ШАГ 1: ПЕРЕЧИСЛИТЕ ВСЕ URL/URL-ПУТИ, КОТОРЫЕ ВЫ ХОТИТЕ ИСКЛЮЧИТЬ, ПЕРИОД ВАШЕГО ВЛАДЕНИЯ И ПЕРИОД, КОТОРЫЙ ВЫ ХОТИТЕ ИСКЛЮЧИТЬ (где это возможно, мы настроим исключение на запрошенный период)

ШАГ 2. Выберите и следуйте соответствующим разделам ниже для URL-адресов, которые вы хотите исключить из Wayback Machine.

ЕСЛИ ВЫ ЛИЧНО ВЛАДЕЕТЕ ВЕБ-САЙТАМИ данных URL-адресов, помогите нам подтвердить ваше право собственности на данные URL-адреса, выполнив одно из следующих действий:

ЕСЛИ ВЫ ПРЕДСТАВЛЯЕТЕ ЛИЦО, КОТОРОЕ ВЛАДЕЕТ ЛЮБЫМИ САЙТАМИ данных URL-адресов, помогите нам подтвердить ваше право собственности на данные URL-адреса, выполнив одно из следующих действий:

Как я удалял сайты из Вебархива

ВВЕДЕНИЕ В ОБЪЕКТЫ

Возникновением компьютерной революции мы обязаны машине. Поэтому наши языки программирования стараются быть ближе к этой машине.

Но в то же время компьютеры не столько механизмы, сколько средства усиления мысли («велосипеды для ума», как любил говорить Стив Джобс), и еще одно средство самовыражения. В результате инструменты программирования все меньше склоняются к машинам и все больше тяготеют к нашим умам, также как и к другим формам выражения человеческих устремлений, как-то: литература, живопись, скульптура, анимация и кинематограф. Объектно-ориентированное программирование (ООП) — часть превращения компьютера в средство самовыражения.

Эта глава познакомит вас с основами ООП, включая рассмотрение основных методов разработки программ. Она, и книга вообще, подразумевает наличие у вас опыта программирования на процедурном языке, не обязательно C.

Настоящая глава содержит подготовительный и дополнительный материалы. Многие читатели предпочитают сначала представить себе общую картину, а уже потом разбираться в тонкостях ООП. Поэтому многие идеи в данной главе служат тому, чтобы дать вам цельное представление об ООП. Однако многие люди не воспринимают общей идеи до тех пор, пока не увидят конкретно, как все работает; такие люди нередко вязнут в общих словах, не имея перед собой примеров. Если вы принадлежите к последним и горите желанием приступить к основам языка, можете сразу перейти к следующей главе — пропуск этой не будет препятствием для написания программ или изучения языка. И все же чуть позже вам стоит вернуться к этой главе, чтобы расширить свой кругозор и понять, почему так важны объекты и какое место они занимают при проектировании программ.

Развитие абстракции

Все языки программирования построены на абстракции. Возможно, трудность решаемых задач напрямую зависит от типа и качества абстракции. Под словом «тип» я имею в виду: «Что конкретно мы абстрагируем?» Язык ассемблера есть небольшая абстракция от компьютера, на базе которого он работает. Многие так называемые «командные» языки, созданные вслед за ним (такие, как Fortran, BASIC и C), представляли собой абстракции следующего уровня. Эти языки обладали значительным преимуществом по сравнению с ассемблером, но их основная абстракция по-прежнему заставляет думать вас о структуре компьютера, а не о решаемой задаче. Программист должен установить связь между моделью машины (в «пространстве решения», которое представляет место, где реализуется решение, — например, компьютер) и моделью задачи, которую и нужно решать (в «пространстве задачи», которое является местом существования задачи — например, прикладной областью). Для установления связи требуются усилия, оторванные от собственно языка программирования; в результате появляются программы, которые трудно писать и тяжело поддерживать. Мало того, это еще создало целую отрасль «методологий программирования».

Альтернативой моделированию машины является моделирование решаемой задачи. Ранние языки, подобные LISP и APL, выбирали особый подход к моделированию окружающего мира («Все задачи решаются списками» или «Алгоритмы решают все» соответственно). PROLOG трактует все проблемы как цепочки решений. Были созданы языки для программирования, основанного на системе ограничений, и специальные языки, в которых программирование осуществлялось посредством манипуляций с графическими конструкциями (область применения последних оказалась слишком узкой). Каждый из этих подходов хорош в определенной области решаемых задач, но стоит выйти из этой сферы, как использовать их становится затруднительно.

Объектный подход делает шаг вперед, предоставляя программисту средства для представления задачи в ее пространстве. Такой подход имеет достаточно общий характер и не накладывает ограничений на тип решаемой проблемы. Элементы пространства задачи и их представления в пространстве решения называются «объектами». (Вероятно, вам понадобятся и другие объекты, не имеющие аналогов в пространстве задачи.) Идея состоит в том, что программа может адаптироваться к специфике задачи посредством создания новых типов объектов так, что во время чтения кода, решающего задачу, вы одновременно видите слова, ее описывающие. Это более гибкая и мощная абстракция, превосходящая по своим возможностям все, что существовало ранее<ref>Некоторые разработчики языков считают, что само по себе объектно-ориентированное программирование не является достаточным для решения всех задач программирования, и выступают за сочетание различных парадигм программирования в одном языке. Такие языки называют мультипарадигма?льными (multiparadigm). Смотрите книгу Тимоти Бадда Multiparadigm Programming in Leda (Addison-Wesley, 1995).</ref>. Таким образом, ООП позволяет описать задачу в контексте самой задачи, а не в контексте компьютера, на котором будет исполнено решение. Впрочем, связь с компьютером все же сохранилась. Каждый объект похож на маленький компьютер; у него есть состояние и операции, которые он позволяет проводить. Такая аналогия неплохо сочетается с внешним миром, который есть «реальность, данная нам в объектах», имеющих характеристики и поведение.

Алан Кей подвел итог и вывел пять основных черт языка Smalltalk — первого удачного объектно-ориентированного языка, одного из предшественников Java. Эти характеристики представляют «чистый», академический подход к объектно-ориентированному программированию:

• Все является объектом. Представляйте себе объект как усовершенствованную переменную; он хранит данные, но вы можете «обращаться с запросами» к объекту, требуя у него выполнить операции над собой. Теоретически абсолютно любой компонент решаемой задачи (собака, здание, услуга и т. п.) может быть представлен в виде объекта.

• Программа — это группа объектов, указывающих друг другу, что делать, посредством сообщений. Чтобы обратиться с запросом к объекту, вы «посылаете ему сообщение». Более наглядно можно представить сообщение как вызов метода, принадлежащего определенному объекту.

• Каждый объект имеет собственную «память», состоящую из других объектов. Иными словами, вы создаете новый объект с помощью встраивания в него уже существующих объектов. Таким образом, можно сконструировать сколь угодно сложную программу, скрыв общую сложность за простотой отдельных объектов.

• У каждого объекта есть тип. В других терминах, каждый объект является экземпляром класса, где «класс» является аналогом слова «тип». Важнейшее отличие классов друг от друга как раз и заключается в ответе на вопрос: «Какие сообщения можно посылать объекту?»

• Все объекты определенного типа могут получать одинаковые сообщения. Как мы вскоре убедимся, это очень важное обстоятельство. Так как объект типа «круг» также является объектом типа «фигура», справедливо утверждение, что «круг» заведомо способен принимать сообщения для «фигуры». А это значит, что можно писать код для фигур и быть уверенным в том, что он подойдет для всего, что попадает под понятие фигуры. Взаимозаменяемость представляет одно из самых мощных понятий ООП.

Буч предложил еще более лаконичное описание объекта:

Объект обладает состоянием, поведением и индивидуальностью.

Суть сказанного в том, что объект может иметь в своем распоряжении внутренние данные (которые и есть состояние объекта), методы (которые определяют поведение), и каждый объект можно уникальным образом отличить от любого другого объекта — говоря более конкретно, каждый объект обладает уникальным адресом в памяти<ref>Это верно с некоторыми ограничениями, поскольку объекты могут реально существовать на других машинах и в различных адресных пространствах, и также могут храниться на диске. В этих случаях, индивидуальность объекта должна определяться чем-то иным, чем адресом памяти.</ref>.

Объект имеет интерфейс

Вероятно, Аристотель был первым, кто внимательно изучил понятие типа; он говорил о «классе рыб и классе птиц». Концепция, что все объекты, будучи уникальными, в то же время являются частью класса объектов со сходными ха­рактеристиками и поведением, была использована в первом объектно-ориентированном языке Simula-67, с введением фундаментального ключевого слова class, которое вводило новый тип в программу.

Язык Simula, как подразумевает его имя, был создан для развития и моделирования ситуаций, подобных классической задаче «банковский кассир». У вас есть группы кассиров, клиентов, счетов, платежей и денежных единиц — много «объектов». Объекты, идентичные во всем, кроме внутреннего состояния во время работы программы, группируются в «классы объектов». Отсюда и пришло ключевое слово class. Создание абстрактных типов данных есть фундаментальное понятие во всем объектно-ориентированном программировании. Абстрактные типы данных действуют почти так же, как и встроенные типы: вы можете создавать переменные типов (называемые объектами или экземплярами в терминах ООП) и манипулировать ими (что называется посылкой сообщений или запросом; вы производите запрос, и объект решает, что с ним делать). Члены (элементы) каждого класса обладают сходством: у каждого счета имеется баланс, каждый кассир принимает депозиты, и т. п. В то же время все члены отличаются внутренним состоянием: у каждого счета баланс индивидуален, каждый кассир имеет человеческое имя. Поэтому все кассиры, заказчики, счета, переводы и прочее могут быть представлены уникальными сущностями внутри компьютерной программы. Это и есть суть объекта, и каждый объект принадлежит к определенному классу, который определяет его характеристики и поведение.

Таким образом, хотя мы реально создаем в объектных языках новые типы данных, фактически все эти языки используют ключевое слово «класс». Когда видите слово «тип», думайте «класс», и наоборот<ref>Некоторые люди различают эти два понятия, указывая, что тип определяет интерфейс, а класс — это конкретная реализация интерфейса.</ref>.

Поскольку класс определяет набор объектов с идентичными характеристиками (элементы данных) и поведением (функциональность), класс на самом деле является типом данных, потому что, например, число с плавающей запятой тоже имеет ряд характеристик и особенности поведения. Разница состоит в том, что программист определяет класс для представления некоторого аспекта задачи, вместо использования уже существующего типа, представляющего единицу хранения данных в машине. Вы расширяете язык программирования, добавляя новые типы данных, соответствующие вашим потребностям. Система программирования благосклонна к новым классам и уделяет им точно такое же внимание, как и встроенным типам.

Объектно-ориентированный подход не ограничен построением моделей. Согласитесь вы или нет, что любая программа является моделью разрабатываемой вами системы, использование ООП-технологии легко сводит большой комплекс задач к простому решению.

После определения нового класса вы можете создать любое количество объектов этого класса, а затем манипулировать ими так, как будто они представляют собой элементы решаемой задачи. На самом деле одной из основных трудностей в ООП является установление однозначного соответствия между объектами пространства задачи и объектами пространства решения.

Но как заставить объект выполнять нужные вам действия? Должен существовать механизм передачи запроса к объекту на выполнение некоторого действия — завершения транзакции, рисования на экране и т. д. Каждый объект умеет выполнять только определенный круг запросов. Запросы, которые вы можете посылать объекту, определяются его интерфейсом, причем интерфейс объекта определяется его типом. Простейшим примером может стать электрическая лампочка:

 Light lt = new Light();
 lt.on();

Интерфейс определяет, какие запросы вы вправе делать к определенному объекту. Однако где-то должен существовать и код, выполняющий запросы. Этот код, наряду со скрытыми данными, составляет реализацию. С точки зрения процедурного программирования происходящее не так уж сложно. Тип содержит метод для каждого возможного запроса, и при получении определенного запроса вызывается нужный метод. Процесс обычно объединяется в одно целое: и «отправка сообщения» (передача запроса) объекту, и его обработка объектом (выполнение кода).

В данном примере существует тип (класс) с именем Light (лампа), конкретный объект типа Light с именем It, и класс поддерживает различные запросы к объекту Light: выключить лампочку, включить, сделать ярче или притушить. Вы создаете объект Light, определяя «ссылку» на него (It) и вызывая оператор new для создания нового экземпляра этого типа. Чтобы послать сообщение объекту, следует указать имя объекта и связать его с нужным запросом знаком точки. С точки зрения пользователя заранее определенного класса, этого вполне достаточно для того, чтобы оперировать его объектами.

Диаграмма, показанная выше, следует формату UML (Unified Modeling Language). Каждый класс представлен прямоугольником, все описываемые поля данных помещены в средней его части, а методы (функции объекта, которому вы посылаете сообщения) перечисляются в нижней части прямоугольника.

Часто на диаграммах UML показываются только имя класса и открытые методы, а средняя часть отсутствует. Если же вас интересует только имя класса, то можете пропустить и нижнюю часть.

Объект предоставляет услуги

В тот момент, когда вы пытаетесь разработать или понять структуру программы, часто бывает полезно представить объекты в качестве «поставщиков услуг». Ваша программа оказывает услуги пользователю, и делает она это посредством услуг, предоставляемых другими объектами. Ваша цель — произвести (а еще лучше отыскать в библиотеках классов) тот набор объектов, который будет оптимальным для решения вашей задачи.

Для начала спросите себя: «если бы я мог по волшебству вынимать объекты из шляпы, какие бы из них смогли решить мою задачу прямо сейчас?» Предположим, что вы разрабатываете бухгалтерскую программу. Можно представить себе набор объектов, предоставляющих стандартные окна для ввода бухгалтерской информации, еще один набор объектов, выполняющих бухгалтерские расчеты, объект, ведающий распечаткой чеков и счетов на всевозможных принтерах. Возможно, некоторые из таких объектов уже существуют, а для других объектов стоит выяснить, как они могли бы выглядеть. Какие услуги могли бы предоставлять те объекты, и какие объекты понадобились бы им для выполнения своей работы? Если вы будете продолжать в том же духе, то рано или поздно скажете: «Этот объект достаточно прост, так что можно сесть и записать его», или «Наверняка такой объект уже существует». Это разумный способ распределить решение задачи на отдельные объекты.

Представление объекта в качестве поставщика услуг обладает дополнительным преимуществом: оно помогает улучшить связуемостъ (cohesiveness) объекта. Хорошая связуемостъ — важнейшее качество программного продукта: она озна­чает, что различные аспекты программного компонента (такого как объект, хотя сказанное также может относиться к методу или к библиотеке объектов) хорошо «стыкуются» друг с другом. Одной из типичных ошибок, допускаемых при проектировании объекта, является перенасыщение его большим количеством свойств и возможностей. Например, при разработке модуля, ведающего распечаткой чеков, вы можете захотеть, чтобы он «знал» все о форматировании и печати.

Если подумать, скорее всего, вы придете к выводу, что для одного объекта этого слишком много, и перейдете к трем или более объектам. Один объект будет представлять собой каталог всех возможных форм чеков, и его можно будет запросить о том, как следует распечатать чек. Другой объект или набор объектов станут отвечать за обобщенный интерфейс печати, «знающий» все о различных типах принтеров (но ничего не «понимающий» в бухгалтерии — такой объект лучше купить, чем разрабатывать самому). Наконец, третий объект просто будет пользоваться услугами описанных объектов, для того чтобы выполнить задачу. Таким образом, каждый объект представляет собой связанный набор предлагаемых им услуг. В хорошо спланированном объектно-ориентированном проекте каждый объект хорошо справляется с одной конкретной задачей, не пытаясь при этом сделать больше нужного. Как было показано, это не только позволяет определить, какие объекты стоит приобрести (объект с интерфейсом печати), но также дает возможность получить в итоге объект, который затем можно использовать где-то еще (каталог чеков).

Представление объектов в качестве поставщиков услуг значительно упрощает задачу. Оно полезно не только во время разработки, но и когда кто-либо попытается понять ваш код или повторно использовать объект — тогда он сможет адекватно оценить объект по уровню предоставляемого сервиса, и это значительно упростит интеграцию последнего в другой проект.

Скрытая реализация

Программистов полезно разбить на создателей классов (те, кто создает новые типы данных) и программистов-клиентов<ref>Признателен за этот термин другу Скотту Мейерсу.</ref> (потребители классов, использующие типы данных в своих приложениях). Цель вторых — собрать как можно больше классов, чтобы заниматься быстрой разработкой программ. Цель создателя класса — построить класс, открывающий только то, что необходимо программисту-клиенту, и прячущий все остальное. Почему? Программист-клиент не сможет получить доступ к скрытым частям, а значит, создатель классов оставляет за собой возможность произвольно их изменять, не опасаясь, что это кому-то повредит. «Потаенная» часть обычно и самая «хрупкая» часть объекта, которую легко может испортить неосторожный или несведущий программист-клиент, поэтому сокрытие реализации сокращает количество ошибок в программах.

В любых отношениях важно иметь какие-либо границы, не переступаемые никем из участников. Создавая библиотеку, вы устанавливаете отношения с программистом-клиентом. Он является таким же программистом, как и вы, но будет использовать вашу библиотеку для создания приложения (а может быть, библиотеки более высокого уровня). Если предоставить доступ ко всем членам класса кому угодно, программист-клиент сможет сделать с классом все, что ему заблагорассудится, и вы никак не сможете заставить его «играть по правилам». Даже если вам впоследствии понадобится ограничить доступ к определенным членам вашего класса, без механизма контроля доступа это осуществить невозможно. Все строение класса открыто для всех желающих.

Таким образом, первой причиной для ограничения доступа является необходимость уберечь «хрупкие» детали от программиста-клиента — части внутренней «кухни», не являющиеся составляющими интерфейса, при помощи которого пользователи решают свои задачи. На самом деле это полезно и пользователям — они сразу увидят, что для них важно, а что они могут игнорировать.

Вторая причина появления ограничения доступа — стремление позволить разработчику библиотеки изменить внутренние механизмы класса, не беспокоясь о том, как это отразится на программисте-клиенте. Например, вы можете реализовать определенный класс «на скорую руку», чтобы ускорить разработку программы, а затем переписать его, чтобы повысить скорость работы. Если вы правильно разделили и защитили интерфейс и реализацию, сделать это будет совсем несложно.

Java использует три явных ключевых слова, характеризующих уровень доступа: public, private и protected. Их предназначение и употребление очень просты. Эти спецификаторы доступа определяют, кто имеет право использовать следующие за ними определения. Слово public означает, что последующие определения доступны всем. Наоборот, слово private значит, что следующие за ним предложения доступны только создателю типа, внутри его методов. Термин private — «крепостная стена» между вами и программистом-клиентом. Если кто-то попытается использовать private-члены, он будет остановлен ошибкой компиляции. Спецификатор protected действует схоже с private, за одним исключением — производные классы имеют доступ к членам, помеченным protected, но не имеют доступа к private-членам (наследование мы вскоре рассмотрим).

В Java также есть доступ «по умолчанию», используемый при отсутствии какого-либо из перечисленных спецификаторов. Он также иногда называется доступом в пределах пакета (package access), поскольку классы могут использовать дружественные члены других классов из своего пакета, но за его пределами те же дружественные члены приобретают статус private.

Повторное использование реализации

Созданный и протестированный класс должен (в идеале) представлять собой полезный блок кода. Однако оказывается, что добиться этой цели гораздо труднее, чем многие полагают; для разработки повторно используемых объектов требуется опыт и понимание сути дела. Но как только у вас получится хорошая конструкция, она будет просто напрашиваться на внедрение в другие программы. Многократное использование кода — одно из самых впечатляющих преимуществ объектно-ориентированных языков.

Проще всего использовать класс повторно, непосредственно создавая его объект, но вы можете также поместить объект этого класса внутрь нового класса. Мы называем это внедрением объекта (создание объекта-члена). Новый класс может содержать любое ко­личество объектов других типов, в любом сочетании, которое необходимо для достижения необходимой функциональности. Так как мы составляем новый класс из уже существующих классов, этот способ называется композицией (если композиция выполняется динамически, она обычно именуется агрегацией). Композицию часто называют отношением типа «имеет» (has-a), как, например, в предложении «У автомобиля есть двигатель».

(На UML-диаграммах композиция обозначается закрашенным ромбом, показывающим, например, что существует только один автомобиль. Я обычно использую более общую форму отношений: только линии, без ромба, что означает ассоциацию (связь).<ref>Этого обычно достаточно для большинства диаграмм, где для вас не существенна разница между композицией или агрегацией.</ref>)

Композиция — очень гибкий инструмент. Объекты-члены вашего нового класса обычно объявляются закрытыми (private), что делает их недоступными для программистов-клиентов, использующих класс. Это позволяет вносить изменения в эти объекты-члены без модификации уже существующего клиентского кода. Вы можете также изменять эти члены во время исполнения программы, чтобы динамически управлять поведением вашей программы. Наследование, описанное ниже, не имеет такой гибкости, так как компилятор накладывает определенные ограничения на классы, созданные с применением наследования.

Наследование играет важную роль в объектно-ориентированном программировании, поэтому на нем часто акцентируется повышенное внимание, и новичок может подумать, что наследование должно применяться повсюду. А это чревато созданием неуклюжих и излишне сложных решений. Вместо этого при создании новых классов прежде всего следует оценить возможность композиции, так как она проще и гибче. Если вы возьмете на вооружение рекомендуемый подход, ваши программные конструкции станут гораздо яснее. А по мере накопления практического опыта понять, где следует применять наследование, не составит труда.

Наследование

Сама по себе идея объекта крайне удобна. Объект позволяет совмещать данные и функциональность на концептуальном уровне, то есть вы можете представлять нужное понятие из пространства-задачи вместо того, чтобы его конкретизировать используя диалект машины. Эти концепции и образуют фундаментальные единицы языка программирования, описываемые с помощью ключевого слова class.

Но согласитесь, было бы обидно создавать какой-то класс, а потом проделывать всю работу заново для похожего класса. Гораздо рациональнее взять готовый класс, «клонировать» его, а затем внести добавления и обновления в полученный клон. Это именно то, что вы получаете в результате наследования, с одним исключением — если изначальный класс (называемый также базовым* классом, суперклассом или родительским классом) изменяется, то все изменения отражаются и на его «клоне» (называемом производным классом, унаследованным классом, подклассом или дочерним классом).

(Стрелка (пустой треугольник) на UML-диаграмме направлена от производного класса к базовому классу. Как вы вскоре увидите, может быть и больше одного производного класса.)

