Java (Programmiersprache)
Java ist eine objektorientierte Programmiersprache und als solche ein
eingetragenes Warenzeichen der Firma Sun
Microsystems. Sie ist eine Komponente der Java-Technologie.
Java-Programme werden in Bytecode übersetzt und dann in einer speziellen Umgebung
ausgeführt, die als Java-Laufzeitumgebung oder Java-Plattform
bezeichnet wird. Deren wichtigster Bestandteil ist die Java Virtual Machine (Java-VM), die die
Programme ausführt, indem sie den Bytecode interpretiert
und bei Bedarf kompiliert (Hotspot-Optimierung).
Java-Programme laufen in aller Regel ohne weitere Anpassungen auf
verschiedenen Computern
und Betriebssystemen,
für die eine Java-VM existiert. Sun selbst bietet Java-VMs für die
Betriebssysteme Linux,
Solaris und Windows
an. Andere Hersteller lassen ihre Java-VM für ihre Plattform zertifizieren,
zum Beispiel die Firma Apple für Mac OS X.
Von Portierung
spricht man bei Java in der Regel, wenn Quelltext
oder Bytecode auf den Stand einer anderen Java-Version angepasst werden soll.
Meistens sind Java-Programme nur für bestimmte Java-Versionen getestet oder
zertifiziert.
Grundkonzepte der Sprache
Der Entwurf der Programmiersprache Java strebte im Wesentlichen fünf Ziele an.
- Sie soll eine objektorientierte Programmiersprache sein.
- Sie soll ermöglichen, gleiche Programme auf unterschiedlichen Computersystemen auszuführen.
- Sie soll eingebaute Unterstützung für die Verwendung von Computernetzen enthalten.
- Sie soll Code aus entfernten Quellen sicher ausführen können.
Dieser Punkt wird über das Sicherheitskonzept von Java erreicht, das
aus drei Schichten besteht:
- dem Code-Verifier (deutsch „Code-Überprüfer“), der sicherstellt, dass die JVM keinen ungültigen Bytecode ausführen kann.
- den Class-Loadern (deutsch „Klassenlader“), die die sichere Zuführung von Klasseninformationen zur JVM steuern (diese ist dabei kein Interpreter, siehe unten).
- den Security-Managern (deutsch „Sicherheitsverwalter“), die sicherstellen, dass nur Zugriff auf Programmobjekte erlaubt wird, für die entsprechende Rechte vorhanden sind.
- Die erfolgreichen Aspekte bereits verbreiteter objektorientierter Programmiersprachen wie C++ sollen auch für Java-Programmierer zur Verfügung stehen.
Objektorientierung
Die Sprache Java gehört zu den objektorientierten
Programmiersprachen. Die Grundidee der objektorientierten Programmierung ist
die softwaretechnische Abbildung in einer Art und Weise, wie wir Menschen auch
Dinge der realen Welt erfahren. Die Absicht dahinter ist, große
Softwareprojekte einfacher verwalten zu können und die Qualität der Software zu
erhöhen. Ein weiteres Ziel der Objektorientierung ist ein hoher Grad der
Wiederverwendbarkeit von Softwaremodulen.
Ein neuer Aspekt von Java gegenüber den zuvor am weitesten verbreiteten
objektorientierten Programmiersprachen C++ und Smalltalk ist die explizite
Unterscheidung zwischen Schnittstellen und
Klassen, die durch
entsprechende Schlüsselwörter interface
und class zur Geltung kommt.
Java unterstützt keine direkte Mehrfachvererbung (wie z. B. C++ oder Eiffel), wobei einige
Problemstellungen, die damit gelöst werden, durch den Einsatz mehrerer
Schnittstellen angegangen werden können. Dabei werden nur die Methodensignaturen an die abgeleiteten
Klassen weitergegeben, jedoch keine Attribute und keine Implementierungen der Methoden.
Java ist nicht vollständig objektorientiert: Die Grunddatentypen
(int, boolean usw.)
sind keine Objekte (siehe auch unter Java-Syntax).
Reflection
Java bietet eine Reflection-API als Bestandteil der Laufzeitumgebung.
Damit ist es möglich, zur Laufzeit auf Klassen und Methoden zuzugreifen, deren
Existenz oder genaue Ausprägung zur Zeit der Programmerstellung nicht bekannt
war.
Annotations
Mit Java 5 hat Sun die Programmiersprache um Annotations erweitert. Annotations erlauben die
Notation von Metadaten
und ermöglichen bis zu einem gewissen Grad benutzerdefinierte
Spracherweiterungen. Sinn der Annotations ist unter anderem die automatische
Erzeugung von Code und anderen in der Software-Entwicklung wichtigen Dokumenten
für wiederkehrende Muster anhand möglichst kurzer Hinweise im Quelltext.
Bislang wurden in Java dafür ausschließlich Javadoc-Kommentare
mit speziellen JavaDoc-Tags verwendet, die von Doclets wie zum
Beispiel dem XDoclet
ausgewertet wurden.
Annotations können auch in den kompilierten Class-Dateien enthalten sein.
Der Quelltext wird also für ihre Verwendung nicht benötigt. Insbesondere sind
die Annotationen auch über die Reflection-API zugänglich. So können sie zum
Beispiel zur Erweiterung des Bean-Konzeptes verwendet werden.
Modulare
Ausführung auf fernen Computern
Java bietet die Möglichkeit, Klassen zu schreiben, die in unterschiedlichen
Ausführungsumgebungen ablaufen. Beispielsweise lassen sich Applets
in Webbrowsern, die Java unterstützen, ausführen. Das Sicherheitskonzept von
Java kann dazu eingesetzt werden, dass unbekannte Klassen dabei keinen Schaden
anrichten können, was vor allem bei Applets
wichtig ist (siehe auch Sandbox). Beispiele für in entsprechenden
Ausführungsumgebungen ausführbare Java-Module sind Applets, Servlets, Portlets, Midlets, Xlets, Translets, und Enterprise Java Beans.
