1.2 Eigenschaften von Java
Java wurde vollständig neu entworfen. Die Designer versuchten,
die Syntax der Sprachen C und C++ soweit wie möglich nachzuahmen,
verzichteten aber auf einen Großteil der komplexen und fehlerträchtigen
Merkmale beider Sprachen. Das Ergebnis ihrer Bemühungen haben
sie wie folgt zusammengefaßt:
»Java soll eine einfache, objektorientierte, verteilte, interpretierte,
robuste, sichere, architekturneutrale, portable, performante, nebenläufige,
dynamische Programmiersprache sein.«
Der Erfolg von Java hängt eng damit zusammen, daß ein wesentlicher
Teil dieser Forderungen tatsächlich in einer für viele Programmierer
akzeptablen Weise erfüllt wurde - obgleich wir am Ende dieses
Kapitels auch einige kritische Anmerkungen dazu geben werden.
Java ist sowohl eine objektorientierte Programmiersprache in der Tradition
von Smalltalk als auch eine klassische imperative Programmiersprache
nach dem Vorbild von C. Im Detail unterscheidet sich Java aber recht
deutlich von C++, das denselben Anspruch erhebt. Durch die Integration
einer großen Anzahl anspruchsvoller Features wie Multithreading,
strukturiertem Exceptionhandling oder eingebauten grafischen Fähigkeiten
implementiert Java eine Reihe interessanter Neuerungen auf dem Gebiet
der Programmiersprachen.
Zudem profitiert Java davon, daß viele der Features von C++
nicht realisiert wurden und die Sprache dadurch schlank und
übersichtlich wurde. So gibt es beispielsweise keine expliziten
Pointer, keine separaten Header-Dateien, keine Mehrfachvererbung und
keine Templates in Java. Wer allerdings glaubt, Java sei eine Programmiersprache,
die nur das Allernötigste bietet, irrt. Tatsächlich ist
Java eine elegante Sprache, die auch für größere Projekte
und anspruchsvolle Aufgaben alle erforderlichen Reserven besitzt.
In Java gibt es die meisten elementaren Datentypen, die auch C besitzt.
Arrays und Strings sind als Objekte implementiert und sowohl im Compiler
als auch im Laufzeitsystem verankert. Methodenlose Strukturtypen wie
struct oder union
gibt es in Java nicht. Alle primitiven Datentypen sind vorzeichenbehaftet
und in ihrer Größe exakt spezifiziert. Java besitzt einen
eingebauten logischen Datentyp boolean.
Java bietet semidynamische Arrays, deren initiale
Größe zur Laufzeit festgelegt werden kann. Arrays werden
als Objekte angesehen, die einige wohldefinierte Eigenschaften haben.
Mehrdimensionale Arrays werden wie in C dadurch realisiert, daß
einfache Arrays ineinandergeschachtelt werden. Dabei können auch
nicht-rechteckige Arrays erzeugt werden. Alle Array-Zugriffe werden
zur Laufzeit auf Einhaltung der Bereichsgrenzen geprüft.
Die Ausdrücke in Java entsprechen weitgehend
denen von C und C++. Java besitzt eine if-Anweisung,
eine while-,
do-
und for-Schleife
und ein switch-Statement.
Es gibt die von C bekannten break-
und continue-Anweisungen
in normaler und gelabelter Form. Letztere ermöglicht es, mehr
als eine Schleifengrenze zu überspringen. Java besitzt kein goto-Statement
(obgleich es sich um ein reserviertes Wort handelt). Variablendeklarationen
werden wie in C++ als Anweisungen angesehen und können an beliebiger
Stelle innerhalb des Codes auftauchen. Seit der Version 1.4 besitzt
Java eine assert-Anweisung,
die zur Laufzeit an- und abgeschaltet werden kann.
Als OOP-Sprache besitzt Java alle Eigenschaften
moderner objektorientierter Sprachen. Wie C++ erlaubt Java die Definition
von Klassen, aus denen Objekte erzeugt werden können. Objekte
werden dabei stets als Referenzdatentypen behandelt, die wie Variablen
angelegt und verwendet werden können. Zur Initialisierung gibt
es Konstruktoren, und es kann eine optionale Finalizer-Methode
definiert werden, die bei der Zerstörung des Objekt aufgerufen
wird. Seit der Version 1.1 gibt es lokale Klassen, die innerhalb einer
anderen Klasse definiert werden.
