Java 7

Ильдар Хабибуллин

Санкт-Петербург

«БХВ-Петербург»

2012

Рассмотрено все необходимое для разработки, компиляции, отладки и запуска приложений Java. Изложены практические приемы использования как традиционных, так и новейших конструкций объектно-ориентированного языка Java, графической библиотеки классов Swing, расширенной библиотеки Java 2D, работа со звуком, печать, способы русификации программ. Приведено полное описание нововведений Java SE 7: двоичная запись чисел, строковые варианты разветвлений, "ромбовидный оператор", NIO2, новые средства многопоточности и др. Дано подробное изложение последней версии сервлетов, технологии JSP и библиотек тегов JSTL. Около двухсот законченных программ иллюстрируют рассмотренные приемы программирования. Приведена подробная справочная информация о классах и методах Core Java API.

Для программистов

УДК 681.3.06 ББК 32.973.26-018.2

Главный редактор Зам. главного редактора Зав. редакцией Редактор

Компьютерная верстка Корректор Дизайн серии Оформление обложки Зав. производством

Екатерина Кондукова Игорь Шишигин Григорий Добин Екатерина Капалыгина Ольги Сергиенко Зинаида Дмитриева Инны Тачиной Елены Беляевой Николай Тверских

Лицензия ИД № 02429 от 24.07.00. Подписано в печать 31.08.11. Формат 70x100¹/₁₆. Печать офсетная. Уcл. печ. л. 61,92.

Тираж 1800 экз. Заказ №

"БХВ-Петербург", 190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29.

Санитарно-эпидемиологическое заключение на продукцию № 77.99.60.953.Д.005770.05.09 от 26.05.2009 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.

Отпечатано с готовых диапозитивов в ГУП "Типография "Наука"

199034, Санкт-Петербург, 9 линия, 12

ISBN 978-5-9775-0735-6

© Хабибуллин И. Ш., 2011

© Оформление, издательство "БХВ-Петербург", 2011

Оглавление

Введение

Книга, которую вы держите в руках, возникла из курса лекций, читаемых автором студентам младших курсов уже более десяти лет. Подобные книги рождаются после того, как студенты в очередной раз зададут вопрос, который лектор уже несколько раз разъяснял в разных вариациях. Возникает желание отослать их к... какой-нибудь литературе. Пересмотрев еще раз несколько десятков книг, использованных при подготовке лекций, порывшись в библиотеке и на прилавках книжных магазинов, лектор с удивлением обнаруживает, что не может предложить студентам ничего подходящего. Остается сесть за стол и написать книгу самому. Такое происхождение книги накладывает на нее определенные особенности. Она:

□ представляет собой сгусток практического опыта, накопленного автором и его студентами с 1996 г.;

□ содержит ответы на часто задаваемые вопросы, последних "компьютерщики" называют FAQ (Frequently Asked Questions);

□ написана кратко и сжато, как конспект лекций, в ней нет лишних слов (за исключением, может быть, тех, что вы только что прочитали);

□ рассчитана на читателей, стремящихся быстро и всерьез ознакомиться с новинками компьютерных технологий;

□ содержит много примеров применения конструкций Java, которые можно использовать как фрагменты больших производственных разработок в качестве "How to...?";

□ включает материал, являющийся обязательной частью подготовки специалиста по информационным технологиям;

□ не предполагает знание какого-либо языка программирования, а для знатоков — выделяет особенности языка Java среди других языков;

□ предлагает обсуждение вопросов русификации Java.

Прочитав эту книгу, вы вступите в ряды программистов на Java — разработчиков передовой технологии начала XXI века.

Если спустя несколько месяцев эта книга будет валяться на вашем столе с растрепанными страницами, залитыми кофе и засыпанными пеплом, с массой закладок и загнутых углов, а вы начнете сетовать на то, что книга недостаточно полна и слишком проста и ее содержание тривиально и широко известно, а примеры банальны, тогда автор будет считать, что его скромный труд не пропал даром.

Пошел второй десяток лет с того дня, когда были написаны эти строки. Все случилось так, как я и написал. Разошлись три издания книги "Самоучитель Java". Я видел много ее экземпляров в самом разном состоянии. Читатели высказали мне множество нелицеприятных соображений по поводу содержания книги, обнаруженных ошибок и опечаток. Студенты на зачетах и экзаменах пересказывали мне целые куски книги, что тоже наводило на размышления по поводу ее содержания и стиля изложения. У меня накопилось много дополнительного материала, который так и просился в книгу.

