Im beginnenden neuen Jahrtausend ist es eigentlich nicht mehr notwendig, Begriffe wie Computer, Programm oder Software einzuführen. Wir werden in diesem Kapitel trotzdem einige Vorbemerkungen machen, um den Kontext dieses Buches und der behandelten Begriffe zu verdeutlichen.
Informatik
Informatik ist ein Kunstwort aus den 60er Jahren, das die Assoziationen Informatik gleich Information oder Technik oder Informatik gleich Information und Mathematik erwecken sollte. Bei der Begriffsbildung sollte durchaus bewusst ein Gegensatz zum amerikanischen Begriff Computer Science aufgebaut werden, um zu verdeutlichen, dass die Wissenschaft Informatik nicht nur auf Computer beschränkt ist. Informatik als Begriff ist insbesondere im nicht englischsprachigen europäischen Raum gebräuchlich. Die Informatik hat zentral zu tun mit
Wichtige Grundkonzepte der Informatik können in einer maschinenunabhängigen Darstellung vermittelt werden. Der Bezug zu den Themen diese Buches kann durch die folgende Aussage hergestellt werden:
Algorithmen und Daten
Die »systematische Verarbeitung« wird durch den Begriff Algorithmus präzisiert, Information durch den Begriff Daten.
In einer ersten Näherung kann man das Konzept des Algorithmus wie folgt charakterisieren:
Ein Algorithmus ist eine eindeutige Beschreibung eines in mehreren Schritten durchgeführten (Bearbeitungs-)Vorganges.
In der Informatik werden nun speziell Berechnungsvorgänge statt allgemeiner Bearbeitungsvorgänge betrachtet, wobei der Schwerpunkt auf der Ausführbarkeit durch (abstrakte) Maschinen liegt, die auch als Prozessoren bezeichnet werden:
Prozessor
Ein Prozessor führt einen Prozess (Arbeitsvorgang) auf Basis einer eindeutig interpretierbaren Beschreibung (dem Algorithmus) aus.
In diesem Buch werden eine Reihe von Fragestellungen behandelt, die Aspekte des Umgangs mit Algorithmen betreffen. Die verschiedenen Notationen für die Beschreibung von Algorithmen führen direkt zu Sprachkonzepten moderner Programmiersprachen.
Ausdrucksfähigkeit verschiedener Notationen
Wenn verschiedene Notationen verwendet werden können, stellt sich die Frage der Ausdrucksfähigkeit dieser Algorithmensprachen. Man kann sich diese Fragestellungen daran verdeutlichen, dass man sich überlegt, wie ausdrucksfähig die Bienensprache, die ja konkrete Wegbeschreibungen ermöglicht, im Vergleich zu einer Programmiersprache zur Wegfindungsprogrammierung von Robotern ist, oder ob dressierte Hunde tatsächlich dieselbe Sprache verstehen wie Menschen.
Korrektheit und Zeitbedarf
Spätestens beim Übergang zu konkreten Programmen in einer Programmiersprache müssen natürlich die Fragestellungen der Korrektheit und des Zeitbedarfs bzw. der Geschwindigkeit von Programmen betrachtet werden.
In diesem Buch geht es primär um Algorithmen für Rechner, also schnelle (aber dumme) Prozessoren (ein Rechner ist im Vergleich zu einem Menschen ein »Hochgeschwindigkeitstrottel«, der falsche Anweisungen prinzipiell nicht erkennen kann, aber sehr schnell als Programm vorgegebene Anweisungen ausführen kann). Hierzu werden mathematisch formale Grundlagen von Algorithmen eingeführt – ein Rechner »versteht« nur Bits, so dass jede Anweisungssprache auf diese einfache Ebene heruntergebrochen werden muss. Die Umsetzung von menschenverständlichen Algorithmen in eine maschinennahe Darstellung geht natürlich nur, wenn die Bedeutung beider Darstellungen exakt formal festgelegt ist.
