Основы программирования на языке Java

Основы программирования на
языке Java
Пакет java.lang, синтаксический «сахар»,
родовые компоненты (generics) Java
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
Новосибирск, 2004
1
Пакет java.lang – поддержка языка и платформы
Throwable
Object
Class
Package
Cloneable
Error
Exception
Math
RuntimeException
String
Compiler
StringBuffer
System
Runtime
Process
ClassLoader
Number
NullPointerException
Thread
-target
Runnable
Byte
Double
Float
Boolean
Integer
Long
Character
Short
Void
Comparable
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
2
Классы поддержки основных механизмов
Object
Базовый класс для всех классов.
Cloneable
Маркерный интерфейс для классов, реализующих метод
public Object clone()
System
Класс-утилита для взаимодействия с системой
Runtime
Класс для взаимодействия со средой исполнения
Class<T>
Класс, объекты которого хранят служебную информацию
о классах во время исполнения
Package
Класс, объекты которого хранят информацию о пакетах
во время исполнения
ClassLoader
Базовый класс для загрузчиков классов в системе
Thread
Базовый класс потока
Runnable
Интерфейс используемый классом потока для запуска
параллельных действий
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
3
Классы поддержки системы типов
String
Класс для работы со строками
StringBuffer
Символьный буфер, используемый для оптимизации
работы со строками
Character
Объектная обертка для символьного типа
Boolean
Объектная обертка для логического типа
Void
Объектная обертка для типа void
Comparable
<T>
Интерфейс, реализуемый классами для объектов
которых определено отношение порядка
Number
Базовый класс для классов – оберток числовых типов
Byte, Short,
Классы – обертки для числовых типов
Integer, Long,
Float, Double
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
4
Класс java.lang.System (основные методы)
err, in, out
Статические переменные содержащие ссылки на
стандартные потоки ввода, вывода и ошибок
arraycopy()
Метод для быстрого копирования содержимого
массивов
getProperties(),
getProperty(),
setProperties(),
setProperty()
Набор методов для работы со стандартными
свойствами (настройками) java машины
currentTimeMillis()
Взятие текущего времени в миллисекундах с
момента 00 часов 1 января 1970 года
exit()
Прекращение работы виртуальной машины и
завершение процесса
gc()
Принудительный вызов сборщика мусора
load(),
loadLibrary(),
mapLibraryName()
Методы для манипуляции с загружаемыми native
библиотеками (dll , ld.so )
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
5
Класс java.lang.Runtime (основные методы)
getRuntime()
Статический метод для получения объекта
Runtime
Process exec()
Семейство вызовов для запуска отдельного
процесса (программы) в операционной системе
exit(int status), halt()
Shutdown и остановка java машины
freeMemory()
totalMemory()
Методы для получения информации о
доступной памяти
loadLibrary(), load()
Загрузка динамических native библиотек
addShutdownHook(),
Установка и удаления перехватчиков,
removeShutdownHook() вызываемых при остановке виртуальной
машины
gc(), runFinalization()
Новосибирск, 2004
Запуск сборщика мусора и финализатора
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
6
java.lang.Class (основные методы)
static Class<?>
forName(String name)
Используется для динамической загрузки
класса по имени в виртуальную машину
Object newInstance()
Создает новый объект данного класса.
Необходимо чтобы класс определял
конструктор по умолчанию.
ClassLoader
getClassLoader()
Получение загрузчика с помощью которого
был загружен данных класс
getSuperClass(),
getInterfaces(),
getPackage()
Получение информации о суперклассе,
реализуемых интерфейсах и пакете
getResource(),
getResourceAsStream()
Загрузка ресурсов (файлов настроек, картинок
и т.д.) расположенных на файловой системе
или в архиве jar
Дополнительно имеется множество методов для работы с полями,
агрегатами и методами определенными в классе
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
7
Классы-обертки для основных типов




