Programmieren II - JavaIntroduction to Java

Alexander Fraser

fraser@cl.uni-heidelberg.de

(Contains material from: T. Bögel, K. Spreyer, S. Ponzetto, M. Hartung)

April 23, 2014

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Goals of this session

2 Details, getting a Schein2 Introduction to Java, why learn Java?2 How to write a “hello world” program in java

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Details

Time and PlaceWed, 14:15–15:45Place: INF 306 / SR 19Thurs, 14:15–15:45Place: INF 328 / SR 25

Exceptions so farThree Thursday holidaysTag der Arbeit : 01.05.2014Christi Himmelfahrt : 29.05.2014Fronleichnam : 19.06.2014Possible business trip: 25.06-26.06.2014

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Tutorium

TutorenThis is still being worked out, expect an update very soon.

Ziele und InhalteWiederholung und EinübungKorrektur der Übungsaufgaben

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Prerequisites

Programming Experience?Ideally: ≥ 2nd SemesterProgrammieren IAlternatively: good programming experience

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Kursziele

ZusammenfassungErweiterung des Wissens aus “Programmieren I” und praktischerProgrammierkenntnisseObjektorientierte Sicht auf ProblemePrinzipien von gutem SoftwaredesignSchöner und verständlicher CodeEinführung in das systematische Testen von Code

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Kriterien zum erfolgreichen Besuch

Formale KriterienRegelmäßige Anwesenheit & MitarbeitErfolgreiches Bearbeiten der Übungsaufgaben (65% der Punkte)Klausur

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How this should work

Aktive Teilnahme und Diskussionen während der VorlesungFragen, bis alles verstanden istBei Problemen: Feedback, Mail, SprechstundeKommentare & Dokumentation!Schreibt euren eigenen Code!

VorlesungssitzungenVorlesungssitzungen bestehen aus:

TheoriePraktischer Anwendung in Form von Implementierung & Diskussionen

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Overall concepts

Building on Prog I:Java syntaxOOP (objected oriented programming)Software design

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Schedule

Time ContentWeek 01 Introduction & elementary concepts of JavaWeek 02 Java language specification, syntaxWeek 03,04 Introduction to OOP & remaining java syntaxWeek 05 OOP & exceptionsWeek 06 Input/outputWeek 07 Collections & more advanced OOPWeek 08+ To be determined

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Prüfungsmodalitäten

Klausur: 24.07.2014 (to be confirmed)7-8 Übungsaufgaben

ÜbungsaufgabenBearbeitungszeit: 1 – 2 WochenEinzelarbeitGegenseitige Bewertung von ÜbungsaufgabenKeine verspätete Abgabe nach Deadline→ für Verlängerung vorher melden!

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Kontaktinformationen

Büro und SprechstundeSprechstunde: Dienstag, 15-16 Uhr (bitte anmelden per E-Mail)Im Neuenheimer Feld 325Diese Woche: Raum 122 (1. Stock)

EmailEmail: fraser@cl.uni-heidelberg.de

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Goals of this session

2� Details, getting a Schein2 Introduction to Java, why learn Java?2 How to write a “hello world” program in java

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Java in buzzwords 1

Java as a programming languageSimpleObject orientedDistributedMultithreadedDynamicArchitecture neutralPortableHigh performanceRobustSecure

1http://www.oracle.com/technetwork/java/langenv-140151.html14 / 40

Vom Programm zum Binärcode

ProblemProzessoren sprechen nur in Bits (Maschinensprache/Maschinencode):00110101Menschen sprechen nicht in Bits (und können auch nur schlecht inBits programmieren)

⇒ Programme werden in höheren Programmiersprachen (Java, Python)geschrieben und dann eine niedrigere Sprache (Assembler, Maschinencode,Bytecode) übersetzt

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From the Program to Machine Code I

Differences Python - JavaPython is typically viewed as interpreted(Translation and execution at once)Java is typically viewed as (bytecode-)compiled(Translation first, execution later)But, actually, python is also bytecode-compiled (.pyc files)