Alle Methodenaufrufe in Java sind dynamisch. Methoden können
überladen werden, Operatoren allerdings nicht. Anders als in
C++ ist das Late-Binding standardmäßig aktiviert, kann
aber per Methode deaktiviert werden. Java erlaubt Einfach-, aber keine
Mehrfachvererbung von Implementierungen. Mit Hilfe von Interfaces
(das sind abstrakte Klassendefinitionen, die nur aus Methoden bestehen)
ist eine restriktive Form der Mehrfachvererbung möglich, die
einen Kompromiß zwischen beiden Alternativen darstellt. Java
erlaubt die Definition abstrakter Basisklassen, die neben konkreten
auch abstrakte Methoden enthalten.
Neben Instanzvariablen und -methoden können auch Klassenvariablen
und -methoden definiert werden. Alle Elemente einer Klassendefinition
können mit Hilfe der aus C++ bekannten Schlüsselwörter
public,
private
und protected
in ihrer Sichtbarkeit eingeschränkt werden. Es gibt zwar keine
friends,
aber die Sichtbarkeit von Methoden oder Klassen kann auf das eigene
Paket beschränkt werden. Objektvariablen werden als Referenzen
implementiert. Mit ihrer Hilfe ist eine gegenüber C/C++ eingeschränkte
Zeigerverarbeitung möglich, die das Erstellen dynamischer Datenstrukturen
ermöglicht.
Das Speichermanagement in Java erfolgt automatisch.
Während das Erzeugen von Objekten (von wenigen Ausnahmen abgesehen)
immer einen expliziten Aufruf des new-Operators
erfordert, erfolgt die Rückgabe von nicht mehr benötigtem
Speicher automatisch. Ein Garbage-Collector, der als niedrigpriorisierter
Hintergrundprozeß läuft, sucht in regelmäßigen
Abständen nach nicht mehr referenzierten Objekten und gibt den
durch sie belegten Speicher an das Laufzeitsystem zurück. Viele
der Fehler, die bei der Programmierung in C oder C++ dadurch entstehen,
daß der Entwickler selbst für das Speichermanagement verantwortlich
ist, können in Java nicht mehr auftreten.
In Java gibt es ein strukturiertes Exceptionhandling.
Damit ist es möglich, Laufzeitfehler zu erkennen und in strukturierter
Weise zu behandeln. Eine Methode muß jeden Laufzeitfehler, der
während ihrer Abarbeitung auftreten kann, entweder abfangen oder
durch eine geeignete Deklaration an den Aufrufer weitergeben. Dieser
hat dann seinerseits die Pflicht, sich um den Fehler zu kümmern.
Exceptions sind normale Objekte, und die zugehörigen Klassen
können erweitert und als Grundlage für anwendungsspezifische
Fehler-Objekte verwendet werden.
1.2.2 Applets: Eine neue Klasse von Programmen
Eine der am meisten gebrauchten Erklärungen für den überraschenden
Erfolg von Java ist die enge Verbindung der Sprache zum Internet und
zum World Wide Web. Mit Hilfe von Java ist es möglich, Programme
zu entwickeln, die über das Web verbreitet und innerhalb eines
Browsers wie Netscape Navigator, SUN HotJava
oder Microsoft Internet Explorer ausgeführt
werden können. Dazu wurde die Sprache HTML um das APPLET-Tag
erweitert. Sie bietet so die Möglichkeit, kompilierten Java-Code
in normale Web-Seiten einzubinden.
Ein Java-fähiger Browser enthält einen Java-Interpreter
(die virtuelle Java-Maschine, auch kurz VM
genannt) und die Laufzeitbibliothek, die benötigt wird, um die
Ausführung des Programms zu unterstützen. Die genaue Beschreibung
der virtuellen Maschine ist Bestandteil der Java-Spezifikation, und
Java-VMs sind auf praktisch alle bedeutenden Betriebssystem-Plattformen
portiert worden. Ein Applet kann damit als eine neue Art von Binärprogramm
angesehen werden, das über verschiedene Hardware- und Betriebssystemplattformen
hinweg portabel ist und auf einfache Weise im Internet verteilt werden
kann.