Используются тогда, когда нужно работать с значениями
примитивных типов как с объектами
Используются для получения разнообразной
информации о диапазонах значений и специальных
значениях данного типа
Используются для преобразования типов между собой,
между различными системами счисления, в строковый
формат и наоборот из строкового формата (наследники
класса java.lang.Number)
Объекты классов оберток, ровно как и объекты класса
String не могут быть изменены после создания. При
операциях с ними могут создаваться новые объекты
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
8
Пример класса обертки – java.lang.Integer
MAX_VALUE, MIN_VALUE,
TYPE
Статические поля, содержащие информацию
о диапазоне и ссылку на объект типа Class
Integer(int value),
Integer(String s)
Конструкторы для создания нового объекта
compareTo(…)
Используется для сравнения с другими
объектами данного типа
int parseInt(…)
Integer valueOf(…)
Используются для разбора числа заданного
в строковом формате. Выбрасывают
java.lang.NumberFormatException
doubleValue(),
Методы для преобразования числовых типов
shortValue(), longValue(),
doubleValue(), floatVlaue()
toBinaryString(),
toHexString(),
toOctalString()
Новосибирск, 2004
Формируют строковое представление числа
в различных системах счисления
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
9
Автоматическая обертка boxing/unboxing

С целью поддержки наглядности компилятор может осуществлять
автоматическое преобразование примитивных типов в объектные и
наоборот:
Integer i = 5; // Integer i = new Integer(5);
Integer array[] = new Integer[] { new Integer(1), new Integer(2), new
Integer(3) };
// можно заменить :
Integer array [] = { 1, 2, 3};
 Необходимо соблюдать осторожность при обратных
преобразованиях во избежание NullPointerException
class Foo {
static Integer doSomething() { … }
}
…
int i = Foo.doSomething(); // вероятен NullPointerException
Integer theI = Foo.doSomething(); int i = (theI != null) ? theI, 0;
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
10
Оптимизация цикла for для массивов
class Foo {
public static void main(String args[] ) {
for (String s : args ) {
System.out.println(s);
}
}
}
// Эквивалентно
…
for (int i = 0; i < args.length; i++) {
System.out.println( args[i] ) ;
}
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
11
Переменное количество аргументов

При необходимости можно оптимизировать передачу
массива однотипных значений с помощью синтаксиса с
переменным количеством аргументов
class Bar {
public static void someFunction( String s, int … array) {
int sum = 0;
for (int i : array ) {
sum += i;
}
}
}
…
Bar.someFunction(“one”, 1, 2, 3, 4, 5); // аргументы одного типа
// эквивалентно
static void someFunction(String s, int[ ] array) {…}
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
12
Математические средства платформы java




java.lang.StrictMath – класс-утилита, содержащий
основные математические функции. Гарантирует точную
повторяемость числовых результатов вплоть до бита
java.lang.Math – класс-утилита, работающая быстрее чем
StrictMath (на старых версиях машины) но не
гарантирующая точное воспроизводство числовых
результатов для иррациональных чисел.
В версии 1.6 java.lang.Math делегирует вызовы StrictMath
java.math.BigDecimal, java.math.BigInteger – классы для
работы с числами произвольного размера и точности
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
13
Родовые компоненты – обобщения (generics)





Позволяют объявлять классы, интерфейсы и методы,
где тип данных и ограничения на него, которыми они
оперируют указан в виде параметра
Позволяют реализовать код, который будет работать
единообразно с разными типами данных
В отличие от использования ссылок на тип Object
предоставляют безопасные с точки зрения типизации
средства обобщенного программирования
Спецификация параметра задается явно (классы,
интерфейсы и ссылки) или выводится на основании
аргументов (вызов методов)
Соответствие типа проверяется на стадии компиляции
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
14
Простейший пример

До java 1.5:

public class Envelope {
private Object ref;
public Envelope (Object arg) {
ref = arg;
}
public Object get() { return ref; }
}
…
Envelope e = new Envelope(new MyClass());
…
MyClass m = (MyClass) e.get(); //OK
// ClassCastException in runtime:
Another a = (Another) e.get();

Необходимо знать и
учитывать объект какого типа
был сохранен
Новосибирск, 2004
Начиная с 1.5:
public class Envelope <T> {
private T ref;
public Envelope (T arg) {
ref = arg;
}
public T get() { return ref; }
}
…
Envelope <MyClass> e = new
Envelope<MyClass>(new MyClass());
…
MyClass m = e.get();
//compile time error:
Another a = e.get();