Compiled vs. InterpretedCompiled programs run faster, but are platform-dependentInterpreted programs tend to be platform-independentJava bytecode is theoretically (and often pratically)platform-independent

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From the Program to Machine Code II

Python vs Java - my viewQuick prototyping, data munging with regular expressions: use Python(or Perl)Robustly engineered code (even more critical with multipleprogrammers): use JavaExtreme high performance with manually done memory management(painful): use C/C++

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The ultimate advantage of compiling languages

source: http://xkcd.com/303/

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Java Workflow I

Java development workflow.source: http://docs.oracle.com/javase/tutorial/getStarted/intro/definition.html

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Java Workflow II

WorkflowQuellcode: .java-DateienCompiler generiert .class-Dateien → BytecodeBytecode ist kein nativer, plattformabhängiger CodeBytecode: Maschinensprache der Java Virtual Machine (JVM)java führt bytecode mittels der JVM auf dem Endgerät aus

Vorteile und EigenschaftenKontrollierte virtuelle MaschineJVM für alle gängigen Plattformen verfügbarJVM bietet erweiterte Funktionalität, z.B. Garbage Collector (GC)Optimierung der JVM für bestimmte Prozessoren/ArchitekturenSkalierung!

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Plattformunabhängigkeit und Objektorientierung

PlattformunabhängigkeitCompiler generiert Bytecode gegen JVMAbstraktion von zentralen Betriebssystem-SchnittstellenEin-/Ausgabe, grafische Benutzerschnittstellen etc. mit gemeinsamerAPIEntwickler: Programmierung gegen Java API

ObjektorientierungZiel: Schreiben großer, fehlerfreier AnwendungenAnnahme: Menschen denken objektorientiertModellierung von Verbindungen und Kommunikation von Objekten ineiner ProgrammierspracheJava weitgehend aber nicht vollständig objektorientiert. Ausnahme:primitive Datentypen

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Why Java? I

Betriebswirtschaftliche Faktoren: weite VerbreitungHoher Stellenwert im universitären UmfeldHoher Bedarf an Java-EntwicklernVerfügbarkeit vieler Bibliotheken (auch: NLP)Einführung in viele Konzepte moderner Programmierparadigmen

Zahlen a

asource: http://www.oracle.com/us/corporate/press/193190

1.1 Milliarden Desktops mit Java930 Millionen Downloads der JRE pro Jahr100% Installationsbasis auf Blu-ray Playern500 Millionen aktivierte Android-Geräte (Stand: September 2012)

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Why Java? II

GeschwindigkeitJust-In-Time (JIT)-CompilerÜbersetzung von relevanten Codeteilen während der LaufzeitGeschwindigkeit in vielen Fällen vergleichbar mit kompiliertenProgrammiersprachen

SpeicherverwaltungKeine Pointer, sondern Referenzen für Verweise auf VariablenTyp der Referenz nicht änderbarDefinierbare Sichtbarkeit von VariablenGarbage Collector: automatisches Löschen von Objekten undSpeicherfreigabe bei Bedarf

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Why Java? III

SyntaxSimple explicit syntax makes Java code easy to read and understandDisadvantage: “verbosity” but the IDE (for example, Eclipse) can helpwith this

Software EngineeringJava enforces good habits in software engineeringObject-oriented view forces programmers to think ahead more (muchmore on this later!)Handling possible errors (through “Exceptions”) is requiredStatic type checking reduces errors (i.e., if you try to assign a stringto an integer, or compare a string and an integer, compilation error)Disadvantage, again: “verbosity”

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Paradigmen der Programmierung

Vielzahl von Kriterien zur Unterscheidung von Programmiersprachen:prozedural vs. funktional vs. deklarativ vs. objekt-orientiertlow-level vs. high-levelkompiliert vs. interpretiert vs. bytecode-kompiliert

Python vs. JavaPython: interpretiert und prozedural (größtenteils)Java: bytecode-kompiliert und objekt-orientiert

