Java - Der umfassende Programmierkurs - Dirk Louis - ebook

Java - Der umfassende Programmierkurs ebook

Dirk Louis

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Opis

Verständlich, anschaulich, detailliert und nützlich - mit diesem Anspruch tritt das erfolgreiche Autorenteam Louis/Müller an, Einsteigern Java umfassend zu vermitteln. Die Autoren wissen, was Programmiereinsteiger wirklich brauchen: gut nachvollziehbare Erklärungen, ausführbare Codebeispiele, viele Übungen mit Lösungen, interessante Workshops und den Praxisbezug. Mit diesem Programmierkurs vermitteln sie Ihnen Schritt für Schritt die grundlegenden Prinzipien der objektorientierten Programmierung. Darüber hinaus beschreibt das Buch aber auch alle wichtigen Aspekte und Möglichkeiten der Sprache Java und der Java-Klassenbibliothek. Der ideale Java-Grundkurs: Als Einsteiger in die Java-Programmierung werden Sie neben den umfassenden und klar verständlichen Ausführungen vor allem die vielen Hintergrundinformationen, die Einblicke in Alltag und Methodik des Programmierens und die Einführungen in die speziellen Programmiergebiete schätzen. Einstieg auch für Programmieranfänger: Wenn Sie noch über keinerlei Programmierkenntnisse verfügen, hilft Ihnen eine Schnelleinführung, die wichtigsten Programmierkonzepte kennenzulernen. Übungen und Workshops: Übungsaufgaben mit Lösungen bieten Ihnen die Möglichkeit, das Gelernte sofort praktisch einzuüben. In den Workshops können Sie dann etwas größere Projekte angehen wie ein Mastermind-Spiel oder ein Millionen-Quiz. Zuverlässiges Nachschlagewerk: Haben Sie mithilfe des Buchs solide Java-Kenntnisse erworben, eignet es sich auch als umfassende Referenz für die tägliche Arbeit. Behandelt werden grundlegende Sprachelemente, objektorientierte Programmierung, weiterführende Konzepte wie Vererbung, Polymorphie, Schnittstellen, Exceptions, die wichtigsten Utility-Klassen der Java-Bibliothek, funktionale Programmierung mittels Lambda-Ausdrücken, GUI-, Datenbank- und Thread-Programmierung u.v.m. Bonusteil zur Android-App-Entwicklung

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Java – Der umfassende Programmierkurs

Dirk Louis & Peter Müller

O’REILLY®

Beijing • Cambridge • Farnham • Köln • Sebastopol • Taipei • Tokyo

Die Informationen in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Autoren und Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für eventuell verbliebene Fehler und deren Folgen.

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Balthasarstr. 81

50670 Köln

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Copyright:

© 2014 by O’Reilly Verlag GmbH & Co. KG

Die Darstellung eines Tigers im Zusammenhang mit dem

Thema Java ist ein Warenzeichen von O’Reilly Media, Inc.

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der

Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten

sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Lektorat: Alexandra Follenius, Köln

Korrektorat: Sibylle Feldmann, Düsseldorf

Satz: Tung Huynh, Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld; www.reemers.de

Umschlaggestaltung: Michael Oreal, Köln

Produktion: Andrea Miß, Köln

Belichtung, Druck und buchbinderische Verarbeitung:

Druckerei Kösel, Krugzell; www.koeselbuch.de

ISBN 978-3-95561-540-6

Dieses Buch ist auf 100% chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt.

Inhalt

Einleitung

Teil I: Einstieg

1     Java war früher eine Eiche

2     Einführung für Programmieranfänger

Die Ansprüche sind gestiegen

Vom Maschinencode zu den höheren Programmiersprachen

Die strukturierte Programmierung

Die objektorientierte Programmierung

Noch Fragen?

3     Das erste Programm

Programmerstellung in Java

Installation des JDK

Welche Art Programm darf es sein?

Konsolenanwendungen

Klassen, Pakete und die Standardbibliothek

4     Java-Stilkonventionen

5     Workshop: Programmierwerkzeuge

Lernen Sie Ihre Programmierwerkzeuge kennen

Teil II: Java-Grundlagen

6     Variablen

Definition

Verwendung

Gültigkeitsbereiche

Literale und Konstanten

Ein- und Ausgabe

Übungen

7     Datentypen

Die elementaren Datentypen

Die komplexen Datentypen

Die Klasse String

Typumwandlung

Wrapper-Klassen

Übungen

8     Operatoren und Ausdrücke

Allgemeines

Operationen auf allen Datentypen

Operationen auf numerischen Datentypen

Operationen auf booleschen Typen

Operationen auf Strings

Operationen auf Referenztypen

Sonstige Operatoren

Reihenfolge der Ausdrucksauswertung

Nebeneffekte

Übungen

9     Kontrollstrukturen

Entscheidungen und Bedingungen

Verzweigungen

Schleifen

Sprunganweisungen

Fallstricke

Übungen

10   Workshop: Mastermind

Eine Mastermind-Adaption

Teil III: Objektorientierte Programmierung

11   Klassen und Objekte

Die Klassendefinition

Felder

Methoden

Der Konstruktor

Zugriffsspezifizierer

Klassendesign

Übungen

12   Arrays und Aufzählungen (enum)

Definition und Erzeugung

Auf Array-Elemente zugreifen

Programmieren mit Arrays

Mehrdimensionale Arrays

Aufzählungen (enum)

Übungen

13   Pakete, Gültigkeitsbereiche und andere Fragen

Pakete

Gültigkeitsbereiche und Lebensdauer

Blöcke, lokale Variablen und »Definitive Assignment«

Innere Klassen

Repräsentation von Daten

Speicherbereiche

Übungen

14   Workshop: Mastermind-Verbesserung

Codeverbesserung durch Reorganisation

Teil IV: Fortgeschrittene objektorientierte Programmierung

15   Vererbung und Komposition

Das Prinzip der Vererbung

Wie greift man auf geerbte Elemente zu?