Тип определяет не только свойства группы объектов; он также связан с другими типами. Два типа могут иметь общие черты и поведение, но различаться количеством характеристик, а также способностью обработать большее число сообщений (или обработать их по-другому). Для выражения этой общности типов при наследовании используется понятие базовых и производных типов. Базовый тип содержит все характеристики и действия, общие для всех типов, производных от него. Вы создаете базовый тип, чтобы представить основу своего представления о каких-то объектах в вашей системе. От базового типа порождаются другие типы, выражающие другие реализации этой сущности.

Например, машина по переработке мусора сортирует отходы. Базовым типом будет «мусор», и каждая частица мусора имеет вес, стоимость и т. п., и может быть раздроблена, расплавлена или разложена. Отталкиваясь от этого, наследуются более определенные виды мусора, имеющие дополнительные характеристики (бутылка имеет цвет) или черты поведения (алюминиевую банку можно смять, стальная банка притягивается магнитом). Вдобавок, некоторые черты поведения могут различаться (стоимость бумаги зависит от ее типа и состояния). Наследование позволяет составить иерархию типов, описывающую решаемую задачу в контексте ее типов.

Второй пример — классический пример с геометрическими фигурами. Базовым типом здесь является «фигура», и каждая фигура имеет размер, цвет, расположение и т. п. Каждую фигуру можно нарисовать, стереть, переместить, закрасить и т. д. Далее производятся (наследуются) конкретные разновидности фигур: окружность, квадрат, треугольник и т. п., каждая из которых имеет свои дополнительные характеристики и черты поведения. Например, для некоторых фигур поддерживается операция зеркального отображения. Отдельные черты поведения могут различаться, как в случае вычисления площади фигуры. Иерархия типов воплощает как схожие, так и различные свойства фигур.

Приведение решения к понятиям, использованным в примере, чрезвычайно удобно, потому что вам не потребуется множество промежуточных моделей, связывающих описание решения с описанием задачи. При работе с объектами первичной моделью становится иерархия типов, так что вы переходите от описания системы в реальном мире прямо к описанию системы в программном коде. На самом деле одна из трудностей в объектно-ориентированном планировании состоит в том, что уж очень просто вы проходите от начала задачи до конца решения. Разум, натренированный на сложные решения, часто заходит в тупик при использовании простых подходов.

Используя наследование от существующего типа, вы создаете новый тип. Этот новый тип не только содержит все члены существующего типа (хотя члены, помеченные как private, скрыты и недоступны), но и, что еще важнее, повторяет интерфейс базового класса. Значит, все сообщения, которые вы могли посылать базовому классу, вы также вправе посылать и производному классу. А так как мы различаем типы классов по совокупности сообщений, которые можем им посылать, это означает, что производный класс является частным случаем базового класса. В предыдущем примере «окружность есть фигура». Эквивалентность типов, достигаемая при наследовании, является одним из основополагающих условий понимания смысла объектно-ориентированного программирования.

Так как и базовый, и производный классы имеют одинаковый основной интерфейс, должна существовать и реализация для этого интерфейса. Другими словами, где-то должен быть код, выполняемый при получении объектом определенного сообщения. Если вы просто унаследовали класс и больше не предпринимали никаких действий, методы из интерфейса базового класса перейдут в производный класс без изменений. Это значит, что объекты производного класса не только однотипны, но и обладают одинаковым поведением, а при этом само наследование теряет смысл.

Существует два способа изменения нового класса по сравнению с базовым классом. Первый достаточно очевиден: в производный класс добавляются совершенно новые методы. Они уже не являются частью интерфейса базового класса. Видимо, базовый класс не делал всего, что требовалось в данной задаче, так что вы добавили несколько методов. Впрочем, такой простой и примитивный подход к наследованию иногда оказывается идеальным решением проблемы. Однако надо внимательно рассмотреть то, что базовый класс может также нуждаться в этих добавленных методах. Процесс выявления закономерностей и пересмотра архитектуры является повседневным делом в объектно-ориентированном программировании.

Хотя наследование иногда наводит на мысль, что интерфейс будет дополнен новыми методами (особенно в Java, где наследование обозначается ключевым словом extends, то есть «расширять»), это совсем не обязательно. Второй, более важный способ модификации класса заключается в изменении поведения уже существующих методов базового класса. Это называется переопределением (или замещением) метода.

Для замещения метода нужно просто создать новое определение этого метода в производном классе. Вы как бы говорите: «Я использую тот же метод интерфейса, но хочу, чтобы он выполнял другие действия для моего нового типа».

Отношение «является» в сравнении с «похоже»

При использовании наследования встает очевидный вопрос: следует ли при наследовании переопределять методы только базового класса (и не добавлять новые методы, не существующие в базовом классе)? Это означало бы, что производный класс будет точно такого же типа, как и базовый класс, так как они имеют одинаковый интерфейс. В результате вы можете свободно заменять объекты базового класса объектами производных классов. Можно говорить о полной замене, и это часто называется принципом замещения. В определенном смысле это способ наследования идеален. Подобный способ взаимосвязи базового и производного классов часто называют связью «является тем-то», поскольку можно сказать «круг есть фигура». Чтобы определить, насколько уместным будет наследование, достаточно проверить, существует ли отношение «является» между классами и насколько оно оправданно.

В иных случаях интерфейс производного класса дополняется новыми элементами, что приводит к его расширению. Новый тип все еще может применяться вместо базового, но теперь эта замена не идеальна, потому что новые методы не доступны из базового типа. Подобная связь описывается выражением «похоже на» (это мой термин); новый тип содержит интерфейс старого типа, но также включает в себя и новые методы, и нельзя сказать, что эти типы абсолютно одинаковы. Для примера возьмем кондиционер.

Предположим, что ваш дом снабжен всем необходимым оборудованием для контроля процесса охлаждения. Представим теперь, что кондиционер сломался и вы заменили его обогревателем, способным как нагревать, так и охлаждать. Обогреватель «похож на» кондиционер, но он способен и на большее. Так как система управления вашего дома способна контролировать только охлаждение, она ограничена в коммуникациях с охлаждающей частью нового объекта. Интерфейс нового объекта был расширен, а существующая система ничего не признает, кроме оригинального интерфейса.

Конечно, при виде этой иерархии становится ясно, что базовый класс «охлаждающая система» недостаточно гибок; его следует переименовать в «систему контроля температуры» так, чтобы он включал и нагрев, — и после этого заработает принцип замещения. Тем не менее эта диаграмма представляет пример того, что может произойти в реальности.

После знакомства с принципом замещения может возникнуть впечатление, что этот подход (полная замена) — единственный способ разработки. Вообще говоря, если ваши иерархии типов так работают, это действительно хорошо. Но в неко­торых ситуациях совершенно необходимо добавлять новые методы к интерфейсу производного класса. При внимательном анализе оба случая представляются достаточно очевидными.

Взаимозаменяемые объекты и полиморфизм

При использовании иерархий типов часто приходится обращаться с объектом определенного типа как с базовым типом. Это позволяет писать код, не зависящий от конкретных типов. Так, в примере с фигурами методы манипулируют просто фигурами, не обращая внимания на то, являются ли они окружностями, прямоугольниками, треугольниками или некоторыми еще даже не определенными фигурами. Все фигуры могут быть нарисованы, стерты и перемещены, а методы просто посылают сообщения объекту «фигура»; им безразлично, как объект обойдется с этим сообщением.

Подобный код не зависит от добавления новых типов, а добавление новых типов является наиболее распространенным способом расширения объектно-ориентированных программ для обработки новых ситуаций. Например, вы можете создать новый подкласс фигуры (пятиугольник), и это не приведет к изменению методов, работающих только с обобщенными фигурами. Возможность простого расширения программы введением новых производных типов очень важна, потому что она заметно улучшает архитектуру программы, в то же время снижая стоимость поддержки программного обеспечения.

Однако при попытке обращения к объектам производных типов как к базовым типам (окружности как фигуре, велосипеду как средству передвижения, баклану как птице и т. п.) возникает одна проблема. Если метод собирается приказать обобщенной фигуре нарисовать себя, или средству передвижения следовать по определенному курсу, или птице полететь, компилятор не может точно знать, какая именно часть кода выполнится. В этом все дело — когда посылается сообщение, программист и не хочет знать, какой код выполняется; метод прорисовки с одинаковым успехом может применяться и к окружности, и к прямоугольнику, и к треугольнику, а объект выполнит верный код, зависящий от его характерного типа.

Если вам не нужно знать, какой именно фрагмент кода выполняется, то, когда вы добавляете новый подтип, код его реализации может быть различным, не требуя изменений в методе, из которого он был вызван. Если компилятор не обладает информацией, какой именно код следует выполнить, что же он делает?

В следующем примере объект BirdController (управление птицей) может работать только с обобщенными объектами Bird (птица), не зная точного их типа. С точки зрения BirdController это удобно, поскольку для него не придется писать специальный код проверки типа используемого объекта Bird, для обработки какого-то особого поведения. Как же все-таки происходит, что при вызове метода move(), без указания точного типа Bird, исполняется верное действие — объект Goose (гусь) бежит, летит или плывет, а объект Penguin (пингвин) бежит или плывет?

Ответ объясняется главной особенностью объектно-ориентированного программирования: компилятор не может вызывать такие функции традиционным способом. При вызовах функций, созданных не ООП-компилятором, используется раннее связывание — многие не знают этого термина просто потому, что не представляют себе другого варианта. При раннем связывании компилятор генерирует вызов функции с указанным именем, а компоновщик привязывает этот вызов к абсолютному адресу кода, который необходимо выполнить. В ООП программа не в состоянии определить адрес кода до времени исполнения, поэтому при отправке сообщения объекту должен срабатывать иной механизм.

Для решения этой задачи, языки объектно-ориентированного программирования используют концепцию позднего связывания. Когда вы посылаете сообщение объекту, вызываемый код неизвестен вплоть до времени исполнения. Компилятор лишь убеждается в том, что метод существует, проверяет типы для его параметров и возвращаемого значения, но не имеет представления, какой именно код будет исполняться.

Для осуществления позднего связывания, Java вместо абсолютного вызова использует специальные фрагменты кода. Этот код вычисляет адрес тела метода на основе информации, хранящейся в объекте (процесс очень подробно описан в главе 7, посвящённой полиморфизму). Таким образом, каждый объект может вести себя различно, в зависимости от содержимого этого специального фрагмента кода. Когда вы посылаете сообщение, объект фактически сам решает, что же с ним делать.

В некоторых языках необходимо явно указать, что для метода должен использоваться гибкий механизм позднего связывания (в C++ для этого предусмотрено ключевое слово virtual). В этих языках методы по умолчанию компонуются не динамически. В Java позднее связывание производится по умолчанию, и вам не нужно помнить о необходимости добавления каких-либо ключевых слов для обеспечения полиморфизма.

Вспомним о примере с фигурами. Семейство классов (основанных на одинаковом интерфейсе) было показано на диаграмме чуть раньше в этой главе. Для демонстрации полиморфизма мы напишем фрагмент кода, который игнорирует характерные особенности типов и работает только с базовым классом. Этот код отделен от специфики типов, поэтому его проще писать и понимать. И если новый тип (например, шестиугольник) будет добавлен посредством наследования, то написанный вами код для нового типа фигуры, будет работать так же хорошо, как код уже существующих типов. Таким образом, программа становится расширяемой.

Допустим, вы написали на Java следующий метод (вскоре вы узнаете, как это делать):

 void doSomething(Shape shape) {
    shape.erase(); // стереть
    //...
    shape.draw(); // нарисовать
 }

Метод работает с обобщенной фигурой (Shape), то есть не зависит от конкретного типа объекта, который рисуется или стирается. Теперь мы используем вызов метода doSomething() в другой части программы:

 Circle circle = new Circle();       // окружность 
 Triangle triangle = new Triangle(); // треугольник 
 Line line = new Line();             // линия 
   doSomething(circle); 
   doSomething(triangle); 
   doSomething(line);

Вызовы метода doSomething() автоматически работают правильно, вне зависимости от фактического типа объекта.

На самом деле это довольно важный факт. Рассмотрим строку:

 doSomething(circle);

Здесь происходит следующее: методу, ожидающему объект Shape, передается объект «окружность» (Circle). Так как окружность (Circle) одновременно является фигурой (Shape), то метод doSomething() и обращается с ней, как с фигурой. Другими словами, любое сообщение, которое метод может послать Shape, также принимается и Circle. Это действие совершенно безопасно и настолько же логично.

Мы называем этот процесс обращения с производным типом как с базовым восходящим преобразованием типов. Слово преобразование означает, что объект трактуется как принадлежащий к другому типу, а восходящее оно потому, что на диаграммах наследования, базовые классы обычно располагаются вверху, а производные классы располагаются внизу «веером». Значит, преобразование к базовому типу — это движение по диаграмме вверх, и поэтому оно «восходящее».

Объектно-ориентированная программа почти всегда содержит восходящее преобразование, потому что именно так вы избавляетесь от необходимости знать точный тип объекта, с которым работаете. Посмотрите на тело метода doSomething():

 shape.erase();
 // ...
 shape.draw();

Заметьте, что здесь не сказано «если ты объект Circle, делай это, а если ты объект Square, делай то-то и то-то». Такой код с отдельными действиями для каждого возможного типа Shape будет путаным, и его придется менять каждый раз при добавлении нового подтипа Shape. А так, вы просто говорите: «Ты фигура, и я знаю, что ты способна нарисовать и стереть себя, ну так и делай это, а о деталях позаботься сама».

В коде метода doSomething() интересно то, что все само собой получается правильно. При вызове draw() для объекта Circle исполняется другой код, а не тот, что отрабатывает при вызове draw() для объектов Square или Line, а когда draw() применяется для неизвестной фигуры Shape, правильное поведение обеспечивается использованием реального типа Shape. Это в высшей степени интересно, потому что, как было замечено чуть ранее, когда компилятор генерирует код doSomething(), он не знает точно, с какими типами он работает. Соответственно, можно было бы ожидать вызова версий методов draw() и erase() из базового класса Shape, а не их вариантов из конкретных классов Circle, Square или Line. И тем не менее все работает правильно благодаря полиморфизму. Компилятор и система исполнения берут на себя все подробности; все, что вам нужно знать, — что это произойдёт... и, что еще важнее, как создавать программы, используя такой подход. Когда вы посылаете сообщение объекту, объект выберет правильный вариант поведения используя восходящее преобразование.

Однокорневая иерархия

Вскоре после появления, C++ стал активно обсуждаться вопрос из ООП — должны ли все классы обязательно быть унаследованы от единого базового класса? В Java (как практически во всех других ООП-языках, кроме C++) на этот вопрос был дан положительный ответ. В основе всей иерархии типов лежит единый базовый класс Object. Оказалось, что однокорневая иерархия имеет множество преимуществ.

Все объекты в однокорневой иерархии имеют некий общий интерфейс, так что по большому счету все они могут рассматриваться как один основополагающий тип. В C++ был выбран другой вариант — общего предка в этом языке не существует. С точки зрения совместимости со старым кодом эта модель лучше соответствует традициям C, и можно подумать, что она менее ограничена. Но как только возникнет необходимость в полноценном объектно-ориентированном программировании, вам придется создавать собственную иерархию классов, чтобы получить те же преимущества, что встроены в другие ООП-языки. Да и в любой новой библиотеке классов вам может встретиться какой-нибудь несовместимый интерфейс. Включение этих новых интерфейсов в архитектуру вашей программы потребует лишних усилий (и возможно, множественного наследования). Стоит ли дополнительная «гибкость» C++ подобных издержек? Если вам это нужно (например, при больших вложениях в разработку кода C), то в проигрыше вы не останетесь. Если же разработка начинается «с нуля», подход Java выглядит более продуктивным.

Все объекты из однокорневой иерархии гарантированно обладают некоторой общей функциональностью. Вы знаете, что с любым объектом в системе можно провести определенные основные операции. Все объекты легко создаются в динамической «куче», а передача аргументов сильно упрощается.

Однокорневая иерархия позволяет гораздо проще реализовать уборку мусора — одно из важнейших усовершенствований Java по сравнению с C++. Так как информация о типе во время исполнения гарантированно присутствует в любом из объектов, в системе никогда не появится объект, тип которого не удастся определить. Это особенно важно при выполнении системных операций, таких как обработка исключений, и для обеспечения большей гибкости программирования.

Контейнеры

Часто бывает заранее неизвестно, сколько объектов потребуется для решения определенной задачи и как долго они будут существовать. Также непонятно, как хранить такие объекты. Сколько памяти следует выделить для хранения этих объектов? Неизвестно, так как эта информация станет доступна только во время работы программы.

Многие проблемы в объектно-ориентированном программировании решаются простым действием: вы создаете еще один тип объекта. Новый тип объекта, решающий эту конкретную задачу, содержит ссылки на другие объекты. Конечно, эту роль могут исполнить и массивы, поддерживаемые в большинстве языков. Однако новый объект, обычно называемый контейнером (или же коллекцией, но в Java этот термин используется в другом смысле), будет по необходимости расширяться, чтобы вместить все, что вы в него положите. Поэтому вам не нужно будет знать загодя, на сколько объектов рассчитана емкость контейнера. Просто создайте контейнер, а он уже позаботится о подробностях.

К счастью, хороший ООП-язык поставляется с набором готовых контейнеров. В C++ это часть стандартной библиотеки C++, иногда называемая библиотекой стандартных шаблонов (Standard Template Library, STL). Smalltalk поставляется с очень широким набором контейнеров. Java также содержит контейнеры в своей стандартной библиотеке. Для некоторых библиотек считается, что достаточно иметь один единый контейнер для всех нужд, но в других (например, в Java) предусмотрены различные контейнеры на все случаи жизни: несколько различных типов списков List (для хранения последовательностей элементов), карты Map (известные также как ассоциативные массивы, позволяют связывать объекты с другими объектами), а также множества Set (обеспечивающие уникальность значений для каждого типа). Контейнерные библиотеки также могут содержать очереди, деревья, стеки и т. п.

С позиций проектирования, все, что вам действительно необходимо, — это контейнер, способный решить вашу задачу. Если один вид контейнера отвечает всем потребностям, нет основания использовать другие виды. Существует две причины, по которым вам приходится выбирать из имеющихся контейнеров. Во-первых, контейнеры предоставляют различные интерфейсы и возможности взаимодействия. Поведение и интерфейс стека отличаются от поведения и интерфейса очереди, которая ведет себя по-иному, чем множество или список. Один из этих контейнеров способен обеспечить более эффективное решение вашей задачи в сравнении с остальными. Во-вторых, разные контейнеры по-разному выполняют одинаковые операции. Лучший пример — это ArrayList и LinkedList. Оба представляют собой простые последовательности, которые могут иметь идентичные интерфейсы и черты поведения. Но некоторые операции значительно отличаются по времени исполнения. Скажем, время выборки произвольного элемента в ArrayList всегда остается неизменным вне зависимости от того, какой именно элемент выбирается. Однако в LinkedList невыгодно работать с произвольным доступом — чем дальше по списку находится элемент, тем большую задержку вызывает его поиск. С другой стороны, если потребуется вставить элемент в середину списка, LinkedList сделает это быстрее чем ArrayList. Эти и другие операции имеют разную эффективность, зависящую от внутренней структуры контейнера. На стадии планирования программы вы можете выбрать список LinkedList, а потом, в процессе оптимизации, переключиться на ArrayList. Благодаря абстрактному характеру интерфейса List такой переход потребует минимальных изменений в коде.

Параметризованные типы (generics)

До выхода Java SE5 в контейнерах могли храниться только данные Object — единственного универсального типа Java. Однокорневая иерархия означает, что любой объект может рассматриваться как Object, поэтому контейнер с элементами Object подойдет для хранения любых объектов<ref>Примитивные типы храниться в контейнерах не могут, но благодаря механизму автоматической упаковки (autoboxing) Java SE5 это ограничение несущественно. Далее в книге эта тема будет рассмотрена более подробно.</ref>.

При работе с таким контейнером вы просто помещаете в него ссылки на объекты, а позднее извлекаете их. Но если контейнер способен хранить только Object, то при помещении в него ссылки на объект другого типа происходит преоб­разование к Object, то есть утрата «индивидуальности» объекта. При выборке его обратно вы получаете ссылку на Object, а не ссылку на тип, который был помещен в контейнер. Как же преобразовать ее к конкретному типу объекта, помещенного в контейнер?

Задача решается тем же преобразованием типов, но на этот раз вы не используете восходящее преобразование (вверх по иерархии наследования к базовому типу). Теперь вы используете способ преобразования вниз по иерархии наследования (к дочернему типу). Данный способ называется нисходящим преобразованием. В случае восходящего преобразования известно, что окружность есть фигура, поэтому преобразование заведомо безопасно, но при обратном преобразовании (к дочернему типу), невозможно заранее сказать, представляет ли экземпляр Object объект Circle или Shape, поэтому нисходящее преобразование безопасно только в том случае, если вам точно известен тип объекта.

Впрочем, опасность не столь уж велика — при нисходящем преобразовании к неверному типу произойдет ошибка времени исполнения, называемая исключением (см. далее). Но при извлечении ссылок на объекты из контейнера необходимо каким-то образом запоминать фактический тип их объектов, чтобы выполнить верное нисходящее преобразование.

Нисходящее преобразование и проверки типа во время исполнения требуют дополнительного времени и лишних усилий от программиста. А может быть, можно каким-то образом создать контейнер, знающий тип хранимых объектов, и таким образом устраняющий необходимость преобразования типов и потенциальные ошибки? Решение называют механизмом параметризации типа. Параметризованные типы представляют собой классы, которые компилятор может автоматически адаптировать для работы с определенными типами. Например, компилятор может настроить параметризованный контейнер на хранение и извлечение только фигур (Shape).

Одним из важнейших изменений Java SE5 является поддержка параметризованных типов (generics). Параметризованные типы легко узнать по угловым скобкам, в которые заключаются имена типов-параметров; например, контейнер ArrayList, предназначенный для хранения объектов Shape, создается следующим образом:

 ArrayList<Shape> shapes = new ArrayList<Shape>();

Многие стандартные библиотечные компоненты также были изменены для использования обобщенных типов. Как вы вскоре увидите, обобщенные типы встречаются во многих примерах программ этой книги.

Создание, использование объектов и время их жизни

Один из важнейших аспектов работы с объектами — организация их создания и уничтожения. Для существования каждого объекта требуются некоторые ресурсы, прежде всего память. Когда объект становится не нужен, он должен быть уничтожен, чтобы занимаемые им ресурсы стали доступны другим. В простых ситуациях задача не кажется сложной: вы создаете объект, используете его, пока требуется, а затем уничтожаете. Однако на практике часто встречаются и более сложные ситуации.

Допустим, например, что вы разрабатываете систему для управления движением авиатранспорта. (Эта же модель пригодна и для управления движением тары на складе, или для системы видеопроката, или в питомнике для бродячих животных.) Сначала все кажется просто: создается контейнер для самолетов, затем строится новый самолет, который помещается в контейнер определенной зоны регулировки воздушного движения. Что касается освобождения ресурсов, соответствующий объект просто уничтожается при выходе самолета из зоны слежения.

