Bài giảng Lập trình Java: Phần 1 - ĐH Sư phạm kỹ thuật Nam Định

Chia sẻ: Ermintrudetran Ermintrudetran | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:146

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Lập trình Java: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Lập trình Java cơ bản; Lập trình hướng đối tượng trong Java; Các gói và lập trình vào ra. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Lập trình Java: Phần 1 - ĐH Sư phạm kỹ thuật Nam Định

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay có nhiều ngôn ngữ lập trình được sử dụng để viết các ứng dụng trên máy tính như: C++, C#, VB, VB.Net…. Mỗi ngôn ngữ đều có một thế mạnh riêng, nếu biết lựa chọn một ngôn ngữ phù hợp để xây dựng ứng dụng sẽ giúp cho các chuyên gia lập trình tích kiệm được thời gian, công sức và giúp xử lý kỹ thuật lập trình đơn giản và thuận tiện hơn. Java là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng thuần túy với nhiều đặc trưng ưu việt so với các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng khác như tính độc lập với nên, Tính Đa nhiệm - đa luồng tính bảo mật, khả năng đóng gói, giao tiếp…. Khác với các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng khác như c++ hay c# là ngay từ khi ra đời mục tiêu của java là phát triển một ngôn ngữ đơn giản, nhỏ nhẹ và có thể chạy trên nhiều môi trường khác nhau, do đó Java đặc biệt thích hợp để viết chương trình cho các ứng dụng trên mạng, trên các thiết bị di động, …, việc việt các ứng dụng này bằng Java dễ dàng hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác. Chính vì vậy trong rất nhiều ngôn ngữ lập trình đang được các chuyên gia sử dụng để viết nên các ứng dụng trên máy tính, trong doanh nghiệp, trên các thiết bị cầm tay... Java luôn là ngôn ngữ được các chuyên gia lựa chọn ở mức ưu tiên số 1. Java đã được ứng dụng rộng rãi và trở thành một ngôn ngữ lập trình được ưa chuộng bậc nhất hiện nay. Ở Việt Nam, Java đang rất phát triển các doanh nghiệp đã sử dụng Java trong các sản phẩm Game, phần mềm, ngân hàng, thiết bị cầm tay, ứng dụng web,…Những chuyên gia thành thạo ngôn ngữ này luôn đứng trước sự săn đón của hàng trăm nghìn việc làm và cơ hội thăng tiến. Tập bài giảng này được xây dựng gồm có 6 chương trình bày chi tiết về lập trình Java cơ bản, bám sát theo khung chương trình môn lập trình Java của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Nhằm trang bi cho sinh viên những kiến thức cơ bản về lập trình Java tạo nền tảng để sinh viên tiếp cận với ngôn ngữ này cũng như học các học phần khác trong chương trình như thực tập lập trình trên thiết bị di động. Tập bài giảng được sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho các giáo viên, giảng viên và tài liệu học tập cho học sinh – sinh viên thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Ngoài ra có thể làm tài liệu tham khảo cho mọi đối tượng quan tâm đến lập trình Java. NHÓM TÁC GIẢ i
MỤC LỤC CHƢƠNG 1: LẬP TRÌNH JAVA CƠ BẢN ......................................................1 1.1. Giới thiệu về Java và cài đặt .....................................................................1 1.1.1. Lịch sử Java ..........................................................................................1 1.1.2. Đặc trưng của Java ................................................................................1 1.1.3. Các kiểu chương trình Java ..................................................................5 1.1.4. Máy ảo Java ..........................................................................................6 1.1.5. Bộ công cụ phát triển JDK....................................................................8 1.1.6. Cài đặt JDK .........................................................................................11 1.2. Ngôn ngữ lập trình Java..........................................................................17 1.2.1. Mở đầu lập trình với Java ...................................................................17 1.2.2. Cấu trúc chương trình Java .................................................................17 1.2.3. Kiểu dữ liệu cơ sở, hằng, biến ............................................................20 1.2.4. Kiểu dữ liệu Mảng (Array) .................................................................27 1.2.5. Toán tử và biểu thức ...........................................................................29 1.2.6. Các cấu trúc điều khiển.......................................................................32 1.2.7. Hàm – Phương thức (Function – Method)..........................................38 1.2.8. Nhập xuất dữ liệu ................................................................................39 Câu hỏi và bài tập chƣơng 1 ..........................................................................43 CHƢƠNG 2: LẬP TRÌNH HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG TRONG JAVA ............45 2.1. Giới thiệu về lập trình hƣớng đối tƣợng ................................................45 2.2. Trừu tƣợng hoá dữ liệu ...........................................................................47 2.3. Lớp và định nghĩa lớp trong Java ..........................................................50 2.4. Đối tƣợng ..................................................................................................62 2.5. Thiết lập và hủy .......................................................................................63 2.5.1. Thiết lập ..............................................................................................63 2.5.2. Hủy......................................................................................................65 2.6. Các đặc tính của lớp ................................................................................66 2.6.1. Tính bền vững .....................................................................................66 ii
