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Java (Programmiersprache)

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Java ist eine objektorientierte, plattformunabhängige Programmiersprache.

Die Urversion von Java, auch Oak genannt, wurde in einem Zeitraum von 18 Monaten vom Frühjahr 1991 bis Sommer 1992 unter dem Projektnamen "The Green Project" von Patrick Naughton, Mike Sheridan und James Gosling sowie zehn weiteren Entwicklern im Auftrage des amerikanischen Computerherstellers Sun Microsystems entwickelt. Einer der Urväter und Hauptentwickler der Sprache war dabei James Gosling.

Das ursprüngliche Ziel bei der Entwicklung von Java war aber nicht die Entwicklung einer weiteren Programmiersprache, sondern die Entwicklung einer geräteunabhängigen Entwicklungs-Plattform für Geräte aus dem Unterhaltungsbereich, allen voran digitalen Settop-Boxen für den Empfang von interaktiven Mehrwertdiensten mittels Kabelfernsehen.

Die Entwicklung fand in einem anonymen Bürogebäude in der Sand Hill Road in Menlo Park statt. Während dieser abgeschiedenen Entwicklungsphase kam es zu keinem Austausch mit Sun Microsystems. Im Sommer 1992 schließlich war die erste Oak-basierte Anwendung fertiggestellt - "an interactive, handheld home-entertainment device controller with an animated touchscreen user interface". Diese Technologiedemonstration einer Touchscreen-basierten Gerätesteuerung mit animierter Benutzeroberfläche (GUI) hatte den Namen *7 ("StarSeven"). Der Name Oak hat den Ursprung übrigens in einer Eiche, die vor dem Fenster des Entwicklers James Gosling stand (Oak, engl. für Eiche).

Nach der Vorführung von StarSeven, mit dem zahlreiche Geräte interaktiv gesteuert werden konnten, wurden Unternehmen aus der Kabelfernseh-Branche aufmerksam und aus dem Hinterzimmer-Projekt "The Green Project" entstand die Firma "FirstPerson". Aus dem Büro wurde ein Bürohaus in der 100 Hamilton Avenue in Palo Alto.

Da die Belegschaft inzwischen von 13 Entwicklern auf 70 Mitarbeiter wuchs und die Zeit für interaktive digitale Mehrwertdienste im Bereich des Kabelfernsehens noch nicht reif war, suchte sich die junge Firma neue Betätigungsfelder. Nach einem dreitägigen Gruppentreffen von John Gage, James Gosling, Bill Joy, Patrick Naughton, Wayne Rosing und Eric Schmidt in "The Inn at Squaw Creek" bei Lake Tahoe war schnell klar - das Internet war das neue Betätigungsfeld.

Auf Basis des Urvaters aller Webbrowser, Mosaic, wurde ein um Java erweiterter Browser geschaffen - der "WebRunner" (nach dem Film "The Blade Runner"). Später wurde aus "WebRunner" dann der offiziell bekannte HotJava-Browser.

Im März 1995 wurde die erste Alphaversion (1.0a2) des Java-Quellcodes für die Öffentlichkeit freigegeben und die Downloadzahlen explodierten. Wenig später, am 23. Mai 1995, wurde Java dann erstmals offiziell der Öffentlichkeit vorgestellt, in der "San Jose Mercury News".

Der Durchbruch für Java kam mit der Integration von Java in den Browser Netscape - besiegelt durch einen Handschlag zwischen Eric Schmidt und George Paolini von Sun Microsystems und Marc Andreessen, dem Erfinder und Begründer von Netscape. Ort und Zeit: 4 Uhr morgens in einem Hotelzimmer des Sheraton Palace Hotels in der Nähe des Convention Centers. Der Name Java hat seinen Ursprung übrigens im Namen einer starken Kaffee-Sorte, die speziell für Espressos Verwendung findet (Java-Bohne) und von den Entwicklern bevorzugt getrunken wurde.