Datenstrukturen
Auch wenn sich beim Programmieren scheinbar alles um die Algorithmen dreht, ist das Gegenstück, die Datenstrukturen, ebenfalls ein zentraler Aspekt der Grundlagen der Informatik. Erst rechnerverarbeitbare Darstellungen von Informationen erlauben das Programmieren realistischer Probleme auf einer angemessenen Abstraktionsebene – die Zeit, in der ein Programmierer sich an den Rechner anpassen und direkt in Bits und Bytes denken musste, ist zumindest in der nicht stark hardwarenahen Programmierung vorbei.
Die in diesem Buch behandelten Konzepte der Informatik sind älter als die Geschichte der Computer, die Programme ausführen können. Die Informatik behandelt Konzepte, die auch ohne existierende Computer gültig sind – aber zugegebenermaßen erst durch den Siegeszug der Computer die heutige praktische Relevanz erlangten.
In diesem Abschnitt wollen wir kurz einige Ergebnisse aus der Zeit vor dem Bau des ersten Computers nennen, um dies zu verdeutlichen:
300 v. Chr.:Euklids Algorithmus zur Bestimmung des ggT (beschrieben im 7. Buch der Elemente), also des größten gemeinsamen Teilers, mit dem etwa
ggT(300, 200) = 100
sehr effizient berechnet werden kann, ist die erste Beschreibung eines Verfahrens, das modernen Kriterien für Algorithmen gerecht wird.
800 n. Chr.: Der persisch-arabische Mathematiker Muhammed ibn Musa abu Djafar alChoresmi (oft auch als »al Chworesmi« oder »al Charismi« geschrieben) veröffentlicht eine Aufgabensammlung für Kaufleute und Testamentsvollstrecker, die später ins Lateinische als Liber Algorithmi übersetzt wird.
Das Wort Algorithmus ist ein Kunstwort aus dem Namen dieses Mathematikers und dem griechischen »arithmos« für Zahl.
1574:Adam Rieses Rechenbuch verbreitet mathematische Algorithmen in Deutschland.
1614:Die ersten Logarithmentafeln werden algorithmisch berechnet – ohne Computer dauerte dies 30 Jahre!
1703:Binäre Zahlensysteme werden von Leibnitz eingeführt. Diese Zahlensysteme bilden die Grundlage der internen Verarbeitung in modernen Computern.
1815:Augusta Ada Lovelace, die erste »Computer-Pionierin«, wird geboren. Sie entwickelt schon früh Konstruktionspläne für verschiedenartige Maschinen, wird Assistentin von Babbage und entwirft Programme für dessen erste Rechenmaschinen.
1822:Charles Babbage entwickelt die sogenannte Difference Engine, die in einer verbesserten Version 1833 fertiggestellt wird. Später entwickelt er auch die Analytical Engine, die bereits die wichtigsten Komponenten eines Computers umfasst, aber niemals vollendet wird.
1931:Gödels Unvollständigkeitssatz beendet den Traum vieler damaliger Mathematiker, die gesamte Beweisführung aller Sätze in der Mathematik mit algorithmisch konstruierten Beweisen durchzuführen.
1936:Die Church’sche These vereinheitlicht die Welt der Sprachen zur Notation von Algorithmen, indem für viele der damaligen Notationen die gleiche Ausdrucksfähigkeit postuliert wird.
danach:Mit der Realisierung der ersten Computer erfolgte natürlich der Ausbau der Algorithmentheorie zu einem eigenen Wissenschaftsgebiet.
Auch für den Bereich der Datenstrukturen können lang zurückreichende Wurzeln gefunden werden, etwa das Indexierungssystem historischer Bibliotheken.
Ein historischer Überblick, der auch die technische Informatik, die Programmierung und Aspekte des Software Engineering behandelt, würde den Rahmen des vorliegenden Buches sprengen. So werden wir nur noch im folgenden Abschnitt, der die Wahl der Sprache Java als Ausbildungssprache motivieren soll, die Historie der Programmiersprachen kurz anreißen.