Wie initialisiert man geerbte Elemente?

Verdecken, überschreiben und überladen

Vererbung und objektorientiertes Design

Übungen

16   Polymorphie und generische Programmierung

Polymorphe Variablen

Polymorphe Methoden

Generische Programmierung

Java Generics

Übungen

17   Abstrakte Klassen und Schnittstellen (Interfaces)

Abstrakte Klassen

Schnittstellen

Übungen

18   Fehlerbehandlung mit Exceptions

Möglichkeiten der Fehlerbehandlung

Exceptions abfangen

Exceptions weiterleiten

Exceptions werfen

Eigene Exceptions definieren

Programmfluss und Exception-Behandlung

Übungen

19   Programmieren mit Objekten

Objekte auf Konsole ausgeben

Objekte kopieren

Objekte vergleichen

Objekte befragen mit Reflection

Übungen

20   Workshop: Überarbeitung einer Klassenhierarchie

Die Vorgabe

1. Schritt – Umwandlung in eine Klassenhierarchie

2. Schritt – Absicherung gegen falschen Gebrauch

Teil V: Weiterführende und ergänzende Techniken

21   Strings

Was ist ein String?

String-Literale

Strings sind unveränderlich

Pooling

Zeichensätze und Kodierungen

Die Klassen StringBuilder und StringBuffer

Die Klasse StringTokenizer

String-Vergleiche mit regulären Ausdrücken

22   Zeit, Datum und System

Datum und Zeit

Runtime und Process

System

Zeitgeber

23   Container (Collections)

Programmieren mit Containern

Listen (List)

Mengen (Set)

Warteschlangen (Queue)

Wörterbücher (Map)

Iteratoren und for-Schleife

Suchen und Sortieren

24   Ein- und Ausgabe II

Dateien und Verzeichnisse

Altlasten: Dateien und Verzeichnisse bis Java 6

Ein- und Ausgabestreams

Formatieren und Scannen

Verbesserte Konsolenunterstützung

25   Lambda-Ausdrücke

Funktionale Schnittstellen und Lambda-Ausdrücke

Das Paket java.util.function

Variablenzugriff im Lambda-Ausdruck

Methodenreferenzen

Default-Methoden

Collections-Erweiterungen

Massendatenverarbeitung: Streams

26   Annotationen

Vordefinierte Annotationen

Selbst definierte Annotationen

27   Workshop: Kellerautomat

Klammerung und Kellerautomat

Die Datenstruktur

Die Verarbeitungslogik

Teil VI: GUI-Programmierung

28   Grafische Benutzeroberflächen – erster Einstieg

Die Grundpfeiler: AWT und JFC/Swing

Ein Grundgerüst für Benutzeroberflächen mit Swing

29   Benutzeroberflächen

Model-View-Controller

Das Hauptfenster (JFrame)

Komponenten anordnen: Layout-Manager

Ereignisse behandeln

Austauschbares Erscheinungsbild (Look & Feel)

Swing-Beispielprogramm

30   Komponenten (Steuerelemente)

Component und JComponent

Beschriftungsfelder – JLabel

Schaltflächen, Kontrollkästchen und Optionsfelder

Listenfelder – JList

Kombinationsfelder (JComboBox)

Fortschrittsanzeige – JProgressBar

JScrollPane

Baum- und Tabellendarstellung

31   Menüs

Erstellen von Menüs

Tastaturkürzel

Symbolleisten

Die Zwischenablage

32   Dialogfenster

Standarddialoge

Eigene Dialoge mit JDialog

Modale und nicht modale Dialoge

33   Grafik

Grafikgrundlagen

Praxis der Grafikprogrammierung

Bilder und Bilddateien

34   Textverarbeitung

Grundlagen

Einzeilige Textfelder

Texteditierung mit JTextArea

35   Drucken und Drag & Drop

Drucken

Drag & Drop

36   Sound

Die Java-Sound-API

37   Workshop: Java-Millionenquiz

Aufbau und Erstellung

Das Programm (Millionenspiel.java)

Das Hauptfenster (Hauptfenster.java)

Die Spielsteuerung (Spiellogik.java)

Teil VII: Spezielle Programmiergebiete und Methodik

38   Datenbankzugriffe mit JDBC

Datenbankgrundlagen

MySQL-Datenbank anlegen

Datenbankverbindung aufbauen

SQL-Abfragen durchführen

Java-DB

39   Thread-Programmierung

Einführung

Threads

Synchronisierung

Threads und Swing

Threads und Collections

40   HTTP-Verbindungen (WWW)

Uniform Resource Locator (URL)

URL mit Sonderzeichen: x-www-form-urlencoded

41   Praxis des Programmierens

Der Softwareentwicklungszyklus

Fallbeispiel – Temperaturregelung

Iterative und rekursive Algorithmen

Entwurfsmuster (Design Patterns)

