Úvod do objektovo-orientovaného programovania v jazyku Java.

Ing. Stanislav Ondáš, PhD., Ing. Daniel Hládek PhD.

Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikácií

Objektovo orientované programovanie

V predmete sa zoznámime so záklanými princípmi objektovo orientovaného programovania a jazykom Java.

Vyučujúci

  • Ing. Stanislav Ondáš PhD. (prednášky, cvičenia)
  • Kontakt: stanislav.ondas@tuke.sk,
  • B.Nemcovej 32, 5.posch., č.d. 509

Hodnotenie

  • Cvičenia: max. 40 bodov - prevažne zo zadaní

  • Skúška: max 60 bodov - praktickou formou.

  • Na cvičeniach sa tolerujú maximálne 3 ospravedlnené neúčasti.

  • Na získanie zápočtu budete potrebovať: min. 21 bodov.

Obsah prednášky

  1. Úvod
  2. Krátke opakovanie jazyka C
  3. Porovnanie jazyka C a Javy
  4. Predstavenie Javy
  5. Príklad vytvorenia objektu

Stvorenie sveta (a priľahlých galaxií)

  • je možné stvoriť svet (vesmír) z ničoho? (len pomocou slov, jazyka?)
  • ako to súvisí s objektovo-orientovaným programovaním?
  • POĎME STVORIŤ (presnejšie STVÁRAŤ) SVET!
  • Problém! V čom napísať svet?
    • C, C++, Java, Python?

STVÁRANIE SVETA (Ako to urobil????)

struct PLANETA {
  int priemer;
  int vaha;
  int poloha[3];
  int rychlost_rotacie;
  float rychlost_pohybu;              

};

void TocSA(struct PLANETA* planeta){
    rychlost_pohybu = 29.8; // km/h                              
}

int main(){

  struct PLANETA zem;

  memset(&zem,0,sizeof(struct PLANETA));

  TocSa(&zem);

}

Problémy:

  • vyhradenie pamäte, inicializácia, uvoľňovanie pamäte
  • zložitosť kódu (čím komlexnejšie, tým väčší masaker)
  • znovupoužiteľnosť kódu?

class: center, middle

Programovací jazyk C

Príklad: Robot v jazyku C

Pre porovnanie uvediem príklad:

struct Robot {
  int bateria;
  int rychlost;
  int poloha[2];              
};

void dopredu(struct Robot* robot){
    poloha[0] += 1;                               
}

int main(){
  // Vyhradímne pamäť a určíme ako bude vyzerať
  struct Robot karel;
  // Aký je počiatočný stav robota? Musíme ho inicializovať
  memset(&karel,0,sizeof(struct Robot));
  // Čo ak používame zložitejšie členy štruktúry?
  // Na inicializáciu potom potrebujeme špeciálnu metódu
  dopredu(&karel);
  // Čo sa stane s pamäťou?
}

Robot v jazyku C

Jazyk C podporuje aj dynamickú alokáciu pamäte:

#include "robot.h"
#include <stdlib.h>

int main(){
    // Pracujeme so smerníkmi na pamäť
    struct Robot* karel;
    karel = malloc(sizeof(struct Robot));
    // Na inicializáciu potom potrebujeme špeciálnu metódu
    dopredu(karel);
    // Koľko chýb obsahuje môj program???
}

Typický program v jazyku C obsahuje definíciu pamäťových štruktúr (struct) a množinu operácií s pamäťou určitého typu.

Problémy ktoré často vznikajú v jazyku C

#include "robot.h"
#include <stdlib.h>

int main(){
    struct Robot* karel;
    karel = malloc(sizeof(struct Robot));
    // Pamäť musíme ručne inicializovať
    memset(karel,0,sizeof(struct Robot));
    dopredu(karel);
    // Pamäť musíme ručne uvoľniť
    free(karel);
    // v premennej karel je stále adresa pamäte, ktorá ale nie je platná. 
    // To si musíme pamätať.
}

Výhody jazyka C

  • Syntax je veľmi jednoduchá, dobre sa píše a pamätá

  • Program je veľmi rýchly - beh má minimálnu réžiu

  • Programátor má detailnú kontrolu nad situáciou

  • Program beží blízko k hardware a OS.

Oblasti využitia jazyka C

Z toho dôvodu sa jazyk C využíva hlavne na písanie operačných systémov, programovacích jazykov a nízkoúrovňových knižníc.

  • Keď je najdôležitejšia rýchlosť a efektivita.

  • Keď je potrebné rovnaký systém udržiavať dlhé roky

Aj Java je napísana v C (len jej časti).

Obmedzenia jazyka C

  • Veľké možnosti prinášajú veľkú zodpovednosť - manažment pamäte je náchylný na chyby (pri neomylnosti si môžeme dovoliť nejakú zodpovednosť)

  • Program je "ukecaný" - musíme explicitne napísať aj "samozrejmé" časti.

  • Jazyk C nepredpisuje žiadne "overené" postupy.