Grundkonzepte der Sprache

Der Entwurf der Sprache verfolgte vier Hauptziele:

  1. Objektorientierung
  2. Plattformunabhängigkeit (d.h. Unabhängigkeit vom Betriebssystem und von Hardware)
  3. Vernetzbarkeit
  4. Sichere Ausführung auf entfernten Computern

Objektorientierung

Die Sprache Java ist objektorientiert aufgebaut. Die Grundidee der objektorientierten Programmierung ist die softwaretechnische Abbildung in einer Art und Weise, wie wir Menschen auch Dinge der realen Welt erfahren. Die Absicht dahinter ist, große Softwareprojekte einfacher managen zu können, und sowohl die Qualität von Software zu erhöhen als auch Fehler zu minimieren. Ein weiteres Ziel der Objektorientierung ist ein hoher Grad der Wiederverwendung von Softwaremodulen.

Bemerkenswert ist auch die explizite Unterscheidung von Schnittstellen und Klassen. Eine Klasse kann beliebig viele Schnittstellen implementieren, ist aber stets die Spezialisierung genau einer Basisklasse.

Plattformunabhängigkeit

Java ist plattformunabhängig, d. h. Java-Programme laufen unabhängig vom Betriebssystem und der eingesetzten Hardware. Java-Programme laufen nicht nur auf einem PC, einer Workstation oder einem Server, sondern auch auf Organizern und Handies. Dies wird dadurch erreicht, dass es sich bei einem kompilierten Java-Programm nicht um direkt ausführbaren Maschinencode handelt, sondern um maschinenunabhängigen Bytecode. Zum Ausführen von Java-Programmen wird eine Laufzeitumgebung (runtime environment) auf Softwarebasis benötigt, die so genannte Java VM (Java Virtual Machine). Es gibt mittlerweile aber auch Hardware-Lösungen, also Prozessoren, deren Maschinensprache selbst der Java-Bytecode ist oder Betriebssysteme, in denen Java integraler Bestandteil ist (z. B. MacOS X).

Modulare Ausführung auf entfernten Computern

Java bietet die Möglichkeit, Klassen zu schreiben, die in unbekannten Containern ablaufen. Beispielsweise lassen sich Applets in Web-Browsern, die Java unterstützen, ausführen. Das Sicherheitskonzept von Java kann dazu eingesetzt werden, dass unbekannte Klassen dabei keinen Schaden anrichten können, was vor allem bei Applets wichtig ist. Beispiele für Java Container-Module sind:

Merkmale der Sprache

Wichtigstes Merkmal von Java ist sein Sicherheitskonzept, das aus 3 Schichten besteht:

  • dem Code Verifier, der sicherstellt, dass die VM keinen ungültigen Bytecode ausführen kann.
  • den Class Loadern, die die sichere Zuführung von Klasseninformationen zum Interpreter steuern
  • den Security Managern, die sicher stellen, dass nur Zugriff auf Programmobjekte erlaubt wird, für die entsprechende Rechte vorhanden sind.

Um die Sicherheit des Speichers sicher zu stellen, sind Zeiger in Java nicht implementiert. Statt dessen ist Objektzugriff über eine Referenz implementiert.

Um große Projekte strukturieren zu können und saubere Schnittstellen zu Bibliotheken zu schaffen, können die Klassen zu Paketen (englisch packages) zusammengefasst werden. Die Zugriffe auf Klassen und Methoden eines fremden Packages können - ähnlich wie innerhalb einer Klasse durch private und public - geregelt werden.

Weiter unterstützt die Sprache Threads (gleichzeitig ablaufende Programmteile) und Ausnahmen (englisch exception)

Zu Java gehört eine umfangreiche Klassenbibliothek. Dem Programmierer wird damit eine einheitliche, vom zugrunde liegenden Betriebssystem unabhängige, Schnittstelle (Application programming interface, API) angeboten.

Mit Java 1.1 wurden die Java Foundation Classes (JFC) eingeführt, die u. a. Swing, das zur Erzeugung plattformunabhängiger graphischer Benutzerschnittstellen (GUI) dient und auf AWT basiert, bereitstellen.

