоднородных компьютерных сетях как со стороны клиентского
компьютера, так и со стороны сервера. В том числе – для использования на тонких
аппаратных клиентах (устройствах малой вычислительной мощности с крайне
ограниченными ресурсами). При этом скомпилированные программы Java работают
только под управлением виртуальной Java-машины, поэтому они называются
приложениями Java. Синтаксис операторов Java практически полностью совпадает с
синтаксисом языка C, но, в отличие от C++, Java не является расширением C – это
совершенно независимый язык, со своими собственными синтаксическими правилами.
Он является гораздо более сильно типизированным по сравнению с C и C++, то есть
вносит гораздо больше ограничений на действия с переменными и величинами разных
типов. Например, в C/C++ нет разницы между целочисленными числовыми,
булевскими и символьными величинами, а также адресами в памяти. То есть,
например, можно умножить символ на булевское значение, из которого вычтено целое
число, и разделить результат на адрес! В Java введен вполне разумный запрет на почти
все действия такого рода.

Язык JavaScript создавался как узкоспециализированный прикладной язык
программирования HTML-страниц, расширяющий возможности HTML, и в полной
мере отвечает этим потребностям до сих пор. Следует подчеркнуть, что язык JavaScript
не имеет никакого отношения к Java. Включение слова “Java” в название JavaScript
являлось рекламным трюком фирмы Netscape Communication. Он также C-образен, но,
в отличие от C, является интерпретируемым. Основное назначение JavaScript –
программное управление элементами WWW-документов. Языки HTML и XML
позволяют задавать статический, неизменный внешний вид документов, и с их
помощью невозможно запрограммировать реакцию на действия пользователя.
JavaScript позволяет ввести элементы программирования в поведение документа.
Программы, написанные на JavaScript, встраиваются в документы в виде исходных
кодов (сценариев) и имеют небольшой размер. Для упрощения работы с динамически
формируемыми документами JavaScript имеет свободную типизацию – переменные
меняют тип по результату присваивания. Поэтому программы, написанные на
JavaScript, гораздо менее надежны, чем написанные на C/C++, не говоря уж про Java.

Java, JavaScript и C++ являются объектно-ориентированными языками
программирования, и все они имеют C-образный синтаксис операторов. Но как
объектные модели, так и базовые конструкции этих языков (за исключением
синтаксиса операторов), в этих языках принципиально различны. Ни один из них не
является версией или упрощением другого – это совсем разные языки,
предназначенные для разных целей. Итак, Java-универсальный язык прикладного
программирования, JavaScript – узкоспециализированный язык программирования
HTML-документов, C++ - универсальный язык системного программирования.

В 2000 году в корпорации Microsoft была разработана платформа .Net (читается
“дотнет”, DotNet– в переводе с английского “точка Net” ). Она стала альтернативой
платформе Java и во многом повторяла ее идеи. Основное различие заключалось в том,

8

что для этой платформы можно использовать произвольное количество языков
программирования, а не один. Причем классы .Net оказываются совместимы как в
целях наследования, так и по исполняемому коду независимо от языка, используемого
для их создания. Важнейшим языком .Net стал Java-образный язык C# (читается “Си
шарп”). Фактически, C# унаследовал от Java большинство особенностей динамическую объектную модель, сборку “мусора”, основные синтаксические
конструкции. Хотя и является вполне самостоятельным языком программирования,
имеющим много привлекательных черт. В частности, компонентные модели Java и C#
принципиально отличаются.

Java стал первым универсальным C-образным языком прикладного программирования,
что обеспечило легкость перехода на этот язык большого числа программистов,
знакомых с C и C++. А наличие средств строгой проверки типов, ориентация на работу
с компьютерными сетями, переносимость на уровне исполняемого кода и поддержка
платформонезависимого графического интерфейса, а также запрет прямого обращения
к аппаратуре обеспечили выполнение большинства требований, предъявлявшихся к
языку прикладного программирования. Чем больше становятся быстродействие и
объем памяти компьютеров, тем больше потребность в разделении прикладного и
системного программного обеспечения. Соответственно, для прикладных программ
исчезает необходимость напрямую обращаться к памяти и другим аппаратным
устройствам компьютера. Поэтому среди прикладных программ с каждым годом
растет доля программного обеспечения, написанного на Java и языках .Net. Но как по
числу программистов, так и по числу устройств, использующих соответствующие
платформы, Java в настоящее время лидирует с большим отрывом.