Проверка типа осуществляется
на стадии компиляции
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
15
Грамматика родового класса
ClassDeclaration:
NormalClassDeclaration
EnumDeclaration
NormalClassDeclaration:
ClassModifiersopt class Identifier TypeParametersopt Superopt Interfacesopt
ClassBody
TypeParameters :
< TypeParameterList >
TypeParameterList : TypeParameterList , TypeParameter | TypeParameter
TypeParameter:
TypeBound:
TypeVariable TypeBoundopt
extends ClassOrInterfaceType AdditionalBoundListopt
AdditionalBoundList:
AdditionalBound
AdditionalBoundList AdditionalBound
AdditionalBound:
& InterfaceType
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
16
Грамматика родового интерфейса и метода
InterfaceDeclaration:
NormalInterfaceDeclaration
AnnotationTypeDeclaration
NormalInterfaceDeclaration:
InterfaceModifiersopt interface Identifier TypeParametersopt
ExtendsInterfacesopt InterfaceBody
MethodDeclaration:
MethodHeader MethodBody
MethodHeader:
MethodModifiersopt TypeParametersopt ResultType MethodDeclarator
Throwsopt
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
17
Основные отличия от C++






При объявлении специфической ссылки имеющей
типом родовой класс или интерфейс не происходит
генерация кода класса (интерфейса)
Все объекты – специфические экземпляры родового
класса разделяют один и тот же обобщенный тип
Параметрами родового компонента могут быть только
типы
На параметры родового компонента можно наложить
ограничения по наследованию определенного типа
и/или интерфейса (интерфейсов)
Исключения и перечисления не могут быть родовыми
типами
В качестве значений параметров при спецификации не
могут использоваться примитивные типы java
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
18
Использование параметров - типов

В теле родового компонента можно использовать параметр типа для
объявления ссылок и спецификации значений аргументов других
параметризуемых типов
class MyGeneric <T> {
private T t;
private AnotherGeneric< T > at = new AnotherGeneric<T>();
}

Нельзя инстанцировать объект или массив имеющий типом –
параметр:
class SomeGeneric<T> {
T t = new T(); //compile time error
T array = new T[10]; //compile time error
}

Параметр типа недоступен в статическом контексте
class HasStatic<T> {
static T t; //compile time error
}
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
19
Ограниченные типы
class Stats <T extends Number> {
private T [ ] nums;
public Stats ( T [] array ) { nums = array; }
public double average ( ) {
double sum = 0.0;
for (T n : nums ) {
//все типы наследники Number реализуют метод doubleValue()
sum += n.doubleValue();
}
return sum / nums.length();
}
}
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
20
«Шаблоны» параметров - wildcards

Допустим мы хотим сравнивать средние значения
объектов Stats<T>:
class Stats <T extends Number> {
private T [ ] nums;
public Stats ( T [] array ) { nums = array; }
public double average ( ) { … }
public boolean sameAvg ( Stats<T> another) {
return average() == another.average();
}
}
//Проблема – нельзя сравнить среднее разных спецификаций:
Integer intArray[] = { 1, 2, 4, 7 };
Double doubleArray [] = { 6.0, 7.8, 22.0 };
Stats<Integer> intStats = new Stats<Integer> (intArray);
intStats.sameAvg (new Stats<Double>(doubleArray) ); //Compile time error
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
21
Решение – использование «?»
class Stats <T extends Number> {
private T [ ] nums;
public Stats ( T [] array ) { nums = array; }
public double average ( ) { … }
public boolean sameAvg ( Stats<?> another) {
return average() == another.average();
}
}
? можно использовать для спецификации обобщенных ссылок и
generic-type массивов
Stats<?> anyStats = new Stats<Integer> ( );
Stats<?> array[] = new Stats<?> [10];
 ? следует применять при проверках instanceof
Stats<Integer> iStats = new Stats<Integer> ( new Integer[]{ 1, 2, 3, 4} );
iStats instanceof Stats<?> // true

Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
22
Ограниченные wildcards
abstract class Shape {
public abstract void draw(Canvas c);
}
public class Ellipse extends Shape { … }
public class Polygon extends Shape { … }
…
public static void drawAll (List<? extends Shape> shapesList, Canvas c ) {
for (Shape s : shapesList) s.draw ( c );
}
// При этом следующий код не работает:
public void addPolygon(List<? extends Shape> shapes ) {
shapes.add(new Polygon(…)); //compile time error
}
 <? extends Bar> - при спецификации может использоваться любой
наследник включая сам класс Bar
 <? super Foo> - может использоваться только суперкласс Foo
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
23
Родовые методы
class Bar {
public static <T> void fromArrayToCollection (T[] a, Collection <T> c) {
for (T v: a) c.add(v);
}
}
…
Integer[] ia = new Integer[100];
Collection<Integer> ic = new ArrayList<Integer>();
Bar.fromArrayToCollection (ia, ic); //спецификация на основе аргументов
//Можно использовать совместно с wildcards:
public class Collections {
public static <T> void copy(List<T> dest, List<? extends T> src) { … }
}
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
24
Что лучше использовать?
interface Collection <E> {
public boolean containsAll (Collection <?> c);
public boolean addAll (Collection<? extends E> c);
}
//или
interface Collection <E> {
public <T> boolean containsAll(Collection <T> c);
public <T extends E> boolean addAll(Collection <T> c);
}
 Замечания по именованию
 Обычно используется параметр T
 Если параметров несколько – то буквы близкие по алфавиту,
например T совместно с S
 Если родовой метод (класс) вложен в другой родовой компонент,
то лучше использовать отличную от параметра этого компонента
букву
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
25
Raw типы и совместимость