Syntax

Ein Beispielprogramm, das eine Meldung auf der Konsole ausdruckt:

/**
 * Kommentar
 */
public class HelloWorld {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hallo Welt!");
    }

}

Grunddatentypen

Grunddatentypen, die auch als 'primitive' oder 'elementare' Datentypen bezeichnet werden, sind in Java die einzigen Datenstrukturen, die keine Objekte sind. Sie sind ebenfalls plattformunabhängig (sie werden stets im Big Endian-Format gespeichert, wenn sie größer als 8 Bit sind):

Datentyp Größe Wrapper-Klasse Wertebereich Beschreibung
boolean 1 bit java.lang.Boolean true oder false Boolescher Wahrheitswert
byte 8 bit java.lang.Byte -128 bis 127 Zweierkomplement mit Vorzeichen
char 16 bit java.lang.Character 0 bis 65.535 (z. B. 'A') Unicode-Zeichen ohne Vorzeichen
double 64 bit java.lang.Double +/-4,9E-324 bis +/-1,7E+308 Gleitkommazahl (IEEE 754)
float 32 bit java.lang.Float +/-1,4E-45 bis +/-3,4E+38 Gleitkommazahl (IEEE 754)
int 32 bit java.lang.Integer -2.147.483.648 bis 2.157.583.647 Zweierkomplement mit Vorzeichen
long 64 bit java.lang.Long -9.223.372.036.854.775.808 bis
9.223.372.036.854.775.807 		Zweierkomplement mit Vorzeichen
short 16 bit java.lang.Short -32.768 bis 32.767 Zweierkomplement mit Vorzeichen

Liste der reservierten Worte

abstract assert boolean break byte case catch char class const continue default do double else extends false final finally float for goto if implements import instanceof int interface long native new null package private protected public return short static strictfp super switch synchronized this throw throws transient true try void volatile while

Funktion der reservierten Worte

const und goto sind zwar reserviert, aber ohne Funktion, also keine Schlüsselwörter im eigentlichen Sinn. Sie dienen lediglich dem Compiler zur Ausgabe sinnvoller Fehlermeldungen für Umsteiger von C / C++.

true, false und null sind Literale, jedoch ebenfalls eigentlich keine Schlüsselwörter im engeren Sinn.

Mit assert werden Assertions realisiert.

private, protected und public sind Zugriffsmodifizierer (access modifier):

Die Klasse selbst,
innere Klassen 		Klassen im
selben Package 		Unterklassen Sonstige
Klassen
private Ja Nein Nein Nein
default Ja Ja Nein Nein
protected Ja Ja Ja Nein
public Ja Ja Ja Ja

abstract, final, static sind Polymorphie-Modifizierer. static kann vor allen Membern außer Konstruktoren stehen und bedeutet, dass der betreffende Member im Kontext der Klasse verwendbar ist und kein Objekt benötigt. abstract kann vor Klassen und Methoden stehen und bedeutet, dass dem betreffenden Member Implementierung fehlt. Subklassen sind gezwungen, sich selbst als abstrakt zu deklarieren oder die fehlende Implementierung zu liefern. final kann vor allen Membern außer Konstruktoren stehen und bedeutet, dass der betreffende Member nicht mehr verändert werden darf. Finale Variablen sind ähnlich wie Konstanten, finale Methoden dürfen von Subklassen nicht überschrieben werden und von finalen Klassen darf man erst garkeine Subklassen bilden.

native kann nur vor Methoden stehen und bedeutet, dass die Implementierung der betreffenden Methode nicht in Java, sondern einer anderen Programmiersprache geschrieben wurde und von der Virtuellen Maschine über eine Laufzeitbibliothek (DLL oder SO) gelinkt werden muss.

strictfp kennzeichnet Klassen und Methoden, deren enthaltene Fließkommaoperationen streng nach IEEE ablaufen müssen.

package deklariert die Paket-Zugehörigkeit der nicht-geschachtelten Top-Level-Klassen einer Quelltextdatei.

import importiert Symbole (derzeit nur Klassen, ab 1.5 auch statische Member).

boolean, char, byte, short, int, long, float, double und void sind Typen. void ist der Nichtstyp, notwendig, um Methoden ohne Rückgabewerte zu kennzeichnen. Für die primitiven Typen: siehe oben.

try, catch, finally, throw, throws beziehen sich auf die Ausnahmebehandlung (englisch exception handling). Mit throw wird eine Ausnahme ausgelöst. Alle eventuell ausgelösten Ausnahmen einer Methode, die nicht von RuntimeException oder Error abstammen, müssen mit throws in der Deklaration der Methode (Signatur) angegeben werden. Mit try umschließt man einen Block, in dem eventuell eine Ausnahme auftreten könnte. Mit catch fängt man nach einem try-Block die dort aufgetretene Ausnahme ab, mit finally hängt man an einen try oder catch-Block einen Block für Aufräumarbeiten an (z. B. Schließen von Dateien).