Im Gegensatz zu den eingeschränkten Möglichkeiten, die Script-Sprachen
wie JavaScript bieten, sind Applets vollständige
Java-Programme, die alle Merkmale der Sprache nutzen können.
Insbesondere besitzt ein Applet alle Eigenschaften eines grafischen
Ausgabefensters und kann zur Anzeige von Text, Grafik und Dialogelementen
verwendet werden. Einer der großen Vorteile von Applets gegenüber
herkömmlichen Programmen ist ihre einfache Verteilbarkeit. Anstelle
explizit auszuführender Installationsroutinen lädt der Classloader
des Browsers die Bestandteile eines Applets einfach aus dem Netz und
führt sie direkt aus. Das ist vor allem bei kleineren und mittelgroßen
Anwendungen in einer lokalen Netzwerkumgebung sehr hilfreich, insbesondere
wenn diese sich häufig ändern.
1.2.3 Grafikprogrammierung
Die Java-Laufzeitbibliothek bietet umfassende grafische Fähigkeiten.
Diese sind im wesentlichen plattformunabhängig und können
dazu verwendet werden, portable Programme mit GUI-Fähigkeiten
auszustatten. Seit der Version 1.2 des JDK werden diese Fähigkeiten
unter dem Begriff Java Foundation Classes
(kurz JFC) zusammengefaßt, deren
drei wichtigste Komponenten die folgenden sind:
- Das Abstract Windowing Toolkit
(kurz AWT) bietet elementare Grafik-
und Fensterfunktionen auf der Basis der auf der jeweiligen Zielmaschine
verfügbaren Fähigkeiten.
- Das Swing Toolset stellt darüber
hinaus eine Reihe zusätzlicher Dialogelemente zur Verfügung
und ermöglicht die Konstruktion sehr komplexer grafischer Oberflächen.
Mit seinem Pluggable Look-and-Feel
bietet es die Möglichkeit, das Look-and-Feel eines Programmes
zur Laufzeit umzuschalten und den Bedürfnissen des jeweiligen
Benutzers und den Fähigkeiten der Systemumgebung anzupassen.
- Die dritte wichtige Komponente ist das Java 2D API,
das komplexe Grafikoperationen und Bildbearbeitungsroutinen zur Verfügung
stellt.
Das AWT stellt eine Reihe von elementaren Operationen zur Verfügung,
um grafische Ausgabeelemente, wie Linien, Polygone, Kreise, Ellipsen,
Kreisabschnitte oder Rechtecke, zu erzeugen. Diese Methoden können
auch in einem Füllmodus verwendet werden, der dafür sorgt,
daß die gezeichneten Flächen mit Farbe ausgefüllt
werden. Wie in den meisten Grafik-Libraries realisiert auch Java die
Bildschirmausgabe mit Hilfe des Konzepts eines Grafikkontexts,
der eine Abstraktion des tatsächlichen Ausgabegerätes bildet.
Neben grafischen Elementen kann natürlich auch Text ausgegeben
und an beliebiger Stelle innerhalb der Fenster plaziert werden. Text
kann skaliert werden, und es ist möglich, mit unterschiedlichen
Fonts zu arbeiten. Das AWT bemüht sich, einen portablen Weg zur
Font-Auswahl anzubieten, indem eine Reihe von elementaren Schriftarten
auch über Plattformgrenzen hinweg angeboten werden. Mit Hilfe
von Font-Metriken können numerische Eigenschaften der verwendeten
Schriftarten bestimmt und bei der Ausgabe berücksichtigt werden.
Das Farbmodell von Java basiert auf dem RGB-Modell, das seine Farben
additiv auf der Basis der enthaltenen Rot-, Grün- und Blauanteile
bestimmt. Daneben wird auch das HSB-Modell unterstützt (hue,
saturation, brightness), und es gibt Methoden zur Konvertierung
zwischen beiden. Das Farbsystem unterstützt eine Reihe von vordefinierten
Farben, die plattformübergreifend zur Verfügung stehen.
