1. Programowanie obiektowe (repetytorium, podstawy)

Programowanie obiektowe jest jednym z paradygmatów programowania, które opiera się o tworzenie aplikacji w taki sposób, aby jak najlepiej odzwierciedlać otaczającą nas rzeczywistość i aby model danych oddawał sposób postrzegania świata przez człowieka (czyli, że na przykład jabłko jest owocem, a nie kolorową kulą).

Za pierwszy prawdziwie obiektowy język programowania uważany jest Simula 67, który powstał w latach 60-tych ubiegłego stulecia. Język ten powstał podczas pracy nad symulacją statków. To w tym języku po raz pierwszy wprowadzono pojęcie klasy i egzemplarza danej klasy. Dzięki temu językowi możliwa była tzw. symulacja, czyli odwzorowanie obiektów świata rzeczywistego na obiekty używane w programie.

Idea programowania obiektowego została następnie dopracowana w języku Smalltalk (1971), w którym obiekty mogą być tworzone i modyfikowane dynamicznie, tzn. w trakcie działania programu (w przeciwieństwie do statycznych programów).

Powstanie języka C++ (1983) przyczyniło się w sposób szczególny do rozpowszechnienia idei programowania obiektowego. Cechy obiektowości pojawiły się również w wielu innych językach programowania takich jak np. Ada, Eiffel, Basic, Pascal, Lisp.

Dzisiaj jednym z najpopularniejszych obiektowych języków programowania jest Java.
Przykłady innych obiektowych języków programowania: Python, Perl, C#, Ruby, Ocaml, PHP5.

Elementarnym oraz fundamentalnym pojęciem w programowaniu obiektowym jest obiekt.

Obiekt jest abstrakcyjnym bytem opisującym i odzwierciedlającym rzeczywistość. Każdy obiekt jako struktura składa się z danych (właściwości, atrybutów, pól) oraz metod (zachowań, funkcji) pozwalających operować na tych danych.

Właściwości obiektów:

  • Zachowanie obiektu – co można zrobić dzięki temu obiektowi i jakie metody (funkcje) można dla niego wywoływać.

  • Stan obiektu – jak obiekt reaguje na działanie tych metod.

  • Tożsamość obiektu – w jaki sposób można odróżnić ten obiekt od innych, posiadając to samo zachowanie i stan.

Do opisu i definiowania obiektów w programowaniu obiektowym wykorzystywane są klasy.

Klasa to kolejne podstawowe pojęcie programowania obiektowego, jest to pojęcie abstrakcyjne oznaczające własny typ danych częściowo lub całkowicie definiujące obiekty. Klasa jest najważniejszym z pojęć związanym z programowaniem zorientowanym obiektowo.

Klasa jest szablonem, czy też projektem na podstawie którego tworzone są obiekty, które posiadają pewne cechy i funkcje. Zatem klasa jest narzędziem, za pomocą którego tłumaczy się abstrakcję na typ użytkownika.

Wyróżniamy cztery podstawowe założenia paradygmatu programowania obiektowego:

Założenia programowania obiektowego
Rysunek 1: Założenia programowania obiektowego

  1. Abstrakcja (ang. Abstraction)

    Abstrakcją w programowaniu obiektowym nazywamy cechę, polegającą na tym, że pewne klasy są jedynie wzorem dla innych klas, które się z niej wywodzą, ale same nie są wykorzystywane do tworzenia obiektów. Abstrakcja ma za zadanie uprościć rozwiązanie problemu i zwiększyć jego ogólność.

  2. Hermetyzacja (ang. Encapsulation)

    Hermetyzacja zwana inaczej enkapsulacją, jest kluczowym zagadnieniem programowania zorientowanego obiektowo. Polega ona na ukrywaniu implementacji przed użytkownikiem obiektu. Hermetyzacja zapewnia, że obiekt nie może zmieniać stanu wewnętrznego innych obiektów w nieoczekiwany sposób.

  3. Polimorfizm (ang. Polymorphism)

    Polimorfizm umożliwia dostosowanie działania obiektów do własnych oczekiwań poprzez łączenie funkcjonalności zarówno dziedziczonej, jak i implementowanej samodzielnie. Idea polimorfizmu bazuje na tym, że użytkownik obiektu nie wie i nie musi wiedzieć, czy konkretne zachowanie wykorzystywanego obiektu zostało zrealizowane bezpośrednio w tym obiekcie czy też w tym, po którym dziedziczy on swoje właściwości.

  4. Dziedziczenie (ang. Inheritance)

    Dziedziczenie umożliwia definicję i tworzenie nowych obiektów na podstawie już istniejących obiektów bardziej ogólnych.

2. Język Java, główne koncepcje i założenia

Java jest uniwersalnym językiem programowania stworzonym przez grupę roboczą pod kierunkiem Jamesa Goslinga z firmy Sun Microsystems w roku 1995. Obecnie za rozwijanie języka Java oraz technologi z nią związanych odpowiada firma Oracle (po przejęciu firmy Sun Microsystems). Oprócz wersji języka Java tworzonej przez firmę Oracle (https://www.oracle.com/pl/java/index.html) istnieje też wersja o otwartym kodzie źródłowym OpenJDK (http://openjdk.java.net/).

Historia wersji języka Java
Rysunek 2: Historia wersji języka Java

Składniowe podobieństwo do C/C++ czyni ten język łatwy do opanowania przez programistów znających te języki. Jednocześnie Java ma ambicje udoskonalania swoich wzorców. Programista Javy w zasadzie nie musi martwić się zarządzaniem pamięcią.