Но возможно, существует и другая система регистрации самолетов, и эти данные не требуют такого пристального внимания, как главная функция управления. Может быть, это записи о планах полетов всех малых самолетов, покидающих аэропорт. Так появляется второй контейнер для малых самолетов; каждый раз, когда в системе создается новый объект самолета, он также включается и во второй контейнер, если самолет является малым. Далее некий фоновый процесс работает с объектами в этом контейнере в моменты минимальной занятости.

Теперь задача усложняется: как узнать, когда нужно удалять объекты? Даже если вы закончили работу с объектом, возможно, с ним продолжает взаимодействовать другая система. Этот же вопрос возникает и в ряде других ситуаций, и в программных системах, где необходимо явно удалять объекты после завершения работы с ними (например, в C++), он становится достаточно сложным.

Где хранятся данные объекта и как определяется время его жизни? В C++ на первое место ставится эффективность, поэтому программисту предоставляется выбор. Для достижения максимальной скорости исполнения место хранения и время жизни могут определяться во время написания программы. В этом случае объекты помещаются в стек (такие переменные называются автоматическими) или в область статического хранилища. Таким образом, основным фактором является скорость создания и уничтожения объектов, и это может быть неоценимо в некоторых ситуациях. Однако при этом приходится жертвовать гибкостью, так как количество объектов, время их жизни и типы должны быть точно известны на стадии разработки программы. При решении задач более широкого профиля — разработки систем автоматизированного проектирования
(CAD), складского учета или управления воздушным движением — этот подход может оказаться чересчур ограниченным.

Второй путь — динамическое создание объектов в области памяти, называемой «кучей» (heap). В таком случае количество объектов, их точные типы и время жизни остаются неизвестными до момента запуска программы. Все это определяется «на ходу» во время работы программы. Если вам понадобится новый объект, вы просто создаете его в «куче» тогда, когда потребуется. Так как управление кучей осуществляется динамически, во время исполнения программы на выделение памяти из кучи требуется гораздо больше времени, чем при выделении памяти в стеке. (Для выделения памяти в стеке достаточно всего одной машинной инструкции, сдвигающей указатель стека вниз, а освобождение осуществляется перемещением этого указателя вверх. Время, требуемое на выделение памяти в куче, зависит от структуры хранилища.)

При использовании динамического подхода подразумевается, что объекты большие и сложные, таким образом, дополнительные затраты времени на выделение и освобождение памяти не окажут заметного влияния на процесс их создания. Потом, дополнительная гибкость очень важна для решения основных задач программирования.

В Java используется исключительно второй подход<ref>Примитивные типы, о которых речь пойдёт далее, являются особым случаем.</ref>. Каждый раз при создании объекта используется ключевое слово new для построения динамического экземпляра.

Впрочем, есть и другой фактор, а именно время жизни объекта. В языках, поддерживающих создание объектов в стеке, компилятор определяет, как долго используется объект, и может автоматически уничтожить его. Однако при создании объекта в куче компилятор не имеет представления о сроках жизни объекта. В языках, подобных C++, уничтожение объекта должно быть явно оформлено в программе; если этого не сделать, возникает утечка памяти (обычная проблема в программах C++). В Java существует механизм, называемый сборкой мусора; он автоматически определяет, когда объект перестает использоваться, и уничтожает его. Сборщик мусора очень удобен, потому что он избавляет программиста от лишних хлопот. Что еще важнее, сборщик мусора дает гораздо большую уверенность в том, что в вашу программу не закралась коварная проблема утечки памяти (которая «поставила на колени» не один проект на языке C++).

В Java сборщик мусора спроектирован так, чтобы он мог самостоятельно решать проблему освобождения памяти (это не касается других аспектов завершения жизни объекта). Сборщик мусора «знает», когда объект перестает ис­пользоваться, и применяет свои знания для автоматического освобождения памяти. Благодаря этому факту (вместе с тем, что все объекты наследуются от единого базового класса Object и создаются только в куче) программирование на Java гораздо проще, чем программирование на C++. Разработчику приходится принимать меньше решений и преодолевать меньше препятствий.

Обработка исключений: борьба с ошибками

С первых дней существования языков программирования обработка ошибок была одним из самых каверзных вопросов. Разработать хороший механизм обработки ошибок очень трудно, поэтому многие языки попросту игнорируют эту проблему, оставляя ее разработчикам программных библиотек. Последние предоставляют половинчатые решения, которые работают во многих ситуациях, но которые часто можно попросту обойти (как правило, просто не обращая на них внимания). Главная проблема многих механизмов обработки исключений состоит в том, что они полагаются на добросовестное соблюдение программистом правил, выполнение которых не обеспечивается языком. Если программист проявит невнимательность — а это часто происходит при спешке в работе — он может легко забыть об этих механизмах.

Механизм обработки исключений встраивает обработку ошибок прямо в язык программирования или даже в операционную систему. Исключение представляет собой объект, генерируемый на месте возникновении ошибки, который затем может быть «перехвачен» подходящим обработчиком исключений, предназначенным для ошибок определенного типа. Обработка исключений словно определяет параллельный путь выполнения программы, вступающий в силу, когда что-то идет не по плану. И так как она определяет отдельный путь исполнения, код обработки ошибок не смешивается с обычным кодом. Это упрощает написание программ, поскольку вам не приходится постоянно проверять возможные ошибки. Вдобавок исключение не похоже на числовой код ошибки, возвращаемый методом, или на флаг, устанавливаемый в случае проблемной ситуации, — последние могут быть проигнорированы. Исключение не может быть проигнорировано, оно гарантировано будет где-то обработано. Наконец, исключения дают возможность восстановить нормальную работу программы после неверной операции. Вместо того, чтобы просто завершить программу, можно исправить ситуацию и продолжить ее выполнение; тем самым повышается надежность программы.

Механизм обработки исключений в Java выделяется среди остальных языков, потому что он был встроен в язык с самого начала, и разработчик обязан его использовать. Это единственно-приемлемый способ сообщения об ошибках. Если вы не напишете кода для подобающей обработки исключений, вы получите сообщение об ошибке во время компиляции. Подобный последовательный подход иногда заметно упрощает обработку ошибок.

Стоит отметить, что обработка исключений не является особенностью объектно-ориентированного языка, хотя в этих языках исключение обычно представлено объектом. Такой механизм существовал и до возникновения объектно-ориентированных языков.

Параллельное программирование

Одной из фундаментальных концепций программирования является идея выполнения нескольких операций одновременно. Многие задачи требуют, чтобы программа прервала свою текущую работу, решила какую-то другую задачу, а затем вернулась в основной процесс. Проблема решалась разными способами.
На первых порах программисты, знающие машинную архитектуру, писали процедуры обработки прерываний, то есть приостановка основного процесса выполнялась на аппаратном уровне. Такое решение работало неплохо, но оно было сложным и немобильным, что значительно усложняло перенос подобных программ на новые типы компьютеров.

Иногда прерывания действительно необходимы для обработки операций задач, критичных по времени, но существует целый класс задач, где просто нужно разбить задачу на несколько раздельно выполняемых частей так, чтобы программа быстрее реагировала на внешние воздействия. Эти раздельно выполняемые части программы называются потоками, а весь принцип получил название параллелизма (concurrency), или параллельных вычислений. Часто встречающийся пример параллелизма — пользовательский интерфейс. В программе, разбитой на потоки, пользователь может нажать кнопку и получить быстрый ответ, не ожидая, пока программа завершит текущую операцию.

Обычно потоки всего лишь определяют способ распределения времени одного процессора. Но если операционная система поддерживает несколько процессоров, каждый поток может быть назначен на отдельный процессор; так достигается настоящий параллелизм. Одно из удобных свойств параллелизма, на уровне языка, состоит в том, что программисту не нужно знать, один процессор в системе или несколько. Программа логически разделяется на потоки, и если машина имеет больше одного процессора, она исполняется быстрее, без каких-либо специальных настроек.

Все это создает впечатление, что потоки использовать очень легко. Но тут кроется подвох: совместно используемые ресурсы. Если несколько потоков пытаются одновременно получить доступ к одному ресурсу, возникают проблемы. Например, два процесса не могут одновременно посылать информацию на принтер. Для предотвращения конфликта совместные ресурсы (такие как принтер) должны блокироваться во время использования. Поток блокирует ресурс, завершает свою операцию, а затем снимает блокировку для того, чтобы кто-то еще смог получить доступ к ресурсу.

Поддержка параллелизма встроена в язык Java, а с выходом Java SE5 к ней добавилась значительная поддержка на уровне библиотек.

Java и Интернет

Если Java представляет собой очередной язык программирования, возникает вопрос: чем же он так важен и почему он преподносится как революционный шаг в разработке программ? С точки зрения традиционных задач программирования ответ очевиден не сразу. Хотя язык Java пригодится и при построении автономных приложений, самым важным его применением было и остается программирование для сети World Wide Web.

Что такое Веб?

На первый взгляд Веб выглядит довольно загадочно из-за обилия новомодных терминов вроде «серфинга», «присутствия» и «домашних страниц». Чтобы понять, что же это такое, полезно представить себе картину в целом — но сначала необходимо разобраться во взаимодействии клиент/серверных систем, которые представляют собой одну из самых сложных задач компьютерных вычислений.

Вычисления «клиент/сервер»

Основная идея клиент/серверных систем состоит в том, что у вас существует централизованное хранилище информации — обычно в форме базы данных — и эта информация доставляется по запросам каких-либо групп людей или компьютеров. В системе клиент/сервер ключевая роль отводится централизованному хранилищу информации, которое обычно позволяет изменять данные так, что эти изменения распространятся пользователям информации. Все вместе: хранилище информации, программное обеспечение, распространяющее информацию, и компьютер(ы), на котором хранятся программное обеспечение и данные — называется сервером. Программное обеспечение на машине пользователя, которое устанавливает связь с сервером, получает информацию, обрабатывает ее и затем отображает соответствующим образом, называется клиентом.

Таким образом, основная концепция клиент/серверных вычислений не так уж сложна. Проблемы возникают из-за того, что один сервер пытается обслуживать многих клиентов одновременно. Обычно для решения привлекается система управления базой данных, и разработчик пытается «оптимизировать» структуру данных, распределяя их по таблицам. Дополнительно система часто дает возможность клиенту добавлять новую информацию на сервер. А это значит, что новая информация клиента должна быть защищена от потери во время сохранения в базе данных, а также от возможности ее перезаписи данными другого клиента. (Это называется обработкой транзакций.) При изменении клиентского программного обеспечения необходимо не только скомпилировать и протестировать его, но и установить на клиентских машинах, что может обойтись гораздо сложнее и дороже, чем можно представить. Особенно сложно организовать поддержку множества различных операционных систем и компьютерных архитектур. Наконец, необходимо учитывать важнейший фактор производительности: к серверу одновременно могут поступать сотни запросов, и малейшая задержка грозит серьезными последствиями. Для уменьшения задержки программисты стараются распределить вычисления, зачастую даже проводя их на клиентской машине, а иногда и переводя на дополнительные серверные машины, используя так называемое связующее программное обеспечение (middleware). (Программы-посредники также упрощают сопровождение программ.)

Простая идея распространения информации между людьми имеет столько уровней сложности в своей реализации, что в целом ее решение кажется недостижимым. И все-таки она жизненно необходима: примерно половина всех задач программирования основана именно на ней. Она задействована в решении разнообразных проблем: от обслуживания заказов и операций по кредитным карточкам до распространения всевозможных данных — научных, правительственных, котировок акций... список можно продолжать до бесконечности. В прошлом для каждой новой задачи приходилось создавать отдельное решение. Эти решения непросто создавать, еще труднее ими пользоваться, и пользователю приходилось изучать новый интерфейс с каждой новой программой. Задача клиент/серверных вычислений нуждается в более широком подходе.

Веб как гигантский сервер

Фактически веб представляет собой одну огромную систему «клиент/сервер». Впрочем, это еще не все: в единой сети одновременно сосуществуют все серверы и клиенты. Впрочем, этот факт вас не должен интересовать, поскольку обычно вы соединяетесь и взаимодействуете только с одним сервером (даже если его приходится разыскивать по всему миру).

На первых порах использовался простой однонаправленный обмен информацией. Вы делали запрос к серверу, он отсылал вам файл, который обрабатывала для вас ваша программа просмотра (то есть клиент). Но вскоре простого получения статических страниц с сервера стало недостаточно. Пользователи хотели использовать все возможности системы «клиент/сервер», отсылать информацию от клиента к серверу, чтобы, например, просматривать базу данных сервера, добавлять новую информацию на сервер или делать заказы (что требовало особых мер безопасности). Эти изменения мы постоянно наблюдаем в процессе развития веб.

Средства просмотра веб (браузеры) стали большим шагом вперед: они ввели понятие информации, которая одинаково отображается на любых типах компьютеров. Впрочем, первые браузеры были все же примитивны и быстро перестали соответствовать предъявляемым требованиям. Они оказались не особенно интерактивны и тормозили работу как серверов, так и Интернета в целом — при любом действии, требующем программирования, приходилось посылать информацию серверу и ждать, когда он ее обработает. Иногда приходилось ждать несколько минут только для того, чтобы узнать, что вы пропустили в запросе одну букву. Так как браузер представлял собой только средство просмотра, он не мог выполнить даже простейших программных задач. (С другой стороны, это гарантировало безопасность — пользователь был огражден от запуска программ, содержащих вирусы или ошибки.)

Для решения этих задач предпринимались разные подходы. Для начала были улучшены стандарты отображения графики, чтобы браузеры могли отображать анимацию и видео. Остальные задачи требовали появления возможности запуска программ на машине клиента, внутри браузера. Это было названо программированием на стороне клиента.

Программирование на стороне клиента

Изначально система взаимодействия «сервер-браузер» разрабатывалась для интерактивного содержимого, но поддержка этой интерактивности была полностью возложена на сервер. Сервер генерировал статические страницы для браузера клиента, который их просто обрабатывал и показывал. Стандарт HTML поддерживает простейшие средства ввода данных: текстовые поля, переключатели, флажки, списки и раскрывающиеся списки, вместе с кнопками, которые могут выполнить только два действия: сброс данных формы и ее отправку серверу. Отправленная информация обрабатывается интерфейсом CGI (Common Gateway Interface), поддерживаемым всеми веб-серверами. Текст запроса указывает CGI, как именно следует поступить с данными. Чаще всего по запросу запускается программа из каталога cgi-bin на сервере. (В строке с адресом страницы в браузере, после отправки данных формы, иногда можно разглядеть в мешанине символов подстроку cgi-bin.) Такие программы можно написать почти на всех языках. Обычно используется Perl, так как он ориентирован на обработку текста, а также является интерпретируемым языком, соответственно, может быть использован на любом сервере, независимо от типа процессора или операционной системы. Впрочем, язык Python (мой любимый язык — зайдите на www.Python.org) постепенно отвоевывает у него «территорию» благодаря своей мощи и простоте.

Многие мощные веб-серверы сегодня функционируют целиком на основе CGI; в принципе, эта технология позволяет решать почти любые задачи. Однако веб-серверы, построенные на CGI-программах, тяжело обслуживать, и на них существуют проблемы со скоростью отклика. Время отклика CGI-программы зависит от количества посылаемой информации, а также от загрузки сервера и сети. (Из-за всего упомянутого запуск CGI-программы может занять продолжительное время). Первые проектировщики веб не предвидели, как быстро истощатся ресурсы системы при ее использовании в различных приложениях. Например, выводить графики в реальном времени в ней почти невозможно, так как при любом изменении ситуации необходимо построить новый GIF- файл и передать его клиенту. Без сомнения, у вас есть собственный горький опыт — например, полученный при простой посылке данных формы. Вы нажимаете кнопку для отправки информации; сервер запускает CGI-программу, которая обнаруживает ошибку, формирует HTML-страницу, сообщающую вам об этом, а затем отсылает эту страницу в вашу сторону; вам приходится набирать данные заново и повторять попытку. Это не только медленно, это попросту неэлегантно.

Проблема решается программированием на стороне клиента. Как правило, браузеры работают на мощных компьютерах, способных решать широкий диапазон задач, а при стандартном подходе на базе HTML компьютер просто ожидает, когда ему подадут следующую страницу. При клиентском программировании браузеру поручается вся работа, которую он способен выполнить, а для пользователя это оборачивается более быстрой работой в сети и улучшенной интерактивностью.

Впрочем, обсуждение клиентского программирования мало чем отличается от дискуссий о программировании в целом. Условия все те же, но платформы разные: браузер напоминает сильно усеченную операционную систему. В любом случае приходится программировать, поэтому программирование на стороне клиента порождает головокружительное количество проблем и решений. В завершение этого раздела приводится обзор некоторых проблем и подходов, свойственных программированию на стороне клиента.

Модули расширения

Одним из самых важнейших направлений в клиентском программировании стала разработка модулей расширения (plug-ins). Этот подход позволяет программисту добавить к браузеру новые функции, загрузив небольшую программу, которая встраивается в браузер. Фактически с этого момента браузер обзаводится новой функциональностью. (Модуль расширения загружается только один раз.) Подключаемые модули позволили оснастить браузеры рядом быстрых и мощных нововведений, но написание такого модуля — совсем непростая задача, и вряд ли каждый раз при создании какого-то нового сайта вы захотите создавать расширения. Ценность модулей расширения для клиентского программирования состоит в том, что они позволяют опытному программисту дополнить браузер новыми возможностями, не спрашивая разрешения у его создателя. Таким образом, модули расширения предоставляют «черный ход» для интеграции новых языков программирования на стороне клиента (хотя и не все языки реализованы в таких модулях).

Языки сценариев

Разработка модулей расширения привела к появлению множества языков для написания сценариев. Используя язык сценария, вы встраиваете клиентскую программу прямо в HTML-страницу, а модуль, обрабатывающий данный язык, автоматически активизируется при ее просмотре. Языки сценария обычно довольно просты для изучения; в сущности, сценарный код представляет собой текст, входящий в состав HTML-страницы, поэтому он загружается очень быстро, как часть одного запроса к серверу во время получения страницы. Расплачиваться за это приходится тем, что любой в силах просмотреть (и украсть) ваш код. Впрочем, вряд ли вы будете писать что-либо заслуживающее подражания и утонченное на языках сценариев, поэтому проблема копирования кода не так уж страшна.

Языком сценариев, который поддерживается практически любым браузером без установки дополнительных модулей, является JavaScript (имеющий весьма мало общего с Java; имя было использовано в целях «урвать» кусочек успеха Java на рынке). К сожалению, исходные реализации JavaScript в разных браузерах довольно сильно отличались друг от друга и даже между разными версиями одного браузера. Стандартизация JavaScript в форме ECMAScript была полезна, но потребовалось время, чтобы ее поддержка появилась во всех браузерах (вдобавок компания Microsoft активно продвигала собственный язык VBScript, отдаленно напоминавший JavaScript). В общем случае разработчику приходится ограничиваться минимумом возможностей JavaScript, чтобы код гарантированно работал во всех браузерах. Что касается обработки ошибок и отладки кода JavaScript, то занятие это в лучшем случае непростое. Лишь недавно разработчикам удалось создать действительно сложную систему, написанную на JavaScript (компания Google, служба GMail), и это потребовало высочайшего энтузиазма и опыта.

Это показывает, что языки сценариев, используемые в браузерах, были предназначены для решения круга определенных задач, в основном для создания более насыщенного и интерактивного графического пользовательского интерфейса (GUI). Однако язык сценариев может быть использован для решения 80 % задач клиентского программирования. Ваша задача может как раз входить в эти 80 %. Поскольку языки сценариев позволяют легко и быстро создавать программный код, вам стоит сначала рассмотреть именно такой язык, перед тем как переходить к более сложным технологическим решениям вроде Java.

Java

Если языки сценариев берут на себя 80 % задач клиентского программирования, кому же тогда «по зубам» остальные 20 %? Для них наиболее популярным решением сегодня является Java. Это не только мощный язык программирования, разработанный с учетом вопросов безопасности, платформенной совместимости и интернационализации, но также постоянно совершенствуемый инструмент, дополняемый новыми возможностями и библиотеками, которые элегантно вписываются в решение традиционно сложных задач программирования: многозадачности, доступа к базам данных, сетевого программирования и распределенных вычислений. Клиентское программирование на Java сводится к разработке апплетов, а также к использованию пакета Java Web Start.

Апплет — мини-программа, которая может исполняться только внутри браузера. Апплеты автоматически загружаются в составе веб-страницы (так же, как загружается, например, графика). Когда апплет активизируется, он выполняет программу. Это одно из преимуществ апплета — он позволяет автоматически распространять программы для клиентов с сервера именно тогда, когда пользователю понадобятся эти программы, и не раньше. Пользователь получает самую свежую версию клиентской программы, без всяких проблем и трудностей, связанных с переустановкой. В соответствии с идеологией Java, программист создает только одну программу, которая автоматически работает на всех компьютерах, где имеются браузеры со встроенным интерпретатором Java. (Это верно практически для всех компьютеров.) Так как Java является полноценным языком программирования, как можно большая часть работы должна выполняться на стороне клиента перед обращением к серверу (или после него). Например, вам не понадобится пересылать запрос по Интернету, чтобы узнать, что в полученных данных или каких-то параметрах была ошибка, а компьютер клиента сможет быстро начертить какой-либо график, не ожидая, пока это сделает сервер и отошлет обратно файл с изображением. Такая схема не только обеспечивает мгновенный выигрыш в скорости и отзывчивости, но также снижает загрузку основного сетевого транспорта и серверов, предотвращая замедление работы с Интернетом в целом.

Альтернативы

Честно говоря, апплеты Java не оправдали начальных восторгов. При первом появлении Java все относились к апплетам с большим энтузиазмом, потому что они делали возможным серьезное программирование на стороне клиента, повышали скорость отклика и снижали загрузку канала для Интернет-приложений. Апплетам предрекали большое будущее.

И действительно, в веб можно встретить ряд очень интересных апплетов. И все же массовый переход на апплеты так и не состоялся. Вероятно, главная проблема заключалась в том, что загрузка 10-мегабайтного пакета для установки среды Java Runtime Environment (JRE) слишком пугала рядового пользователя. Тот факт, что компания Microsoft не стала включать JRE в поставку Internet Explorer, окончательно решил судьбу апплетов. Как бы то ни было, апплеты Java так и не получили широкого применения.

Впрочем, апплеты и приложения Java Web Start в некоторых ситуациях приносят большую пользу. Если конфигурация компьютеров конечных пользователей находится под контролем (например, в организациях), применение этих технологий для распространения и обновления клиентских приложений вполне оправдано; оно экономит немало времени, труда и денег (особенно при частых обновлениях).