Autocode
Fortran
Algol
Lisp
COBOL
Bevor wir näher auf die in diesem Buch verwendete Programmiersprache Java eingehen, lohnt es sich, einen Blick in die Geschichte zu werfen. Die Ursprünge höherer Programmiersprachen reichen zurück an den Anfang der fünfziger Jahre, als erste Sprachen wie Autocode vorgeschlagen wurden, die bereits arithmetische Ausdrücke, Schleifen, bedingte Sprünge und Prozeduren umfassten. Daraus wurde dann Fortran (FORmula TRANslator) entwickelt, deren erste Fassung 1954 vorgestellt wurde und die auch heute noch speziell im wissenschaftlich-technischen Bereich zum Einsatz kommt. Anfang der sechziger Jahre wurden dann Algol (ALGOrithmic Language), eine Sprache, die u.a. Pascal nachhaltig beeinflusst hat, Lisp, als die Grundlage aller funktionalen Programmiersprachen und im Bereich der künstlichen Intelligenz immer noch häufig eingesetzt, und die vielleicht noch am weitesten verbreitete Programmiersprache COBOL (COmmon Business Oriented Language) entwickelt. Auch die Entwicklung von BASIC geht auf die Mitte der sechziger Jahre zurück.
Pascal
Die Methode der strukturierten Programmierung wurde wesentlich durch Pascal begründet, eine Entwicklung von Niklaus Wirth zu Beginn der siebziger Jahre. Mit Pascal wurden nicht nur Sprachmittel eingeführt, die heute in allen modernen Programmiersprachen zu finden sind, sondern es wurde auch erstmals die Programmausführung durch die Interpretation von Zwischencode (sogenannten P-Code) verwirklicht. Dieses Verfahren wurde dann beispielsweise für Java »wiederentdeckt« und hat wesentlich zur Verbreitung der Sprache beigetragen.
C
Ebenfalls Anfang der siebziger Jahre wurde ausgehend von Sprachen wie CPL und BCPL die Programmiersprache C entwickelt und zur Implementierung des Betriebssystems UNIX eingesetzt. Damit wurde erstmals eine höhere Programmiersprache für die Betriebssystementwicklung verwendet. Der sich daraus ergebenden weitgehenden Maschinenunabhängigkeit ist es letztendlich zu verdanken, dass UNIX und die Vielzahl der Derivate (wie u.a. Linux) heute auf nahezu allen Hardwareplattformen zu finden sind.
Modula
Die Idee modularer Programmiersprachen wurde ab Mitte der siebziger Jahre wiederum von Wirth mit Modula entwickelt und speziell auch in Ada umgesetzt.
Simula-67
Smalltalk
C++
Objektorientierte Programmiersprachen wie Smalltalk, C++ oder Java haben ihren Ursprung in Simula-67, die um 1967 in Norwegen als eine Sprache für die ereignisorientierte Simulation entstanden ist. Das Potenzial objektorientierter Programmierung wurde zu dieser Zeit jedoch noch nicht wirklich erkannt. Erst mit der Entwicklung von Smalltalk durch Xerox PARC Ende der siebziger Jahre fanden Konzepte wie »Klasse« oder «Vererbung« Einzug in die Programmierung. Ausgehend vom objektorientierten Paradigma einerseits und der Systemprogrammiersprache C andererseits wurde 1983 bei AT&T die Programmiersprache C++ entworfen, die nicht zuletzt wegen der »Abwärtskompatibilität« zu C schnell eine weite Verbreitung fand.
Eiffel
Als Entwicklungen der letzten Jahre vor Java sind insbesondere Eiffel von Bertrand Meyer mit dem neuen Konzept der Zusicherungen bzw. des vertraglichen Entwurfs (design by contract), Oberon von Wirth mit dem Ziel einer Rückbesinnung auf einen einfachen, kompakten und klaren Sprachentwurf sowie die Vielzahl von Skriptsprachen wie Perl, Tcl oder Python zu nennen.