1.2. Виртуальная Java-машина, байт-код, JIT-компиляция.
Категории программ, написанных на языке Java

Первоначально слово “программа” означало последовательность инструкций
процессора для решения какой-либо задачи. Эти инструкции являлись машинными
кодами, и разницы между исходным и исполняемым кодом программы не было.
Разница появилась, когда программы стали писать на языках программирования. При
этом программой стали называть как текст, содержащийся в файле с исходным кодом,
так и исполняемый файл.

Для устранения неоднозначности термина “программа”, исполняемый код программы
принято называть приложением ( application ). Термин “приложение” – сокращение
от фразы “приложение операционной системы”. Он означает, что исполняемый код
программы может работать только под управлением соответствующей операционной
системы. Работа под управлением операционной системы позволяет избежать
зависимости программы от устройства конкретного варианта аппаратуры на
компьютере, где она должна выполняться. Например, как автору программы, так и
пользователю совершенно безразлично, как устроено устройство, с которого
считывается информация – будет ли это жесткий диск с одной, двумя или
шестнадцатью считывающими головками. Или это будет CD-привод, DVD-привод или
еще какой-либо другой тип носителя. Но переносимость обычных приложений
ограничивается одним типом операционных систем. Например, приложение MS

9

Windows® не будет работать под Linux, и наоборот. Программы, написанные на языке
Java, выполняются под управлением специальной программы -виртуальной Javaмашины, и поэтому обладают переносимостью на любую операционную систему, где
имеется соответствующая Java-машина. Благодаря этому они являются не
приложениями какой-либо операционной системы, а приложениями Java.

Программы, написанные на языке Java, представляют из себя наборы классов и
сохраняются в текстовых файлах с расширением .java. (Про то, что такое классы, будет
рассказано несколько позже). При компиляции текст программы переводится
(транслируются) в двоичные файлы с расширением .class. Такие файлы содержат байткод - инструкции для абстрактного Java-процессора в виде байтовых
последовательностей команд этого процессора и данных к ним. Для того, чтобы байткод был выполнен на каком-либо компьютере, он должен быть переведен в инструкции
для соответствующего процессора. Именно этим и занимается Java-машина.
Первоначально байт-код всегда интерпретировался: каждый раз, как встречалась какаялибо инструкция Java-процессора, она переводилась в последовательность инструкций
процессора компьютера. Естественно, это значительно замедляло работу приложений
Java.

В настоящее время используется более сложная схема, называемая JIT-компиляцией
(Just-In-Time) – компиляцией “по ходу дела”, “налету”. Когда какая-либо инструкция
(или набор инструкций) Java-процессора выполняется в первый раз, происходит
компиляция соответствующего ей байт-кода с сохранением скомпилированного кода в
специальном буфере. При последующем вызове той же инструкции вместо ее
интерпретации происходит вызов из буфера скомпилированного кода. Поэтому
интерпретация происходит только при первом вызове инструкции.

Сложные оптимизирующие JIT-компиляторы действуют еще изощренней. Поскольку
обычно компиляция инструкции идет гораздо дольше по сравнению с интерпретацией
этой инструкции, время ее выполнения в первый раз при наличии JIT-компиляции
может заметно отличаться в худшую сторону по сравнению с чистой интерпретацией.
Поэтому бывает выгоднее сначала запустить процесс интерпретации, а параллельно
ему в фоновом режиме компилировать инструкцию. Только после окончания процесса
компиляции при последующих вызовах инструкции будет исполняться ее
скомпилированный код. – До этого все ее вызовы будут интерпретироваться.
Разработанная Sun виртуальная машина HotSpot осуществляет JIT-компиляцию только
тех участков байт-кода, которые критичны к времени выполнения программы. При
этом по ходу работы программы происходит оптимизация скомпилированного кода.

Благодаря компиляции программ Java в платформонезависимый байт-код
обеспечивается переносимость этих программ не только на уровне исходного кода, но
и на уровне скомпилированных приложений. Конечно, при этом на компьютере, где
выполняется приложение, должна быть установлена программа виртуальной Javaмашины (Java Virtual Machine - JVM), скомпилированная в коды соответствующего
процессора (native code – “родной” код). На одном и том же компьютере может быть
установлено несколько Java-машин разных версий или от разных производителей.
Спецификация Java-машины является открытой, точно так же, как требования к
компилятору языка Java. Поэтому различные фирмы, а не только Sun, разрабатывают

10