2.6.2. Tính thừa kế ........................................................................................68 2.6.3. Tính đa thừa kế ...................................................................................72 2.6.4. Tính đa hình ........................................................................................73 2.6.6. Lớp trừu tượng ....................................................................................76 2.7. Xử lý ngoại lệ ............................................................................................80 Câu hỏi và bài tập chƣơng 2 ..........................................................................84 CHƢƠNG 3: CÁC GÓI VÀ LẬP TRÌNH VÀO RA .......................................92 3.1. Các gói trong Java ...................................................................................92 3.1.1. Giới thiệu ............................................................................................92 3.1.2. Các giao diện ......................................................................................92 3.1.3. Các gói ................................................................................................95 3.1.4. Gói và điều khiển truy xuất ................................................................98 3.1.5. Gói Java.lang ......................................................................................99 3.2. Các dòng (Stream) .................................................................................115 3.3. Gói Java.io ..............................................................................................115 3.3.1. Lớp InputStream ...............................................................................115 3.3.2. Lớp OutputStream ............................................................................117 3.3.3. Vào ra mảng byte ..............................................................................117 3.3.4. Vào ra tập tin ....................................................................................119 3.3.5. Nhập xuất lọc ....................................................................................121 3.3.6. Vào ra có sử dụng bộ đệm ................................................................122 3.3.7. Lớp Reader và Writer .......................................................................125 3.3.8. Nhập xuất chuỗi ................................................................................125 3.3.9. Lớp PrinterWriter .............................................................................128 3.3.10. Giao diện DataInput ........................................................................129 3.3.11. Giao diện DataOutput .....................................................................129 3.3.12. Lớp RandomAccessFile ..................................................................130 3.4. Gói java.awt.print ..................................................................................132 Câu hỏi và bài tập chƣơng 3 ........................................................................133 iii
CHƢƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐỒ HOẠ AWT ...................................................136 4.1. Giới thiệu về AWT .................................................................................136 4.2. Container (vật chứa)..............................................................................137 4.2.1. Giới thiệu ..........................................................................................137 4.2.2. Frame ................................................................................................137 4.2.3. Panel..................................................................................................138 4.2.4. Dialog................................................................................................139 4.3. Thành phần (Component) .....................................................................140 4.3.1. Giới thiệu ..........................................................................................140 4.3.2. Nhãn ..................................................................................................140 4.3.3. Ô văn bản ..........................................................................................142 4.3.4. Vùng văn bản ....................................................................................144 4.3.5. Nút ....................................................................................................145 4.3.6. Checkbox và Radio Button ..............................................................147 4.3.7. Danh sách lựa chọn ...........................................................................149 4.4. Quản lý cách trình bày ..........................................................................151 4.4.1. FlowLayout manager .......................................................................152 4.4.2. BorderLayout Manager ....................................................................153 4.4.3. Card Layout Manager .......................................................................154 4.4.4. GridLayout Manager ........................................................................156 4.4.5. GridBagLayout Manager ..................................................................158 4.5. Xử lý các sự kiện ....................................................................................163 4.6. Thực đơn .................................................................................................169 Câu hỏi và bài tập chƣơng 4 ........................................................................173 CHƢƠNG 5: JAVA APPLET VÀ SWING ....................................................175 5.1. Java Applet .............................................................................................175 5.1.1. Giới thiệu về Applet .........................................................................175 5.1.2. Cấu trúc của một Applet ...................................................................175 5.1.3. Chu trình sống của một Applet .........................................................178 iv
5.1.4. Truyền tham số cho Applet...............................................................179 5.1.5. Lớp Graphics ....................................................................................181 5.1.6. Điều khiển màu .................................................................................190 5.1.7. Điều khiển Font ................................................................................191 5.1.8. Lớp FontMetrics ...............................................................................192 5.1.9. Chọn chế độ để vẽ.............................................................................196 5.2. Java Swing ..............................................................................................198 5.2.1 Giới thiệu về Swing ...........................................................................198 5.2.2. Các biểu tượng và nhãn ....................................................................199 5.2.3. Các trường văn bản ...........................................................................200 5.2.4. Nút nhấn ...........................................................................................201 5.2.5. Lớp JButton ......................................................................................202 5.2.6. Hộp kiểm tra .....................................................................................202 5.2.7. Radio Button .....................................................................................203 5.2.8. ComboBox ........................................................................................203 5.2.9. Tabbed Pane ......................................................................................203 5.2.10. Scroll Pane ......................................................................................204 5.2.11. Cây ..................................................................................................205 5.2.12. Bảng ................................................................................................207 Câu hỏi và bài tập chƣơng 5 ........................................................................210 CHƢƠNG 6: LẬP TRÌNH ĐA LUỒNG ........................................................224 6.1. Giới thiệu về lập trình luồng .................................................................224 6.2. Luồng và đa luồng .................................................................................224 6.3. Tạo và quản lý luồng .............................................................................225 6.4. Vòng đời của luồng ................................................................................228 6.5. Trạng thái của luồng và các phƣơng thức của lớp Thread ...............228 6.6. Thời gian biểu luồng ..............................................................................229 6.7. Luồng chạy ngầm ...................................................................................231 6.8. Đa luông với Applet ...............................................................................232 v
6.9. Nhóm luồng ............................................................................................233 6.10. Sự đồng bộ luồng..................................................................................234 6.10.1. Đồng bộ mã.....................................................................................235 6.10.2. Sử dụng khối đồng bộ (Synchronized Block) ................................237 6.10.3. Ưu điểm của các phương thức đồng bộ ..........................................240 6.11. Cơ chế đợi thông báo ...........................................................................240 6.12. Khoá chết (Deadlock) ..........................................................................244 6.13. Thu dọn rác ..........................................................................................246 Câu hỏi và bài tập chƣơng 6 ........................................................................250 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................254 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Bảng 1.1. Bảng các ký hiệu ghi chú .....................................................................18 Bảng 1.2. Các từ khóa của Java ............................................................................20 Bảng 1.3. Các