.NET и С#

Некоторое время основным соперником Java-апплетов считались компоненты ActiveX от компании Microsoft, хотя они и требовали для своей работы наличия на машине клиента Windows. Теперь Microsoft противопоставила Java полноценных конкурентов: это платформа .NET и язык программирования С#. Платформа .NET представляет собой примерно то же самое, что и виртуальная машина Java (JVM) и библиотеки Java, а язык С# имеет явное сходство с языком Java. Вне всяких сомнений, это лучшее, что создала компания Microsoft в области языков и сред программирования. Конечно, разработчики из Microsoft имели некоторое преимущество; они видели, что в Java удалось, а что нет, и могли отталкиваться от этих фактов, но результат получился вполне достойным. Впервые с момента своего рождения у Java появился реальный соперник. Разработчикам из Sun пришлось как следует взглянуть на С#, выяснить, по каким причинам программисты могут захотеть перейти на этот язык, и приложить максимум усилий для серьезного улучшения Java в Java SE5.

В данный момент основные сомнения вызывает вопрос о том, разрешит ли Microsoft полностью переносить .NET на другие платформы. В Microsoft утверждают, что никакой проблемы в этом нет, и проект Mono (www.go-mono.com) предоставляет частичную реализацию .NET для Linux. Впрочем, раз реализация эта неполная, то, пока Microsoft не решит выкинуть из нее какую-либо часть, делать ставку на .NET как на межплатформенную технологию еще рано.

Интернет и интрасеть

Веб предоставляет решение наиболее общего характера для клиент/серверных задач, так что имеет смысл использовать ту же технологию для решения задач в частных случаях; в особенности это касается классического клиент/серверного взаимодействия внутри компании. При традиционном подходе «клиент/сервер» возникают проблемы с различиями в типах клиентских компьютеров, к ним добавляется трудность установки новых программ для клиентов; обе проблемы решаются браузерами и программированием на стороне клиента. Когда технология веб используется для формирования информационной сети внутри компании, такая сеть называется интрасетью. Интрасети предоставляют гораздо большую безопасность в сравнении с Интернетом, потому что вы можете физически контролировать доступ к серверам вашей компании. Что касается обучения, человеку, понимающему концепцию браузера, гораздо легче разобраться в разных страницах и апплетах, так что время освоения новых систем сокращается.

Проблема безопасности подводит нас к одному из направлений, которое автоматически возникает в клиентском программировании. Если ваша программа исполняется в Интернете, то вы не знаете, на какой платформе ей предстоит ра­ботать. Приходится проявлять особую осторожность, чтобы избежать распространения некорректного кода. Здесь нужны межплатформенные и безопасные решения, наподобие Java или языка сценариев.

В интрасетях действуют другие ограничения. Довольно часто все машины сети работают на платформе Intel/Windows. В интрасети вы отвечаете за качество своего кода и можете устранять ошибки по мере их обнаружения. Вдобавок, у вас уже может накопиться коллекция решений, которые проверены на прочность в более традиционных клиент/серверных системах, в то время как новые программы придется вручную устанавливать на машину клиента при каждом обновлении. Время, затрачиваемое на обновления, является самым веским доводом в пользу браузерных технологий, где обновления осуществляются невидимо и автоматически (то же позволяет сделать Java Web Start). Если вы участвуете в обслуживании интрасети, благоразумнее всего использовать тот путь, который позволит привлечь уже имеющиеся наработки, не переписывая программы на новых языках.

Сталкиваясь с объемом задач клиентского программирования, способным поставить в тупик любого проектировщика, лучше всего оценить их с позиций соотношения «затраты/прибыли». Рассмотрите ограничения вашей задачи и попробуйте представить кратчайший способ ее решения. Так как клиентское программирование все же остается программированием, всегда актуальны технологии разработки, обещающие наиболее быстрое решение. Такая активная позиция даст вам возможность подготовиться к неизбежным проблемам разработки программ.

Программирование на стороне сервера

Наше обсуждение обошло стороной тему серверного программирования, которое, как считают многие, является самой сильной стороной Java. Что происходит, когда вы посылаете запрос серверу? Чаще всего запрос сводится к простому требованию «отправьте мне этот файл». Браузер затем обрабатывает файл подходящим образом: как HTML-страницу, как изображение, как Java-апплет, как сценарий и т. п.

Более сложный запрос к серверу обычно связан с обращением к базе данных. В самом распространном случае делается запрос на сложный поиск в базе данных, результаты которого сервер затем преобразует в HTML-страницу и посылает вам. (Конечно, если клиент способен производить какие-то действия с помощью Java или языка сценариев, данные могут быть обработаны и у него, что будет быстрее и снизит загрузку сервера.) А может быть, вам понадобится зарегистрироваться в базе данных при присоединении к какой-то группе, или оформить заказ, что потребует изменений в базе данных. Подобные запросы должны обрабатываться неким кодом на сервере; в целом это и называется серверным программированием. Традиционно программирование на сервере осуществлялось на Perl, Python, C++ или другом языке, позволяющем создавать программы CGI, но появляются и более интересные варианты. К их числу относятся и основанные на Java веб-серверы, позволяющие заниматься серверным программированием на Java с помощью так называемых сервлетов. Сервлеты и их детища, JSPs, составляют две основные причины для перехода компаний по разработке веб-содержимого на Java, в главном из-за того, что они решают проблемы несовместимости различных браузеров.

Несмотря на все разговоры о Java как языке Интернет-программирования, Java в действительности является полноценным языком программирования, способным решать практически все задачи, решаемые на других языках. Преимущества Java не ограничиваются хорошей переносимостью: это и пригодность к решению задач программирования, и устойчивость к ошибкам, и большая стандартная библиотека, и многочисленные разработки сторонних фирм — как существующие, так и постоянно появляющиеся.

Резюме

Вы знаете, как выглядит процедурная программа: определения данных и вызовы функций. Чтобы выяснить предназначение такой программы, необходимо приложить усилие, просматривая функции и создавая в уме общую картину. Именно из-за этого создание таких программ требует использования промежуточных средств — сами по себе они больше ориентированы на компьютер, а не на решаемую задачу.

Так как ООП добавляет много новых понятий к тем, что уже имеются в процедурных языках, естественно будет предположить, что код Java будет гораздо сложнее, чем аналогичный метод на процедурном языке. Но здесь вас ждет приятный сюрприз: хорошо написанную программу на Java обычно гораздо легче понять, чем ее процедурный аналог. Все, что вы видите, — это определения объектов, представляющих понятия пространства решения (а не понятия компьютерной реализации), и сообщения, посылаемые этим объектам, которые представляют действия в этом пространстве. Одно из преимуществ ООП как раз и состоит в том, что хорошо спроектированную программу можно понять, просто проглядывая исходные тексты. К тому же обычно приходится писать гораздо меньше кода, поскольку многие задачи с легкостью решаются уже существующими библиотеками классов.

Объектно-ориентированное программирование и язык Java подходят не для всех. Очень важно сначала выяснить свои потребности, чтобы решить, удовлетворит ли вас переход на Java или лучше остановить свой выбор на другой системе программирования (в том числе и на той, что вы сейчас используете). Если вы знаете, что в обозримом будущем вы столкнетесь с весьма специфическими потребностями или в вашей работе будут действовать ограничения, с которыми Java не справляется, лучше рассмотреть другие возможности (в особенности я рекомендую присмотреться к языку Python, https://www.Python.org). Выбирая Java, необходимо понимать, какие еще доступны варианты и почему вы выбрали именно этот путь.



https://linexp.ru/javabooks/Thinking_in_Java_4th_edition

ВСЁ ЯВЛЯЕТСЯ ОБЪЕКТОМ

Хотя язык Java основан на C++, он является более «чистокровным» объектно-ориентированным языком. Как C++, так и Java относятся к семейству смешанных языков, но для создателей Java эта неоднородность была не так важна, если сравнивать с C++. Смешанный язык позволяет использовать несколько стилей программирования; причиной смешанной природы C++ стало желание сохранить совместимость с языком C. Так как язык C++ является надстройкой языка C, он включает в себя много нежелательных характеристик своего предшественника, что приводит к излишнему усложнению некоторых аспектов этого языка. Язык программирования Java подразумевает, что вы занимаетесь только объектно-ориентированным программированием. А это значит, что прежде, чем начать с ним работать, нужно «переключиться» на понятия объектно-ориентированного мира (если вы уже этого не сделали). Выгода от этого начального усилия — возможность программировать на языке, который по простоте изучения и использования превосходит все остальные языки ООП. В этой главе мы рассмотрим основные компоненты Java-программы и узнаем, что в Java (почти) все является объектом.

Для работы с объектами используются ссылки

Каждый язык программирования имеет свои средства манипуляции данными. Иногда программисту приходится быть постоянно в курсе, какая именно манипуляция производится в программе. Вы работаете с самим объектом или же с каким-то видом его косвенного представления (указатель в C или в C++), требующим особого синтаксиса? Все эти различия упрощены в Java. Вы обращаетесь со всем как с объектом, и поэтому повсюду используется единый последовательный синтаксис. Хотя вы обращаетесь со всем как с объектом, идентификатор, которым вы манипулируете, на самом деле представляет собой ссылку на объект. Представьте себе телевизор (объект) с пультом дистанционного управления (ссылка). Во время владения этой ссылкой у вас имеется связь с телевизором, но при переключении канала или уменьшении громкости вы распоряжаетесь ссылкой, которая, в свою очередь, манипулирует объектом. А если вам захочется перейти в другое место комнаты, все еще управляя телевизором, вы берете с собой «ссылку», а не сам телевизор. Также пульт может существовать сам по себе, без телевизора. Таким образом, сам факт наличия ссылки еще не означает наличия присоединенного к ней объекта. Например, для хранения слова или предложения создается ссылка String:

 String s;

Однако здесь определяется только ссылка, но не объект. Если вы решите послать сообщение s, произойдет ошибка, потому что ссылка s на самом деле ни к чему не присоединена (телевизора нет). Значит, безопаснее всегда инициализировать ссылку при ее создании:

 String s = "asdf";

В данном примере используется специальная возможность Java: инициализация строк текстом в кавычках. Обычно вы будете использовать более общий способ инициализации объектов.

Все объекты должны создаваться явно

Когда вы определяете ссылку, желательно присоединить ее к новому объекту. В основном это делается при помощи ключевого слова new. Фактически оно означает: «Создайте мне новый объект». В предыдущем примере можно написать:

 String s = new String("asdf"):

Это не только значит «предоставьте мне новый объект String», но также указывает, как создать строку посредством передачи начального набора символов. Конечно, кроме String, в Java имеется множество готовых типов. Важнее то, что вы можете создавать свои собственные типы. Вообще говоря, именно создание новых типов станет вашим основным занятием при программировании на Java, и именно его мы будем рассматривать в книге.

Где хранятся данные

Полезно отчетливо представлять, что происходит во время работы программы — и в частности, как данные размещаются в памяти. Существует пять разных мест для хранения данных:

• Регистры. Это самое быстрое хранилище, потому что данные хранятся прямо внутри процессора. Однако количество регистров жестко ограничено, поэтому регистры используются компилятором по мере необходимости. У вас нет прямого доступа к регистрам, вы не сможете найти и малейших следов их поддержки в языке. (С другой стороны, языки C и C++ позволяют порекомендовать компилятору хранить данные в регистрах.)
• Стек. Эта область хранения данных находится в общей оперативной памяти (RAM), но процессор предоставляет прямой доступ к ней с использованием указателя стека. Указатель стека перемещается вниз для выделения памяти или вверх для ее освобождения. Это чрезвычайно быстрый и эффективный способ размещения данных, по скорости уступающий только регистрам. Во время обработки программы компилятор Java должен знать жизненный цикл данных, размещаемых в стеке. Это ограничение уменьшает гибкость ваших программ, поэтому, хотя некоторые данные Java хранятся в стеке (особенно ссылки на объекты), сами объекты Java не помещаются в стек.

• Куча. Пул памяти общего назначения (находится также в RAM), в котором размещаются все объекты Java. Преимущество кучи состоит в том, что компилятору не обязательно знать, как долго просуществуют находящиеся там объекты. Таким образом, работа с кучей дает значительное преимущество в гибкости. Когда вам нужно создать объект, вы пишете код с использованием new, и память выделяется из кучи во время выполнения программы. Конечно, за гибкость приходится расплачиваться: выделение памяти из кучи занимает больше времени, чем в стеке (даже если бы вы могли явно создавать объекты в стеке, как в C++).

• Постоянная память. Значения констант часто встраиваются прямо в код программы, так как они неизменны. Иногда такие данные могут размещаться в постоянной памяти (ROM), если речь идет о «встроенных» системах.

• Не-оперативная память. Если данные располагаются вне программы, они могут существовать и тогда, когда она не выполняется. Два основных примера: потоковые объекты (streamed objects), в которых объекты представлены в виде потока байтов, обычно используются для посылки на другие машины, и долгоживущие (persistent) объекты, которые запоминаются на диске и сохраняют свое состояние даже после окончания работы программы. Особенностью этих видов хранения данных является возможность перевода объектов в нечто, что может быть сохранено на другом носителе информации, а потом восстановлено в виде обычного объекта, хранящегося в оперативной памяти. В Java организована поддержка легковесного (lightweight) сохранения состояния, а такие механизмы, как JDBC и Hibernate, предоставляют более совершенную поддержку сохранения и выборки информации об объектах из баз данных.

Особый случай: примитивные типы

Одна из групп типов, часто применяемых при программировании, требует особого обращения. Их можно назвать «примитивными» типами (табл. 2.1). Причина для особого обращения состоит в том, что создание объекта с помощью new — особенно маленькой простой переменной — недостаточно эффективно, так как new помещает объекты в кучу. В таких случаях Java следует примеру языков C и C++. То есть вместо создания переменной с помощью new создается «автоматическая» переменная, не являющаяся ссылкой. Переменная напрямую хранит значение и располагается в стеке, так что операции с ней гораздо производительнее.

В Java размеры всех примитивных типов жестко фиксированы. Они не меняются с переходом на иную машинную архитектуру, как это происходит во многих других языках. Незыблемость размера — одна из причин улучшенной переносимости Java-npoгpaмм.

Таблица 2.1. Примитивные типы

Все числовые значения являются знаковыми, так что не ищите слова unsigned.

Размер типа boolean явно не определяется; указывается лишь то, что этот тип может принимать значения true и false.

«Классы-обертки» позволяют создать в куче не-примитивный объект для представления примитивного типа. Например:

 char с = 'х';
 Character ch = new Character(c),

Также можно использовать такой синтаксис:

 Character ch = new Character('x');

Механизм автоматической упаковки Java SE5 автоматически преобразует примитивный тип в объектную «обертку»:

 Character ch = 'х';

и обратно:

 char с = ch;

Причины создания подобных конструкций будут объяснены в последующих главах.

Числа повышенной точности

В Java существует два класса для проведения арифметических операций повышенной точности: BigInteger и BigDecimal. Хотя эти классы примерно подходят под определение «классов-оберток», ни один из них не имеет аналога среди примитивных типов.
Оба класса содержат методы, производящие операции, аналогичные тем, что проводятся над примитивными типами. Иначе говоря, с классами Biglnteger и BigDecimal можно делать то же, что с int или float, просто для этого используются вызовы методов, а не встроенные операции. Также из-за использования увеличенного объема данных операции занимают больше времени. Приходится жертвовать скоростью ради точности.

Класс BigInteger поддерживает целые числа произвольной точности. Это значит, что вы можете использовать целочисленные значения любой величины без потери данных во время операций.

Класс BigDecimal представляет числа с фиксированной запятой произвольной точности; например, они могут применяться для финансовых вычислений. За подробностями о конструкторах и методах этих классов обращайтесь к документации JDK.

Массивы в Java

Фактически все языки программирования поддерживают массивы. Использование массивов в C и C++ небезопасно, потому что массивы в этих языках представляют собой обычные блоки памяти. Если программа попытается получить доступ к массиву за пределами его блока памяти или использовать память без предварительной инициализации (типичные ошибки при программировании), последствия могут быть непредсказуемы.

Одной из основных целей Java является безопасность, поэтому многие проблемы, досаждавшие программистам на C и C++, не существуют в Java. Массив в Java гарантированно инициализируется, к нему невозможен доступ за пределами его границ. Проверка границ массива обходится относительно дорого, как и проверка индекса во время выполнения, но предполагается, что повышение безопасности и подъем производительности стоят того (к тому же Java иногда может оптимизировать эти операции). При объявлении массива объектов на самом деле создается массив ссылок, и каждая из этих ссылок автоматически инициализируется специальным значением, представленным ключевым словом null. Оно означает, что ссылка на самом деле не указывает на объект. Вам необходимо присоединять объект к каждой ссылке перед тем, как ее использовать, или при попытке обращения по ссылке null во время исполнения программы произойдет ошибка. Таким образом, типичные ошибки при работе с массивами в Java предотвращаются заблаговременно.

Также можно создавать массивы простейших типов. И снова компилятор гарантирует инициализацию — выделенная для нового массива память заполняется нулями. Массивы будут подробнее описаны в последующих главах.
В большинстве языков программирования концепция жизненного цикла переменной требует относительно заметных усилий со стороны программиста. Сколько «живет» переменная? Если ее необходимо удалить, когда это следует делать? Путаница со сроками существования переменных может привести ко многим ошибкам, и этот раздел показывает, насколько Java упрощает решение затронутого вопроса, выполняя всю работу по удалению за вас.

Ограничение области действия

В большинстве процедурных языков существует понятие области действия (scope). Область действия определяет как видимость, так и срок жизни имен, определенных внутри нее. В 'C, C++' и Java область действия устанавливается положением фигурных скобок { }. Например:

 {
   int х = 12;
   // доступно только х 
        {
          int q = 96;
          // доступны как х, так и q
        }
   // доступно ТОЛЬКО x
   // q находится "за пределами видимости"
 }

Переменная, определенная внутри области действия, доступна только в пределах этой области.
Весь текст после символов // и до конца строки является комментарием. Отступы упрощают чтение программы на Java. Так как Java относится к языкам со свободным форматом, дополнительные пробелы, табуляция и переводы строк не влияют на результирующую программу.

Учтите, что следующая конструкция не разрешена, хотя в C и C++ она возможна:

 { int х = 12; 
   {
     int х = 96; // неверно
   }
 }

Компилятор объявит, что переменная х уже была определена. Таким образом, возможность языков C и C++ «прятать» переменные во внешней области действия не поддерживается. Создатели Java посчитали, что она приводит к излишнему усложнению программ.

Область действия объектов

Объекты Java имеют другое время жизни в сравнении с примитивами. Объект, созданный оператором Java new, будет доступен вплоть до конца области действия. Если вы напишете:

 {String s = new String("строка"); } // конец области действия

то ссылка s исчезнет в конце области действия. Однако объект типа String, на который указывала s, все еще будет занимать память. В показанном фрагменте кода невозможно получить доступ к объекту, потому что единственная ссылка вышла за пределы видимости. В следующих главах вы узнаете, как передаются ссылки на объекты и как их можно копировать во время работы программы.

Благодаря тому, что объекты, созданные new, существуют ровно столько, сколько вам нужно, в Java исчезает целый пласт проблем, присущих C++. В C++ приходится не только следить за тем, чтобы объекты продолжали существовать на протяжении своего жизненного цикла, но и удалять объекты после завершения работы с ними.

Возникает интересный вопрос. Если в Java объекты остаются в памяти, что же мешает им постепенно занять всю память и остановить выполнение программы? Именно это произошло бы в данном случае в C++. Однако в Java существует сборщик мусора (garbage collector), который наблюдает за объектами, созданными оператором new, и определяет, на какие из них больше нет ссылок. Тогда он освобождает память от этих объектов, которая становится доступной для дальнейшего использования. Таким образом, вам никогда не придется «очищать» память вручную. Вы просто создаете объекты, и как только надобность в них отпадет, эти объекты исчезают сами по себе. При таком подходе исчезает целый класс проблем программирования: так называемые «утечки памяти», когда программист забывает освобождать занятую память.

Создание новых типов данных

Если все является объектом, что определяет строение и поведение класса объектов? Другими словами, как устанавливается тип объекта? Наверное, для этой цели можно было бы использовать ключевое слово type («тип»); это было бы вполне разумно. Впрочем, с давних времен повелось, что большинство объектно-ориентированных языков использовали ключевое слово class в смысле «Я собираюсь описать новый тип объектов». За ключевым словом class следует имя нового типа. Например:

 class ATypeName { /* Тело класса */ }

Эта конструкция вводит новый тип, и поэтому вы можете теперь создавать объект этого типа ключевым словом new:

 ATypeName а = new ATypeName();

Впрочем, объекту нельзя «приказать» что-то сделать (то есть послать ему необходимые сообщения) до тех пор, пока для него не будут определены методы.

Поля и методы

При определении класса (строго говоря, вся ваша работа на Java сводится к определению классов, созданию объектов этих классов и посылке сообщений этим объектам) в него можно включить две разновидности элементов: поля (fields) (иногда называемые переменными класса) и методы (methods) (еще называемые функциями класса). Поле представляет собой объект любого типа, с которым можно работать по ссылке, или объект примитивного типа. Если используется ссылка, ее необходимо инициализировать, чтобы связать с реальным объектом (ключевым словом new, как было показано ранее).

Каждый объект использует собственный блок памяти для своих полей данных; совместное использование обычных полей разными объектами класса невозможно. Пример класса с полями:

  class DataOnly { int і; double d; boolean b;}

Такой класс ничего не делает, кроме хранения данных, но вы можете создать объект этого класса:

  DataOnly data = new DataOnly();

Полям класса можно присваивать значения, но для начала необходимо узнать, как обращаться к членам объекта. Для этого сначала указывается имя ссылки на объект, затем следует точка, а далее — имя члена, принадлежащего объекту:

ссылка.член 

Например:

  data.і = 47;
  data.d = 1.1;
  data.b = false;

Также ваш объект может содержать другие объекты, данные которых вы хотели бы изменить. Для этого просто продолжите «цепочку из точек». Например:

  myPlane.leftTank.capacity = 100;

Класс DataOnly не способен ни на что, кроме хранения данных, так как в нем отсутствуют методы. Чтобы понять, как они работают, необходимо разобраться, что такое аргументы и возвращаемые значения. Вскоре мы вернемся к этой теме.

Значения по умолчанию для полей примитивных типов

Если поле данных относится к примитивному типу, ему гарантированно присваивается значение по умолчанию, даже если оно не было инициализировано явно (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Значения по умолчанию для полей примитивных типов

Примитивный тип   Значение по умолчанию
    boolean           false
    char              '\u0000'(null)
    byte              (byte)0
    short             (short)0
    int               0
    long              0L
    float             0.0f
    double            0.0d

Значения по умолчанию гарантируются Java только в том случае, если переменная используется как член класса. Тем самым обеспечивается обязательная инициализация элементарных типов (что не делается в C++), которая уменьшает вероятность ошибок. Однако значение по умолчанию может быть неверным или даже недопустимым для вашей программы. Переменные всегда лучше инициализировать явно.