Java
Die Arbeiten zu Java lassen sich bis in das Jahr 1990 zurückverfolgen, als bei Sun Microsystems eine Sprache für den Consumer-Electronics-Bereich unter dem Namen Oak entwickelt werden sollte. Entwurfsziele dieser Sprache waren bereits Plattformunabhängigkeit durch Verwendung von Zwischencode und dessen interpretative Ausführung, Objektorientierung und die Anlehnung an C/C++, um so den Lernaufwand für Kenner dieser Sprachen gering zu halten. Mit der Entwicklung des World Wide Web um 1993 fand im Entwicklerteam eine Umorientierung auf Webanwendungen und damit eine Umbenennung in Java – die bevorzugte Kaffeesorte der Entwickler – statt.
HotJava
Netscape
Java Development Kit
J2SE 5.0
Java SE 6.0
Java SE 7.0
Java SE 8
1995 wurde die Sprache dann zusammen mit einer Referenzimplementierung und dem HotJava-Browser der Öffentlichkeit vorgestellt. Dieser Browser ermöglichte erstmals aktive Webinhalte – durch sogenannte Applets. Hinter diesem Begriff verbergen sich kleine Java-Programme, die als Teil eines Webdokumentes von einem Server geladen und in einem geschützten Bereich des Browsers ausgeführt werden können. Da der HotJava-Browser selbst in Java geschrieben wurde, war dies gleichzeitig die Demonstration der Eignung von Java für größere Projekte. Als Netscape – damals unbestrittener Marktführer bei Webbrowsern – kurz darauf die Unterstützung von Java-Applets in der nächsten Version des Navigators bekannt gab, fand Java in kürzester Zeit eine enorme Verbreitung. Dies wurde auch noch dadurch verstärkt, dass die Entwicklungsumgebung für Java von Sun kostenlos über das Web zur Verfügung gestellt wurde. Im Jahre 1997 wurde dann die Version 1.1 des Java Development Kit (JDK) freigegeben und alle großen Softwarefirmen wie IBM, Oracle oder Microsoft erklärten ihre Unterstützung der Java-Plattform. Mit der Veröffentlichung von Java 2 im Jahr 1998 und der Folgeversionen des JDK hat sich dann nicht nur die Anzahl der Systemplattformen, auf denen Java-Programme lauffähig sind, vergrößert, sondern insbesondere auch die Zahl der Klassenbibliotheken, die für Java verfügbar sind. In der im Sommer 2005 freigegebenen Version J2SE 5.0 (Java 2 Platform Standard Edition) wurden schließlich auch einige neue Sprachkonzepte wie Generics und variable Parameterlisten eingeführt, auf die wir an geeigneter Stelle eingehen werden. Die Nachfolgeversion Java SE 6.0 erschien im Dezember 2006 und hat seitdem einige Updates erfahren. Wesentliche Änderungen an der Sprache selbst bietet diese Version jedoch nicht. Seit 2006 ist Java auch als Open-Source-Software – das OpenJDK – verfügbar. 2009/2010 wurde die Firma Sun Microsystems, und damit auch die Java-Technologien, vom Datenbankhersteller Oracle gekauft. Die Weiterentwicklung von Java, die im sogenannten Java Community Process (JCP) stattfindet, wird nun also von Oracle geleitet. Die nächste Version Java SE 7.0 wurde im Juli 2011 veröffentlicht und enthält neben API-Erweiterungen nur einige kleinere Spracherweiterungen. 2014 wurde Java SE 8 veröffentlicht. In dieser Version wurde mit den Lambda-Ausdrücken ein sehr interessantes Konzept aus dem Bereich funktionaler Programmiersprachen in die Sprache aufgenommen, das wir ebenfalls kurz vorstellen werden.
Java SE 9
Java SE 14
Nach einer dreijährigen Pause wurde 2017 die Version Java SE 9 freigegeben, mit der u.a. die Java-Shell eingeführt wurde. Die aktuelle Version ist die im März 2020 veröffentlichte Version Java SE 14.