kiểu số nguyên ..............................................................................21 Bảng 1.4. Các phép toán trên kiểu số nguyên.......................................................21 Bảng 1.5. Các loại số thực ....................................................................................22 Bảng 1.6. Các phép toán trên kiểu số thực ...........................................................22 Bảng 1.7. Giá trị mặc định ....................................................................................23 Bảng 1.8. Hằng số nguyên ....................................................................................25 Bảng 1.9. Các hằng số thực ..................................................................................26 Bảng 1.10. Toán tử 2 ngôi ....................................................................................30 Bảng 1.11. Danh sách các toán tử đơn .................................................................30 Bảng 1.12. Danh sách các toán tử gán ..................................................................31 Bảng 1.13. Danh sách các toán tử trên kiểu số thực .............................................31 Bảng 1.14. Danh sách các phép toán logic ...........................................................31 Bảng 2.1. Một ví dụ về hai phương pháp giải quyết OOP và Structured .............47 Bảng 2.2. Sử dụng các bổ nghĩa ...........................................................................54 Bảng 2.3. Các exception thường gặp ....................................................................83 Bảng 2.4. Các phương thức thông dụng của Throwable ......................................84 Bảng 3.1. Truy cập đến các thành phần của lớp ...................................................99 Bảng 3.2. Các lớp trình bao bọc cho các kiểu dữ liệu nguyên thủy. ....................99 Bảng 3.3. Lớp Runtime .......................................................................................110 Bảng 3.4. Lớp System. ........................................................................................111 Bảng 3.5. Lớp Object. .........................................................................................114 Bảng 3.6. Các phương thức của lớp InputStream ...............................................116 Bảng 3.7. Các phương thức lớp OutputStream...................................................117 Bảng 3.8. Các phương thức của giao diện DataInput .........................................129 Bảng 3.9. Các phương thức của giao diện DataOutput ......................................130 Bảng 4.1. Các phương thức của Label ................................................................141 vii
Bảng 4.2. Các phương thức của TextField .........................................................143 Bảng 4.3. Các phương thức của TextArea ..........................................................144 Bảng 4.4. Các biến thành viên của lớp GridBagConstraints ..............................159 Bảng 4.5. Các biến thành viên dữ liệu tĩnh của biến fill ....................................159 Bảng 4.6. các sự kiện của AWT .........................................................................164 Bảng 5.1. Các phương thức của một applet ........................................................176 Bảng 5.2. Phạm vi giá trị của các thành phần màu .............................................190 Bảng 5.3. Các giá trị RGB ..................................................................................190 Bảng 5.4. Các màu thường gặp ...........................................................................191 Bảng 5.5. Các lớp thành phần Swing..................................................................199 Bảng 5.6. Các hàm sử dụng của JLabel ..............................................................200 Bảng 5.7. Các hằng số ........................................................................................205 Bảng 6.1. Các phương thức của một lớp luồng ..................................................229 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cách biên dịch truyền thống ...................................................................3 Hình 1.2. Dịch chương trình Java ...........................................................................3 Hình 1.3. Trang web tải bộ công cụ Java .............................................................12 Hình 1.4. Biểu tượng Java Download ...................................................................12 Hình 1.5. Lựa chọn bản quyền ..............................................................................12 Hình 1.6. Bộ JDK cho Windows bản 64 bit .........................................................12 Hình 1.7. Màn hình cài đặt đầu tiên......................................................................13 Hình 1.8. Màn hình Custom Setup .......................................................................13 Hình 1.9. Màn hình Description Folder ................................................................13 Hình 1.10. Màn hình Description Folder ..............................................................14 Hình 1.11. Đường dẫn của thư mục cài đặt Java ..................................................14 Hình 1.12. Màn hình Computer Properties ...........................................................15 Hình 1.13. Màn hình System Properties ...............................................................15 Hình 1.14. Màn hình Environment