Neben Grafik kann auch Sound ausgegeben werden.
Java unterstützt die Wiedergabe von au-Dateien
(ein von SUN eingeführtes Format zur Speicherung von digitalen
Sound-Samples) und seit der Version 1.2 auch wav-
und aiff-Dateien,
die entweder über das Internet oder aus einer lokalen Datei geladen
werden können. Die Samples können einmalig abgespielt oder
in einer Schleife wiederholt werden. Daneben ist es möglich,
zwei oder mehr Sound-Dateien gleichzeitig abzuspielen. Seit dem JDK
1.2 gibt es ein eigenes Sound-API, das neben Wave-Dateien auch Midi-Dateien
wiedergeben und bearbeiten kann.
Das AWT erlaubt die Anzeige und Manipulation von Bilddaten. Mit Hilfe
von Standardmethoden können Grafiken in elementaren Formaten
wie GIF oder JPEG geladen, skaliert und auf dem Bildschirm angezeigt
werden. Zusätzlich gibt es das Paket java.awt.image,
das für die Manipulation von Bilddaten entworfen wurde und ausgefeilte
Funktionen zur Bild- und Farbmanipulation zur Verfügung stellt.
Die zweite graphische Oberfläche des JDK, das Swing-Toolkit,
bietet noch weitreichendere Fähigkeiten als das AWT. Dazu wurde
eine vollkommen neue Architektur entworfen, und es stehen viele zusätzliche
Dialogelemente, wie Tabellen, Trees oder Karteikarten, zur Verfügung.
Anstatt wie im AWT auf die Eigenschaften vorgefertigter GUI-Elemente
zu vertrauen, verwendet Swing lediglich einen sehr eingeschränkten
Satz an plattformspezifischen Grafikoperationen. Alle Dialogelemente
werden unter Verwendung einfacher und portabler Grafikprimitive selbst
dargestellt. Die Anzahl der Unterschiede zwischen den verschiedenen
Plattformen wird auf diese Weise drastisch reduziert, und die Swing-Dialogelemente
lassen sich wesentlich einfacher und konsistenter auf unterschiedliche
Grafiksysteme portieren.
1.2.4 Umfangreiche Klassenbibliothek
Die Java-Klassenbibliothek bietet mit einer ganzen Reihe nützlicher
Klassen und Interfaces die Möglichkeit, sehr problemnah zu programmieren.
Einige dieser Features sind von Anfang an nützlich, andere erschließen
sich erst nach einer gewissen Einarbeitung.
Neben grafischen Ausgabemöglichkeiten stellt Java auch einfache
Textausgaben zur Verfügung, ähnlich den entsprechenden Funktionen
in C oder C++. Damit ist es möglich, Programme mit einfachen,
zeilenorientierten Ein-/Ausgabemöglichkeiten auszustatten, wenn
keine aufwendige Benutzerschnittstelle benötigt wird. Einfache
Textausgaben werden mit den Methoden der Klasse
PrintStream
erzeugt. Diese erlauben es, alle gängigen Datentypen in ein Terminalfenster
auszugeben. Die Klassenvariable System.out
bietet einen vordefinierten PrintStream,
der vom Laufzeitsystem initialisiert wird. In ähnlicher Weise
steht mit System.in
die Möglichkeit zur Verfügung, einfache Texteingaben von
der Tastatur einzulesen.
Eines der wichtigsten Elemente der Klassenbibliothek ist die Klasse
String,
die Java-Implementierung von Zeichenketten.
String
bietet eine Vielzahl wichtiger Methoden zur Manipulation und zum Zugriff
auf Zeichenketten, wie beispielsweise Operationen für numerische
Konvertierungen, Zeichen- und Teilstringextraktion sowie für
Textsuche und Stringvergleich.