Такая гарантия не относится к локальным переменным, которые не являются полями класса. Допустим, в определении метода встречается объявление переменной

  int х;

Переменной х будет присвоено случайное значение (как в C и C++); она не будет автоматически инициализирована нулем. Вы отвечаете за присвоение правильного значения перед использованием х. Если же вы забудете это сделать, в Java существует очевидное преимущество в сравнении с C++: компилятор выдает ошибку, в которой указано, что переменная не была инициализирована. (Многие компиляторы C++ предупреждают о таких переменных, но в Java это считается ошибкой.)

Методы, аргументы и возвращаемые значения

Что такое - метод?

Во многих языках (таких как C и C++) для обозначения именованной подпрограммы употребляется термин функция. В Java чаще предпочитают термин метод, как бы подразумевающий «способ что-то сделать». Если вам хочется, вы можете продолжать пользоваться термином «функция». Разница только в написании, но в дальнейшем в книге будет употребляться преимущественно термин «метод».
Методы в Java определяют сообщения, принимаемые объектом. Основные части метода — имя, аргументы, возвращаемый тип и тело. Вот примерная форма:

возвращаемыйТип ИмяМетода( /* список аргументов */ ) { /* тело метода */}

Возвращаемый тип — это тип объекта, «выдаваемого» методом после его вызова. Список аргументов определяет типы и имена для информации, которую вы хотите передать в метод. Имя метода и его список аргументов (объединяемые термином сигнатура) обеспечивают однозначную идентификацию метода.

Методы в Java создаются только как части класса. Метод может вызываться только для объекта, и этот объект должен обладать возможностью произвести такой вызов. Если вы попытаетесь вызвать для объекта несуществующий метод, то получите ошибку компиляции. Вызов метода осуществляется следующим образом: сначала записывается имя объекта, за ним точка, за ней следуют имя метода и его список аргументов:

имяОбъекта.имяМетода(арг1, арг2, арг3)

Например, представьте, что у вас есть метод f(), вызываемый без аргументов, который возвращает значение типа int. Если у вас имеется в наличии объект а, для которого может быть вызван метод f(), в вашей власти использовать следующую конструкцию:

 int х = a.f();

Тип возвращаемого значения должен быть совместим с типом х.

Такое действие вызова метода часто называется посылкой сообщения объекту. В примере выше сообщением является вызов f(), а объектом — а. Объектно-ориентированное программирование нередко характеризуется обобщающей формулой «посылка сообщений объектам».

Список аргументов

Список аргументов определяет, какая информация передается методу. Как легко догадаться, эта информация — как и все в Java — воплощается в форме объектов, поэтому в списке должны быть указаны как типы передаваемых объектов, так и их имена. Как и в любой другой ситуации в Java, где мы вроде бы работаем с объектами, на самом деле используются ссылки. Впрочем, тип ссылки должен соответствовать типу передаваемых данных. Если предполагается, что аргумент является строкой (то есть объектом String), вы должны передать именно строку, или ожидайте сообщения об ошибке.

Рассмотрим метод, получающий в качестве аргумента строку (String). Следующее определение должно размещаться внутри определения класса, для которого создается метод:

 int storage(String s) {
    return s.length() * 2;
    }

Метод указывает, сколько байтов потребуется для хранения данных определенной строки. (Строки состоят из символов char, размер которых — 16 бит, или 2 байта; это сделано для поддержки набора символов Unicode.) Аргумент имеет тип String и называется s. Получив объект s, метод может работать с ним точно так же, как и с любым другим объектом (то есть посылать ему сообщения). В данном случае вызывается метод length(), один из методов класса String, он возвращает количество символов в строке.

Также обратите внимание на ключевое слово return, выполняющее два действия. Во-первых, оно означает: «выйти из метода, все сделано». Во-вторых, если метод возвращает значение, это значение указывается сразу же за командой return. В нашем случае возвращаемое значение — это результат вычисления s.length() * 2.

Возвращаемое значение

Метод может возвращать любой тип, но, если вы не хотите пользоваться этой возможностью, следует указать, что метод возвращает void. Ниже приведено несколько примеров:

 boolean flag() { return true; }
 float naturalLogBaseO { return 2.718; }
 void nothing() { return; }
 void nothing2() {}

Когда выходным типом является void, ключевое слово return нужно лишь для завершения метода, поэтому при достижении конца метода его присутствие необязательно. Вы можете покинуть метод в любой момент, но если при этом указывается возвращаемый тип, отличный от void, то компилятор заставит вас (сообщениями об ошибках) вернуть подходящий тип независимо от того, в каком месте метода было прервано выполнение.

К этому моменту может сложиться впечатление, что программа — это просто «свалка» объектов со своими методами, которые принимают другие объекты в качестве аргументов и посылают им сообщения. По большому счету так оно и есть, но в следующей главе вы узнаете, как производить кропотливую низкоуровневую работу с принятием решений внутри метода. В этой главе достаточно рассмотрения на уровне посылки сообщений.

Создание программы на Java

Есть еще несколько вопросов, которые необходимо понять перед созданием первой программы на Java.

Видимость имен

Проблема управления именами присуща любому языку программирования. Если имя используется в одном из модулей программы и оно случайно совпало с именем в другом модуле у другого программиста, то как отличить одно имя от другого и предотвратить их конфликт? В C это определенно является проблемой, потому что программа с трудом поддается контролю в условиях «моря» имен. Классы C++ (на которых основаны классы Java) скрывают функции внутри классов, поэтому их имена не пересекаются с именами функций других классов. Однако в C++ дозволяется использование глобальных данных и глобальных функций, соответственно, конфликты полностью не исключены. Для решения означенной проблемы в C++ введены пространства имен (namespaces), которые используют дополнительные ключевые слова.

В языке Java для решения этой проблемы было использовано свежее решение. Для создания уникальных имен библиотек разработчики Java предлагают использовать доменное имя, записанное «наоборот», так как эти имена всегда уникальны. Мое доменное имя — MindView.net, и утилиты моей программной библиотеки могли бы называться net.mindview.utility.foibles. За перевернутым доменным именем следует перечень каталогов, разделенных точками.

В версиях Java 1.0 и 1.1 доменные суффиксы com, edu, org, net по умолчанию записывались заглавными буквами, таким образом, имя библиотеки выглядело так: NET.mindview.utility.foibles. В процессе разработки Java 2 было обнаружено, что принятый подход создает проблемы, и с тех пор имя пакета записывается строчными буквами.

Такой механизм значит, что все ваши файлы автоматически располагаются в своих собственных пространствах имен, и каждый класс в файле должен иметь уникальный идентификатор. Язык сам предотвращает конфликты имен.

Использование внешних компонентов

Когда вам понадобится использовать уже определенный класс в вашей программе, компилятор должен знать, как этот класс обнаружить. Конечно, класс может уже находиться в том же самом исходном файле, откуда он вызывается. В таком случае вы просто его используете — даже если определение класса следует где-то дальше в файле (В Java не существует проблемы «опережающих ссылок».)

Но что, если класс находится в каком-то внешнем файле? Казалось бы, компилятор должен запросто найти его, но здесь существует проблема. Представьте, что вам необходим класс с неким именем, для которого имеется более одного определения (вероятно, отличающихся друг от друга). Или, что еще хуже, представьте, что вы пишете программу и при ее создании в библиотеку добавляется новый класс, конфликтующий с именем уже существующего класса.

Для решения проблемы вам необходимо устранить все возможные неоднозначности. Задача решается при помощи ключевого слова import, которое говорит компилятору Java, какие точно классы вам нужны. Слово import приказывает компилятору загрузить пакет (package), представляющий собой библиотеку классов. (В других языках библиотека может состоять как из классов, так и из функций и данных, но в Java весь код принадлежит классам.)

Большую часть времени вы будете работать с компонентами из стандартных библиотек Java, поставляющихся с компилятором. Для них не нужны длинные обращенные доменные имена; вы просто записываете:

import java.util.ArrayList;

чтобы сказать компилятору, что вы хотите использовать класс ArrayList. Впрочем, пакет util содержит множество классов, и вам могут понадобиться несколько из них. Чтобы избежать последовательного перечисления классов, используйте подстановочный символ * :

import java.util.*;

Как правило, импортируется целый набор классов именно таким образом, а не выписывается каждый класс по отдельности.

Ключевое слово static

Обычно при создании класса вы описываете, как объекты этого класса ведут себя и как они выглядят. Объект появляется только после того, как он будет создан ключевым словом new, и только начиная с этого момента для него выделяется память и появляется возможность вызова методов.

Но есть две ситуации, в которых такой подход недостаточен. Первая — это когда некоторые данные должны храниться «в единственном числе» независимо от того, сколько было создано объектов класса. Вторая — когда вам потребуется метод, не привязанный ни к какому конкретному объекту класса (то есть метод, который можно вызвать даже при полном отсутствии объектов класса).

Такой эффект достигается использованием ключевого слова static, делающего элемент класса статическим. Когда вы объявляете что-либо как static, это означает, что данные или метод не привязаны к определенному экземпляру этого класса. Поэтому, даже если вы никогда не создавали объектов класса, вы можете вызвать статический метод или получить доступ к статическим данным. С обычным объектом вам необходимо сначала создать его и использовать для вызова метода или доступа к информации, так как нестатические данные и методы должны точно знать объект, с которым работают.

Некоторые объектно-ориентированные языки используют термины данные уровня класса и методы уровня класса, подразумевая, что данные и методы существуют только на уровне класса в целом, а не для отдельных объектов этого класса. Иногда эти термины встречаются в литературе по Java.

Чтобы сделать данные или метод статическими, просто поместите ключевое слово static перед их определением. Например, следующий код создает статическое поле класса и инициализирует его:

 class StaticTest {
  static int і =47;
 }

Теперь, даже при создании двух объектов StaticTest, для элемента StaticTest.i выделяется единственный блок памяти. Оба объекта совместно используют одно значение і. Пример:

 StaticTest stl = new StaticTest();
 StaticTest st2 = new StaticTest();

В данном примере как st1.i, так и st2.i имеют одинаковые значения, равные 47, потому что расположены они в одном блоке памяти. Существует два способа обратиться к статической переменной. Как было видно выше, вы можете указать ее с помощью объекта, например st2.i. Также можно обратиться к ней прямо по имени класса (для нестатических членов класса такая возможность отсутствует):

 StaticTest.i++;

Оператор ++ увеличивает значение на единицу (инкремент). После выполнения этой команды значения st1.i и st2.i будут равны 48.

Синтаксис с именем класса является предпочтительным, потому что он не только подчеркивает, что переменная описана как static, но и в некоторых случаях предоставляет компилятору больше возможностей для оптимизации.

Та же логика верна и для статических методов. Вы можете обратиться к такому методу или через объект, как это делается для всех методов, или в специальном синтаксисе имяКласса.метод(). Статические методы определяются по аналогии со статическими данными:

  class Incrementable {
     static void increment () { StaticTest.i++; }
 }

Нетрудно заметить, что метод increment() класса Incrementable увеличивает значение статического поля і. Метод можно вызвать стандартно, через объект:

   Incrementable sf = new Incrementable();
   sf.increment();

Или, поскольку increment() является статическим, можно вызвать его с прямым указанием класса:

  Incrementable.increment();

Применительно к полям ключевое слово static радикально меняет способ определения данных: статические данные существуют на уровне класса, в то время как нестатические данные существуют на уровне объектов, но в отношении изменения не столь принципиальны. Одним из важных применений static является определение методов, которые могут вызываться без объектов. В частности, это абсолютно необходимо для метода main(), который представляет собой точку входа в приложение.

Наша первая программа на Java

Наконец, долгожданная программа. Она запускается, выводит на экран строку, а затем текущую дату, используя стандартный класс Date из стандартной библиотеки Java:

// НеlloDate.java
import java.util.*;
 
public class HelloDate {
 
       public static void main(String[] args) {
            System.out.println("Привет, сегодня: "); 
            System out println(new Date());
       }
 
}

После запуска программы получим текст вида:

Привет, сегодня:
Wed Oct 05 14:39:36 MDT 2005

В начале каждого файла с программой должны находиться директивы import, в которых перечисляются все дополнительные классы, необходимые вашей программе. Обратите внимание на слово «дополнительные» — существует целая библиотека классов, присоединяющаяся автоматически к каждому файлу Java: java.lang. Запустите ваш браузер и просмотрите документацию фирмы Sun. (Если вы не загрузили документацию JDK с сайта https://java.sun.com или не получили ее иным способом, обязательно это сделайте.) Учтите, что документация не входит в комплект JDK, ее необходимо загрузить отдельно. Взглянув на список пакетов, вы найдете в нем различные библиотеки классов, поставляемые с Java.

Выберите java.lang. Здесь вы увидите список всех классов, составляющих эту библиотеку. Так как пакет java.lang. автоматически включается в каждую программу на Java, эти классы всегда доступны для использования. Класса Date в нем нет, а это значит, что для его использования придется импортировать другую библиотеку.

Если вы не знаете, в какой библиотеке находится нужный класс, или если вам понадобится увидеть все классы, выберите Tree (дерево классов) в документации. В нем можно обнаружить любой из доступных классов Java. Функция поиска текста в браузере поможет найти класс Date. Результат поиска показывает, что класс называется java.util.Date, то есть находится в библиотеке util, и для получения доступа к классу Date необходимо будет использовать директиву import для загрузки пакета java.util.*.

Если вы вернетесь к началу, выберете пакет java.lang, а затем класс System, то увидите, что он имеет несколько полей. При выборе поля out обнаруживается, что оно представляет собой статический объект PrintStream. Так как поле описано с ключевым словом static, вам не понадобится создавать объекты. Действия, которые можно выполнять с объектом out, определяются его типом: PrintStream.

Для удобства в описание этого типа включена гиперссылка, и, если щелкнуть на ней, вы обнаружите список всех доступных методов. Этих методов довольно много, и они будут позже рассмотрены в книге. Сейчас нас интересует только метод println(), вызов которого фактически означает: «вывести то, что передано методу, на консоль и перейти на новую строку». Таким образом, в любую программу на Java можно включить вызов вида System.out.println ("что-то"), чтобы вывести сообщение на консоль.

Имя класса совпадает с именем файла. Когда вы создаете отдельную программу, подобную этой, один из классов, описанных в файле, должен иметь совпадающее с ним название. (Если это условие нарушено, компилятор сообщит об ошибке.) Одноименный класс должен содержать метод с именем main() со следующей сигнатурой и возвращаемым типом:

 public static void main(String[] args) {

Ключевое слово public обозначает, что метод доступен для внешнего мира (об этом подробно рассказывает глава 5). Аргументом метода main() является массив строк. В данной программе массив args не используется, но компилятор Java настаивает на его присутствии, так как массив содержит параметры, переданные программе в командной строке.

Строка, в которой распечатывается число, довольно интересна:

 System.out.println (new Date());

Аргумент представляет собой объект Date, который создается лишь затем, чтобы передать свое значение (автоматически преобразуемое в String) методу println(). Как только команда будет выполнена, объект Date становится ненужным, сборщик мусора заметит это, и в конце концов сам удалит его. Нам не нужно беспокоиться о его удалении самим.

Компиляция и выполнение

Чтобы скомпилировать и выполнить эту программу, а также все остальные программы в книге, вам понадобится среда разработки Java. Существует множество различных сред разработок от сторонних производителей, но в этой книге мы предполагаем, что вы избрали бесплатную среду JDK Java Developer's Kit) от фирмы Sun. Если же вы используете другие системы разработки программ, вам придется просмотреть их документацию, чтобы узнать, как компилировать и запускать программы.

Подключитесь к Интернету и посетите сайт https://java.sun.com. Там вы найдете информацию и необходимые ссылки, чтобы загрузить и установить JDK для вашей платформы.

Как только вы установите JDK и правильно установите пути запуска, в результате чего система сможет найти утилиты javac и java, загрузите и распакуйте исходные тексты программ для этой книги (их можно загрузить с сайта https://www.MindView.net). Там вы обнаружите каталоги (папки) для каждой главы книги. Перейдите в папку objects и выполните команду

javac HelloDate java

Команда не должна выводить каких-либо сообщений. Если вы получили сообщение об ошибке, значит, вы неверно установили JDK и вам нужно разобраться со своими проблемами.

И наоборот, если все прошло успешно, выполните следующую команду:

java НеlloDate

и вы увидите сообщение и число как результат работы программы.

Эта последовательность действий позволяет откомпилировать и выполнить любую программу-пример из этой книги. Однако также вы увидите, что каждая папка содержит файл build.xml с командами для инструмента ant по автоматической сборке файлов для данной главы. После установки ant с сайта https://jakarta.apache.org/ant можно будет просто набрать команду ant в командной строке, чтобы скомпилировать и запустить программу из любого примера. Если ant на вашем компьютере еще не установлен, команды javac и java придется вводить вручную.

Комментарии и встроенная документация

В Java приняты два вида комментариев. Первый — традиционные комментарии в стиле C, также унаследованные языком C++. Такие комментарии начинаются с комбинации /* и распространяются иногда на множество строк, после чего за­канчиваются символами */. Заметьте, что многие программисты начинают каждую новую строку таких комментариев символом *, соответственно, часто можно увидеть следующее:

 /* Это комментарий,
 *  распространяющийся на
 *  несколько строк */

Впрочем, все символы между /* и */ игнорируются, и с таким же успехом можно использовать запись

 /* Это комментарий, 
распространяющийся на несколько строк */

Второй вид комментария пришел из языка C++. Однострочный комментарий начинается с комбинации // и продолжается до конца строки. Такой стиль очень удобен и прост, поэтому широко используется на практике. Вам не приходится искать на клавиатуре сначала символ /, а затем * (вместо этого вы дважды нажимаете одну и ту же клавишу), и не нужно закрывать комментарий. Поэтому часто можно увидеть такие примеры:

 // это комментарий в одну строку

Документация в комментариях

Пожалуй, основные проблемы с документированием кода связаны с его сопровождением. Если код и его документация существуют раздельно, корректировать описание программы при каждом ее изменении становится задачей не из легких. Решение выглядит очень просто: совместить код и документацию. Проще всего объединить их в одном файле. Но для полноты картины понадобится специальный синтаксис комментариев, чтобы помечать документацию, и инструмент, который извлекал бы эти комментарии и оформлял их в подходящем виде. Именно это было сделано в Java.

Инструмент для извлечения комментариев называется javadoc, он является частью пакета JDK. Некоторые возможности компилятора Java используются в нем для поиска пометок в комментариях, включенных в ваши программы. Он не только извлекает помеченную информацию, но также узнает имя класса или метода, к которому относится данный фрагмент документации. Таким образом, с минимумом затраченных усилий можно создать вполне приличную сопрово­дительную документацию для вашей программы.

Результатом работы программы javadoc является HTML-файл, который можно просмотреть в браузере. Таким образом, утилита javadoc позволяет создавать и поддерживать единый файл с исходным текстом и автоматически строить полезную документацию. В результае получается простой и практичный стандарт по созданию документации, поэтому мы можем ожидать (и даже требовать) наличия документации для всех библиотек Java.

Вдобавок, вы можете дополнить javadoc своими собственными расширениями, называемыми доклетами (doclets), в которых можно проводить специальные операции над обрабатываемыми данными (например, выводить их в другом формате).

Далее следует лишь краткое введение и обзор основных возможностей javadoc. Более подробное описание можно найти в документации JDK. Распаковав документацию, загляните в папку tooldocs (или перейдите по ссылке tooldocs).

Синтаксис

Все команды javadoc находятся только внутри комментариев /**. Комментарии, как обычно, завершаются последовательностью */. Существует два основных способа работы с javadoc: встраивание HTML-текста или использование разметки документации (тегов). Самостоятельные теги документации — это команды, которые начинаются символом @ и размещаются с новой строки комментария.

(Начальный символ * игнорируется.) Встроенные теги документации могут располагаться в любом месте комментария javadoc, также начинаются со знака @, но должны заключаться в фигурные скобки.

Существует три вида документации в комментариях для разных элементов кода: класса, переменной и метода. Комментарий к классу записывается прямо перед его определением; комментарий к переменной размещается непосредственно перед ее определением, а комментарий к методу тоже записывается прямо перед его определением. Простой пример:

//: object/Documentation1.java 
  /** Комментарий к классу */ 
  public class Documentation1 {
  /** Комментарий к переменной */ 
  public int і;
  /** Комментарий к методу */ 
  public void f() {} 
 } ///:~

Заметьте, что javadoc обрабатывает документацию в комментариях только для членов класса с уровнем доступа public и protected. Комментарии для членов private и членов с доступом в пределах пакета игнорируются, и документация по ним не строится. (Впрочем, флаг -private включает обработку и этих членов). Это вполне логично, поскольку только public- и protected-члены доступны вне файла, и именно они интересуют программиста-клиента.

Результатом работы программы является HTML-файл в том же формате, что и остальная документация для Java, так что пользователям будет привычно и удобно просматривать и вашу документацию. Попробуйте набрать текст предыдущего примера, «пропустите» его через javadoc и просмотрите полученный HTML-файл, чтобы увидеть результат.

Встроенный HTML

javadoc вставляет команды HTML в итоговый документ. Это позволяет полностью использовать все возможности HTML; впрочем, данная возможность прежде всего ориентирована на форматирование кода:

//: object/Documentation2.java
 /**
 * <pre>
 * System.out.println(new Date());
 * </pre>
 */
 public class Documentation2 {}

Вы можете использовать HTML точно так же, как в обычных страницах, чтобы привести описание к нужному формату:

//: object/Documentation3.java
 /**
 * You can <em>even</em> insert a list:
 * <ol>
 * <li> Пункт первый
 * <li> Пункт второй
 * <li> Пункт третий
 * </ol>
 */
 public class Documentation3 {}

javadoc игнорирует звездочки в начале строк, а также начальные пробелы. Текст переформатируется таким образом, чтобы он отвечал виду стандартной документации. Не используйте заголовки вида <h1> или <hr> во встроенном HTML, потому что javadoc вставляет свои собственные заголовки и ваши могут с ними «пересечься».

Встроенный HTML-код поддерживается всеми типами документации в комментариях — для классов, переменных или методов.

Примеры тегов

Далее описаны некоторые из тегов javadoc, используемых при документировании программы. Прежде чем применять javadoc для каких-либо серьезных целей, просмотрите руководство по нему в документации пакета JDK, чтобы получить полную информацию о его использовании.