Automatisierte Tests

Logging

Teil VIII: Bonus-Teil – Android-Programmierung

42   Einführung in die App-Erstellung

Die Dalvik-Maschine und die Android-Architektur

App-Besonderheiten

Der App-Lebenszyklus

43   Installation und erste App

Download und Installation

Die erste App

Die App im Emulator testen

Die App auf dem Smartphone testen

44   Aufbau von Benutzeroberflächen

Benutzeroberfläche

Ressourcenmodell

App-Symbol

Der Intent-Mechanismus

Grafik

45   Google Play

Die App vorbereiten

Digitales Signieren

Die App exportieren und signieren

Bei Google Play registrieren

App hochladen

46   Workshop: Das Millionenquiz als App

Die Activity (QuizActivity.java)

Die Fragen (Frage.java)

Die Spielsteuerung (Spiellogik.java)

Der Abschlussbildschirm (AbschlussActivity.java)

Index

Teil IX: Anhänge – Auf der Website zum Buch

A     Lösungen zu den Übungen

B     Die Java-Tools

C     Anwendungen weitergeben

D     Installation von MySQL

E     Zahlensysteme

F     Tabellen

Einleitung

Die Programmiersprache Java liegt mittlerweile in der achten Version vor und hat nach einigen stürmischen Anfangsjahren nun einen hohen Grad an Stabilität, Performanz und Funktionalität erreicht. Es ist daher auch nicht verwunderlich, dass Java mittlerweile neben – oder sollte man sagen vor – C++ und C# die wichtigste Programmiersprache für Neuentwicklungen von kommerziellen Softwareprodukten ist und sich auch im Hochschulbereich sowie in der Abteilung Hobby und Freizeit großer Beliebtheit erfreut. Und der Trend setzt sich fort: Google hat Java als Programmiersprache für seine Android-Apps (für Smartphones mit Android-Betriebssystem) auserwählt und Java damit einen weiteren riesigen Boom beschert (Grund genug für uns, einen eigenen App-Teil in das Buch aufzunehmen.)

An wen sich dieses Buch richtet

Vor diesem Hintergrund versteht sich das vorliegende Buch als ein Lehr- und Standardwerk zur Programmierung mit Java, das sich vornehmlich an Studenten und engagierte Einsteiger wendet, sich aber auch sehr gut für fortgeschrittene Leser und Umsteiger von anderen Sprachen eignet.

Studenten – oder ganz allgemein Einsteiger, die die Java-Programmierung zwar mit Spaß, aber auch mit einer gewissen Ernsthaftigkeit betreiben möchten – werden neben den umfassenden und klar verständlichen Ausführungen vor allem die vielen Erläuterungen und Hintergrundinformationen, die Einblicke in Alltag und Methodik des Programmierens und die Einführungen in die speziellen Programmiergebiete (inklusive Android) schätzen.

Umsteiger und fortgeschrittene Leser können sich mit dem Buch weiterbilden und es (auch mithilfe des ausführlichen Index) als zuverlässiges Nachschlagewerk nutzen.

Vorkenntnisse werden keine vorausgesetzt. Für Leser, die noch über keinerlei Programmierkenntnisse verfügen, gibt es im ersten Teil eine Schnelleinführung in die wichtigsten Programmierkonzepte, verknüpft mit einem Rückblick auf die Entwicklung der modernen Programmiersprachen.

Neuerungen in Java 8

Die neueste Version der Sprache, Java 8, hat vor allem viele interne Verbesserungen und Bugfixes gebracht. Daneben gab es aber auch einige größere und kleinere Erweiterungen der Sprache und der angebotenen Bibliotheken, von denen wir folgende in das Buch aufgenommen haben:

Tabelle 0-1: Behandelte Neuerungen von Java 8

Neuerungen in der Sprache

Beschrieben in Kapitel

Lambda-Ausdrücke

Kapitel 25

Neuerungen in den Java-Bibliotheken

Beschrieben in Kapitel

Neue API für Datums- und Zeitangaben

Abschnitt »Datum und Zeit« auf Seite 454

Aufbau dieses Buchs

Das vorliegende Buch ist in mehrere Teile gegliedert, von denen sich die ersten vier vornehmlich auf die reine Java-Syntax konzentrieren, während sich die nachfolgenden Teile mit den Java-Bibliotheken, diversen weiterführenden Programmierthemen sowie der Praxis des Programmierens beschäftigen.

Teil I ist Ihr Einstieg in die Programmierung im Allgemeinen und Java im Besonderen. Wer möchte, kann sich in Kapitel 1 ein wenig über die Entstehung und Geschichte von Java informieren. In Kapitel 2 geht es dann noch weiter zurück, und wir vollziehen im Schnelldurchgang die Entwicklungen nach, die zu den modernen Programmiersprachen Java, C++ und C# geführt haben. Das Hauptaugenmerk gilt dabei allerdings weniger der Historie als vielmehr den grundlegenden Programmierkonzepten, daher ist dieses Kapitel für diejenigen Leser, die noch über keinerlei Programmiererfahrung verfügen, ein absolutes Muss. In Kapitel 3 lernen Sie dann die Programmierwerkzeuge des Java-SDK kennen und erstellen Ihr erstes eigenes Programm. In Kapitel 4 stellen wir Ihnen vorab die in Java üblichen Stilkonventionen vor.