Для совместимости с ранним кодом можно использовать
родовые компоненты без спецификации параметров
List rawList = new LinkedList();
Integer i = 5; // помним о boxing
rawList.add( i ); // реально rawList.add( (Object) i);
…
Integer v = (Integer) rawList.get(0);
List<Number> nList = new ArrayList<Number>();
…
rawList = nList; // безопасно, но теряем защиту по типу
…
List<Integer> iList = (List<Integer) rawList; //Допустимо но опасно!
int v = iList.get(0); // ClassCastException !
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
26
Родовые компоненты и наследование



Родовые классы (интерфейсы) могут наследоваться от
обычных классов (интерфейсов) и наоборот
Возможно приведение ссылки дочернего родового
класса (интерфейса) на базовый только в том случае,
если совпадают значения аргументов – типов заданные
при спецификации
Если классы A и B связаны наследованием (A extends B),
то это не значит, что специфицированные ссылки
параметризованных типов которым переданы эти классы
в качестве параметров-типов совместимы между собой !
// параметры совпадают, класс LinkedList<T> реализует интерфейс List<T>
List<String> stringList = new LinkedList<String> (); //OK
// значения параметров у ссылок не совпадают, присваивание невозможно:
List<Object> objectList = stringList; //compile time error
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
27
Реализация обобщенных интерфейсов
interface MinMax <T extends Comparable<T>> {
T min();
T max();
}
//Класс реализующий родовой интерфейс должен быть родовым
class MinMaxArray <T extends Comparable <T>> implements MinMax {
T [ ] vals;
MinMaxArray (T arg[ ] ) { vals = arg; }
public T min () { … }
public T max () { … }
}
…
Character chrs [ ] = { ‘c’, ‘f’ , ‘k’, ‘a’ }; // boxing
Character maxChar = (new MinMaxArray<Character> (chrs)).max();
//Однако можно наследовать специфицированный интерфейс
class MinMaxIntegerArray extends MinMax<Integer> {
…
}
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
28
Перегрузка и наследование
public class Base <T> {
private T val;
public Base(T v) { val = v;}
public T getVal() { return val;}
}
public class Derived<T,S> extends Base<T> {
private S another;
public Derived (T v, S s) {
super(v);
another = s;
}
public T getVal () { … } //Перегруженный метод
}
//Допустимо:
Base<Integer> b = new Derived <Integer, String> (5, “Hello!”);
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
29
«Очистка параметров» при компиляции
Из соображений совместимости вся информация о параметрах –
типах при компиляции удаляется
 При этом происходит замена параметров типа на реально их
ограничивающий класс
 class Bar<T extends Number> {…} - T заменяется на Number
 class Foo<T> {…} - T заменяется на Object
class GenStr <T extends String> {
T str;
GenStr ( T val) { str = val; }
T getStr () {return str;}
} // откомпилируется как будто был написан так:
class GenStr extends Object {
java.lang.String str;
GenStr (java.lang.String val) {str = val;}
java.lang.String getStr() { return str; }
}

Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
30
Дополнительные проблемы

Методы – мосты (генерируются компилятором)
class Base <T> {
public T f () { … } // откомпилируется в Object f() {…}
}
class Derived extends Base<String> {
public String f() { return super.f(); } // нужен мост
}

Потенциальная неоднозначность
class Foo <T,S> {
T t;
S s;
void set (T targ) { t = targ; } // компилируется в set(Object o) {…}
void set (S sarg) { s = sarg; } // компилируется в set(Object o) {…}
}
Новосибирск, 2004
(С) Всеволод Рылов, все права защищены
31