@see: ссылка на другие классы

Тег позволяет ссылаться на документацию к другим классам. javadoc там, где были записаны теги @see, создает HTML-ссылки на другие документы. Основные формы использования тега:

@see имя класса
@see полное-имя-класса
@see полное-имя-класса#имя-метода

Каждая из этих форм включает в генерируемую документацию замечание See Also («см. также») со ссылкой на указанные классы. javadoc не проверяет передаваемые ему гиперссылки.

{@link пакет.класс#член_класса метка}

Тег очень похож на @see, не считая того, что он может использоваться как встроенный, а вместо стандартного текста See Also в ссылке размещается текст, указанный в поле метка.

{@docRoot}

Позволяет получить относительный путь к корневой папке, в которой находится документация. Полезен при явном задании ссылок на страницы из дерева документации.

{@inheritDoc}

Наследует документацию базового класса, ближайшего к документируемому классу, в текущий файл с документацией.

@version

Имеет следующую форму:

@version информация-о-версии

Поле информации о версии содержит ту информацию, которую вы сочли нужным включить. Когда в командной строке javadoc указывается опция -version, в созданной документации специально отводится место, заполняемое информа­цией о версиях.

@author

Записывается в виде

@author информация-об-авторе

Предполагается, что поле информация-об-авторе представляет собой имя автора, хотя в него также можно включить адрес электронной почты и любую другую информацию. Когда в командной строке javadoc указывается опция -author, в созданной документации сохраняется информация об авторе.

Для создания списка авторов можно записать сразу несколько таких тегов, но они должны размещаться последовательно. Вся информация об авторах объединяется в один раздел в сгенерированном коде HTML.

@since

Тег позволяет задать версию кода, с которой началось использование некоторой возможности. В частности, он присутствует в HTML-документации по Java, где служит для указания версии JDK.

@param

Полезен при документировании методов. Форма использования:

@param имя-параметра описание

где имя-параметра — это идентификатор в списке параметров метода, а описание — текст описания, который можно продолжить на несколько строк. Описание считается завершенным, когда встретится новый тег. Можно записывать любое количество тегов @param, по одному для каждого параметра метода.

@return

Форма использования:

@return описание

где описание объясняет, что именно возвращает метод. Описание может состоять из нескольких строк.

@throws

Исключения будут рассматриваться в главе 9. В двух словах это объекты, которые можно «возбудить» (throw) в методе, если его выполнение потерпит неудачу. Хотя при вызове метода создается всегда один объект исключения, определенный метод может вырабатывать произвольное количество исключений, и все они требуют описания. Соответственно, форма тега исключения такова:

@throws полное-имя-класса описание

где полное-имя-класса дает уникальное имя класса исключения, который где-то определен, а описание (расположенное на произвольном количестве строк) объясняет, почему данный метод способен создавать это исключение при своем вызове.

@deprecated

Тег используется для пометки устаревших возможностей, замещенных новыми и улучшенными. Он сообщает о том, что определенные средства программы не следует использовать, так как в будущем они, скорее всего, будут убраны. В Java SE5 тег @deprecated был заменен директивой @Deprecated (см. далее).

Пример документации

Вернемся к нашей первой программе на Java, но на этот раз добавим в нее комментарии со встроенной документацией:

//: object/HelloDate.java
import java.util.*;
 
/** Первая программа-пример книги.
 * Выводит строку и текущее число.
 * @author Брюс Эккель
 * @author www.MindView.net
 * @version 4.0
*/
public class HelloDate {
  /** Точка входа в класс и приложение
   * @param Массив строковых аргументов
   * @throws exceptions Исключения не выдаются 
  */
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Привет, сегодня: ");
    System.out.println(new Date());
  }
}
/*
Output: (55% match) 
 Привет, сегодня:
 Wed Oct 05 14:39:36 MDT 2005 
*///:~

В первой строке файла использована моя личная методика помещения специального маркера //: в комментарий как признака того, что в этой строке комментария содержится имя файла с исходным текстом. Здесь указывается путь к файлу (object означает эту главу) с последующим именем файла. Последняя строка также завершается комментарием (///:~), обозначающим конец исходного текста программы. Он помогает автоматически извлекать из текста книги программы для проверки компилятором и выполнения.

Тег /* Output: обозначает начало выходных данных, сгенерированных данным файлом. В этой форме их можно автоматически проверить на точность.

В данном случае значение (55% match) сообщает системе тестирования, что результаты будут заметно отличаться при разных запусках программы. В большинстве примеров книги результаты приводятся в комментариях такого вида, чтобы вы могли проверить их на правильность.

Стиль оформления программ

Согласно правилам стиля, описанным в руководстве Code Conventions for the Java Programming Language имена классов должны записываться с прописной буквы. Если имя состоит из нескольких слов, они объединяются (то есть символы подчеркивания не используются для разделения), и каждое слово в имени начинается с большой буквы:

class АllTheColorsOfTheRainbow { // ..

Практически для всего остального: методов, полей и ссылок на объекты — используется такой же способ записи, за одним исключением — первая буква идентификатора записывается строчной. Например:

 class AllTheColorsOfTheRainbow {
 
     int anIntegerRepresentingColors; 
     void changeTheHueOfTheColor(int newHue) { /*.......*/ }
     // ....
 }

Помните, что пользователю ваших классов и методов придется вводить все эти длинные имена, так что будьте милосердны.

В исходных текстах Java, которые можно увидеть в библиотеках фирмы Sun, также используется схема размещения открывающих и закрывающих фигурных скобок, которая встречается в примерах данной книги.

Резюме

В этой главе я постарался привести информацию о программировании на Java, достаточную для написания самой простой программы. Также был представлен обзор языка и некоторых его основных свойств. Однако примеры до сих пор имели форму «сначала это, потом это, а после что-то еще». В следующих двух главах будут представлены основные операторы, используемые при программировании на Java, а также способы передачи управления в вашей программе.

ОПЕРАТОРЫ

На нижнем уровне операции с данными в Java осуществляются посредством операторов.
Язык Java создавался на основе C++, поэтому большинство этих операторов и конструкций знакомы программистам на C и C++. Также в Java были добавлены некоторые улучшения и упрощения.
Если вы .знакомы с синтаксисом C или C++, бегло просмотрите эту и следующую главу, останавливаясь на тех местах, в которых Java отличается от этих языков. Если чтение дается вам с трудом, попробуйте обратиться к мультимедийному семинару Thinking in С, свободно загружаемому с сайта www.MindView.net. Он содержит аудиолекции, слайды, упражнения и решения, специально разработанные для быстрого ознакомления с синтаксисом C, необходимым для успешного овладения языком Java.

Простые команды печати

В предыдущей главе была представлена команда печати Java

 System.out.println("Какая длинная команда...");

Вероятно, вы заметили, что команда не только получается слишком длинной, но и плохо читается. Во многих языках до и после Java используется более простой подход к выполнению столь распространенной операции.
В главе 6 представлена концепция статического импорта, появившаяся в Java SE5, а также крошечная библиотека, упрощающая написание команд печати. Тем не менее для использования библиотеки не обязательно знать все подробности. Программу из предыдущей главы можно переписать в следующем виде:

//: operators/HelloDate.java
import java.util.*;
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class HelloDate {
  public static void main(String[] args) {
    print("Привет, сегодня: ");
    print(new Date());
  }
}

<spoiler text="Output:">

Привет, сегодня
Wed Oct 05 14-39 36 MDT 2005

</spoiler>
Результат смотрится гораздо приятнее. Обратите внимание на ключевое слово static во второй команде import.

Чтобы использовать эту библиотеку, необходимо загрузить архив с примерами кода. Распакуйте его и включите корневой каталог дерева в переменную окружения CLASSPATH вашего компьютера. Хотя использование net.mindview.util.Print упрощает программный код, оно оправданно не везде. Если программа содержит небольшое количество команд печати, я отказываюсь от import и записываю полный вызов System.out.println().

Операторы Java

Оператор получает один или несколько аргументов и создает на их основе новое значение. Форма передачи аргументов несколько иная, чем при вызове метода, но эффект тот же самый. Сложение (+), вычитание и унарный минус (-), умножение (*), деление (/) и присвоение (=) работают одинаково фактически во всех языках программирования.

Все операторы работают с операндами и выдают какой-то результат. Вдобавок некоторые операторы могут изменить значение операнда. Это называется побочным эффектом. Как правило, операторы, изменяющие значение своих операндов, используются именно ради побочного эффекта, но вы должны помнить, что полученное значение может быть использовано в программе и обычным образом, независимо от побочных эффектов.

Почти все операторы работают только с примитивами. Исключениями являются =, ==, !=, которые могут быть применены к объектам (и создают немало затруднений). Кроме того, класс String поддерживает операции + и +=.

Приоритет

Приоритет операций определяет порядок вычисления выражений с несколькими операторами. В Java существуют конкретные правила для определения очередности вычислений. Легче всего запомнить, что деление и умножение выполняются раньше сложения и вычитания. Программисты часто забывают правила предшествования, поэтому для явного задания порядка вычислений следует использовать круглые скобки. Например, взгляните на команды (1) и (2):

//: operators/Precedence.java
public class Precedence {
  public static void main(String[] args) {
    int x = 1, y = 2, z = 3;
    int a = x + y - 2/2 + z;           // (1)
    int b = x + (y - 2)/(2 + z);       // (2)
    System.out.println("a = " + a + " b = " + b);
  }
}

<spoiler text="Output:">

a = 5 b = 1

</spoiler>
Команды похожи друг на друга, но из результатов хорошо видно, что они имеют разный смысл в зависимости от присутствия круглых скобок.
Обратите внимание на оператор + в команде System.out.println. В данном контексте + означает конкатенацию строк, а не суммирование. Когда компилятор встречает объект String, за которым следует + и объект, отличный от String, он пытается преобразовать последний объект в String. Как видно из выходных данных, для а и b тип int был успешно преобразован в String.

Присвоение

Присвоение выполняется оператором =

Трактуется он так: «взять значение из правой части выражения (часто называемое просто значением) и скопировать его в левую часть (часто называемую именующим выражением)». Значением может быть любая константа, переменная или выражение, но в качестве именующего выражения обязательно должна использоваться именованная переменная (то есть для хранения значения должна выделяться физическая память). Например, вы можете присвоить постоянное значение переменной:

 а = 4;

но нельзя присвоить что-либо константе — она не может использоваться в качестве именующего выражения (например, запись 4 = а недопустима).

Для примитивов присвоение выполняется тривиально. Так как примитивный тип хранит данные, а не ссылку на объект, то присвоение сводится к простому копированию данных из одного места в другое. Например, если команда а = b выполняется для примитивных типов, то содержимое b просто копируется в а. Естественно, последующие изменения а никак не отражаются на b. Для программиста именно такое поведение выглядит наиболее логично.

При присвоении объектов все меняется. При выполнении операций с объектом вы в действительности работаете со ссылкой, поэтому присвоение «одного объекта другому» на самом деле означает копирование ссылки из одного места в другое. Это значит, что при выполнении команды c = d для объектов в конечном итоге с и d указывают на один объект, которому изначально соответствовала только ссылка d. Сказанное демонстрирует следующий пример:

//: operators/Assignment.java
// Присвоение объектов имеет ряд хитростей
import static net.mindview.util.Print.*;
 
class Tank {
  int level;
}	
 
public class Assignment {
  public static void main(String[] args) {
    Tank t1 = new Tank();
    Tank t2 = new Tank();
    t1.level = 9;
    t2.level = 47;
    print("1: t1.level: " + t1.level +
          ", t2.level: " + t2.level);
    t1 = t2;
    print("2: t1.level: " + t1.level +
          ", t2.level: " + t2.level);
    t1.level = 27;
    print("3: t1.level: " + t1.level +
          ", t2.level: " + t2.level);
  }
}

<spoiler text="Output:">

1: t1.level: 9, t2.level: 47
2: t1.level: 47, t2.level: 47
3: t1.level: 27, t2.level: 27

</spoiler>
Класс Tank предельно прост, и два его экземпляра (t1 и t2) создаются внутри метода main(). Переменной level для каждого экземпляра придаются различные значения, а затем ссылка t2 присваивается t1, в результате чего t1 изменяется.

Во многих языках программирования можно было ожидать, что t1 и t2 будут независимы все время, но из-за присвоения ссылок изменение объекта t1 отражается на объекте t2!
Это происходит из-за того, что t1 и t2 содержат одинаковые ссылки, указывающие на один объект. (Исходная ссылка, которая содержалась в t1 и указывала на объект со значением 9, была перезаписана во время присвоения и фактически потеряна; ее объект будет вскоре удален сборщиком мусора.)

Этот феномен совмещения имен часто называют синонимией (aliasing), и именно она является основным способом работы с объектами в Java. Но что делать, если совмещение имен нежелательно? Тогда можно пропустить присвоение и записать

 t1.level = t2.level;

При этом программа сохранит два разных объекта, а не «выбросит» один из них, «привязав» ссылки t1 и t2 к единственному объекту. Вскоре вы поймете, что прямая работа с полями данных внутри объектов противоречит принципам объектно-ориентированной разработки. Впрочем, это непростой вопрос, так что пока вам достаточно запомнить, что присвоение объектов может таить в себе немало сюрпризов.

Совмещение имен во время вызова методов

Совмещение имен также может происходить при передаче объекта методу:

//: operators/PassObject.java
// Передача объектов методам может работать
// не так. как вы привыкли.
import static net.mindview.util.Print.*;
 
class Letter {
  char c;
}
 
public class PassObject {
  static void f(Letter y) {
    y.c = 'z';
  }
  public static void main(String[] args) {
    Letter x = new Letter();
    x.c = 'a';
    print("1: x.c: " + x.c);
    f(x);
    print("2: x.c: " + x.c);
  }
}

<spoiler text="Output:">

1: x.c: a
2: x.c: z

</spoiler>
Во многих языках программирования метод f() создал бы копию своего параметра Letter у внутри своей области действия. Но из-за передачи ссылки строка

 у.с = 'z';

на самом деле изменяет объект за пределами метода f().

Совмещение имен и решение этой проблемы — сложные темы. Будьте очень внимательными в таких случаях во избежание ловушек.

Арифметические операторы

Основные математические операторы

Основные математические операторы остаются неизменными почти во всех языках программирования:

• сложение ( + );
• вычитание ( - );
• деление ( / );
• умножение ( * )
• остаток от деления нацело ( % );

Деление нацело обрезает, а не округляет результат.

В Java также используется укороченная форма записи для того, чтобы одновременно произвести операцию и присвоение. Она обозначается оператором с последующим знаком равенства и работает одинаково для всех операторов языка (когда в этом есть смысл). Например, чтобы прибавить 4 к переменной х и присвоить результат х, используйте команду х += 4.

Следующий пример демонстрирует использование арифметических операций:

//: operators/MathOps.java
// Демонстрация математических операций.
import java.util.*;
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class MathOps {
  public static void main(String[] args) {
    // Создание и раскрутка генератора случайных чисел:
    Random rand = new Random(47);
    int i, j, k;
    // Choose value from 1 to 100:
    j = rand.nextInt(100) + 1;
    print("j : " + j);
    k = rand.nextInt(100) + 1;
    print("k : " + k);
    i = j + k;
    print("j + k : " + i);
    i = j - k;
    print("j - k : " + i);
    i = k / j;
    print("k / j : " + i);
    i = k * j;
    print("k * j : " + i);
    i = k % j;
    print("k % j : " + i);
    j %= k;
    print("j %= k : " + j);
     // Тесты для вещественных чисел:
    float u, v, w; // также можно использовать double
    v = rand.nextFloat();
    print("v : " + v);
    w = rand.nextFloat();
    print("w : " + w);
    u = v + w;
    print("v + w : " + u);
    u = v - w;
    print("v - w : " + u);
    u = v * w;
    print("v * w : " + u);
    u = v / w;
    print("v / w : " + u);
    // следующее также относится к типам 
    // char, byte, short, int. long и double:
    u += v;
    print("u += v : " + u);
    u -= v;
    print("u -= v : " + u);
    u *= v;
    print("u *= v : " + u);
    u /= v;
    print("u /= v : " + u);
  }
}

<spoiler text="Output:">

j : 59
k : 56
j + k : 115
j - k : 3
k / j : 0
k * j : 3304
k % j : 56
j %= k : 3
v : 0.5309454
w : 0.0534122
v + w : 0.5843576
v - w : 0.47753322
v * w : 0.028358962
v / w : 9.940527
u += v : 10.471473
u -= v : 9.940527
u *= v : 5.2778773
u /= v : 9.940527

</spoiler>
Для получения случайных чисел создается объект Random. Если он создается без параметров, Java использует текущее время для раскрутки генератора, чтобы при каждом запуске программы выдавались разные числа.

Программа генерирует различные типы случайных чисел, вызывая соответствующие методы объекта Random: nextInt() и nextFloat() (также можно использовать nextLong() и nextDouble()). Аргумент nextInt() задает верхнюю границу ге­нерируемых чисел. Нижняя граница равна 0, но для предотвращения возможного деления на 0 результат смещается на 1.

Унарные операторы плюс и минус

Унарные минус (-) и плюс (+) внешне не отличаются от аналогичных бинарных операторов. Компилятор выбирает нужный оператор в соответствии с контекстом использования. Например, команда

 х = -а;

имеет очевидный смысл. Компилятор без труда разберется, что значит

 х = а * -b;

но читающий код может запутаться, так что яснее будет написать так:

 х = а * (-b);

Унарный минус меняет знак числа на противоположный. Унарный плюс существует «для симметрии», хотя и не производит никаких действий.

Автоувеличение и автоуменьшение

В Java, как и в C, существует множество различных сокращений. Сокращения могут упростить написание кода, а также упростить или усложнить его чтение.

Два наиболее полезных сокращения — это операторы увеличения (инкремента) и уменьшения (декремента) (также часто называемые операторами автоматического приращения и уменьшения). Оператор декремента записывается в виде -- и означает «уменьшить на единицу».

Оператор инкремента обозначается символами ++ и позволяет «увеличить на единицу». Например, если переменная а является целым числом, то выражение ++а будет эквивалентно (а = а + 1). Операторы инкремента и декремента не только изменяют переменную, но и устанавливают ей в качестве результата новое значение.

Каждый из этих операторов существует в двух версиях: префиксной и постфиксной. Префиксный инкремент значит, что оператор ++ записывается перед переменной или выражением, а при постфиксном инкременте оператор следует после переменной или выражения. Аналогично, при префиксном декременте оператор -- указывается перед переменной или выражением, а при постфиксном - после переменной или выражения.

Для префиксного инкремента и декремента (то есть ++а и --а) сначала выполняется операция, а затем выдается результат. Для постфиксной записи (а++ и а--) сначала выдается значение, и лишь затем выполняется операция. Например:

//: operators/AutoInc.java
// Demonstrates the ++ and -- operators.
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class AutoInc {
  public static void main(String[] args) {
    int i = 1;
    print("i : " + i);
    print("++i : " + ++i); // Pre-increment
    print("i++ : " + i++); // Post-increment
    print("i : " + i);
    print("--i : " + --i); // Pre-decrement
    print("i-- : " + i--); // Post-decrement
    print("i : " + i);
  }
}

<spoiler text="Output:">

i : 1
++i : 2
i++ : 2
i : 3
--i : 2
i-- : 2
i : 1

</spoiler>
Вы видите, что при использовании префиксной формы результат получается после выполнения операции, тогда как с постфиксной формой он доступен до выполнения операции. Это единственные операторы (кроме операторов присваивания), которые имеют побочный эффект. (Иначе говоря, они изменяют свой операнд вместо простого использования его значения.)

Оператор инкремента объясняет происхождение названия языка C++; подразумевается «шаг вперед по сравнению с C». В одной из первых речей, посвященных Java, Билл Джой (один из его создателей) сказал, что «Java=C++--» («Си плюс плюс минус минус»). Он имел в виду, что Java — это C++, из которого убрано все, что затрудняет программирование, и поэтому язык стал гораздо проще. Продвигаясь вперед, вы увидите, что отдельные аспекты языка, конечно, проще, и все же Java не настолько проще C++.

Операторы сравнения и логические операторы

Операторы сравнения выдают логический (boolean) результат. Они проверяют, в каком отношении находятся значения их операндов. Если условие проверки истинно, оператор выдает true, а если ложно — false. К операторам сравнения относятся следующие: «меньше чем» (<), «больше чем» (>), «меньше чем или равно» (<=), «больше чем или равно» (>=), «равно» (==) и «не равно» (!=). «Равно» и «не равно» работают для всех примитивных типов данных, однако ос­тальные сравнения не применимы к типу boolean.

Проверка объектов на равенство

Операции отношений == и != также работают с любыми объектами, но их смысл нередко сбивает с толку начинающих программистов на Java. Пример:

//: operators/Equivalence.java
public class Equivalence {
  public static void main(String[] args) {
    Integer n1 = new Integer(47);
    Integer n2 = new Integer(47);
    System.out.println(n1 == n2);
    System.out.println(n1 != n2);
  }
}

<spoiler text="Output:">

false
true

</spoiler>
Выражение System.out.println(n1 == n2) выведет результат логического сравнения, содержащегося в скобках. Казалось бы, в первом случае результат должен быть истинным (true), а во втором — ложным (false), так как оба объекта типа Integer имеют одинаковые значения. Но в то время как содержимое объектов одинаково, ссылки на них разные, а операторы != и == сравнивают именно ссылки. Поэтому результатом первого выражения будет false, а второго — true. Естественно, такие результаты поначалу ошеломляют.

А если понадобится сравнить действительное содержимое объектов? Придется использовать специальный метод equals(), поддерживаемый всеми объектами (но не примитивами, для которых более чем достаточно операторов == и !=). Вот как это делается:

//: operators/EqualsMethod.java
public class EqualsMethod {
  public static void main(String[] args) {
    Integer n1 = new Integer(47);
    Integer n2 = new Integer(47);
    System.out.println(n1.equals(n2));
  }
}

<spoiler text="Output:">

true

</spoiler>
На этот раз результат окажется «истиной» (true), как и предполагалось. Но все не так просто, как кажется. Если вы создадите свой собственный класс вроде такого:

//: operators/EqualsMethod2.java
// Метод equals() по умолчанию не сравнивает содержимое.
class Value {
  int i;
}
 
public class EqualsMethod2 {
  public static void main(String[] args) {
    Value v1 = new Value();
    Value v2 = new Value();
    v1.i = v2.i = 100;
    System.out.println(v1.equals(v2));
  }
}

<spoiler text="Output:">

false

</spoiler>
мы вернемся к тому, с чего начали: результатом будет false. Дело в том, что метод equals() по умолчанию сравнивает ссылки. Следовательно, пока вы не переопределите этот метод в вашем новом классе, не получите желаемого результата. К сожалению, переопределение будет рассматриваться только в главе 8, а пока осторожность и общее понимание принципа работы equals() позволит избежать некоторых неприятностей.