Teil II befasst sich mit grundlegenden Sprachelementen, die man heute in fast allen strukturierten Programmiersprachen wiederfindet: von den Variablen bis zu den Kontrollstrukturen.

In Teil III befassen wir uns erstmals ernsthafter mit der objektorientierten Programmierung, d. h., wir werden Objekte nicht mehr nur verwenden, sondern untersuchen, wie man eigene Klassen zur Erzeugung von Objekten schreibt. Daneben stellen wir Ihnen in Kapitel 12 noch zwei weitere grundlegende Datentypen vor, Arrays und Aufzählungen, die in Java eng mit dem Java-Konzept verknüpft sind, und schließen mit Kapitel 13 die Grundlagen ab.

Teil IV ist den weiterführenden Konzepten der objektorientierten Programmierung gewidmet: Vererbung, Polymorphie, Schnittstellen (Interfaces), Exceptions und weiterführenden Aspekten der Programmierung mit Objekten.

Teil V nimmt Sie mit auf einen Streifzug durch die wichtigsten Utility-Klassen der Java-Bibliothek. Hier werden neben Datum, Zeit, Systemumgebung usw. auch so wichtige Themen wie Strings, Collections sowie Ein- und Ausgabe ausführlich behandelt. Darüber hinaus gibt es noch ein Kapitel zur funktionalen Programmierung mittels Lambda-Ausdrücken (Kapitel 25) und der Verwendung von Annotationen (Kapitel 26).

Teil VI behandelt die Erstellung von Anwendungen mit grafischen Benutzeroberflächen (GUI). Neben den reinen Grundlagen werden hier auch weiterführende Aspekte wie das Drucken, Drag & Drop, Grafik sowie die Verwendung von JTree und JTable angesprochen.

Teil VII behandelt weiterführende Programmiergebiete – etwa wie Sie von einem Java-Programm aus auf eine Datenbank zugreifen (Kapitel 38), wie Sie Programmcode mittels Threads parallel ausführen (Kapitel 39) oder wie Sie Webseitentext laden (Kapitel 40). Besonders interessant für Studenten dürfte auch Kapitel 41 sein, das sich etwas ausführlicher mit der Praxis und Methodik des Programmierens beschäftigt.

Teil VIII ist denjenigen Lesern gewidmet, die ihre Java-Kenntnisse auch zur Entwicklung von Android-Apps nutzen möchten.

Ergänzt wird das Buch durch umfangreiche Anhänge, die Sie sich von der Website zum Buch (siehe Hinweis weiter unten) herunterladen können.

Allgemeine Konzeption

Bücher, die sich um eine möglichst vollständige Darstellung der Java-Syntax und der Java-Bibliotheken bemühen, haben üblicherweise mit dem Problem zu kämpfen, dass sie als Lehrbücher oder gar zum Selbststudium meist nur sehr bedingt geeignet sind. Umgekehrt behandeln einführende Programmierlehrbücher meist nur einen Bruchteil der Möglichkeiten, die Java und seine Standardbibliothek bieten.

Wir erheben keineswegs den Anspruch auf Lösung dieses Dilemmas, hoffen aber, ein vernünftiges Konzept gefunden zu haben, das dem Leser beides bieten kann: ein verständliches Lehrbuch und ein gutes Nachschlagewerk.

So werden Sie in diesem Buch kaum Stellen finden, an denen Syntaxelemente oder Klassen vorgestellt werden, ohne dass nicht auch etwas über die Bedeutung oder die sinnvolle Verwendung dieser Elemente gesagt wird. Zudem nehmen wir uns immer wieder Zeit, Hintergründe zu erläutern, praktische Beispiele an die Hand zu geben oder den Blick vom Detail auf das übergeordnete Ganze zu richten. Übungen und Workshops helfen, das Gelernte zu vertiefen und praktische Erfahrungen zu sammeln, und in Teil VII gibt es dann noch ein eigenes Kapitel zur Praxis des Programmierens.

Dafür mussten wir uns bei der Vorstellung der weiterführenden Programmierthemen auf einige herausragende Gebiete konzentrieren – was uns allerdings nicht als großes Manko erscheint, da Leser, die ein Niveau erreicht haben, auf dem diese Informationen für sie interessant werden, meist gut dazu in der Lage sind, sich über die sehr ausführliche und hilfreiche Java-API-Dokumentation bzw. die entsprechende Fachliteratur und diverse Internetforen informieren zu können. Neben einer kurzen Einführung in die HTTP-Programmierung haben wir uns daher auf die Datenbankprogrammierung (einen Klassiker), die Android-Programmierung (eines der am stärksten boomenden Anwendungsgebiete) und die Thread-Programmierung (weil unabdingbar für viele professionelle Anwendungen und wichtig auch für viele Android-Apps) konzentriert.

Verwendung als Lehrbuch

Wenn Sie noch über keinerlei Programmiererfahrung verfügen, lesen Sie unbedingt zuerst die Einführung für Programmieranfänger (Kapitel 2). Ansonsten können Sie je nach Wissensstand auch mit Kapitel 3 oder 4 ff. beginnen. (Sie können aber natürlich trotzdem einen Blick in Kapitel 2 werfen; es dürfte wegen seines historischen Rückblicks auch für den einen oder anderen Leser mit Vorkenntnissen interessant sein.)