  • štandardná knižnica toho obsahuje málo, ostatné knižnice sú často ťažko prenositeľné

  • pre ladenie musíme využívať nástroje ako je valgrind a gdb

class: center, middle

Programovací jazyk Java

Princípy jazyka Java

Java je všeobecný jazyk (General Purpose):

  • nie je obmedzený na špecifickú oblasť (môžeme v nej napísať aj vesmír a svet ;).
  • nevnucuje špecifický štýl (ale uprednostňuje objektovo-orientovaný)

Java je objektovo orientovaný jazyk:

  • podporuje paradigmy Objektovo orientovaného programovania
    • dedičnosť, zapuzdrenie, polymorfizmus, znovupoužiteľnosť
  • dá sa v nej programovať aj štruktúrovane.

Java je platformovo nezávisla a prenostiteľná (na iný OS, do iného vesmíru):

  • kód nie je závislý na platforme (super, ktovie, aké platformy budú za miliony rokov ;)
  • abstrakcia platformovo závislých častí sa deje pomocou virtuálneho stroja (všetko virtuálne sa v nadprirodzenom svete zíde)
  • prenositeľnosť je väčšinou triválna

Java má za úlohu vyriešiť niektoré nedostatky jazyka C a C++.

Rozdiely Javy a jazyka C

Java je syntaxou veľmi podobná jazyku C

Rozdiely:

  • kľúčové slovíčka
  • proces kompilácie a spustenia
  • model práce s pamäťou
  • podpora objektovo orientovaného programovania

Je Java pomalšia ako C-C++ ?

  • Väčšionou na tom nezáleží (kto je strojcom času, vie si to prispôsobiť :) )
  • Prebieha preklad za behu
  • Zlá povesť

http://benchmarksgame.alioth.debian.org/

Krátka história Javy

Prvá verzia bola uvoľnená v roku 1995 v Sun Microsystem, aktuálna stabilná verzia Java 10 (Oracle). V roku 2006 Sun Javu uvoľnil ako open source.

Programovací jazyk sa pôvodne volal Oak , podľa dubu ktorý stál vedľa kancelárie Jamesa Gosslinga. Projekt neskôr premenovali na Green (Oak) a neskôr Java.

Java znamená káva pôvodom z Jávy.

  • https://www.tecmint.com/what-is-java-a-brief-history-about-java/
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Java_(programming_language)
  • http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/overview/javahistory-index-198355.html

Popularita jazyka Java

Java je momentálne jeden z najpopulárnejších jazykov.

Aby nebolo zložité sa naučiť Javu, Gossling využil syntax jazyka C. Jazyk navrhol tak, aby bol jednoduchší na používanie a podporoval objektovo orientovaný prístup. Java rieši niektoré nedostatky klasických prekladaných jazykov.

https://www.javatpoint.com/features-of-java

Podľa počtu profesionálov, kurzov a ponúk: https://www.tiobe.com/tiobe-index/

Podľa počtu vyhľadávaní tutoriálov: http://pypl.github.io/PYPL.html

Heslo Javy

Write Once, Run Everywhere

class: center, middle

Java - štartujeme

Čo budeme potrebovať

Kompilátor a vývojárska sada

JDK - Java Developent Kit

  • kompilátor javac
  • dokumentácia javadoc
  • debugger jdb

Zdrojový kód je najprv preložený do bajtkódu

Virtuálny stroj

JRE (Java Runtime Environment) - virtuálny stroj pre konečných používateľov. Bajtkód je vykonávaný na virtuálnom stroji.

  • štandardné knižnice
  • virtuálny stroj JVM Java Virtual Machine
  • JustInTime kompilátor

Integrované vývojové prestredie (IDE - Integrated Development Environment)

  • Na cvičeniach budeme používat IntelliJ Idea
  • Ale kódy je možné písať v vo ViM

https://www.javatpoint.com/simple-program-of-java

Čo je potrebné:

  1. Nainštalovať JDK
  2. Nastaviť premenné prostredia PATH a CLASSPATH
  3. Napísať program
  4. Preložiť a spustiť

Ahoj svet Java

class Main {
    // Metoda je nieco podobne ako funkcia
    public static void main(String args[]){  
        System.out.println("Hello Java");  
    }  
}
  • class označuje začiatok triedy. Kód v Jave je organizovaný v triedach. Trieda sa skladá z členských premenných a metód. Táto trieda má iba jednu metódu.
  • static : Zatiaľ jediná metóda triedy Main je deklarovaná ako statická. Statická metóda znamená, že sa správa ako funkcia v jazyku C (nemá prístup k členským premenným, pre vyvolanie nepotrebujeme vytvoriť objekt)
  • public: Metódy v jazyku Java majú definovanú viditeľnosť. Public znamená, že viditeľnosť nie je obmedzená.
  • void: návratový typ metódy- main: dohodnutý názov hlavnej metódy
  • String[] args sú argumenty metódy main, typu pole reťazcov.
  • System.out.println(): Príkaz pre výpis reťazca na obrazovku. Využívame volania iných statických metód.