Variables .......................................................16 Hình 1.15. Màn hình Edit System Variable ..........................................................16 Hình 1.16. Màn hình cửa sổ run ...........................................................................16 Hình 1.17. Màn hình Command Prompt ..............................................................16 Hình 3.1. Minh họa khái niệm của String Pool. .................................................101 Hình 3.2. Kết quả chạy ví dụ 3.22 ......................................................................112 Hình 3.3. Kết quả chạy ví dụ 3.23 ......................................................................114 Hình 3.4. Kết quả chạy ví dụ 3.25 ......................................................................119 Hình 3.5. Kết quả chạy ví dụ 3.26 ......................................................................121 Hình 3.6. Kết quả chạy ví dụ 3.27 ......................................................................125 Hình 3.7. Kết quả chạy ví dụ 3.28 ......................................................................127 Hình 3.8. Kết quả chạy ví dụ 3.29 ......................................................................128 Hình 3.9. Kết quả chạy ví dụ 3.30 ......................................................................132 Hình 4.1. Hệ thống cây phân cấp lớp AWT .......................................................137 Hình 4.2. Kết quả chạy ví dụ 4.1 ........................................................................138 ix
Hình 4.3. Kết quả chạy ví dụ 4.2 ........................................................................139 Hình 4.4. Các lớp thành phần .............................................................................140 Hình 4.5. Kết quả chạy ví dụ 4.3 ........................................................................142 Hình 4.6. Kết quả chạy ví dụ 4.4 ........................................................................143 Hình 4.7. Kết quả chạy ví dụ 4.5 ........................................................................145 Hình 4.8. Kết quả chạy ví dụ 4.6 ........................................................................147 Hình 4.9. Kết quả chạy ví dụ 4.7 ........................................................................149 Hình 4.10. Kết quả chạy ví dụ 4.8 ......................................................................151 Hình 4.11. Kết quả chạy ví dụ 4.9 ......................................................................153 Hình 4.12. BorderLayout ....................................................................................154 Hình 4.13. Kết quả chạy ví dụ 4.10 ....................................................................156 Hình 4.14. Kết quả chạy ví dụ 4.10 ....................................................................158 Hình 4.15. Kết quả chạy ví dụ 4.12 ....................................................................162 Hình 4.16. Kết quả chạy ví dụ 4.13 ....................................................................167 Hình 4.17. Gói Event ..........................................................................................167 Hình 4.18. Event Listener ...................................................................................168 Hình 4.19. Action Listener .................................................................................168 Hình 4.20. Item Listener .....................................................................................168 Hình 4.21. Window Listener ..............................................................................169 Hình 4.22. Các Component ................................................................................169 Hình 4.23. Kết quả chạy ví dụ 4.14 ....................................................................172 Hình 4.24. Pop-up menu .....................................................................................173 Hình 5.1. Kết quả chạy ví dụ 5.1 ........................................................................178 Hình 5.2. Chu trình sống của một applet ............................................................178 Hình 5.3. Kết quả chạy ví dụ 5.2 ........................................................................180 Hình 5.4. Kết quả chạy ví dụ 5.3 ........................................................................184 Hình 5.5. Kết quả chạy ví dụ 5.4 ........................................................................188 Hình 5.6. Kết quả chạy ví dụ 5.5 ........................................................................189 Hình 5.7. Kết quả chạy ví dụ 5.6 ........................................................................194 x
Hình 5.8. Kết quả chạy ví dụ 5.7 ........................................................................196 Hình 5.9. Kết quả chạy ví dụ 5.8 ........................................................................198 Hình 6.1. Kết quả thực hiện ví dụ 6.2 .................................................................227 Hình 6.2. Vòng đời của luồng.............................................................................228 Hình 6.3. Kết quả chạy ví dụ 6.3 ........................................................................231 Hình 6.4. Kết quả chạy ví dụ 6.4 ........................................................................233 Hình 6.5. Kết quả chạy ví dụ 6.5 ........................................................................237 Hình 6.6. Kết quả hiển thị của ví dụ 6.5 không có sự đồng bộ ..........................237 Hình 6. 7. Kết quả sau mỗi lần kích chuột..........................................................243 Hình 6.8. Kết quả thực hiện ví dụ 6.8 .................................................................246 Hình 6. 9. Kết quả chạy ví dụ 6.9 .......................................................................249 xi