Технология Java развивается очень быстро. Сначала предназначавшаяся для небольших сетевых приложений, Java прочно утвердилась на Web-серверах, проникла в сотовые телефоны, планшеты и другие мобильные устройства. Популярная операционная система Android базируется на Java. Теперь Java — обязательная часть Web-программирования.

Развивается и сам язык. В него вводятся новые конструкции, появляются новые библиотеки классов. Графическая библиотека Swing стала частью стандартной поставки Java. В стандартную поставку теперь включены и средства работы с документами XML. Вышла уже седьмая версия Java.

Все это привело к необходимости сделать новое издание, дополнив книгу новым материалом и исправив, увы, неизбежные опечатки.

Ну что же, начнем!

Что такое Java?

Это остров Ява в Малайском архипелаге, территория Индонезии. Это сорт кофе, который любят пить создатели Java (произносится "джава", с ударением на первом слоге). А если серьезно, то ответить на этот вопрос трудно, потому что границы Java, и без того размытые, все время расширяются.

Сначала Java (официальный день рождения технологии Java — 23 мая 1995 г.) предназначалась для программирования бытовых электронных устройств, таких как сотовые телефоны и другие мобильные устройства.

Потом Java стала применяться для программирования браузеров — появились апплеты.

Затем оказалось, что на Java можно создавать полноценные приложения. Их графические элементы стали оформлять в виде компонентов — появились JavaBeans, с которыми Java вошла в мир распределенных систем и промежуточного программного обеспечения, тесно связавшись с технологией CORBA.

Остался один шаг до программирования серверов — этот шаг был сделан — появились сервлеты (servlets), страницы JSP (JavaServer Pages) и EJB (Enterprise JavaBeans). Серверы должны взаимодействовать с базами данных — появились драйверы JDBC. Взаимодействие оказалось удачным, и многие системы управления базами данных и даже операционные системы включили Java в свое ядро, например Oracle, Linux, MacOS X, AIX. Что еще не охвачено? Назовите и через полгода услышите, что Java уже вовсю применяется и там. Из-за этой размытости самого понятия его описывают таким же размытым словом — технология.

Такое быстрое и широкое распространение технологии Java не в последнюю очередь связано с тем, что она использует новый, специально созданный язык программирования, который так и называется — язык Java. Этот язык создан на базе языков Smalltalk,

Pascal, C++ и др., вобрав их лучшие, по мнению создателей, черты и отбросив худшие. На этот счет есть разные мнения, но бесспорно, что язык получился удобным для изучения, написанные на нем программы легко читаются и отлаживаются: первую программу можно написать уже через час после начала изучения языка. Язык Java становится языком обучения объектно-ориентированному программированию, так же как язык Pascal был языком обучения структурному программированию. Недаром на Java уже написано огромное количество программ, библиотек классов, а собственный апплет не написал только уж совсем ленивый.

Для полноты картины следует сказать, что создавать приложения для технологии Java можно не только на языке Java, есть и другие языки: Clojure, Scala, Jython, есть даже компиляторы с языков Pascal и C++, но лучше все-таки использовать язык Java: на нем все аспекты технологии излагаются проще и удобнее.

Язык Java часто используется для описания различных приемов объектно-ориентированного программирования, так же как для записи алгоритмов применялся вначале язык Algol, а затем язык Pascal.

Ясно, что всю технологию Java нельзя изложить в одной книге, полное описание ее возможностей составит целую библиотеку. Эта книга посвящена только языку Java. Прочитав ее, вы сможете создавать Java-приложения любой сложности, свободно разбираться в литературе и листингах программ, продолжать изучение аспектов технологии Java по специальной литературе и по исходным кодам свободно распространяемых программных продуктов.

Язык Java тоже очень бурно развивается, некоторые его методы объявляются устаревшими (deprecated), появляются новые конструкции, увеличивается встроенная библиотека классов, но есть устоявшееся ядро языка, сохраняется его дух и стиль. Вот это-то устоявшееся и излагается в книге.

Структура книги

Книга состоит из пяти частей.

Часть I содержит три главы, в которых рассматриваются базовые понятия языка. По прочтении ее вы сможете свободно разбираться в понятиях объектно-ориентированного программирования и их реализации на языке Java, создавать свои объектноориентированные программы, рассчитанные на консольный ввод/вывод.

В главе 1 описываются типы исходных данных, операции с ними, выражения, массивы, операторы управления потоком информации, приводятся примеры записи часто встречающихся алгоритмов на Java. После знакомства с этой главой вы сможете писать программы на Java, реализующие любые вычислительные алгоритмы, встречающиеся в вашей практике.