In den ersten Teilen, die sich mit der Java-Syntax befassen, gibt es am Ende jeden Kapitels einen Übungsteil. Versuchen Sie nicht, dem Drang nachzugeben, diese Übungen nur grob zu überfliegen oder ganz zu übergehen. Die Übungen sind in der Regel gut machbar,1 da wir sie weniger als geistige Herausforderung sehen, sondern vielmehr als Möglichkeit, das Gelernte zu rekapitulieren und praktisch einzuüben.

Besonders stolz sind wir auf die Workshops, die es am Ende fast jedes Buchteils gibt. In diesen Workshops können Sie uns bei der Programmierung über die Schulter schauen oder mit uns zusammen ein etwas größeres Projekt angehen (beispielsweise ein eigenes Mastermind-Spiel oder ein Millionen-Quiz).

Verwendung als Nachschlagewerk

Wie man ein Buch als Nachschlagewerk verwendet, muss wohl kaum erklärt werden. Wir beschränken uns hier daher darauf, auf das Inhaltsverzeichnis, die Querverweise im Text, die zahlreichen Methodentabellen in den hinteren Kapiteln und den umfangreichen Index zu verweisen. (Beachten Sie im Index unteren anderem die Obereinträge API und Softwareentwicklung.)

Typografische Konventionen

Dieses Buch verwendet die folgenden typografischen Konventionen:

Kursiv

Wird für wichtige Begriffe, Programm- und Dateinamen, URLs, Ordner und Verzeichnispfade, Menüs, Optionen und zur Hervorhebung verwendet.

Nichtproportionalschrift

Wird für Programmcodes verwendet.

Tipp

Dieses Symbol kennzeichnet einen Praxistipp – denn Manches geht ganz leicht, wenn man nur weiß, wie.

Hinweis

Die so gekennzeichneten Hinweise enthalten Informationen von besonderer Bedeutung, die es verdienen, hervorgehoben zu werden.

Warnung

Mit diesem Symbol werden Sie vor Besonderheiten gewarnt, die zu Problemen führen oder ein Risiko darstellen können.

Verwendung der Codebeispiele

Dieses Buch ist dazu gedacht, Ihnen bei der Erledigung Ihrer Arbeit zu helfen. Im Allgemeinen dürfen Sie den Code in diesem Buch in Ihren eigenen Programmen oder Dokumentationen verwenden. Solange Sie den Code nicht in großem Umfang reproduzieren, brauchen Sie uns nicht um Erlaubnis zu bitten. Zum Beispiel benötigen Sie nicht unsere Erlaubnis, wenn Sie ein Programm unter Zuhilfenahme mehrerer Codestücke aus diesem Buch schreiben. Wenn Sie allerdings einen Datenträger mit Beispielen aus O’Reilly-Büchern verkaufen oder vertreiben wollten, müssten Sie eine Genehmigung von uns einholen. Eine Frage mit einem Zitat oder einem Codebeispiel aus dem Buch zu beantworten, erfordert keine Genehmigung. Signifikante Teile von Beispielcode aus dem Buch für die eigene Produktdokumentation zu verwerten, ist dagegen genehmigungspflichtig.

Wir freuen uns über eine Quellenangabe, verlangen sie aber nicht unbedingt. Zu einer Quellenangabe gehören normalerweise Autor, Titel, Verlagsangabe, Veröffentlichungsjahr und ISBN, hier also: »Dirk Louis & Peter Müller, Java – Der umfassende Programmierkurs, O’Reilly Verlag 2014, ISBN 978-3-95561-540-6«. Sollten Sie das Gefühl haben, Ihre Verwendung der Codebeispiele könnte gegen das Fairnessprinzip oder die Genehmigungspflicht verstoßen, dann nehmen Sie bitte unter [email protected] Kontakt mit uns auf.

Website zum Buch

Wir haben eine Webseite zu diesem Buch eingerichtet, auf der die Codebeispiele, Errata und zusätzliche Informationen veröffentlicht werden. Sie finden die Seite unter:

www.oreilly.de/catalog/pwjava8ger/

Zusatzinformationen finden Sie auch auf der Website der Autoren:

www.carpelibrum.de

Buchergänzungen und Lösungen als Download

Das vorliegende Buch wird durch umfangreiche Anhänge ergänzt, die Sie sich als PDF von der oben genannten O’Reilly-Website zum Buch herunterladen können. Hier finden Sie auch die Lösungen zu den Übungen.

Kontakt

Bitte richten Sie Anfragen und Kommentare zu diesem Buch an den Verlag:

O’Reilly Verlag GmbH & Co. KG

Balthasarstraße 81

50670 Köln

Tel.: +49(0)221-973160-0

Fax: +49(0)221-973160-8

Kommentare oder technische Fragen zu diesem Buch schicken Sie bitte per E-Mail an:

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Viel Erfolg und Spaß mit Java wünschen Ihnen die Autoren!

Dirk Louis ([email protected])

Peter Müller ([email protected])

TEIL I

Einstieg

KAPITEL 1

Java war früher eine Eiche

Die Geschichte Javas – nicht die der Insel Java, sondern die der Programmiersprache Java – ist recht bewegt, und wir wollen zur Einstimmung mit einem kurzen Rückblick auf seine Entstehung beginnen.