Geblieben sind die ursprünglichen Ansprüche: eine leicht erlernbare, klare und kompakte Sprache, die die Komplexität beispielsweise von C++ vermeidet, aber dennoch das objektorientierte Paradigma umsetzt. Gleichzeitig ist Java architekturneutral, d.h., durch Verwendung eines plattformunabhängigen Zwischencodes sind Programme auch in kompilierter Form portabel – eine Eigenschaft, die für eine moderne Internet-Programmiersprache fundamental ist. Über die Sprache selbst hinaus spielt die Java Virtual Machine (JVM) eine wichtige Rolle als Plattform für andere Sprachen. Neben Umsetzungen anderer Sprachen auf die JVM wie JRuby oder JPython zählen hierzu insbesondere neue Sprachen wie Scala, Groovy, Clojure oder Kotlin.
Programm
Ein fundamentaler Begriff beim Programmieren – eigentlich beim Umgang mit Computern allgemein – ist das Programm. Egal ob man ein Textverarbeitungssystem oder ein kleines, selbst geschriebenes Java-Programm zur Berechnung der Fakultät einer Zahl betrachtet – in beiden Fällen handelt es sich um ein Programm (oder eine Sammlung davon).
Ein Programm ist die Formulierung eines Algorithmus und der zugehörigen Datenstrukturen in einer Programmiersprache.
Die Grundbausteine von Programmen in höheren Programmiersprachen werden wir erst in den nächsten Kapiteln kennen lernen. Intuitiv wissen wir aber, dass zumindest Anweisungen wie elementare Operationen, bedingte Anweisungen und Schleifen, Datentypen zur Festlegung der Struktur der Daten und darauf definierte Operationen sowie die Möglichkeit der Formulierung von Ausdrücken benötigt werden.
Die syntaktisch korrekte Kombination dieser Bausteine allein führt jedoch noch nicht zu einem ausführbaren Programm. Da Programme meist in einer für Menschen schreib- und lesbaren Form erstellt werden, sind sie für Computer, die nur einen von der jeweiligen Prozessorarchitektur (etwa Intels x86-Familie, die SPARC-Prozessoren von Sun oder die PowerPC-Prozessorfamilie der Macs bzw. IBM-Rechner) abhängigen Maschinencode »verstehen«, nicht direkt ausführbar. Es ist daher eine Übersetzung oder auch Kompilierung (engl. compile) des Programms aus der Programmiersprache in den Maschinencode notwendig. Die Übersetzung erfolgt durch ein spezielles Programm, das als Compiler bezeichnet wird. Neben der Übersetzung in Maschinencode führt ein solcher Compiler auch noch verschiedene Überprüfungen des Programms durch, z.B. ob das Programm hinsichtlich der Syntax korrekt ist, ob benutzte Variablen und Prozeduren deklariert sind u.Ä. Programmiersprachen wie C, C++ oder (Turbo-)Pascal basieren auf diesem Prinzip.
Interpreter
Skriptsprachen
Da jede Änderung am Programmtext eine Neukompilierung erfordert, verzichtet man bei einigen Sprachen auf die Übersetzung, indem die Programme interpretiert werden. Das bedeutet, dass ein spezielles Programm – der sogenannte Interpreter – den Programmtext schrittweise analysiert und ausführt. Der Interpreter muss also Syntax und Semantik der Sprache kennen! Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Kompilierung entfällt und dadurch Änderungen vereinfacht werden. Auch ist das Programm (man spricht häufig auch von Skripten) unabhängig von einer konkreten Prozessorarchitektur. Diese Vorteile werden durch die Notwendigkeit eines Interpreters und eine durch die interpretierte Ausführung verschlechterte Performance erkauft. Beispiele für Sprachen, die mit diesem Prinzip realisiert werden, sind insbesondere die im Webumfeld beliebten Skriptsprachen wie JavaScript.