CHƢƠNG 1: LẬP TRÌNH JAVA CƠ BẢN 1.1. Giới thiệu về Java và cài đặt 1.1.1. Lịch sử Java Java là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng (tựa C++) doSun Microsystem đưa ra vào giữa thập niên 90. Chương trình viết bằng ngôn ngữ lập trình Java có thể chạytrên bất kỳ hệ thống nào có cài máy ảo Java (Java VirtualMachine). Ngôn ngữ lập trình Java do James Gosling và các công sựcủa Công ty Sun Microsystem phát triển. Đầu thập niên 90, Sun Microsystem tập hợp các nhà nghiêncứu thành lập nên nhóm đặt tên là Green Team. Nhóm GreenTeam có trách nhiệm xây dựng công nghệ mới cho ngành điệntử tiêu dùng. Để giải quyết vấn đề này nhóm nghiên cứu pháttriển đã xây dựng một ngôn ngữ lập trình mới đặt tên là Oaktương tự như C++ nhưng loại bỏ một số tính năng nguy hiểmcủa C++ và có khả năng chạy trên nhiều nền phần cứng khácnhau. Cùng lúc đó WorldWide Web bắt đầu phát triển và Sun đãthấy được tiềm năng của ngôn ngữ Oak nên đã đầu tư cải tiếnvà phát triển. Sau đó không lâu ngôn ngữ mới với tên gọi làJava ra đời và được giới thiệu năm 1995. Đến quý II năm 1995, Sun Microsystems công bố chính thức Java và nó trở thành một công cụ mạnh mẽ cho việc phát triển các ứng dụng trên Internet. Java được xây dựng chủ yếu trong bộ công cụ phát triển JDK (Java Development Kit) nó gồm các trình biên dịch, thông dịch, giúp đỡ, soạn tài liệu, thư viện chuẩn… sau đó các nhà phát triển phần mềm đã xây dựng thêm rất nhiều nhánh mới như Java Mail (Java-Thư tín), Java TAPI (Java-Viễn thông)… Bắt đầu với JDK 1.0 vào 1995, đến năm 1996 Sun đưa ra phiên bản JDK 1.1, năm 1998 ra đời phiên bản JDK 1.2 và hiện nay đã có phiên bản JDK 1.7. Java là tên gọi của một hòn đảo ở Indonexia, Đây là nơinhóm nghiên cứu phát triển đã chọn để đặt tên cho ngôn ngữlập trình Java trong một chuyến đi tham quan và làm việc trênhòn đảo này. Hòn đảo Java này là nơi rất nổi tiếng với nhiềukhu vườn trồng cafe, đó chính là lý do chúng ta thường thấybiểu tượng ly cafe trong nhiều sản phẩm phần mềm, công cụ lậptrình Java của Sun cũng như một số hãng phần mềm khác đưara. 1.1.2. Đặc trƣng của Java  Đơn giản 1
 Hướng đối tượng  Độc lập phần cứng và hệ điều hành  Mạnh  Bảo mật  Phân tán  Đa luồng  Động a) Đơn giản Những người thiết kế mong muốn phát triển một ngôn ngữ dễ học và quen thuộc với đa số người lập trình. Do vậy Java loại bỏ các đặc trưng phức tạp của C và C++ như thao tác con trỏ, thao tác định nghĩa chồng toán tử (operator overloading),… Java không sử dụng lệnh “goto” cũng như file header (.h). Cấu trúc “struct” và “union” cũng được loại bỏ khỏi Java. b) Hƣớng đối tƣợng Java được thiết kế xoay quanh mô hình hướng đối tượng. Vì vậy trong Java, tiêu điểm là dữ liệu và các phương pháp thao tác lên dữ liệu đó. Dữ liệu và các phương pháp mô tả trạng thái và cách ứng xử của một đối tượng trong Java. c) Độc lập phần cứng và hệ điều hành Đây là khả năng một chương trình được viết tại một máy nhưng có thể chạy được bất kỳ đâu. Chúng được thể hiện ở mức mã nguồn và mức nhị phân. Ở mức mã nguồn, người lập trình cần mô tả kiểu cho mỗi biến. Kiểu dữ liệu trong Java nhất quán cho tất cả các hệ điều hành và phần cứng khác nhau. Java có riêng một thư viện các lớp cơ sở. Vì vậy chương trình Java được viết trên một máy có thể dịch và chạy trơn tru trên các loại máy khác mà không cần viết lại. Tính độc lập ở mức nhị phân, một chương trình đã biên dịch có thể chạy trên nhiều nền (phần cứng, hệ điều hành) khác mà không cần dịch lại mã nguồn. Tuy vậy cần có phần mềm máy ảo Java (sẽ đề cập đến ở phần sau) hoạt động như một trình thông dịch tại máy thực thi. 2
Hình 1.1. Cách biên dịch truyền thống Đối với các chương trình viết bằng C, C++ hoặc một ngôn ngữ nào khác, trình biên dịch sẽ chuyển tập lệnh thành mã máy (Machine code),hay lệnh của bộ vi xử lý. Những lệnh này phụ thuộc vào CPU hiện tại trên máy bạn. Nên khi muốn chạy trên loại CPU khác, chúng ta phải biên dịch lại chương trình. Hình 1.2 thể hiện quá trình để thực thi chương trình viết bằng C++ trên các loại máy khác nhau. Hình 1.2 Quá trình thực thi chương trình viết bằng Java trên các loại máy khác nhau. Hình 1.2. Dịch chương trình Java Môi trường phát triển của Java được chia làm hai phần: Trình biên dịch và trình thông dịch. Không như C hay C++, trình biên dịch của Java chuyển mã nguồn thành dạng bytecode độc lập với phần cứng mà có thể chạy trên bất kỳ CPU nào. Nhưng để thực thi chương trình dưới dạng bytecode, tại mỗi máy cần phải có trình thông dịch của Java hay còn gọi là máy ảo Java. Máy ảo Java chuyển bytecode thành mã lệnh mà CPU thực thi được. d) Mạnh mẽ Java là ngôn ngữ yêu cầu chặt chẽ về kiểu dữ liệu. Phải khai báo kiểu dữ liệu tường minh khi viết chương trình. Java kiểm tra lúc biên dịch và cả trong thời gian thông dịch vì vậy Java loại bỏ một số loại lỗi lập trình nhất định. 3