Proces prekladu a spustenia

https://www.javatpoint.com/internal-details-of-hello-java-program

Preklad:

  1. Zdrojový kód sa prekladá pomocu prekladača. Prekladom zdrojového textu vznikne class súbor. Každá jedna trieda má svoj class súbor. Class súbor obsahuje tzv. bytecode (bajtkód). Java neobsahuje linker ani preprocesor.
  2. Program je spustený pomocou virtuálneho stroja, ktorý rozumie bytecodu. Pri spustení sa vyhľadajú všetky potrebné class súbory. CLASSPATH je dôležitá premenná prostredia - obsahuje zoznam miest, kede všade sa hľadá bytecode.
  3. Keď je bytecode nájdený, môže byť overený a spustený. Preklad do strojového kódu niekedy prebieha za behu (Java HotSpot).

Stvorenie triedy PLANÉTA v Jave

class Planeta {
  private int priemer = 100000; // das teľo
  private int vaha = 56404343;  //kus tlusta
  private double poloha[] = {5346435,757438439, 43422242}; 
  private float rychlost_rotacie= 0; // zatym še nekruci
  private float rychlost_pohybu =0; // zatym še nehybe     

  // Metóda má prístup k členským premenným a vie ich meniť

  public void TocSa(){
        rychlost_rotacie = 29,4; // a uš še kruci                                 
  }
};

Jazyk Java nás núti, aby sme vždy definovali počiatočnú hodnotu. Program sa nepreloží, ak by sme to neurobili. To eliminuje veľkú skupinu problémov s inicializáciou.

Jak vznikla naša žem...

class Main{  
    public static void main(String args[]){

        // Lokálna premenná maticka_zem obsahuje referenciu na novo vytvorený objekt
        // maticka_zem je inštancia triedy PLANETA = z teho vyplyva, že žem je planeta.

        Planeta maticka_zem = new Planeta();
        // Zavoláme metódu objektu
        maticka_zem.TocSa();
    }  
}

ci pana.. a Galileo može spokojne povedzedz: "A predsa še točí".

Uvoľnenie pamäte prebehne automaticky. Java nepozná smerníky, ale referencie na pamäť.

Vtip: Bratislavčan sa pýta: "Prečo vy vychodniari všade dávate to "dz"? Vychodňar: "dze všadzi?"

Smerník

  • číselná hodnota adresy pamäťovej bunky
  • je možné vykonávať operácie smerníkovej aritmetiky
    • pripočítavať a odpočítavať

Referencia

  • Ukazuje vždy na vyhradenú pamäť (nemôže ukazovať na nevyhradenú pamäť)
  • Vždy má nejaký typ
  • Nie sú možné operácie smerníkovej aritmetiky
  • Pamäť, na ktorú neukazujú žiadne referencie je automaticky uvoľnená s pomocu Garbage Collectora
  • Memory leak je možný, ak na nepotrebnú pamäť existuje referencia

Konštruktor

Na inicializáciu objektu si môžeme definovať špeciálnu funkciu (je to priam užitočné). V nej priradíme počiatočné hodnoty všetkým členským premenným.

class Planeta {
  private int priemer = 0; // nula
  private int vaha = 0;  // nula
  private double poloha[] = {0,0,0}; 
  private float rychlost_rotacie= 0; // zatym še nekruci
  private float rychlost_pohybu =0; // zatym še nehybe     

  // pozor!!!! Ide KONSTRUKTOR
  public Planeta(){
    priemer = 3500000;
    vaha = 55555555222;
    poloha = {36353443,3423424,768788878};
  }

};

class: center, middle

Skoro koniec

Čo sme sa naučili

  • Ako stvoriť svet (wau) ...

  • Porovnali sme Javu s jazykom C

  • Predstavili sme si základné princípy Javy

  • Naučili sme sa z čoho sa skladá trieda:

    • členské premenné
    • členské metódy

  • Zistili sme, ako sa vytvára objekt

    • pomocou operátora new

  • Java vám pomáha odhaliť chyby pri práci s pamäťou

Čo bude nabudúce

  • BUDEME STVÁRAŤ ĎALEEEEEEJ (možno aj človeka) ;)

  • Štruktúrované programovanie v Jave

  • Základy objektovo orientovaného programovania

  • Zobrazenie vzťahov medzi triedami

Študijné materiály

  • http://it4kt.cnl.sk/c/oop/
  • Introduction to Programming Using Java, Seventh Edition
  • ECKEL, B.: Thinking in Java. 4th Edition, Prentice Hall, 2006
  • GAMMA, E. – HELEM, R. – JOHNSON, R. – VLISSIDES, J. M.: Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley Professional, 1994

https://www.javatpoint.com/ https://go.java/student-resources/index.html

Domáca úloha

Nainštalujte si Javu 10, IDE IntelliJ Idea a naprogramujte si Ahoj Svet

class: center, middle

Koniec

http://nlp.web.tuke.sk/oop

ELEM, R. – JOHNSON, R. – VLISSIDES, J. M.: Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley Professional, 1994

https://www.javatpoint.com/ https://go.java/student-resources/index.html

Domáca úloha

Nainštalujte si Javu 10, IDE IntelliJ Idea a naprogramujte si Ahoj Svet

class: center, middle

Koniec

http://nlp.web.tuke.sk/oop

Reload?