class und interface dienen zur Deklaration eigener Typen: Klassen und Interfaces.

extends und implements dienen der Vererbung: extends der genetischen Erweiterungsvererbung von Klasse zu Klasse oder Interface zu Interface und implements der Implementierungsvererbung von Interface zu Klasse.

super und this beziehen sich im Objekt-Kontext auf das aktuelle Objekt in seinem tatsächlichen Morph (this) bzw. im Morph der Superklasse (super). this wird verwendet, um in Konstruktoren überladene Konstruktoren aufzurufen, um bei Membernamenskonflikten explizit auf die von weiter innen liegenden Membern verdeckten Member zu verweisen. super wird in Konstruktoren zum Aufruf des Superklassenkonstruktors und in überschreibenden Methoden zum Aufruf der überschriebenen Methode verwendet.

new reserviert für neue Objekte (inkl. Arrays) neuen Speicher auf dem Heap.

if, else, switch, case, default, while, do, for, break, continue sind für die imperative Syntax, dienen also der Bedingungsprüfung und Schleifensteuerung.

return liefert Werte an eine Methode zurück.

volatile ist ein Modifizierer für nicht-lokale Variablen und verbietet dem JIT-Compiler Registeroptimierungen auf diese Variable, weil mehrere Threads sie gleichzeitig verwenden könnten.

synchronized verwendet ein Objekt als Semaphor mit Lock-Pool und sorgt so dafür, dass an jeglicher mit synchronized an denselben Semaphor gebundener Code nur ein einziges Mal gleichzeitig ausgeführt werden kann. Alle anderen Threads, die solche Code-Blöck ausführen möchten, werden solange blockiert, bis der Semaphor wieder frei ist.

transient kennzeichnet nicht-persistente Variablen, die bei der Serialisierung nicht automatisch serialisiert werden dürfen.

instanceof ist ein Java-Operator, der prüft, ob ein Objekt Instanz eines Typs ist.

Abgrenzung zu anderen Sprachen

JavaScript

Java ist nicht mit der Programmiersprache JavaScript zu verwechseln, die ebenfalls in Web-Browsern verwendet wird. Sie hat eine ähnliche Syntax, kennt aber keine Vererbung. Objekte werden in JavaScript prototypenbasiert definiert. JavaScript ist, wie der Name sagt, eine reine Skriptsprache. Es existieren Implementationen vor allem in Web-Browsern, aber auch alleinstehende Ausführungsumgebungen sind vorhanden

C++

Im Gegensatz zu C++ fanden komplexe Konstrukte, wie Mehrfachvererbung oder die fehleranfällige Zeigerarithmetik keinen Einzug. Auch um die Speicherverwaltung braucht man sich als Java-Entwickler in der Regel keine Gedanken zu machen, dies erledigt der so genannte Garbage Collector.

C#

C# (gesprochen: si sharp oder auch cis) kann als Kampfansage von Microsoft an Sun Microsystems Java gesehen werden. Mit der Spezifikation von C#, im Rahmen seiner .NET (gesprochen: "dot-net") Strategie, hat Microsoft versucht, den Spagat zu schaffen zwischen dem kompletten Neuanfang einer Sprache und der leichten Integration bisher bestehender Komponenten.

Die Syntax von C# entspricht in großen Teilen der Syntax von Java, konzeptuelle Unterschiede bestehen insbesondere in der Unterstützung von "delegates", ein Konzept, welches am ehesten mit Funktionszeigern vergleichbar ist (so genannte callbacks), hierbei kommt ein Observer-Pattern zum Einsatz - Objekte können sich für Ereignisse registrieren bzw. diese delegieren. C# kennt ebenso wie Java eine Unterscheidung zwischen Werttypen (value types) und Objekten (reference types), allerdings sind auch die elementaren Datentypen objektbasiert. Des weiteren unterstützt C# so genannte attributes, die es erlauben, die Funktionalität der Sprache über Metadaten im Code zu erweitern (eine ähnliche Funktionalität ist für Java 1.5 geplant). Um an C# möglichst viele Programmierer zu binden, enthält die Sprache auch Bestandteile der Sprachen VisualBasic (z. B. Eigenschaften bzw. properties) sowie C++ (z. B. structs, enums).