Java không sử dụng con trỏ và các phép toán con trỏ. Java kiểm tra tất cả các truy nhập đến mảng, chuỗi khi thực thi để đảm bảo rằng các truy nhập đó không ra ngoài giới hạn kích thước. Java kiểm tra sự chuyển đổi kiểu dữ liệu từ dạng này sang dạng khác lúc thực thi. Trong các môi trường lập trình truyền thống, lập trình viên phải tự mình cấp phát bộ nhớ. Trước khi chương trình kết thúc thì phải tự giải phóng bộ nhớ đã cấp. Vấn đề nảy sinh khi lập trình viên quên giải phóng bộ nhớ đã xin cấp trước đó. Trong chương trình Java, lập trình viên không phải bận tâm đến việc cấp phát bộ nhớ. Quá trình cấp phát, giải phóngđược thực hiện tự động, nhờ dịch vụ thu nhặt những đối tượng không còn sử dụng nữa (garbage collection).Cơ chế bẫy lỗi của Java giúp đơn giản hóa quá trình xử lý lỗi và hồi phục sau lỗi. e) Bảo mật Viruses là nguyên nhân gây ra sự lo lắng trong việc sử dụng máy tính. Trước khi có Java, các lập trình viên phải quétVirus các tệp trước khi tải về hay thực hiện chúng. Thông thường việc này cũng không loại trừ hoàn toàn Virus. Ngoài ra chương trình khi thực thi có khả năng tìm kiếm và đọc các thông tin nhạy cảm trên máy của người sử dụng mà người sử dụng không hề hay biết. Java cung cấp một môi trường quản lý thực thi chương trình. Nó cho rằng không có một đoạn mã nào là an toàn cả. Vì vậy Java không chỉ là ngôn ngữ lập trình thuần tuý mà còn cung cấp nhiều mức để kiểm soát tính an toàn khi thực thi chương trình. Ở lớp đầu tiên, dữ liệu và các phương thức được đóng gói bên trong lớp. Chúng chỉ được truy xuất thông qua các giao diện mà lớp cung cấp. Java không hỗ trợ con trỏ vì vậy không cho phép truy xuất bộ nhớ trực tiếp. Nó cũng ngăn chặn không cho truy xuất thông tin bên ngoài kích thước của mảng bằng kỹ thuật tràn và cũng cung cấp kỹ thuật dọn rác trong bộ nhớ. Các đặc trưng này tạo cho Java an toàn tối đa và có khả năng cơ động cao. Trong lớp thứ hai, trình biên dịch kiểm soát để đảm bảo mã là an toàn, và tuân theo các nguyên tắc của Java. Lớp thứ ba được đảm bảo bởi trình thông dịch. Chúng kiểm tra xem bytecode có đảm bảo các qui tắc an toàn trước khi thực thi. Lớp thứ tư kiểm soát việc nạp các lớp vào bộ nhớ để giám sát việc vi phạm giới hạn truy xuất trước khi nạp vào hệ thống. f) Phân tán 4
Java có thể dùng để xây dựng các ứng dụng có thể làm việc trên nhiều phần cứng, hệ điều hành và giao diện đồ họa. Java được thiết kế hỗ trợ cho các ứng dụng chạy trên mạng. Vì vậy chúng được sử dụng rộng rãi như là công cụ phát triển trên Internet, nơi sử dụng nhiều nền tảng khác nhau. g) Đa luồng Chương trình Java đa luồng(Multithreading) để thực thi các công việc đồng thời. Chúng cũng cung cấp giải pháp đồng bộ giữa các luồng. Đặc tính hỗ trợ đa luồngnày cho phép xây dựng các ứng dụng trên mạng chạy hiệu quả. h) Động Java được thiết kế như một ngôn ngữ động để đáp ứng cho những môi trường mở. Các chương trình Java chứa rất nhiều thông tin thực thi nhằm kiểm soát và truy nhập đối tượng lúc chạy. Điều này cho phép khả năng liên kết động mã. 1.1.3. Các kiểu chƣơng trình Java Chúng ta có thể xây dựng các loại chương trình Java như sau: a) Applets Applet là chương trình được tạo ra để sử dụng trên Internet thông qua các trình duyệt hỗ trợ Java như IE hay Netscape. Bạn có thể dùng Java để xây dựng Applet. Applet được nhúng bên trong trang Web. Khi trang Web hiển thị trong trình duyệt, Applet sẽ được tải về và thực thi tại trình duyệt. b) Ứng dụng thực thi qua dòng lệnh Các chương trình này chạy từ dấu nhắc lệnh và không sử dụng giao diện đồ họa. Các thông tin nhập xuất được thể hiện tại dấu nhắc lệnh. c) Ứng dụng đồ họa Đây là các chương trình Java chạy độc lập cho phép người dùng tương tác qua giao diện đồ họa. d) Servlet Java thích hợp để phát triển ứng dụng nhiều lớp. Applet là chương trình đồ họa chạy trên trình duyệt tại máy trạm. Ở các ứng dụng Web, máy trạm gửi yêu cầu tới máy chủ. Máy chủ xử lý và gửi kết quả trở lại máy trạm. Các Java API chạy trên máy chủ chịu trách nhiệm xử lý tại máy chủ và trả lời các yêu cầu của máy trạm. Các Java API chạy trên máy chủ này mở rộng khả năng của các ứng dụng Java API chuẩn. Các ứng dụng trên máy chủ này được gọi là các Servlet. hoặc Applet tại máy chủ. Xử lý Form của HTML là cách sử dụng đơn giản nhất của Servlet. Chúng còn có thể được 5
dùng để xử lý dữ liệu, thực thi các giao dịch và thường được thực thi thông qua máy chủ Web. e) Ứng dụng cơ sở dữ liệu Các ứng dụng này sử dụng JDBC API để kết nối tới cơ sở dữ liệu. Chúng có thể là Applet hay ứng dụng, nhưng Applet bị giới hạn bởi tính bảo mật. 1.1.4. Máy ảo Java Máy ảo là một phần mềm mô phỏng một máy tính thật. Nó có tập hợp các lệnh logic để xác định các hoạt động của máy tính và có một hệ điều hành ảo. Người ta có thể xem nó như một máy tính thật. Nó thiết lập các lớp trừu tượng cho: Phần cứng bên dưới, hệ điều hành, mã đã biên dịch. Trình biên dịch chuyển mã nguồn thành tập các lệnh của máy ảo mà không phụ thuộc vào phần cứng cụ thể. Trình thông dịch trên mỗi máy sẽ chuyển tập lệnh này thành chương trình thực thi. Máy ảo tạo ra một môi trường bên trong để thực thi các lệnh bằng cách:  Nạp các file .class  Quản lý bộ nhớ  Dọn “rác” Việc không nhất quán của phần cứng làm cho máy ảo phải sử dụng ngăn xếp để lưu trữ các thông tin sau:  Các “Frame” chứa các trạng thái của các phương thức.  Các toán hạng của mã bytecode.  Các tham số truyền cho phương thức.  Các biến cục bộ. Khi máy ảo Java(JVM) thực thi mã, một thanh ghi cục bộ có tên “Program Counter” được sử dụng. Thanh ghi này trỏ tới lệnh đang thực hiện. Khi cần thiết, có thể thay đổi nội dung thanh ghi để đổi hướng thực thi của chương trình. Trong trường hợp thông thường thì từng lệnh một nối tiếp nhau sẽ được thực thi. Một khái niệm thông dụng khác trong Java là trình biên dịch “Just In Time- JIT”. Các trình duyệt thông dụng như Netscape hay IE đều có JIT bên trong để tăng tốc độ thực thi chương trình Java. Mục đích chính của JIT là chuyển tập lệnh bytecode thành mã máy cụ thể cho từng loại CPU. Các lệnh này sẽ được lưu trữ và sử dụng mỗi khi gọi đến. a) Quản lý bộ nhớ và dọn rác Trong C, C++ hay Pascal người lập trình sử dụng phương pháp trực tiếp để cấp phát và thu hồi bộ nhớ ở vùng “Heap”. Heap là vùng bộ nhớ lớn được phân chia cho tất cả các luồng. 6