Bytecode
Java basiert auf einem kombinierten Ansatz (Abbildung 1–1). Programme werden zwar kompiliert, jedoch nicht in einen prozessorspezifischen Maschinencode, sondern in einen sogenannten Bytecode. Hierbei handelt sich um Code für eine abstrakte Stack-Maschine. Dieser Bytecode wird schließlich von einem Java-Interpreter, der virtuellen Java-Maschine (Java VM – engl. Virtual Machine), ausgeführt. Da der Bytecode relativ maschinennah ist, bleibt die Interpretation und Ausführung einfach, wodurch der Performance-Verlust gering gehalten werden kann. Andererseits lassen sich auf diese Weise auch übersetzte Java-Programme auf unterschiedlichen Prozessorarchitekturen ausführen, sofern dort eine Java-VM verfügbar ist.
Aufbau von Java-Programmen
Klasse
Methoden
Wie ist nun ein Java-Programm aufgebaut? Ein solches Programm besteht aus einer oder mehreren Klassen, die damit das Hauptstrukturierungsmittel in Java darstellen. Wir werden auf den Begriff der Klasse später im Zusammenhang mit Datenstrukturen noch genauer eingehen. Zunächst wollen wir darunter nur ein Modul verstehen, das eine Menge von Variablen und Prozeduren bzw. Funktionen kapselt. Im Sprachgebrauch von Java werden Prozeduren und Funktionen, d.h. die Zusammenfassung von Anweisungen zu einer logischen Einheit, auch als Methoden bezeichnet.
Abb. 1–1 Compiler und Interpreter bei Java
Abb. 1–2 Struktur eines Java-Programms
main-Methode
Abbildung 1–2 verdeutlicht den Aufbau eines Java-Programms aus mehreren Klassen. Jede Klasse ist durch einen Namen gekennzeichnet und kann Attribute und Methoden definieren. Mindestens eine Klasse muss eine spezielle Methode main besitzen, die den Einstiegspunkt für die Ausführung bildet. Wenn das Programm später ausgeführt werden soll, ist der Name der Klasse mit der main-Methode (engl. für »Haupt«-Methode) anzugeben. Beim Start wird dann zuerst diese Methode aufgerufen, die damit das »Hauptprogramm« bildet.
Kompilierung
Dateien mit Klassendefinitionen werden in Java mit der Endung .java gespeichert, wobei für jede öffentliche, d.h. von »außen« nutzbare Klasse eine eigene Datei verwendet wird, die den Namen der Klasse trägt. Die Klassen müssen zur Erstellung eines ausführbaren Programms zunächst mit dem Java-Compiler in Bytecode übersetzt (kompiliert) werden. Der Java-Compiler ist entweder in eine Entwicklungsumgebung wie Eclipse oder NetBeans integriert oder als ein Programm mit dem Namen javac verfügbar. Im ersten Fall erfolgt die Kompilierung einfach über die grafische Benutzerschnittstelle der Entwicklungsumgebung – meist sogar im Hintergrund, ohne dass explizit die Kompilierung angestoßen werden muss. Im zweiten Fall wird dies durch ein Kommando der folgenden Form vorgenommen:
> javac Klasse.java
Ausführung
CLASSPATH
Als Ergebnis der Übersetzung entsteht für jede Klasse eine Datei mit der Endung .class, die den Bytecode enthält und durch die Java-Maschine ausgeführt werden kann. Diese Java-Maschine kann ein Interpreter für den Bytecode sein oder auch den Bytecode intern in direkt ausführbaren Maschinencode übersetzen. Letzteres wird als Just-in-Time-Kompilierung (JIT-Kompilierung) bezeichnet. Ein explizites Binden der übersetzten Klassen, wie es etwa bei C-Programmen durchgeführt werden muss, ist dagegen nicht notwendig. Zur Ausführung muss die Java-Maschine – ein Programm mit dem Namen java – gestartet werden, wobei der Name der Klasse als Parameter übergeben wird. Sind in der auszuführenden Klasse weitere Klassen referenziert, so wird der benötigte Bytecode vom Interpreter bei Bedarf nachgeladen. Dazu muss bekannt sein, wo dieser Code zu finden ist. Sowohl Compiler als auch Interpreter werten daher eine Umgebungsvariable CLASSPATH aus, die eine Liste von Verzeichnissen bzw. von Archiven mit .class-Dateien beinhaltet. Im einfachsten Fall ist dies das aktuelle Verzeichnis, das durch ».« bezeichnet wird. Sollen mehrere Verzeichnisse angegeben werden, so werden diese unter UNIX durch »:« bzw. unter Windows durch »;« getrennt.