W Javie funkcjonuje automatyczne odśmiecanie – "garbage collection", polegające na automatycznym usuwaniu przydzielonych wcześniej, a nieużywanych obszarów pamięci.
Java nie dopuszcza arytmetyki wskaźnikowej, która pozwala na odwoływanie się do dowolnych obszarów pamięci i jest częstą przyczyną błędów.

Ścisła kontrola zgodności typów na etapie kompilacji pozwala unikać prostych błędów. Co więcej to tzw. statyczne typowanie umożliwia zintegrowanym środowiskom programowania (IDE) przebogate wspieranie programisty przy pisaniu i testowaniu programu (automatyczne dopisywanie kodu i poprawianie błędów). Konwersje (rzutowanie) typów przeprowadzane w fazie wykonania są bezpieczne, bowiem nigdy nie może powstać sytuacja przekształcenia danych do niewłaściwego dla nich typu.

Wymuszana przez kompilator obsługa niektórych wyjątków (inaczej mówiąc - błędów) czyni programowanie w Javie jeszcze bardziej bezpiecznym i niezawodnym, a wbudowane w język podstawowe elementy współbieżności umożliwiają łatwe tworzenie i synchronizowanie równolegle działających wątków (czyli równolegle wykonywanych fragmentów tego samego programu).

Java jest językiem interpretowanym, co umożliwia wykonywanie "binarnych" kodów Javy bez rekompilacji praktycznie na wszystkich platformach systemowych.

Kod źródłowy (pliki z rozszerzeniem ".java") jest kompilowany przez kompilator Javy (program javac) do kodu bajtowego (Byte Code, B-kodu, pliki z rozszerzeniem ".class") , ten ostatni zaś jest interpretowany przez tzw. wirtualną maszynę Javy – JVM (jest to program wraz odpowiednimi dynamicznymi bibliotekami), zainstalowaną na danej platformie systemowej.

Proces kompilacji i uruchamiania kodu języka Java
Rysunek 3: Proces kompilacji i uruchamiania kodu języka Java

3. Słownik pojęć i definicji, technologie, narzędzia oraz środowiska

Słownik pojęć i definicji:

  • JVM (Java Virtual Machine) – maszyna wirtualna oraz środowisko uruchomieniowe zdolne do wykonywania kodu bajtowego Javy (aplikacji Java). Wirtualne maszyny Java są dostępne dla wszystkich najpopularniejszych platform sprzętowych i programowych.

  • GC (Garbage Collector) – część składowa (proces) JVM do automatycznego zarządzania dynamicznie przydzieloną pamięcią.

  • JRE (Java Runtime Environment) – środowisko zawierające JVM oraz standardowe biblioteki języka Java służące do uruchamiania aplikacji napisanych w języku Java.

  • JDK (Java Development Kit) – środowisko zawierające JRE wraz z kompilatorem, debugerem, narzędziami tworzenia dokumentacji i innymi narzędziami pomocniczymi służące do tworzenia oraz uruchamiania aplikacji napisanych w języku Java.

  • SDK (Software Development Kit) – zawiera JDK oraz kompletny zestaw pomocy.

  • API (Application Programing Interfaces) - specyfikacja metod i interfejsów.

  • IDE (Integrated Development Environment) - zintegrowane środowisko programistyczne.

Technologie (wersje Java):

  • Java Standard Edition (Java SE, oficjalnie Java Platform™, Standard Edition, dawniej J2SE do wersji 5.0) – podstawowa wersja Java przeznaczoną głównie do standardowych zastosowań dla komputerów personalnych oraz serwerów, również połączonych w sieci. Występuje w trzech rodzajach Java SE JDK, Java SE JRE oraz Java SE JRE Server. Aktualna wersja: Java SE 8 http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/overview/index.html

  • Java Enterprise Edition (Java EE) – rozszerzona wersja Java przeznaczona do tworzenia rozbudowanych i zaawansowanych aplikacji biznesowych, w szczególności dla dużych firm oraz korporacji. Występuje w dwóch rodzajach Java EE SDK oraz Java EE SDK Web Profile. Aktualna wersja: Java EE 7 http://www.oracle.com/technetwork/java/javaee/overview/index.html

  • Java Micro Edition (Java ME) - wersja Java przeznaczona do programowania urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, telewizja, procesory w samochodach czy urządzeniach gospodarstwa domowego. Występuje w kilku wersjach Java ME Embedded, Java ME SDK, Java ME Embedded Client, Java for Mobile, Java TV. Aktualna wersja: Java ME Embedded 8.3, Java ME SDK 8.3 http://www.oracle.com/technetwork/java/embedded/javame/index.html

Narzędzia:

  • javac - kompilator języka Java (source → bytecode)

  • java - środowisko JVM do uruchamiania skompilowanego kodu (z konsolą)

  • javaw - środowisko JVM do uruchamiania skompilowanego kodu (bez konsoli)

  • javadoc - generator dokumentacji (source → apidoc)

  • appletviewer - przeglądarka apletów

  • jar - program do zarządzania archiwami jar

  • jdb - debugger

Zintegrowane środowiska programistyczne:

4. Kompilacja kodu, uruchamianie aplikacji

Kompilacja (generowany jest plik NazwaKlasy.class)

javac NazwaKlasy.java

Uruchamianie (skompilowanego kodu NazwaKlasy.class)

java NazwaKlasy
javaw NazwaKlasy
appletviewer Applet.html

gdzie Applet.html:

<html>
  <applet code=NazwaKlasy.class width=320 height=240>
  </applet>
</html>

Archiwizacja

jar -cf NazwaArchiwum.jar *.class

5. Bibliografia