Interessanterweise kann sich ein String-Objekt nach seiner Initialisierung
nicht mehr verändern, sondern behält stets seinen ursprünglichen
Wert. Was zunächst wie eine schwerwiegende Restriktion aussieht,
ist in der Praxis meist bedeutungslos. Denn in Zusammenarbeit mit
der Klasse StringBuffer
(die variabel lange Strings repräsentiert) und der Fähigkeit
des Compilers, selbige automatisch bei der String-Initialisierung,
-Zuweisung und -Verkettung zu verwenden, bleibt diese Tatsache für
den Programmierer normalerweise verborgen. Dank des automatischen
Speichermanagements und der effizienten Konvertierung von StringBuffer
nach String
ähnelt der Umgang mit Strings aus der Sicht des Programmierers
dem mit variabel langen Zeichenketten in anderen Programmiersprachen.
Wegen des automatischen Speichermanagements sind Java-Strings sehr
viel sicherer als nullterminierte Strings in C oder C++.
Ein Vector
in Java ist eine lineare Liste, die jede Art von Objekt aufnehmen
kann und auf deren Elemente sowohl sequentiell als auch wahlfrei zugegriffen
werden kann. Die Länge eines Vektors ist veränderlich, und
Elemente können am Ende oder an einer beliebigen anderen Stelle
eingefügt werden. Aufgrund dieser Flexibilität kann ein
Vector
oft da verwendet werden, wo ansonsten eine lineare Liste durch Verkettung
von Objektreferenzen manuell erstellt werden müßte. Wie
gewöhnlich erfolgt auch das Speichermanagement eines Vektors
vollkommen automatisch. Neben Vector
gibt es weitere Container-Klassen. So bietet beispielsweise Hashtable
die Möglichkeit, Schlüssel-Wert-Paare zusammenhängend
zu speichern und bei gegebenem Schlüssel den zugehörigen
Wert effizient wieder aufzufinden.
Ein nützlicher Mechanismus zum Durchlaufen von Container-Klassen
ist das Enumeration-Interface,
das die Methoden hasMoreElements
und nextElement
zur Verfügung stellt. Diese können verwendet werden, um
in einer Schleife alle Elemente des Containers sukkzessive zu durchlaufen.
Alle vordefinierten Container-Klassen stellen Methoden zur Verfügung,
die Enumeration-Objekte zum Durchlaufen der eigenen Elemente zurückgeben.
Seit dem JDK 1.2 gibt es in Java eine eigene Bibliothek für Container-Klassen,
das Collection-API. Sie stellt eine
umfassende Sammlung an Interfaces für Container-Klassen zur Verfügung
und bietet unterschiedliche Implementierungen für verschiedene
Anwendungsfälle. Die zuvor erwähnte Klasse Enumeration
wird hier durch das Interface Iterator
ersetzt, das einfacher zu bedienen ist. Das Collection-API stellt
daneben einige Algorithmen zur Verarbeitung von Containern zur Verfügung
(z.B. Sortieren), die es in den älteren Container-Klassen nicht
gab.
Java stellt auch Zufallszahlen zur Verfügung.
Das Paket java.util
bietet eine Klasse Random,
die das Initialisieren von Zufallszahlengeneratoren und den Zugriff
auf ganzzahlige oder Fließkomma-Zufallszahlen ermöglicht.
Neben gleichverteilten stellt die Klasse Random
auch normalverteilte Zufallszahlen zur Verfügung.
Seit dem JDK 1.1 werden darüber hinaus mit jedem Release weitere
hochspezialisierte (und teilweise sehr aufwendige) Bibliotheken zur
Verfügung gestellt. So bietet beispielsweise JDBC
(Java Database Connectivity) den Zugriff
auf relationale Datenbanken, JavaBeans
stellt eine portable Komponentenarchitektur zur Verfügung, und
mit dem Networking-API, RMI (Remote
Method Invocation) und der Java-eigenen
CORBA-Implementierung javaidl
kann unternehmensweit auf Netzwerkressourcen und verteilte Objekte
zugegriffen werden. Per Serialisierung
können Objekte persistent gemacht werden, und mit dem Reflection-API
kann der Aufbau von Objekten und Klassen zur Laufzeit untersucht und
dynamisch darauf zugegriffen werden. Wir werden in diesem Buch die
wichtigsten dieser Bibliotheken ausführlich erläutern.