Package
Ein weiteres wichtiges Strukturierungsmittel in Java sind Packages oder Pakete. Hierbei handelt es sich um einen Mechanismus zur Organisation von Java-Klassen. Durch Pakete werden Namensräume gebildet, die Konflikte durch gleiche Bezeichnungen verhindern. So kann eine Klasse Object definiert werden, ohne dass es dadurch zu Konflikten mit der Standardklasse java.lang.Object kommt. Ein Paket demo wird beispielsweise durch die Anweisung
package demo;
Importieren
vereinbart, wobei dies am Anfang der Quelldatei anzugeben ist. Jede Klasse, in deren Quelldatei diese Anweisung steht, wird dem Paket demo zugeordnet. Über die Notation demo.MeineKlasse kann danach eindeutig die im Paket demo definierte Klasse MeineKlasse identifiziert werden. Diese Schreibweise lässt sich jedoch abkürzen, indem zu Beginn der Quelldatei eine import-Anweisung eingefügt wird:
import demo.MeineKlasse;
Danach kann die Klasse MeineKlasse ohne vorangestellten Paketnamen verwendet werden. Alle Klassen eines Paketes lassen sich durch Angabe eines * importieren:
import demo.*;
Paketnamen
Standard-API
Paketnamen können hierarchisch aufgebaut werden, wobei die einzelnen Namensbestandteile durch ».« getrennt werden. Allerdings wird durch Angabe des »*« beim Import kein rekursives Importieren durchgeführt, sondern es sind nur die Klassen des bezeichneten Paketes betroffen. Zu beachten ist weiterhin, dass die Pakete, die mit java. beginnen, zum Standard-API gehören und nicht verändert werden dürfen, d.h., eigene Paketnamen dürfen nicht mit java. beginnen.
Pakete liefern dem Java-Compiler auch Hinweise, wo die kompilierten Klassendateien (Dateien mit der Endung .class) abgelegt werden sollen. Danach werden Punkte im Paketnamen durch den Separator für Verzeichnisnamen ersetzt. Eine Klassendatei der Klasse algoj.sort.QuickSort wird demzufolge im Verzeichnis algoj/sort unter dem Namen QuickSort.class abgelegt.
Betrachten wir nun am Beispiel einer einfachen Klasse die Schritte der Erstellung eines Java-Programms. Die Klasse Hello aus Programm 1.1 soll die typische Aufgabe eines jeden ersten Programms aus Einführungsbüchern zu Programmiersprachen erfüllen: die Ausgabe der Meldung »Hello World!«.
// Hello World! in Java
public class Hello {
public static void main(String[ ] args) {
System.out.println("Hello World!");
}
}
Klassenbezeichner
Für das Programm muss zunächst eine Klasse definiert werden, die als »Kapsel« dient: Attribute und Methoden können nur im Rahmen von Klassen definiert werden. Eine Klassendefinition wird durch das Schlüsselwort class, gefolgt vom Bezeichner der Klasse, eingeleitet. Das im obigen Programm vorangestellte Schlüsselwort public definiert zusätzlich noch die Sichtbarkeit der Klasse und gibt an, dass diese Klasse öffentlich ist, d.h. auch von anderen Modulen aus zugreifbar ist. Es sei an dieser Stelle noch betont, dass bei Java zwischen Groß- und Kleinschreibung unterschieden wird: Die Schlüsselwörter der Sprache (z.B. class) werden grundsätzlich kleingeschrieben, bei Bezeichnern (wie etwa der Name einer Klasse) bleibt dies dem Entwickler überlassen, muss aber konsistent erfolgen. So bezeichnen eineKlasse, EineKlasse und EINEKLASSE verschiedene Klassen!