Das Green-Projekt und die Sprache Oak

1990 war Sun Microsystems auf der Suche nach einem neuen Betätigungsfeld. Das Kern-geschäft mit Workstations1 und Servern lief zwar gut, doch die Konkurrenz des PCs, der immer leistungsfähiger, günstiger und anwenderfreundlicher wurde, war bereits zu spüren. Um langfristig nicht ins Abseits zu geraten, wurde ein Team zusammengestellt, das eruieren sollte, welche die nächsten großen Trends in der Computertechnologie sein könnten. Die streng geheime Untersuchung, die unter dem Namen »Green«-Projekt geführt wurde, kam bald zu dem Ergebnis, dass einer der bedeutendsten Trends die zunehmende Ausstattung von elektronischen Gebrauchsgeräten mit Mikroprozessoren und deren Anbindung an das Internet sei. Ein Trend, der den PC, dieses »Abfallprodukt« der Computerentwicklung, dieses Artefakt im privaten Heim, vollkommen überflüssig machen könnte.

Die Mitarbeiter des Green-Projekts gingen nun daran, ein Produkt zu kreieren, das dem prognostizierten Trend nicht nur entsprechen, sondern selbst zum Trendsetter werden sollte: Star7, ein PDA mit Touchscreen, drahtloser Netzanbindung, PCMCIA-Schnittstelle, eigener Unix-Version, einer kleinen animierten Figur namens Duke (siehe Abbildung), die dem Anwender bei der Bedienung des Geräts Hilfestellung leisten sollte, und ... einer eigenen, plattformunabhängigen, robusten, objektorientierten Programmiersprache namens Oak2.

Star7 wurde firmenintern gut aufgenommen, doch nachfolgende Versuche, das Produkt zur Marktreife zu führen, scheiterten. Sun war seiner Zeit einfach zu weit voraus. Das Projekt, für das noch 1992 eine eigene Firma, First Person Inc., gegründet wurde, zerfiel, die Mitarbeiter zerstreuten sich.

Aus Oak wird Java

Mittlerweile hatte sich im Internet einiges getan. 1993 wurde am Cern-Institut in Lausanne das World Wide Web, das »Netz im Netz«, ins Leben gerufen. Noch im gleichen Jahr entwickelte man am NCSA3 den ersten grafischen Webbrowser, den Mosaic-Browser, an dem auch der Student Marc Andreessen mitarbeitete, der ein Jahr später Netscape gründen und den legendären Netscape Navigator auf den Markt bringen sollte.

Bei Sun hatte man derweil die Entwicklung des World Wide Web und der Browser aufmerksam verfolgt. Aus Sicht von Sun stellte sich die Situation in etwa wie folgt dar: Auf der einen Seite gab es eine schnell wachsende Gemeinde von Internetanwendern, die das Web nutzten und freudig jede Entwicklung begrüßten, die es gestattete, Webseiten lebendiger und interaktiver zu gestalten. Auf der anderen Seite hatte man bei Sun eine leistungsfähige, plattformunabhängige Programmiersprache namens Oak, für die es derzeit keine rechte Verwendung gab, sowie erste Ergebnisse aus einem Projekt, das Sun zum Teil mitfinanziert hatte und das sich mit der Entwicklung einer »virtuellen Maschine« beschäftigte, die es Programmierern ermöglichen würde, ihre Anwendungen auf unterschiedlichen Architekturen und Betriebssystemen auszuführen.

Wie wäre es nun, wenn man die virtuelle Maschine in einen Browser integrieren und Oak so weiterentwickeln würde, dass Oak-Programme innerhalb dieses Browsers auf beliebigen Plattformen ausgeführt werden könnten? Browser und Programmiersprache könnte man frei im Internet zur Verfügung stellen, um einen neuen Standard zu setzen und später mit Lizenzierungen Gewinn zu erwirtschaften. Darüber hinaus würde man die Attraktivität des Internets erhöhen, was zweifelsohne wiederum den Verkaufszahlen der eigenen Workstations und Server zugutekäme, die sich durch hochwertige Netzwerktechnik und beste Vernetzbarkeit auszeichneten. Und vielleicht liebäugelte man auch schon mit der Idee des Internet-PCs, der keine Festplatte haben und seine Anwendungen aus dem Internet beziehen sollte – sozusagen ein früher Vorfahr der Cloud-Technologie.

Ein neues Team wurde zusammengestellt, dem auch James Gosling wieder angehörte. Aus Oak wurde Java (der Name »Oak« wurde bereits von einer anderen Firma für eines ihrer Produkte verwendet, und so einigte man sich in der Cafeteria, bei viel heißem Kaffee, auf den Namen Java), und 1995 wurde der erste Java-fähige Browser, HotJava, vorgestellt. Gleichzeitig kündigte Netscape-Chef Andreessen an, dass er Java für seinen Navigator, den damals unumstrittenen Marktbeherrscher, lizenzieren wird. Im Januar 1996 wurde das JDK 1.0, die erste Version der Java-Entwicklungstools, zum Download im Internet freigegeben. Der Ansturm auf das JDK war gewaltig, und es glich geradezu einem Wunder, dass der Server nicht zusammenbrach. Aber schließlich gehörte Sun ja schon immer zu den führenden Anbietern von High-End-Servern.

Java und Bill Gates

Doch nicht überall wurde Java mit Euphorie und Wohlwollen begrüßt, so zum Beispiel im Hause Microsoft.