Để quản lý Heap, bộ nhớ được theo dõi qua các danh sách sau:  Danh sách các vùng nhớ chưa sử dụng.  Danh sách các vùng đã cấp. Khi có một yêu cầu về cấp phát bộ nhớ, hệ thống xem xét trong danh sách chưa cấp phát để lấy ra khối bộ nhớ đầu tiên có kích cỡ sát nhất với lượng bộ nhớ cần thiết . Kỹ thuật cấp phát này giảm tối thiểu việc phân mảnh của heap. “Coalescing” là kỹ thuật khác cũng giảm thiểu việc phân mảnh của heap bằng cách gom lại các vùng nhớ chưa dùng liền nhau thành một khối lớn hơn. Còn kỹ thuật sắp xếp lại các phần đã dùng để tạo vùng nhớ chưa sử dụng lớn hơn gọi là “Compaction”. Java sử dụng hai heap riêng biệt cho cấp phát vùng nhớ tĩnh và vùng nhớ động. Một heap (heap tĩnh) chứa các định nghĩa về lớp, các hằng và danh sách các phương thức. Heap còn lại (heap động) được chia làm hai phần được cấp phát theo hai chiều ngược nhau. Một bên chứa đối tượng còn một bên chứa con trỏ trỏ đến đối tượng đó. “Handle” là cấu trúc bao gồm hai con trỏ. Một trỏ đến bảng phương thức của đối tượng, con trỏ thứ hai trỏ đến chính đối tượng đó. Chú ý rằng khi “Compaction” cần cập nhật lại giá trị con trỏ của cấu trúc “handle”. Thuật toán dọn rác có thể áp dụng cho các đối tượng đặt trong heap động. Khi có yêu cầu về bộ nhớ, trình quản lý heap trước tiên kiểm tra danh sách bộ nhớ chưa cấp phát. Nếu không tìm thấy khối bộ nhớ nào phù hợp (về kích cỡ) thì trình dọn rác sẽ được kích hoạt khi hệ thống rỗi. Nhưng khi đòi hỏi bộ nhớ cấp bách thì trình dọn rác sẽ được kích hoạt ngay. Trình dọn rác gọi phương thức finalize của đối tượng trước khi dọn dẹp đối tượng. Hàm này sẽ dọn dẹp các tài nguyên bên ngoài như các file đang mở. Công việc này không được trình dọn rác thực thi. b) Quá trình kiểm tra file .class Việc kiểm tra được áp dụng cho tất cả các file .class sắp được nạp lên bộ nhớ để đảm bảo tính an toàn. Trình “Class Loader” sẽ kiểm tra tất cả các file .class không thuộc hệ điều hành với mục đích giám sát sự tuân thủ các nghi thức để phát hiện các file .class có nguy cơ gây hư hỏng đến bộ nhớ, hệ thống file cục bộ, mạng hoặc hệ điều hành. Quá trình kiểm tra sẽ xem xét tổng thể tính nguyên vẹn của một lớp. File .class bao gồm ba phần logic là:  Bytecode  Thông tin về Class như phương thức, giao diện và các giá trị hằng số được tập hợp trong quá trình biên dịch. 7
 Các thuộc tính về lớp. Các thông tin của file .class được xem xét riêng rẽ trong các bảng sau:  Bảng Field chứa các thuộc tính  Bảng Method chứa các hàm của class  Bảng Interface và các hằng số. Quá trình kiểm tra file .class được thực hiện ở bốn mức:  Mức đầu tiên thực hiện việc kiểm tra cú pháp để đảm bảo tính cấu trúc và tính toàn vẹn cú pháp của file .class được nạp.  Mức thứ hai sẽ xem xét file .class để đảm bảo các file này không vi phạm các nguyên tắc về sự nhất quán ngữ nghĩa.  Mức thứ ba sẽ kiểm tra bytecode. Trong bước này sẽ kiểm tra số thông số truyền vào phương thức, khả năng truy xuất sai chỉ số của mảng, chuỗi, biểu thức.  Mức thứ tư sẽ kiểm tra trong thời gian thực thi để giám sát các việc còn lại mà ba bước trên chưa làm. Ví dụ như liên kết tới các lớp khác trong khi thực thi, hay kiểm tra quyền truy xuất. Nếu mọi điều thỏa mãn, lớp sẽ được khởi tạo. 1.1.5. Bộ công cụ phát triển JDK Sun Microsystem đưa ra ngôn ngữ lập trình Java qua sản phẩm có tên là Java Development Kit (JDK). Từ khi phát triển phiên bản đầu tiên từ năm 1995 đến nay, bộ công cụ Java đã được phát triển qua nhiều phiên bản và cũng có nhiều sự thay đổi, sau đây là một số phiên bản đã được phát hành: JDK 1.0 JDK 1.1 (19 tháng 2, 1997) JDK 1.1.5 (Pumpkin) 03 tháng 12, 1997 JDK 1.1.6 (Abigail) 24 tháng 4, 1998 JDK 1.1.7 (Brutus) 28 tháng 9, 1998 JDK 1.1.8 (Chelsea) 08 tháng 4, 1999 J2SE 1.2 (Playground) 08 tháng 12, 1998 J2SE 1.2.1 (không có) 30 tháng 3, 1999 J2SE 1.2.2 (Cricket) 08 tháng 7, 1999 J2SE 1.3 (Kestrel) 08 tháng 5, 2000 8
J2SE 1.3.1 (Ladybird) 17 tháng 5, 2001 J2SE 1.4.0 (Merlin) 06 tháng 02, 2002 J2SE 1.4.1 (Hopper) 16 tháng 9, 2002 J2SE 1.4.2 (Mantis) 26 tháng 6, 2003 J2SE 5 (1.5.0) (Tiger) 30 tháng 9, 2004 Java SE 6(còn gọi là Mustang), được công bố 11 tháng 12 năm 2006. Các bản cập nhật 2 và 3 được đưa ra vào năm 2007, bản cập nhật 4 đưa ra tháng 1 năm 2008. JDK 6.18, 2010 Java SE 7(còn gọi là Dolphin), được bắt đầu từ tháng 8 năm 2006 và công bố ngày 28 tháng 7 năm 2011. Hiện tại đang phát triển và thử nghiệm bản Java JDK 8. JDK bao gồm Java Plug-In, chúng cho phép chạy trực tiếp Java Applet hay JavaBean bằng cách dùng JRE thay cho sử dụng môi trường thực thi mặc định của trình duyệt. JDK chứa các công cụ sau: Trình biên dịch, 'javac' Cú pháp: javac [options] sourcecodename.java Trình thông dịch, 'java' Cú pháp: java [options] classname Trình dịch ngƣợc, 'javap' javap dịch ngược bytecode và in ra thông tin về các thuộc tính (các trường), các phương thức của một lớp. Cú pháp: javap [options] classname Công cụ sinh tài liệu, 'javadoc' Tiện ích này cho phép ta tạo ra tệp HTML dựa trên các lời giải thích trong mã chương trình (phần nằm trong cặp dấu /*.... */). Cú pháp: 9