Большинство классов библиотек Java реализуют метод equals() по-своему, сравнивая содержимое объектов, а не ссылки на них.

Логические операторы

Логические операторы И (&&), ИЛИ (||) и НЕ (!) производят логические значения true и false, основанные на логических отношениях своих аргументов. В следующем примере используются как операторы сравнения, так логические операторы:

//: operators/Bool.java
// Операторы сравнений и логические операторы.
import java.util.*;
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class Bool {
  public static void main(String[] args) {
    Random rand = new Random(47);
    int i = rand.nextInt(100);
    int j = rand.nextInt(100);
    print("i = " + i);
    print("j = " + j);
    print("i > j is " + (i > j));
    print("i < j is " + (i < j));
    print("i >= j is " + (i >= j));
    print("i <= j is " + (i <= j));
    print("i == j is " + (i == j));
    print("i != j is " + (i != j));
    // Treating an int as a boolean is not legal Java:
//! print("i && j is " + (i && j));
//! print("i || j is " + (i || j));
//! print("!i is " + !i);
    print("(i < 10) && (j < 10) is "
       + ((i < 10) && (j < 10)) );
    print("(i < 10) || (j < 10) is "
       + ((i < 10) || (j < 10)) );
  }
}

<spoiler text="Output:">

i = 58
j = 55
i > j is true
i < j is false
i >= j is true
i <= j is false
i == j is false
i != j is true
(i < 10) && (j < 10) is false
(i < 10) || (j < 10) is false

</spoiler>
Операции И, ИЛИ и НЕ применяются только к логическим (boolean) значениям. Нельзя использовать в логических выражениях не-boolean-типы в качестве булевых, как это разрешается в C и C++. Неудачные попытки такого рода видны в строках, помеченных особым комментарием //! (этот синтаксис позволяет автоматически удалять комментарии для удобства тестирования). Последующие выражения вырабатывают логические результаты, используя операторы сравнений, после чего к полученным значениям примененяются логические операции.

Заметьте, что значение boolean автоматически переделывается в подходящее строковое представление там, где предполагается использование строкового типа String.

Определение int в этой программе можно заменить любым примитивным типом, за исключением boolean. Впрочем, будьте осторожны с вещественными числами, поскольку их сравнение проводится с крайне высокой точностью. Число, хотя бы чуть-чуть отличающееся от другого, уже считается неравным ему. Число, на тысячную долю большее нуля, уже не является нулем.

Ускоренное вычисление

При работе с логическими операторами можно столкнуться с феноменом, называемым «ускоренным вычислением». Это значит, что выражение вычисляется только до тех пор, пока не станет очевидно, что оно принимает значение «истина» или «ложь». В результате, некоторые части логического выражения могут быть проигнорированы в процессе сравнения. Следующий пример демонстрирует ускоренное вычисление:

//: operators/ShortCircuit.java
// Демонстрация ускоренного вычисления 
// при использовании логических операторов
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class ShortCircuit {
  static boolean test1(int val) {
    print("test1(" + val + ")");
    print("result: " + (val < 1));
    return val < 1;
  }
  static boolean test2(int val) {
    print("test2(" + val + ")");
    print("result: " + (val < 2));
    return val < 2;
  }
  static boolean test3(int val) {
    print("test3(" + val + ")");
    print("result: " + (val < 3));
    return val < 3;
  }
  public static void main(String[] args) {
    boolean b = test1(0) && test2(2) && test3(2);
    print("expression is " + b);
  }
}

<spoiler text="Output:">

test1(0)
result: true
test2(2)
result: false
expression is false

</spoiler>
Каждый из методов test() проводит сравнение своего аргумента и возвращает либо true, либо false. Также они выводят информацию о факте своего вызова. Эти методы используются в выражении:

 testl(0) && test2(2) && test3(2)

Естественно было бы ожидать, что все три метода должны выполняться, но результат программы показывает другое. Первый метод возвращает результат true, поэтому вычисление выражения продолжается. Однако второй метод выдает результат false. Так как это автоматически означает, что все выражение будет равно false, зачем продолжать вычисления? Только лишняя трата времени. Именно это и стало причиной введения в язык ускоренного вычисления; отказ от лишних вычислений обеспечивает потенциальный выигрыш в производительности.

Литералы

Обычно, когда вы записываете в программе какое-либо значение, компилятор точно знает, к какому типу оно относится. Однако в некоторых ситуациях однозначно определить тип не удается. В таких случаях следует помочь компилятору определить точный тип, добавив дополнительную информацию в виде определенных символьных обозначений, связанных с типами данных. Эти обозначения используются в следующей программе:

//: operators/Literals.java
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class Literals {
  public static void main(String[] args) {
    int i1 = 0x2f; // Hexadecimal (lowercase)
    print("i1: " + Integer.toBinaryString(i1));
    int i2 = 0X2F; // Hexadecimal (uppercase)
    print("i2: " + Integer.toBinaryString(i2));
    int i3 = 0177; // Octal (leading zero)
    print("i3: " + Integer.toBinaryString(i3));
    char c = 0xffff; // max char hex value
    print("c: " + Integer.toBinaryString(c));
    byte b = 0x7f; // max byte hex value
    print("b: " + Integer.toBinaryString(b));
    short s = 0x7fff; // max short hex value
    print("s: " + Integer.toBinaryString(s));
    long n1 = 200L; // long suffix
    long n2 = 200l; // long suffix (but can be confusing)
    long n3 = 200;
    float f1 = 1;
    float f2 = 1F; // float suffix
    float f3 = 1f; // float suffix
    double d1 = 1d; // double suffix
    double d2 = 1D; // double suffix
    // (Hex and Octal also work with long)
  }
}

<spoiler text="Output:">

i1: 101111
i2: 101111
i3: 1111111
c: 1111111111111111
b: 1111111
s: 111111111111111

</spoiler>
Последний символ обозначает тип записанного литерала. Прописная или строчная буква L определяет тип long (впрочем, строчная l может создать проблемы, потому что она похожа на цифру 1); прописная или строчная F соответствует типу float, а заглавная или строчная D подразумевает тип double.

Шестнадцатеричное представление (основание 16) работает со всеми встроенными типами данных и обозначается префиксом 0x или 0X с последующим числовым значением из цифр 0-9 и букв a-f, прописных или строчных. Если при определении переменной задается значение, превосходящее максимально для нее возможное (независимо от числовой формы), компилятор сообщит вам об ошибке. В программе указаны максимальные значения для типов char, byte и short. При выходе за эти границы компилятор автоматически сделает значение типом int и сообщит вам, что для присвоения понадобится сужающее приведение.

Восьмеричное представление (по основанию 8) обозначается начальным нулем в записи числа, состоящего из цифр 0 - 7. Для литеральной записи чисел в двоичном представлении в Java, C и C++ поддержки нет. Впрочем, при работе с шестнадцатеричныыми и восьмеричными числами часто требуется получить двоичное представление результата. Задача легко решается методами static toBinaryString() классов Integer и Long.

Экспоненциальная запись

Экспоненциальные значения записываются, по-моему, очень неудачно: 1.39e-47f. В науке и инженерном деле символом е обозначается основание натурального логарифма, равное примерно 2.718. (Более точное значение этой величины можно получить из свойства Math.E.)

Оно используется в экспоненциальных выражениях, таких как 1.39 * е exp47, что фактически значит 1.39 * 2.718 exp47. Однако во время изобретения языка FORTRAN было решено, что е будет обозначать «десять в степени», что достаточно странно, поскольку FORTRAN разрабатывался для науки и техники и можно было предположить, что его создатели обратят внимание на подобную неоднозначность.

Так или иначе, этот обычай был перенят в C, C++, а затем перешел в Java. Таким образом, если вы привыкли видеть в е основание натурального логарифма, вам придется каждый раз делать преобразование в уме: если вы увидели в Java выражение 1.39e-43f, на самом деле оно значит 1.39 * 10 exp43.

Если компилятор может определить тип автоматически, наличие завершающего суффикса типа не обязательно. В записи

 long n3 = 200;

не существует никаких неясностей, и поэтому использование символа L после значения 200 было бы излишним. Однако в записи

float f4 = 1e-43f; // десять в степени

компилятор обычно трактует экспоненциальные числа как double. Без завершающего символа f он сообщит вам об ошибке и необходимости использования приведения для преобразования double к типу float.

Поразрядные операторы

Поразрядные логические операторы

Поразрядные операторы манипулируют отдельными битами в целочисленных примитивных типах данных. Результат определяется действиями булевой алгебры с соответствующими битами двух операндов.
Эти битовые операторы происходят от низкоуровневой направленности языка C, где часто приходится напрямую работать с оборудованием и устанавливать биты в аппаратных регистрах. Java изначально разрабатывался для управления телевизионными приставками, поэтому эта низкоуровневая ориентация все еще была нужна. Впрочем, вам вряд ли придется часто использовать эти операторы.

• Поразрядный оператор И ( & ) заносит 1 в выходной бит, если оба входных бита были равны 1; в противном случае результат равен 0.

• Поразрядный оператор ИЛИ ( | ) заносит 1 в выходной бит, если хотя бы один из битов операндов был равен 1; результат равен 0 только в том случае, если оба бита операндов были нулевыми.

• Оператор ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, XOR, ( ^ ) имеет результатом единицу тогда, когда один из входных битов был единицей, но не оба вместе.

• Поразрядный оператор НЕ ( ~ ), также называемый оператором двоичного дополнения, является унарным оператором, то есть имеет только один операнд. Поразрядное НЕ производит бит, «противоположный» исходному — если входящий бит является нулем, то в результирующем бите окажется единица, если входящий бит — единица, получится ноль.

Поразрядные операторы и логические операторы записываются с помощью одних и тех же символов, поэтому полезно запомнить мнемоническое правило: так как биты «маленькие», в поразрядных операторах используется всего один символ.

Поразрядные операторы могут комбинироваться со знаком равенства =, чтобы совместить операцию и присвоение: &=, |= и ^= являются допустимыми сочетаниями. (Так как ~ является унарным оператором, он не может использоваться вместе со знаком "=".)

Тип boolean трактуется как однобитовый, поэтому операции с ним выглядят по-другому. Вы вправе выполнить поразрядные И, ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, но НЕ использовать запрещено (видимо, чтобы предотвратить путаницу с логическим НЕ). Для типа boolean поразрядные операторы производят тот же эффект, что и логические, за одним исключением — они не поддерживают ускоренного вычисления.

Кроме того, в число поразрядных операторов для boolean входит оператор ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, отсутствующий в списке логических операторов. Для булевых типов не разрешается использование операторов сдвига, описанных в следующем разделе.

Операторы сдвига

Операторы сдвига также манипулируют битами и используются только с примитивными целочисленными типами. Оператор сдвига влево (<<) сдвигает влево операнд, находящийся слева от оператора, на количество битов, указанное после оператора. Оператор сдвига вправо (>>) сдвигает вправо операнд, находящийся слева от оператора, на количество битов, указанное после оператора. При сдвиге вправо используется заполнение знаком: при положительном значении новые биты заполняются нулями, а при отрицательном — единицами.

В Java также поддерживается беззнаковый сдвиг вправо (>>>), использующий заполнение нулями: независимо от знака старшие биты заполняются нулями. Такой оператор не имеет аналогов в C и C++.

Если сдвигаемое значение относится к типу char, byte или short, эти типы приводятся к int перед выполнением сдвига, и результат также получится int. При этом используется только пять младших битов с «правой» стороны. Таким образом, нельзя сдвинуть битов больше, чем вообще существует для целого числа int. Если вы проводите операции с числами long, то получите результаты типа long. При этом будет задействовано только шесть младших битов с «правой» стороны, что предотвращает использование излишнего числа битов.

Сдвиги можно совмещать со знаком равенства (<<=, или >>=, или >>>=). Именующее выражение заменяется им же, но с проведенными над ним операциями сдвига. Однако при этом возникает проблема с оператором беззнакового правого сдвига, совмещенного с присвоением. При использовании его с типом byte или short вы не получите правильных результатов. Вместо этого они сначала будут преобразованы к типу int и сдвинуты вправо, а затем обрезаны при возвращении к исходному типу, и результатом станет -1. Следующий пример демонстрирует это:

//: operators/URShift.java
// Проверка беззнакового сдвига вправо
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class URShift {
  public static void main(String[] args) {
    int i = -1;
    print(Integer.toBinaryString(i));
    i >>>= 10;
    print(Integer.toBinaryString(i));
    long l = -1;
    print(Long.toBinaryString(l));
    l >>>= 10;
    print(Long.toBinaryString(l));
    short s = -1;
    print(Integer.toBinaryString(s));
    s >>>= 10;
    print(Integer.toBinaryString(s));
    byte b = -1;
    print(Integer.toBinaryString(b));
    b >>>= 10;
    print(Integer.toBinaryString(b));
    b = -1;
    print(Integer.toBinaryString(b));
    print(Integer.toBinaryString(b>>>10));
  }
}

<spoiler text="Output:">

11111111111111111111111111111111
1111111111111111111111
1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
111111111111111111111111111111111111111111111111111111
11111111111111111111111111111111
11111111111111111111111111111111
11111111111111111111111111111111
11111111111111111111111111111111
11111111111111111111111111111111
1111111111111111111111

</spoiler>
В последней команде программы полученное значение не приводится обратно к b, поэтому получается верное действие.

Следующий пример демонстрирует использование всех операторов, так или иначе связанных с поразрядными операциями:

//: operators/BitManipulation.java
// Использование поразрядных операторов.
import java.util.*;
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class BitManipulation {
  public static void main(String[] args) {
    Random rand = new Random(47);
    int i = rand.nextInt();
    int j = rand.nextInt();
    printBinaryInt("-1", -1);
    printBinaryInt("+1", +1);
    int maxpos = 2147483647;
    printBinaryInt("maxpos", maxpos);
    int maxneg = -2147483648;
    printBinaryInt("maxneg", maxneg);
    printBinaryInt("i", i);
    printBinaryInt("~i", ~i);
    printBinaryInt("-i", -i);
    printBinaryInt("j", j);
    printBinaryInt("i & j", i & j);
    printBinaryInt("i | j", i | j);
    printBinaryInt("i ^ j", i ^ j);
    printBinaryInt("i << 5", i << 5);
    printBinaryInt("i >> 5", i >> 5);
    printBinaryInt("(~i) >> 5", (~i) >> 5);
    printBinaryInt("i >>> 5", i >>> 5);
    printBinaryInt("(~i) >>> 5", (~i) >>> 5);
 
    long l = rand.nextLong();
    long m = rand.nextLong();
    printBinaryLong("-1L", -1L);
    printBinaryLong("+1L", +1L);
    long ll = 922337207L;
    printBinaryLong("maxpos", ll);
    long lln = -922337208L;
    printBinaryLong("maxneg", lln);
    printBinaryLong("l", l);
    printBinaryLong("~l", ~l);
    printBinaryLong("-l", -l);
    printBinaryLong("m", m);
    printBinaryLong("l & m", l & m);
    printBinaryLong("l | m", l | m);
    printBinaryLong("l ^ m", l ^ m);
    printBinaryLong("l << 5", l << 5);
    printBinaryLong("l >> 5", l >> 5);
    printBinaryLong("(~l) >> 5", (~l) >> 5);
    printBinaryLong("l >>> 5", l >>> 5);
    printBinaryLong("(~l) >>> 5", (~l) >>> 5);
  }
  static void printBinaryInt(String s, int i) {
    print(s + ", int: " + i + ", binary:\n   " +
      Integer.toBinaryString(i));
  }
  static void printBinaryLong(String s, long l) {
    print(s + ", long: " + l + ", binary:\n    " +
      Long.toBinaryString(l));
  }
}

<spoiler text="Output:">

-1, int: -1, binary:
  11111111111111111111111111111111
+1, int: 1, binary:
  1
maxpos, int: 2147483647, binary:
  1111111111111111111111111111111
maxneg, int: -2147483648, binary:
  0
i, int: -1172028779, binary:
  1
~i, int: 1172028778, binary:
  101101010
-i, int: 1172028779, binary:
  101101011
j, int: 1717241110, binary:
  1100010110
i & j, int: 570425364, binary:
  000010100
i | j, int: -25213033, binary:
  1111110111
i ^ j, int: -595638397, binary:
  1111000011
i << 5, int: 1149784736, binary:
  010100000
i >> 5, int: -36625900, binary:
  11111010100
(~i) >> 5, int: 36625899, binary:
  1011
i >>> 5, int: 97591828, binary:
  010100
(~i) >>> 5, int: 36625899, binary:
  1011

</spoiler>
Два метода в конце, printBinaryInt() и printBinaryLong(), получают в качестве параметров, соответственно, числа int и long и выводят их в двоичном формате вместе с сопроводительным текстом. Вместе с демонстрацией поразрядных опе­раций для типов int и long этот пример также выводит минимальное и максимальное значение, +1 и -1 для этих типов, чтобы вы лучше понимали, как они выглядят в двоичном представлении. Заметьте, что старший бит обозначает знак: 0 соответствует положительному и 1 — отрицательному числам. Результат работы для типа int приведен в конце листинга

Тернарный оператор «если-иначе»

Тернарный оператор необычен тем, что он использует три операнда. И все же это действительно оператор, так как он производит значение, в отличие от обычной конструкции выбора if-else, описанной в следующем разделе. Выражение записывается в такой форме:

логическое-условие ? выражение0 : выражение1

Если логическое-условие истинно (true), то затем вычисляется выражение0, и именно его результат становится результатом выполнения всего оператора. Если же логическое-условие ложно (false), то вычисляется выражение1, и его значение становится результатом работы оператора.
Пример использования тернарного оператора:

 //: operators/TernaryIfElse.java
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class TernaryIfElse {
  static int ternary(int i) {
    return i < 10 ? i * 100 : i * 10;
  }
  static int standardIfElse(int i) {
    if(i < 10)
      return i * 100;
    else
      return i * 10;
  }
  public static void main(String[] args) {
    print(ternary(9));
    print(ternary(10));
    print(standardIfElse(9));
    print(standardIfElse(10));
  }
}

<spoiler text="Output:">

900
100
900

</spoiler>
Конечно, здесь можно было бы использовать стандартную конструкцию if-else (описываемую чуть позже), но тернарный оператор гораздо компактнее. Хотя C (где этот оператор впервые появился) претендует на звание лаконичного языка, и тернарный оператор вводился отчасти для достижения этой цели, будьте благоразумны и не используйте его всюду и постоянно — он может ухудшить читаемость программы.

Операторы + и += для String

В Java существует особый случай использования оператора: операторы + и += могут применяться для конкатенации (объединения) строк, и вы уже это видели. Такое действие для этих операторов выглядит вполне естественно, хотя оно и не соответствует традиционным принципам их использования.

При создании C++ в язык была добавлена возможность перегрузки операторов, позволяющей программистам C++ изменять и расширять смысл почти любого оператора. К сожалению, перегрузка операторов, в сочетании с некоторыми ограничениями C++, создала немало проблем при проектировании классов. Хотя реализацию перегрузки операторов в Java можно было осуществить проще, чем в C++ (это доказывает язык C#, где существует простой механиз перегрузки), эту возможность все же посчитали излишне сложной, и поэтому программистам на Java не дано реализовать свои собственные перегруженные операторы, как это делают программисты на C++.

Использование + и += для строк (String) имеет интересные особенности. Если выражение начинается строкой, то все последующие операнды также будут предварительно преобразованы в строчное представление! (помните, что компилятор превращает символы в кавычках в объект String).

 int х = 0; у = 1; z = 2;
 String s = "х, у, z";
 System.out.println(s + x + у + z),

В данном случае компилятор Java приводит переменные х, у и z к их строковому представлению, вместо того чтобы сначала арифметически сложить их. А если вы запишете

 System.out.println(x + s);

то и здесь Java преобразует x в строку.

Типичные ошибки при использовании операторов

Многие программисты склонны второпях записывать выражение без скобок, даже когда они не уверены в последовательности вычисления выражения. Это верно и для Java.

Еще одна распространенная ошибка в C и C++ выглядит следующим образом:

while(x = у) { // .
}

Программист хотел выполнить сравнение (==), а не присвоение. В C и C++ результат этого выражения всегда будет истинным, если только у не окажется нулем; вероятно, возникнет бесконечный цикл. В языке Java результат такого выражения не будет являться логическим типом (boolean), а компилятор ожидает в этом выражении именно boolean и не разрешает использовать целочисленный тип int, поэтому вовремя сообщит вам об ошибке времени компиляции, упредив проблему еще перед запуском программы. Поэтому подобная ошибка в Java никогда не происходит. (Программа откомпилируется только в одном случае: если х и у одновременно являются типами boolean, и тогда выражение х = у будет допустимо, что может привести к ошибке.)

Похожая проблема возникает в C и C++ при использовании поразрядных операторов И и ИЛИ вместо их логических аналогов. Поразрядные И и ИЛИ записываются одним символом (& и |), в то время как логические И и ИЛИ требуют в написании двух символов (&& и ||). Так же, как и в случае с операторами = и ==, легко ошибиться и набрать один символ вместо двух. В Java компилятор предотвращает такие ошибки, так как он не позволяет использовать тип данных в неподходящем контексте.

Операторы приведения

Слово приведение используется в смысле «приведение к другому типу». В определенных ситуациях Java самостоятельно преобразует данные к другим типам. Например, если вещественной переменной присваивается целое значение, ком­пилятор автоматически выполняет соответствующее преобразование (int преобразуется во float). Приведение позволяет сделать замену типа более очевидной или выполнить ее принудительно в случаях, где это не происходит в обычном порядке.

Чтобы выполнить приведение явно, запишите необходимый тип данных (включая все модификаторы) в круглых скобках слева от преобразуемого значения. Пример:

//: operators/Casting.java
public class Casting {
  public static void main(String[] args) {
    int i = 200;
    long lng = (long)i;
    lng = i; // "Расширение", явное преобразование не обязательно
    long lng2 = (long)200;
    lng2 = 200;
    // "Сужающее" преобразование:
    i = (int)lng2; // Преобразование необходимо
  }
}

Как видите, приведение может выполняться и для чисел, и для переменных. Впрочем, в указанных примерах приведение является излишним, поскольку компилятор при необходимости автоматически преобразует целое int к типу long. Однако это не мешает вам выполнять необязательные приведения — например, чтобы подчеркнуть какое-то обстоятельство или просто для того, чтобы сделать программу более понятной. В других ситуациях приведение может быть необходимо для нормальной компиляции программы.

В C и C++ приведение могло стать источником ошибок и неоднозначности. В Java приведение безопасно, за одним исключением: при выполнении так называемого сужающего приведения (то есть от типа данных, способного хранить больше информации, к менее содержательному типу данных), то есть при опасности потери данных. В таком случае компилятор заставляет вас выполнить явное приведение; фактически он говорит: «это может быть опасно, но, если вы уверены в своей правоте, опишите действие явно». В случае с расширяющим приведением явное описание не понадобится, так как новый тип данных способен хранить больше информации, чем прежний, и поэтому потеря данных исключена.