Gerade hatten Gates und Microsoft es geschafft, den ungeliebten Konkurrenten DR DOS durch – so jedenfalls die Vorwürfe des Konkurrenten – absichtlich täuschende Produktvorankündigungen, unlautere Lizenzierungsverfahren, schwarze Listen für Betatester und versteckte Inkompatibilitäten, die verhinderten, dass Windows 3.x zusammen mit DR DOS lief, aus dem Markt zu drängen4, als man erkennen musste, dass man die Entwicklung des Internets verschlafen und seine Bedeutung und Bedrohung unterschätzt hatte.

Einmal erwacht, ging Microsoft in die Gegenoffensive: mit eigenem Internetportal (MSDN), eigener Webserversoftware (IIS usw.) und eigenem Webbrowser – dem Internet Explorer. Anfangs versuchte Microsoft, Java zu ignorieren, doch man erkannte bald, dass es ohne Java-Unterstützung schwierig würde, gegenüber dem Netscape-Browser Marktanteile zu gewinnen. Netscape vertrieb seinen Browser praktisch kostenfrei – lediglich gegen Entrichtung einer Registrierungsgebühr – und setzte darauf, dass sich die Popularität des Navigator indirekt auszahlen würde, beispielsweise durch erhöhte Absatzzahlen der Netscape-Serversoftware – ein Konzept, das anfangs bestens aufging.

Microsoft konterte, indem es Java lizenzierte, den Internet Explorer aufrüstete und ihn ganz offiziell kostenlos im Internet zum Download anbot. Ja, Microsoft belohnte sogar Firmen, die zur weiteren Verbreitung des Internet Explorer beitrugen. Einmal in Schwung gekommen, stellte Microsoft dann auch noch seine Serversoftware kostenlos zur Verfügung – ein Schritt, der Netscape besonders empfindlich traf. Der letzte Coup bestand darin, den Internet Explorer zusammen mit dem Betriebssystem Windows 98 auszuliefern. Dies brach dem Navigator endgültig das Genick und brachte Microsoft eine folgenschwere Klage vor Gericht ein. Wieder einmal wurden die US-Justiz auf Microsofts Geschäftsgebaren aufmerksam, und es kam zum zweiten Antitrust Case »United States v. Microsoft«, bei dem es um die Monopolstellung Microsofts ging.

Zurück zu Java. Der Browserkrieg war kaum in Gang gekommen, da eröffnete Microsoft eine zweite Front und wandte sich Java zu.

Das erste Geschoss, das Gates auf Java abfeuerte, trug die Aufschrift ActiveX und erwies sich als wenig durchschlagskräftig. ActiveX war keine eigene Programmiersprache, sondern lediglich eine Technologie zur Erstellung von Softwarekomponenten, die in Webseiten und Programme eingebettet werden konnten – vornehmlich also Konkurrenz für die beiden Java-Technologien der Java-Applets und der JavaBeans. Im Vergleich zu diesen war ActiveX jedoch kompliziert zu programmieren, plattformgebunden und unsicher in der Verwendung (zumindest für den unbedarften Websurfer, der sich ActiveX-Elemente aus Webseiten auf seine lokale Festplatte lud).

Microsofts zweites Geschoss war schon gewichtiger. Zuerst lancierte Microsoft die integrierte Entwicklungsumgebung Visual J++ für Java, dann stattete es diese Umgebung mit einer eigenen Java Virtual Machine5 aus. Microsoft rechtfertigte dies damit, dass die eigene Virtual Machine besser sei als die Sun-Machine und man seinen Kunden nur das Beste bieten wolle. Sun sah darin einen Versuch, den Java-Standard aufzuweichen und eine zweite zum Sun-Standard inkompatible Java-Laufzeitumgebung zu etablieren. Um die Integrität der Java-Plattform zu erhalten, strengte Sun eine Gerichtsklage an. Der Prozess verlief gut für Sun, und im Januar 2001 konnte man Microsoft einen außergerichtlichen Frieden diktieren. Microsoft durfte weiter die Sun-Java-Technologie lizenzieren und unverändert verwenden, musste aber die Weiterentwicklung seiner eigenen Microsoft Virtual Machine aufgeben und die Auslieferung bis zum Jahr 2004 gänzlich einstellen.

C# und .NET

Die eigene Java Virtual Machine war Microsoft untersagt worden, doch den Konzern traf dies nur marginal – arbeitete man doch bereits an einer neuen Virtual Machine, diesmal nicht für Java, sondern für eine eigene Programmiersprache: C#.

C# ist Java sehr ähnlich, und ebenso wie Java-Code wird C#-Code nicht in maschinenspezifische Befehle, sondern in virtuellen Objektcode übersetzt. Wenn ein C#-Programm gestartet wird, lädt die Virtual Machine (die Laufzeitumgebung) den Objektcode, wandelt ihn in maschinenspezifischen Code um und führt ihn aus.

Die »Virtual Machine« für C# heißt .NET Framework. Ähnlich wie die Java Virtual Machine besteht das .NET Framework in der Hauptsache aus Werkzeugen zum Ausführen der Programme (Interpreter, Garbage Collector usw.) sowie einer umfangreichen Klassenbibliothek, auf die der Programmierer beim Schreiben seiner Programme zurückgreifen kann.