Definition der Attribute und Methoden
Klassenmethode
Im Anschluss an den Klassenbezeichner folgt in geschweiften Klammern die Definition der Attribute und Methoden. In unserem Beispiel umfasst die Klasse nur eine Methode main. Diese Methode ist öffentlich (public), liefert kein Ergebnis zurück (Typ void) und erwartet als Parameter ein Feld von Zeichenketten (String[] args). Obwohl die Parameter in unserem Beispiel nicht benötigt werden, müssen sie dennoch hier angegeben werden, da der Java-Interpreter eine Methode mit exakt der Signatur static void main (String[]) sucht und aufruft. Das Schlüsselwort static kennzeichnet die Methode als, d.h., sie kann ohne Objekt aufgerufen werden. Da wir die Konzepte der Objektorientierung erst in Kapitel 11 behandeln, werden wir zunächst alle Methoden als Klassenmethoden realisieren.
Ausgabe
Die main-Methode besteht nur aus einer Anweisung zur Ausgabe der Zeichenkette »Hello World!« auf den Bildschirm. Diese Anweisung ist der Aufruf der Methode println. Das vorangestellte System.out bezeichnet das Objekt, für das diese Methode aufgerufen wird – es handelt sich hier konkret um ein Objekt, das durch das Attribut out der Klasse System bezeichnet wird und die Ausgabe repräsentiert.
Kommentar
Ein Kommentar im Quelltext wird durch das Voranstellen der Zeichenfolge // gekennzeichnet. In diesem Fall erstreckt sich der Kommentar bis zum Zeilenende. Eine zweite Möglichkeit ist das Einschließen in /* Kommentar */. Hier kann sich der Kommentar auch über mehrere Zeilen erstrecken.
Übersetzung
Der Quelltext der obigen Klasse Hello wird in einer Datei Hello.java gesichert und mithilfe des Compilers übersetzt:
> javac Hello.java
Schließlich wird der erzeugte Bytecode mit dem Interpreter ausgeführt und dabei die Meldung »Hello World!« ausgegeben:
> java Hello
Hello World!
Zu beachten ist, dass nur der Name der auszuführenden Klasse als Parameter angegeben wird und nicht der vollständige Dateiname.
Java-Shell REPL
In der Version 9 wurde mit der JShell ein neues interaktives Werkzeug eingeführt. Hierbei handelt es sich um eine REPL (Read Eval Print Loop), d.h., Java-Deklarationen und -Anweisungen können eingegeben werden und werden sofort ausgeführt. Dies bietet sich gerade für erste Schritte oder einfache Versuche an, da nicht jeweils der Zyklus Editor → Compiler → Interpreter durchlaufen werden muss. Außerdem können auch einzelne Anwendungen direkt ausgeführt werden, ohne dass ein vollständiges Programm zu implementieren ist:
> jshell
| Welcome to JShell – Version 14.0.2
| For an introduction type: /help intro
jshell> System.out.println("Hello Shell!");
Hello Shell!
jshell>
Applet
Eine spezielle Form von Java-Programmen sind die Applets. Das sind kleine Module, die im Rahmen von Webseiten in einem Webbrowser ausgeführt werden. Daraus ergibt sich, dass diese Applets gemeinsam mit dem Dokument vom Webserver geladen werden – das Installieren von Programmen kann damit entfallen. Applets dienen vor allem zur Gestaltung aktiver Elemente in Webseiten. Sie ermöglichen es, Anwendungslogik im Form von Java-Code im Browser auszuführen. So lassen sich beispielsweise Spiele realisieren oder Daten aus anderen Quellen interaktiv präsentieren und manipulieren. Ähnliche Konzepte existieren inzwischen auch für die Ausführung von Java-Programmen auf Mobiltelefonen. Da Applets jedoch aus Sicht der Programmierung keine wesentlichen Unterschiede aufweisen und mit der Version 11 entfernt wurden, werden wir uns im Weiteren auf »normale« Java-Programme beschränken.