В главе 2 вводятся основные понятия объектно-ориентированного программирования: объект и метод, абстракция, инкапсуляция, наследование, полиморфизм, контракты методов и их поручения друг другу. Эта глава призвана привить вам "объектный" взгляд на реализацию сложных проектов, после ее прочтения вы научитесь описывать проект как совокупность взаимодействующих объектов. Здесь же предлагается реализация всех этих понятий на языке Java. Тут вы, наконец, поймете, что же такое эти объекты и как они взаимодействуют.

В главе 3 определяются пакеты классов и интерфейсы, ограничения доступа к классам и методам, на примерах подробно разбираются правила их использования. Объясняется структура встроенной библиотеки классов Java API.

В части II рассматриваются пакеты основных классов, составляющих неотъемлемую часть Java, разбираются приемы работы с ними и приводятся примеры практического использования основных классов. Здесь вы увидите, как идеи объектноориентированного программирования реализуются на практике в сложных производственных библиотеках классов. После изучения этой части вы сможете реализовывать наиболее часто встречающиеся ситуации объектно-ориентированного программирования с помощью стандартных классов.

Глава 4 прослеживает иерархию стандартных классов и интерфейсов Java, на этом примере показано, как в профессиональных системах программирования реализуются концепции абстракции, инкапсуляции и наследования.

В главе 5 подробно излагаются приемы работы со строками символов, которые, как и всё в Java, являются объектами, приводятся примеры синтаксического анализа текстов, обсуждаются вопросы русификации.

В главе 6 показано, как в языке Java реализованы коллекции, позволяющие работать с совокупностями объектов и создавать сложные структуры данных.

Глава 7 описывает различные классы-утилиты, полезные во многих ситуациях при работе с датами, случайными числами, словарями и другими необходимыми элементами программ.

В части III объясняется создание графического интерфейса пользователя (ГИП) с помощью стандартной библиотеки классов AWT (Abstract Window Toolkit) с компонентами Swing и даны многочисленные примеры построения интерфейса. Подробно разбирается принятый в Java метод обработки событий, основанный на идее делегирования. Здесь же появляются апплеты как программы Java, работающие в окне браузера. Подробно обсуждается система безопасности выполнения апплетов. После прочтения третьей части вы сможете создавать с помощью Swing полноценные приложения под графические платформы MS Windows, X Window System и др., а также программировать браузеры.

Глава 8 описывает иерархию классов библиотеки AWT, которую необходимо четко себе представлять для создания удобного интерфейса. Здесь же рассматривается библиотека графических компонентов Swing, ставшая стандартной наряду с AWT.

В главе 9 демонстрируются приемы рисования с помощью графических примитивов, способы задания цвета и использование шрифтов, а также решается вопрос русификации приложений Java.

В главе 10 обсуждается понятие графического компонента, рассматриваются готовые компоненты AWT и их применение, а также создание собственных компонентов AWT.

В главе 11 рассматриваются графические компоненты общего назначения, относящиеся к библиотеке Swing.

В главе 12 рассматриваются текстовые графические компоненты библиотеки Swing.

В главе 13 подробно обсуждаются возможности создания таблиц средствами Swing.

В главе 14 показано, какие способы размещения компонентов в графическом контейнере имеются в AWT и Swing и как их применять в разных ситуациях.

В главе 15 вводятся способы реагирования компонентов на сигналы от клавиатуры и мыши, а именно модель делегирования, принятая в Java.

В главе 16 описывается создание рамок, окружающих графические компоненты Swing.

В главе 17 обсуждается интересная способность Swing изменять свой внешний вид, сливаясь с окружающей графической средой или, наоборот, выделяясь из нее.

В главе 18, наконец-то, появляются апплеты — Java-программы, предназначенные для выполнения в окне браузера, и обсуждаются особенности их создания.

В главе 19 собраны сведения о библиотеке Swing, не вошедшие в предыдущие главы.

В главе 20 рассматривается работа с изображениями и звуком средствами AWT.

В части IV изучаются конструкции языка Java, не связанные общей темой. Некоторые из них необходимы для создания надежных программ, учитывающих все нештатные ситуации, другие позволяют реализовывать сложное взаимодействие объектов. Здесь же рассматривается передача потоков данных от одной программы Java к другой. Внимательное изучение четвертой части позволит вам дополнить свои разработки гибкими средствами управления выполнением приложения, создавать сложные клиентсерверные системы.

Глава 21 описывает встроенные в Java средства обработки исключительных ситуаций, возникающих во время выполнения готовой программы.