Im Gegensatz zur Java Machine unterstützt das .NET Framework jedoch nicht nur eine, sondern eine Vielzahl von Programmiersprachen. Welche Sprachen unterstützt werden? Alle Sprachen, für die ein .NET-Compiler verfügbar ist, der den Quelltext in den virtuellen Objektcode des Frameworks übersetzt. Gehört Java auch zu diesen Sprachen? Nein, nicht soweit uns bekannt ist. Microsoft stellt aber Programme zur Verfügung, mit denen Java-Quelltext in C#-Code umgewandelt werden kann. Ist es sinnvoll, seine Java-Programme in C++-Programme umzuwandeln? Nur wenn Sie von Java auf C# umsteigen möchten.

Und sollte man auf C# umsteigen? Ist C# besser als Java? Wird C# Java verdrängen?

C# und .NET sind zweifelsohne eine starke Konkurrenz zu Java, doch sie werden Java nicht verdrängen. Beide, Java wie C#, haben ihre Vorzüge und auch ihre Nachteile, Stärken wie Schwächen, und beide werden sich im Konkurrenzkampf weiterentwickeln und reifen.

Jüngste Entwicklung, Oracle und OpenJDK

Die Programmiersprache Java ist im Grunde genommen nichts weiter als eine technische Spezifikation, die beschreibt, wie Java-Code aussehen soll. Lebendig wird diese Spezifikation erst durch eine Entwicklungsumgebung, das JDK, das dem Programmierer die Mittel an die Hand gibt, um in Java geschriebene Quelltexte in lauffähige Java-Programme umzuwandeln.

Früher oblagen Pflege und Weiterentwicklung der Sprache Java und des zugehörigen JDK ganz der Firma Sun Microsystems, in deren Auftrag die Sprache Java überhaupt erst entwickelt wurde. Doch Sun hat sich mittlerweile aus diesem Aufgabenbereich weitestgehend zurückgezogen. Bereits 2006 begann man mit der Umwandlung des JDK in ein Open Source-Projekt, wenige Jahre später wurden dann die weiteren Rechte an Java an die Firma Oracle verkauft.

Seitdem gibt es zwei wichtige Referenzimplementierungen: das OpenJDK und das Oracle JDK.

Oracle hat zugesichert, das OpenJDK weiter zu unterstützen, sodass derzeit nicht zu befürchten ist, dass die JDK-Versionen stark auseinanderdriften werden. Zudem wird das JDK für Java SE derzeit von Oracle weiter kostenfrei zum Download angeboten und darf im Rahmen der Lizenzbedingungen genutzt werden. Lediglich für diverse kommerzielle Zusatzkomponenten, die optional hinzugenommen werden können, sind Lizenzgebühren zu bezahlen.

Solange dies so bleibt, empfehlen wir die Arbeit mit dem Oracle JDK. Sofern Sie aber mit einem Betriebssystem arbeiten, auf dem eine passende Version des OpenJDK bereits vorinstalliert ist, können Sie diese natürlich ebenfalls verwenden.

KAPITEL 2

Einführung für Programmieranfänger

In diesem Kapitel:

• Die Ansprüche sind gestiegen

• Vom Maschinencode zu den höheren Programmiersprachen

• Die strukturierte Programmierung

• Die objektorientierte Programmierung

• Noch Fragen?

Dieses Kapitel ist für Programmierneulinge gedacht und führt anhand theoretischer Gedankenspiele und -modelle in die Grundprinzipien der Programmierung ein. Da es gleichzeitig nebenbei auch ein wenig die Entwicklungsgeschichte der modernen Programmiersprachen resümiert, dürfte es aber durchaus auch für den einen oder anderen fortgeschrittenen Leser ganz interessant sein.

Auf jeden Fall ist es ein bisschen theorielastig und aufgrund der vielen eingeführten Begriffe und Konzepte für blutige Anfänger sicherlich nicht immer leicht zu verdauen. Trotzdem kann man Einsteigern, die sich ernsthaft mit Programmierung befassen möchten, die Lektüre nur empfehlen.

Wer lieber gleich in medias res gehen möchte, der darf aber natürlich auch direkt zu Kapitel 3 springen.

Die Ansprüche sind gestiegen

Java ist eine wunderbare Programmiersprache. Sie ist modern, leistungsfähig, vielseitig, in gewisser Weise sogar ästhetisch ... Eines ist sie jedoch ganz bestimmt nicht: leicht zu erlernen. Nun, das allein wäre ja noch gar nicht mal so schlimm – schließlich erwartet ja niemand, dass eine so mächtige Sprache von einem Tag auf den anderen zu meistern ist. Während sich der hoffnungsvolle Novize jedoch in die meisten anderen Sprachen Schritt für Schritt einarbeiten kann, muss er sich in Java gleich zu Beginn mit einer Vielzahl sehr komplizierter Konzepte auseinandersetzen.

So besteht bereits das einfachste Programm, das in Java geschrieben werden kann, aus mindestens vier Zeilen, vollgepackt mit kryptischem Code:

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

Das gleiche Programm, das übrigens nichts anderes macht, als den Benutzer mit einem freundlichen »Hallo« auf der Konsole zu begrüßen, hätte ein Basic-Programmierer Anfang der Neunziger wie folgt geschrieben:

print "Hallo Anwender!"

Die erste Hürde liegt für den Java-Programmierer also extrem hoch, sodass ihm letzten Endes nur drei Möglichkeiten bleiben:

1. Er läuft unter der Hürde durch, d. h., er akzeptiert die ihm nicht verständlichen Syntaxformen des Grundgerüsts als naturgegeben und arbeitet sich danach so gut es geht schrittweise in die Sprache ein.

Lesen Sie weiter in der vollständigen Ausgabe!

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