Um auch systemnahe Programmierung zu ermöglichen, besteht in .NET die Möglichkeit, auch so genannten unsicheren unmanaged code zu verwenden. Somit können API-Aufrufe des Systems ausgeführt werden, aber der Programmierer ist für die Ressourcenverwaltung verantwortlich. Außerdem wird hierdurch die theoretische Plattformunabhängigkeit eingeschränkt bzw. unmöglich. Bislang werden außer Microsoft eigenen Betriebssystemen (ab Windows NT 4 SP 6) von Microsoft offiziell keine weiteren Betriebssysteme unterstützt. Die Projekte Mono (von Ximian-Technik-Guru Miguel de Icaza) und DotGNU versuchen seit längerem weitere Plattformen zu erreichen, wobei mono ( http://www.go-mono.com ) mittlerweile in den wichtigsten Teilbereichen eine Unterstützung bietet (z. B. ASP.NET und die BCL).

Die nächsten Versionen der Sprache Java

Änderungen an der Spezifikation von Java werden durch den Java Community Process (JCP) geregelt. Für vorgeschlagene Änderungen wird ein Java Specification Request (JSR) erstellt, der verschiedene Phasen durchläuft, bevor die Änderungen in Java Einzug halten. (Homepage des Java Community Process)

Java 1.5 soll im Sommer 2004 erscheinen, seit Februar 2004 ist jedoch das Java SDK 1.5 Beta 1 bereits erhältlich. Es wird über folgende Neuerungen in der Sprache Java verfügen:

Das für Java 1.5 geplante JSR 203 wurde auf Java 1.6 verschoben.

Außerdem kann davon ausgegangen werden, dass sich Java im Laufe der Zeit zu einer aspektorientierten Programmiersprache wandeln wird.

Versionen

  • JDK 1.0, 1996
  • JDK 1.1, 1997 - erweiterte die Sprachsyntax um das Konzept der inneren Klassen und erweiterte die Standardbibliothek um
    • die Oberflächen-Bibliothek Swing
    • Klassen für die Internationalisierung (so genannte "Ressourcenbündel")
    • Java-Komponenten, die Java-Beans
    • das Dateiformat JAR für die Paketierung ganzer Bibliotheken oder Anwendungen als Java-Archive
    • Klassen für numerisches Rechnen (BigInteger und BigDecimal)
    • ein Protokoll für verteilte Programme, die Remote Method Invocation (RMI)
    • Objektserialisierung für die persistente (d.h. dauerhafte) Speicherung von Objekten, z.B. in Dateien
    • JDBC für den Zugriff auf relationale Datenbanken
  • J2SDK SE 1.2, 1998 (ab diesem Zeitpunkt spricht man von der Java 2 Plattform und vom Java 2 Platform Software Development Kit Standard Edition)
  • J2SDK SE 1.3, 2000
  • J2SDK SE 1.4, 2002
  • J2SDK SE 1.5, 2004 (erweitert auch die Sprache an sich in größerem Umfang um neue syntaktische Konstrukte)

Siehe auch: Servlet, Java Web Start, Java Server Pages, J2EE, J2ME, JavaDoc

Entwicklungsumgebungen

Es gibt eine große Vielfalt von Entwicklungsumgebungen für Java, sowohl kommerzielle als auch freie (Open Source). Die meisten Entwicklungsumgebungen für Java sind selbst ebenfalls in Java geschrieben.

Die bekanntesten Open-Source-Umgebungen sind Eclipse, JEdit und Netbeans.

Unter den kommerziellen Entwicklungsumgebungen sind das auf Netbeans basierende Sun ONE Studio von Sun, IntelliJ IDEA von NetBrains und JBuilder von Borland am verbreitetsten, sowie die Freeware JCreator. Außerdem gibt es noch eine, um einige hundert Plugins, erweiterte Version von Eclipse mit dem Namen Wepshere Application Developer

Literatur

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