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Paradigmen der Programmierung

Vielzahl von Kriterien zur Unterscheidung von Programmiersprachen:prozedural vs. funktional vs. deklarativ vs. objekt-orientiertlow-level vs. high-levelkompiliert vs. interpretiert vs. bytecode-kompiliert

Python vs. JavaPython: interpretiert und prozedural (größtenteils)Java: bytecode-kompiliert und objekt-orientiert

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Java Versions & IDE I

JDK, JRE, JVMZur Entwicklung: Java Platform Standard Edition (Java SE)Java Development Kit: Compiler, JVM und Java BibliothekenDownload: http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html

Alternative: OpenJDK (Referenzimplementierung)Aktuelle Java-Version: Java 8 (seit 2013)

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Java Versions & IDE II

Interesting Java VersionsJava 1.3: used in Java ME (e.g., games on old cell phones)Java 1.5 (also called Java 5): heavily used, examples in most of ourbooks. Beginning of “modern Java” in my view.Java 1.7 (also called Java 7): added better file manipulation (but oldways still work!)Java 1.8 (also called Java 8): adds some features that are not yetwidely usedVERSION FOR THIS COURSE: Java 7 (but Java 8 is also fine)

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Writing our first Java program

PrerequisitesJDK (JRE is not enough!)Development Environment:

Either: command line + text editor (e.g. vim)Or: IDE – integrated development environment (eclipse, netbeans, . . .)

Recommendation for this course: eclipseThis session: command line + editor

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Hello World!

// file name == class namepublic class HelloWorld {

// a method (function) called "main"// parameter input: array of stringspublic static void main( String [] args ) {System.out.println( "Hello world!" );

}}

code/HelloWorld.java

1 Save2 Compile: javac HelloWorld.java → HelloWorld.class

3 Run: java HelloWorld

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Anatomy of a class I

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Anatomy of a class II

Layered structure (simplified)source file (.java): one class definitionclass definition: one or more methodsmethod: one or more statements

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Hello World explained

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Comments? Comments!

Comments in one lineComment in one line: //

// this is a comment

Comments spanning multiple linesComments spanning multiple lines: /* */

/* this is a commentthis is still a comment */

Javadoc commentsJavadoc comments: /** */

/** javadoc commentcomment continued */

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Experiments

Testing the compilerWhat happens if the class name differs from the file name?Do we need a main method?Do we need to specify void?Is it possible to print numbers instead of strings?. . .

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2� Details, getting a Schein2� Introduction to Java, why learn Java?2� How to write a “hello world” program in java

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Preparation for the next session

Install the JDK, Java version 7Adapt your environment variables if necessaryCompile and run our HelloWorld classExperiment with the code: make errors and check how the compilerbehavesRecommendation: install eclipse(http://www.eclipse.org/downloads/)(optional) bring your notebook to the lecture

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General Java Literature

The official Java Tutorialhttp://docs.oracle.com/javase/tutorial/getStarted/index.html

Eckel, B.Thinking in Java.Prentice Hall, 2006.Sierra, K. & Bates, B.Head First Java.O’Reilly Media, 2005.

Ullenboom, Ch.Java ist auch eine Insel.Galileo Computing, 2012.NOTE: see the HTML index!

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Java Style

Java Style GuidesJava Ranch is widely recommended:http://www.javaranch.com/style.jsp (click on the categories!)The Google Java style guide is also interesting:http://google-styleguide.googlecode.com/svn/trunk/javaguide.html

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Special Topics

Design Patterns

Gamma, E. et al.Design Patterns. Elements of Reusable Object-Oriented Software.Addison-Wesley Longman, 2008.

Test-Driven Development

Beck, K.Test-driven development – by example.Addison-Wesley, 2005.

Android DevelopmentAndroid official (see “first app”):http://developer.android.com/training/index.htmlRecommended:http://www.makeuseof.com/tag/write-google-Android-application/

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