Глава 22 рассказывает об интересном свойстве языка Java — способности создавать подпроцессы (threads) и управлять их взаимодействием прямо из программы.

В главе 23 обсуждается концепция потока данных и ее реализация в Java для организации ввода/вывода на внешние устройства.

Глава 24 рассматривает сетевые средства языка Java, позволяющие скрыть все сложности протоколов Интернета и максимально облегчить написание клиент-серверных и распределенных приложений.

Часть V книги посвящена Web-технологии Java, точнее, тех ее разделов, которые касаются программирования серверов.

В главе 25 описываются те аспекты технологии Java, которые необходимы для Web-программирования: архиватор JAR, компоненты JavaBeans, драйверы соединения с базами данных JDBC.

Глава 26 посвящена основному средству программирования серверов — сервлетам.

В главе 27 разбираются страницы JSP, значительно облегчающие оформление ответов на запросы Web-клиентов.

Наконец, в главе 28 рассматривается вездесущая технология XML и инструменты Java для обработки документов XML.

Выполнение Java-программы

Как вы знаете, программа, написанная на одном из языков высокого уровня, к которым относится и язык Java, так называемый исходный модуль ("исходник", или "сырец" на жаргоне от английского source), не может быть сразу же выполнена. Ее сначала надо скомпилировать, т. е. перевести в последовательность машинных команд — объектный модуль. Но и он, как правило, не может быть сразу же выполнен: объектный модуль надо еще скомпоновать с библиотеками использованных в модуле функций и разрешить перекрестные ссылки между секциями объектного модуля, получив в результате загрузочный модуль — полностью готовую к выполнению программу.

Исходный модуль, написанный на Java, не может избежать этих процедур, но здесь проявляется главная особенность технологии Java — программа компилируется сразу в машинные команды, но не команды какого-то конкретного процессора, а в команды так называемой виртуальной машины Java (Java Virtual Machine, JVM). Виртуальная машина Java — это совокупность команд вместе с системой их выполнения. Для специалистов скажем, что виртуальная машина Java полностью стековая, так что не требуется сложная адресация ячеек памяти и большое количество регистров. Поэтому команды JVM короткие, большинство из них имеет длину 1 байт, отчего команды JVM называют байт-кодами (bytecodes), хотя имеются команды длиной 2 и 3 байта. Согласно статистическим исследованиям средняя длина команды составляет 1,8 байта. Полное описание команд и всей архитектуры JVM содержится в спецификации виртуальной машины Java (Virtual Machine Specification, VMS). Ознакомьтесь с этой спецификацией, если вы хотите в точности узнать, как работает виртуальная машина Java.

Другая особенность Java — все стандартные функции, вызываемые в программе, подключаются к ней только на этапе выполнения, а не включаются в байт-коды. Как говорят специалисты, происходит динамическая компоновка (dynamic binding). Это тоже сильно уменьшает объем скомпилированной программы.

Итак, на первом этапе программа, написанная на языке Java, переводится компилятором в байт-коды. Эта компиляция не зависит от типа какого-либо конкретного процессора и архитектуры конкретного компьютера. Она может быть выполнена один раз сразу же после написания программы, программу не надо перекомпилировать под разные платформы. Байт-коды записываются в одном или нескольких файлах, могут храниться во внешней памяти или передаваться по сети. Это особенно удобно благодаря небольшому размеру файлов с байт-кодами. Затем полученные в результате компиляции байткоды можно выполнять на любом компьютере, имеющем систему, реализующую JVM. При этом не важен ни тип процессора, ни архитектура компьютера. Так реализуется принцип Java "Write once, run anywhere" — "Написано однажды, выполняется где угодно".

Интерпретация байт-кодов и динамическая компоновка значительно замедляют выполнение программ. Это не имеет значения в тех ситуациях, когда байт-коды передаются по сети, сеть все равно медленнее любой интерпретации, но в других ситуациях требуется мощный и быстрый компьютер. Поэтому постоянно идет усовершенствование интерпретаторов в сторону увеличения скорости интерпретации. Разработаны JIT-компиляторы (Just-In-Time), запоминающие уже интерпретированные участки кода в машинных командах процессора и просто выполняющие эти участки при повторном обращении, например в циклах. Это значительно увеличивает скорость повторяющихся вычислений. Корпорация Sun Microsystems разработала целую технологию HotSpot и включает ее в свою виртуальную машину Java. Но, конечно, наибольшую скорость может дать только специализированный процессор.

Компания Sun Microsystems выпустила микропроцессоры picoJava, работающ…