В Java разрешается приводить любой простейший тип данных к любому другому простейшему типу, но это не относится к типу boolean, который вообще не подлежит приведению. Классы также не поддерживают произвольное приведение. Чтобы преобразовать один класс в другой, требуются специальные методы. (Как будет показано позднее, объекты можно преобразовывать в рамках семейства типов; объект Дуб можно преобразовать в Дерево и наоборот, но не к постороннему типу вроде Камня.)

Округление и усечение

При выполнении сужающих преобразований необходимо обращать внимание на усечение и округление данных. Например, как должен действовать компилятор Java при преобразовании вещественного числа в целое? Скажем, если значение 29.7 приводится к типу int, что получится — 29 или 30 ?

Ответ на этот вопрос может дать следующий пример:

//: operators/CastingNumbers.java
// Что происходит при приведении типов 
// float или double к целочисленным значениям?
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class CastingNumbers {
  public static void main(String[] args) {
    double above = 0.7, below = 0.4;
    float fabove = 0.7f, fbelow = 0.4f;
    print("(int)above: " + (int)above);
    print("(int)below: " + (int)below);
    print("(int)fabove: " + (int)fabove);
    print("(int)fbelow: " + (int)fbelow);
  }
}

<spoiler text="Output:">

(int)above: 0
(int)below: 0
(int)fabove: 0
(int)fbelow: 0

</spoiler>
Отсюда и ответ на наш вопрос — приведение от типов с повышенной точностью double и float к целочисленным значениям всегда осуществляется с усечением целой части. Если вы предпочитаете, чтобы результат округлялся, используйте метод round() из java.lang.Math. Так как этот метод является частью java.lang, дополнительное импортирование не потребуется.

Повышение

Вы можете обнаружить, что при проведении любых математических и поразрядных операций примитивные типы данных, меньшие int (то есть char, byte и short), приводятся к типу int перед проведением операций, и получаемый результат имеет тип int. Поэтому, если вам снова понадобится присвоить его меньшему типу, придется использовать приведение. (И тогда возможна потеря информации.) В основном самый емкий тип данных, присутствующий в выражении, и определяет величину результата этого выражения; так, при перемножении float и double результатом станет double, а при сложении long и int вы получите в результате long.

В Java отсутствует sizeof()

В C и C++ оператор sizeof() выдает количество байтов, выделенных для хранения данных. Главная причина для использования sizeof() — переносимость программы. Различным типам данных может отводиться различное количество памяти на разных компьютерах, поэтому для программиста важно определить размер этих типов перед проведением операций, зависящих от этих величин. Например, один компьютер выделяет под целые числа 32 бита, а другой — всего лишь 16 бит. В результате на первой машине программа может хранить в целочисленном представлении числа из большего диапазона. Конечно, аппаратная совместимость создает немало хлопот для программистов на C и C++.
В Java оператор sizeof() не нужен, так как все типы данных имеют одинаковые размеры на всех машинах. Вам не нужно заботиться о переносимости на низком уровне — она встроена в язык.

Сводка операторов

Следующий пример показывает, какие примитивные типы данных используются с теми или иными операторами. Вообще-то это один и тот же пример, повторенный много раз, но для разных типов данных. Файл должен компилироваться без ошибок, поскольку все строки, содержащие неверные операции, предварены символами //! :

//: operators/AllOps.java
//  Проверяет все операторы со всеми
//  примитивными типами данных, чтобы показать,
//  какие операции допускаются компилятором Java
 
public class AllOps {
  // To accept the results of a boolean test:
  void f(boolean b) {}
  void boolTest(boolean x, boolean y) {
    // Arithmetic operators:
    //! x = x * y;
    //! x = x / y;
    //! x = x % y;
    //! x = x + y;
    //! x = x - y;
    //! x++;
    //! x--;
    //! x = +y;
    //! x = -y;
    // Relational and logical:
    //! f(x > y);
    //! f(x >= y);
    //! f(x < y);
    //! f(x <= y);
    f(x == y);
    f(x != y);
    f(!y);
    x = x && y;
    x = x || y;
    // Bitwise operators:
    //! x = ~y;
    x = x & y;
    x = x | y;
    x = x ^ y;
    //! x = x << 1;
    //! x = x >> 1;
    //! x = x >>> 1;
    // Compound assignment:
    //! x += y;
    //! x -= y;
    //! x *= y;
    //! x /= y;
    //! x %= y;
    //! x <<= 1;
    //! x >>= 1;
    //! x >>>= 1;
    x &= y;
    x ^= y;
    x |= y;
    // Casting:
    //! char c = (char)x;
    //! byte b = (byte)x;
    //! short s = (short)x;
    //! int i = (int)x;
    //! long l = (long)x;
    //! float f = (float)x;
    //! double d = (double)x;
  }
  void charTest(char x, char y) {
    // Arithmetic operators:
    x = (char)(x * y);
    x = (char)(x / y);
    x = (char)(x % y);
    x = (char)(x + y);
    x = (char)(x - y);
    x++;
    x--;
    x = (char)+y;
    x = (char)-y;
    // Relational and logical:
    f(x > y);
    f(x >= y);
    f(x < y);
    f(x <= y);
    f(x == y);
    f(x != y);
    //! f(!x);
    //! f(x && y);
    //! f(x || y);
    // Bitwise operators:
    x= (char)~y;
    x = (char)(x & y);
    x  = (char)(x | y);
    x = (char)(x ^ y);
    x = (char)(x << 1);
    x = (char)(x >> 1);
    x = (char)(x >>> 1);
    // Compound assignment:
    x += y;
    x -= y;
    x *= y;
    x /= y;
    x %= y;
    x <<= 1;
    x >>= 1;
    x >>>= 1;
    x &= y;
    x ^= y;
    x |= y;
    // Casting:
    //! boolean bl = (boolean)x;
    byte b = (byte)x;
    short s = (short)x;
    int i = (int)x;
    long l = (long)x;
    float f = (float)x;
    double d = (double)x;
  }
  void byteTest(byte x, byte y) {
    // Arithmetic operators:
    x = (byte)(x* y);
    x = (byte)(x / y);
    x = (byte)(x % y);
    x = (byte)(x + y);
    x = (byte)(x - y);
    x++;
    x--;
    x = (byte)+ y;
    x = (byte)- y;
    // Relational and logical:
    f(x > y);
    f(x >= y);
    f(x < y);
    f(x <= y);
    f(x == y);
    f(x != y);
    //! f(!x);
    //! f(x && y);
    //! f(x || y);
    // Bitwise operators:
    x = (byte)~y;
    x = (byte)(x & y);
    x = (byte)(x | y);
    x = (byte)(x ^ y);
    x = (byte)(x << 1);
    x = (byte)(x >> 1);
    x = (byte)(x >>> 1);
    // Compound assignment:
    x += y;
    x -= y;
    x *= y;
    x /= y;
    x %= y;
    x <<= 1;
    x >>= 1;
    x >>>= 1;
    x &= y;
    x ^= y;
    x |= y;
    // Casting:
    //! boolean bl = (boolean)x;
    char c = (char)x;
    short s = (short)x;
    int i = (int)x;
    long l = (long)x;
    float f = (float)x;
    double d = (double)x;
  }
  void shortTest(short x, short y) {
    // Arithmetic operators:
    x = (short)(x * y);
    x = (short)(x / y);
    x = (short)(x % y);
    x = (short)(x + y);
    x = (short)(x - y);
    x++;
    x--;
    x = (short)+y;
    x = (short)-y;
    // Relational and logical:
    f(x > y);
    f(x >= y);
    f(x < y);
    f(x <= y);
    f(x == y);
    f(x != y);
    //! f(!x);
    //! f(x && y);
    //! f(x || y);
    // Bitwise operators:
    x = (short)~y;
    x = (short)(x & y);
    x = (short)(x | y);
    x = (short)(x ^ y);
    x = (short)(x << 1);
    x = (short)(x >> 1);
    x = (short)(x >>> 1);
    // Compound assignment:
    x += y;
    x -= y;
    x *= y;
    x /= y;
    x %= y;
    x <<= 1;
    x >>= 1;
    x >>>= 1;
    x &= y;
    x ^= y;
    x |= y;
    // Casting:
    //! boolean bl = (boolean)x;
    char c = (char)x;
    byte b = (byte)x;
    int i = (int)x;
    long l = (long)x;
    float f = (float)x;
    double d = (double)x;
  }
  void intTest(int x, int y) {
    // Arithmetic operators:
    x = x * y;
    x = x / y;
    x = x % y;
    x = x + y;
    x = x - y;
    x++;
    x--;
    x = +y;
    x = -y;
    // Relational and logical:
    f(x > y);
    f(x >= y);
    f(x < y);
    f(x <= y);
    f(x == y);
    f(x != y);
    //! f(!x);
    //! f(x && y);
    //! f(x || y);
    // Bitwise operators:
    x = ~y;
    x = x & y;
    x = x | y;
    x = x ^ y;
    x = x << 1;
    x = x >> 1;
    x = x >>> 1;
    // Compound assignment:
    x += y;
    x -= y;
    x *= y;
    x /= y;
    x %= y;
    x <<= 1;
    x >>= 1;
    x >>>= 1;
    x &= y;
    x ^= y;
    x |= y;
    // Casting:
    //! boolean bl = (boolean)x;
    char c = (char)x;
    byte b = (byte)x;
    short s = (short)x;
    long l = (long)x;
    float f = (float)x;
    double d = (double)x;
  }
  void longTest(long x, long y) {
    // Arithmetic operators:
    x = x * y;
    x = x / y;
    x = x % y;
    x = x + y;
    x = x - y;
    x++;
    x--;
    x = +y;
    x = -y;
    // Relational and logical:
    f(x > y);
    f(x >= y);
    f(x < y);
    f(x <= y);
    f(x == y);
    f(x != y);
    //! f(!x);
    //! f(x && y);
    //! f(x || y);
    // Bitwise operators:
    x = ~y;
    x = x & y;
    x = x | y;
    x = x ^ y;
    x = x << 1;
    x = x >> 1;
    x = x >>> 1;
    // Compound assignment:
    x += y;
    x -= y;
    x *= y;
    x /= y;
    x %= y;
    x <<= 1;
    x >>= 1;
    x >>>= 1;
    x &= y;
    x ^= y;
    x |= y;
    // Casting:
    //! boolean bl = (boolean)x;
    char c = (char)x;
    byte b = (byte)x;
    short s = (short)x;
    int i = (int)x;
    float f = (float)x;
    double d = (double)x;
  }
  void floatTest(float x, float y) {
    // Arithmetic operators:
    x = x * y;
    x = x / y;
    x = x % y;
    x = x + y;
    x = x - y;
    x++;
    x--;
    x = +y;
    x = -y;
    // Relational and logical:
    f(x > y);
    f(x >= y);
    f(x < y);
    f(x <= y);
    f(x == y);
    f(x != y);
    //! f(!x);
    //! f(x && y);
    //! f(x || y);
    // Bitwise operators:
    //! x = ~y;
    //! x = x & y;
    //! x = x | y;
    //! x = x ^ y;
    //! x = x << 1;
    //! x = x >> 1;
    //! x = x >>> 1;
    // Compound assignment:
    x += y;
    x -= y;
    x *= y;
    x /= y;
    x %= y;
    //! x <<= 1;
    //! x >>= 1;
    //! x >>>= 1;
    //! x &= y;
    //! x ^= y;
    //! x |= y;
    // Casting:
    //! boolean bl = (boolean)x;
    char c = (char)x;
    byte b = (byte)x;
    short s = (short)x;
    int i = (int)x;
    long l = (long)x;
    double d = (double)x;
  }
  void doubleTest(double x, double y) {
    // Arithmetic operators:
    x = x * y;
    x = x / y;
    x = x % y;
    x = x + y;
    x = x - y;
    x++;
    x--;
    x = +y;
    x = -y;
    // Relational and logical:
    f(x > y);
    f(x >= y);
    f(x < y);
    f(x <= y);
    f(x == y);
    f(x != y);
    //! f(!x);
    //! f(x && y);
    //! f(x || y);
    // Bitwise operators:
    //! x = ~y;
    //! x = x & y;
    //! x = x | y;
    //! x = x ^ y;
    //! x = x << 1;
    //! x = x >> 1;
    //! x = x >>> 1;
    // Compound assignment:
    x += y;
    x -= y;
    x *= y;
    x /= y;
    x %= y;
    //! x <<= 1;
    //! x >>= 1;
    //! x >>>= 1;
    //! x &= y;
    //! x ^= y;
    //! x |= y;
    // Casting:
    //! boolean bl = (boolean)x;
    char c = (char)x;
    byte b = (byte)x;
    short s = (short)x;
    int i = (int)x;
    long l = (long)x;
    float f = (float)x;
  }
}

Заметьте, что действия с типом boolean довольно ограничены. Ему можно присвоить значение true или false, проверить на истинность или ложность, но нельзя добавить логические переменные к другим типам или произвести с ними любые иные операции.

В случае с типами char, byte и short можно заметить эффект повышения при использовании арифметических операторов. Любая арифметическая операция с этими типами дает результат типа int, который затем нужно явно приводить к изначальному типу (сужающее приведение, при котором возможна потеря информации). При использовании значений типа int приведение осуществлять не придется, потому что все значения уже имеют этот тип.

Однако не заблуждайтесь относительно безопасности происходящего. При перемножении двух достаточно больших целых чисел int произойдет переполнение. Следующий пример демонстрирует сказанное:

//: operators/Overflow.java
// Сюрприз! В Java можно получить переполнение.
public class Overflow {
  public static void main(String[] args) {
    int big = Integer.MAX_VALUE;
    System.out.println("большое = " + big);
    int bigger = big * 4;
    System.out.println("еще больше = " + bigger);
  }
}

<spoiler text="Output:">

большое = 2147483647
еще больше = -4

</spoiler>
Компилятор не выдает никаких ошибок или предупреждений, и во время исполнения не возникнет исключений. Язык Java хорош, но хорош не настолько.

Совмещенное присваивание не требует приведения для типов char, byte, short, хотя для них и производится повышение, как и в случае с арифметическими операциями. С другой стороны, отсутствие приведения в таких случаях, несомненно, упрощает программу.

Можно легко заметить, что за исключением типа boolean, любой примитивный тип может быть преобразован к другому примитиву. Как упоминалось ранее, необходимо остерегаться сужающего приведения при преобразованиях к меньшему типу, так как при этом возникает риск потери информации.

Резюме

Читатели с опытом работы на любом языке семейства C могли убедиться, что операторы Java почти нйчем не отличаются от классических. Если же материал этой главы показался трудным, обращайтесь к мультимедийной презентации «Thinking in C» (www.MindView.net).

УПРАВЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ

Подобно любому живому существу, программа должна управлять своим миром и принимать решения во время исполнения. В языке Java для принятия решений используются управляющие конструкции.
В Java задействованы все управляющие конструкции языка C, поэтому читателям с опытом программирования на языке C или C++ основная часть материала будет знакома. Почти во всех процедурных языках поддерживаются стандартные команды управления, и во многих языках они совпадают. В Java к их числу относятся ключевые слова if-else, while, do-while, for, а также команда выбора switch. Однако в Java не поддерживается часто критикуемый оператор goto (который, впрочем, все же является самым компактным решением в некоторых ситуациях). Безусловные переходы «в стиле» goto возможны, но гораздо более ограничены по сравнению с классическими переходами goto.

true и false

Все конструкции с условием вычисляют истинность или ложность условного выражения, чтобы определить способ выполнения. Пример условного выражения — А == В. Оператор сравнения == проверяет, равно ли значение А значению В. Результат проверки может быть истинным (true) или ложным (false). Любой из описанных в этой главе операторов сравнения может применяться в условном выражении. Заметьте, что Java не разрешает использовать числа в качестве логических значений, хотя это позволено в C и C++ (где не-ноль считается «истинным», а ноль — «ложным»). Если вам потребуется использовать числовой тип там, где требуется boolean (скажем, в условии if(a)), сначала придется его преобразовать к логическому типу оператором сравнения в условном выражении — например, if (а != 0).

if-else

Команда if-else является, наверное, наиболее распространенным способом передачи управления в программе. Присутствие ключевого слова else не обязательно, поэтому конструкция if существует в двух формах:

if(логическое выражение) команда

и

if(логическое выражение) 
  команда
else
  команда

Условие должно дать результат типа boolean. В секции команда располагается либо простая команда, завершенная точкой с запятой, либо составная конструкция из команд, заключенная в фигурные скобки.
В качестве примера применения if-else представлен метод test(), который выдает информацию об отношениях между двумя числами — «больше», «меньше» или «равно»:

//: control/IfElse.java
import static net.mindview.util.Print.*;
 
public class IfElse {
  static int result = 0;
  static void test(int testval, int target) {
    if(testval > target)
      result = +1;
    else if(testval < target)
      result = -1;
    else
      result = 0; // равные числа
  }
 
  public static void main(String[] args) {
    test(10, 5);
    print(result);
    test(5, 10);
    print(result);
    test(5, 5);
    print(result);
  }
}

<spoiler text="Output:">

1
-1
0

</spoiler>
Внутри метода test() встречается конструкция else if; это не новое ключевое слово, a else, за которым следует начало другой команды — if.
Java, как и C с C++, относится к языкам со свободным форматом. Тем не менее в командах управления рекомендуется делать отступы, благодаря чему читателю программы будет легче понять, где начинается и заканчивается управляющая конструкция.

Циклы

while

Конструкции while, do-while и for управляют циклами и иногда называются циклическими командами. Команда повторяется до тех пор, пока управляющее логическое выражение не станет ложным. Форма цикла while следующая:

while(логическое выражение) команда

логическое выражение вычисляется перед началом цикла, а затем каждый раз перед выполнением очередного повторения оператора.
Следующий простой пример генерирует случайные числа до тех пор, пока не будет выполнено определенное условие:

//: control/WhileTest.java
// Пример использования цикла while
public class WhileTest {
  static boolean condition() {
    boolean result = Math.random() < 0.99;
    System.out.print(result + ", ");
    return result;
  }
  public static void main(String[] args) {
    while(condition())
      System.out.println("Inside 'while'");
    System.out.println("Exited 'while'");
  }
} /* (Выполните, чтобы просмотреть результат) */

В примере используется статический метод random() из библиотеки Math, который генерирует значение double, находящееся между 0 и 1 (включая 0, но не 1). Условие while означает: «повторять, пока condition() возвращает true». При каждом запуске программы будет выводаться различное количество чисел.

do-while

Форма конструкции do-while такова:

do
 команда
while(логическое выражение);

Единственное отличие цикла do-while от while состоит в том, что цикл do-while выполняется по крайней мере единожды, даже если условие изначально ложно. В цикле while, если условие изначально ложно, тело цикла никогда не от­рабатывает. На практике конструкция do-while употребляется реже, чем while.

for

Пожалуй, конструкции for составляют наиболее распространенную разновидность циклов. Цикл for проводит инициализацию перед первым шагом цикла. Затем выполняется проверка условия цикла, и в конце каждой итерации
осуществляется некое «приращение» (обычно изменение управляющей переменной). Цикл for записывается следующим образом:

for(инициализация; логическое выражение; шаг)
 команда

Любое из трех выражений цикла (инициализация, логическое выражение или шаг) можно пропустить. Перед выполнением каждого шага цикла проверяется условие цикла; если оно окажется ложно, выполнение продолжается с инструкции, следующей за конструкцией for. В конце каждой итерации выполняется секция шаг.
Цикл for обычно используется для «счетных» задач:

//: control/ListCharacters.java
// Пример использования цикла "for": перебор
// всех ASCII-символов нижнего регистра
public class ListCharacters {
  public static void main(String[] args) {
    for(char c = 0; c < 128; c++)
      if(Character.isLowerCase(c))
        System.out.println("value: " + (int)c +
          " character: " + c);
  }
}

<spoiler text="Output:">

value: 97 character: a
value: 98 character: b
value: 99 character: c
value: 100 character: d
value: 101 character: e
value: 102 character: f
value: 103 character: g
value: 104 character: h
value: 105 character: i
value: 106 character: j

</spoiler>
Обратите внимание, что переменная c определяется в точке ее использования, в управляющем выражении цикла for, а не в начале блока, обозначенного фигурными скобками. Область действия для c — все выражения, принадлежащие циклу.
В программе также используется класс-«обертка» java.Lang.Character, который не только позволяет представить простейший тип char в виде объекта, но и содержит ряд дополнительных возможностей. В нашем примере используется статический метод этого класса isLowerCase(), который проверяет, является ли некоторая буква строчной.
Традиционные процедурные языки (такие, как C) требовали, чтобы все переменные определялись в начале блока цикла, чтобы компилятор при создании блока мог выделить память под эти переменные. В Java и C++ переменные разрешено объявлять в том месте блока цикла, где это необходимо. Это позволяет программировать в более удобном стиле и упрощает понимание кода.

Оператор-запятая

Ранее в этой главе уже упоминалось о том, что оператор «запятая» (но не запятая-разделитель, которая разграничивает определения и аргументы функций) может использоваться в Java только в управляющем выражении цикла for. И в секции инициализации цикла, и в его управляющем выражении можно записать несколько команд, разделенных запятыми; они будут обработаны последовательно.
Оператор «запятая» позволяет определить несколько переменных в цикле for, но все эти переменные должны принадлежать к одному типу:

//: control/CommaOperator.java
public class CommaOperator {
  public static void main(String[] args) {
    for(int i = 1, j = i + 10; i < 5; i++, j = i * 2) {
      System.out.println("i = " + i + " j = " + j);
    }
  }
}

<spoiler text="Output:">

i = 1 j = 11
i = 2 j = 4
i = 3 j = 6
i = 4 j = 8

</spoiler>
Определение int в заголовке for относится как к і, так и к j. Инициализацонная часть может содержать любое количество определений переменных одного типа. Определение переменных в управляющих выражениях возможно только в цикле for. На другие команды выбора или циклов этот подход не распространяется.

Синтаксис foreach

В Java SE5 появилась новая, более компактная форма for для перебора элементов массивов и контейнеров (см. далее). Эта упрощенная форма, называемая синтаксисом foreach, не требует ручного изменения служебной переменной для перебора последовательности объектов — цикл автоматически представляет очередной элемент.
Следующая программа создает массив float, после чего перебирает все его элементы:

//: control/ForEachFloat.java
import java.util.*;
 
public class ForEachFloat {
  public static void main(String[] args) {
    Random rand = new Random(47);
    float f[] = new float[10];
    for(int i = 0; i < 10; i++)
      f[i] = rand.nextFloat();
    for(float x : f)
      System.out.println(x);
  }
}