Merkmale der Sprache
Der Objektzugriff in Java ist über Referenzen implementiert. Aus
Sicherheitsgründen ist es nicht möglich, deren Speicheradresse zu modifizieren.
So genannte Zeigerarithmetik ist mit der Sprache also
ausgeschlossen. Per Design können so Fehler, welche häufig in anderen
Programmiersprachen auftreten, von vornherein ausgeschlossen werden.
Zusammengehörige Klassen werden in Paketen (englisch packages)
zusammengefasst. Diese Pakete ermöglichen die Einschränkung der Sichtbarkeit
von Klassen, eine Strukturierung von größeren Projekten sowie eine Trennung des
Namensraums für verschiedene Entwickler. Die Paketnamen sind hierarchisch
aufgebaut und beginnen meist mit dem (umgekehrten) Internet-Domainnamen des
Entwicklers. (Pakete, die von Sun erstellt werden, beginnen z. B. mit
„com.sun.“) Klassennamen müssen nur innerhalb eines Paketes eindeutig sein.
Hierdurch ist es möglich, Klassen von verschiedenen Entwicklern zu kombinieren,
ohne dass es zu Namenskonflikten kommt. Die Hierarchie der Paketnamen hat
allerdings keine semantische Bedeutung. Bei der Sichtbarkeit zwischen den
Klassen zweier Pakete spielt es keine Rolle, wo sich die Pakete in der
Namenshierarchie befinden. Klassen sind entweder nur für Klassen des eigenen
Paketes sichtbar oder für alle Pakete.
Weiter unterstützt die Sprache Threads (nebenläufig
ablaufende Programmteile) und Ausnahmen
(englisch exception) und Java beinhaltet auch eine automatische Speicherbereinigung
(englisch garbage collector), die nicht (mehr) referenzierte Objekte aus
dem Speicher entfernt.
Bemerkenswert ist auch die explizite Unterscheidung von Schnittstellen und
Klassen. Eine Klasse kann
beliebig viele Schnittstellen implementieren, hat aber stets genau eine
Basisklasse. Java unterstützt keine Mehrfachvererbung, da lediglich
Schnittstellen, jedoch keine Klassen „mehrfach“ vererbt werden können.
Funktionen (in der Java-Welt „Methoden“) werden nur von der Basisklasse
übernommen. Alle Klassen sind – direkt oder indirekt – von der
Wurzelklasse Object
abgeleitet.
Zu Java gehört eine umfangreiche Klassenbibliothek. Dem Programmierer wird
damit eine einheitliche, vom zugrunde liegenden Betriebssystem unabhängige
Schnittstelle (Application programming interface, API) angeboten.
Mit Java 1.2 wurden die Java Foundation Classes (JFC) eingeführt, die unter
anderem Swing bereitstellen, das zur Erzeugung
plattformunabhängiger grafischer Benutzerschnittstellen
(GUI) dient und auf AWT basiert.
Syntax
Hauptartikel: Java-Syntax
Syntax/Grammatik
und Semantik von Java sind in der Java Language Specification (Java-Sprachspezifikation)
von Sun Microsystems dokumentiert. Das folgende
Beispielprogramm gibt eine Meldung auf der Konsole aus.
public class HalloWelt {
public static void main(String[] args) {System.out.println("Hallo Welt!");
}
}
Entstehung
und Weiterentwicklung der Sprache
Entstehung
Herkunft und Entwicklung der Programmiersprache Java sowie mit ihr
verwandter Technik sind im Artikel Java (Technik) beschrieben.
Sun und
JCP
Neben Sun kümmert sich eine Vielzahl von Einzelpersonen, kleiner und großer
Unternehmen, wie Apple,
IBM, Hewlett-Packard
und Siemens
beim Java Community Process (JCP) unter anderem
um die Weiterentwicklung der Java-Sprachspezifikation. Der JCP wurde 1998 von
Sun Microsystems ins Leben gerufen.
Java als freie Software
Sun hat zugesichert, sein JDK unter der GNU General Public License zu
veröffentlichen. Am 13. November 2006 wurden bereits mit dem Compiler javac und
der Hotspot Virtual Machine erste Teile als Open Source
veröffentlicht. Zudem wurde eine Community-Seite eröffnet, mit deren Hilfe die
Entwicklung koordiniert werden soll.[1] Am 8. Mai 2007 folgten dann große Teile des „Java
SE“-Quellcodes zum Erstellen eines JDK. Eine Ausnahme stellt solcher Code dar,
für den Sun nicht die nötigen Rechte besitzt, um ihn freizugeben. Dieser liegt
somit nur in kompilierter Form vor.[2] Ebenfalls kündigte Sun an, dass Entwicklungen auf
Grundlage des OpenJDK das „Java Compatible“-Logo führen dürfen, wenn sie nach
dem „Technical Compatibility Kit“ (JCK) zertifiziert sind.
Zuvor wurde der Quelltext von Java unter anderem bei jedem JDK mitgeliefert
und ermöglichte so zwar Einsicht, er durfte aber nicht beliebig modifiziert
werden. Deswegen gibt es neben den offiziellen JCP auch diverse unabhängige
Vereinigungen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, ein unter eine freie
Open-Source-Lizenz gestelltes Java bereitzustellen. Die bekanntesten dieser
Projekte sind Apache Harmony, Kaffe und das GNU-Classpath-Projekt.
Unterschiede
zu ähnlichen Sprachen
JavaScript
Java ist nicht mit der Skriptsprache JavaScript
zu verwechseln, die vornehmlich in HTML-Seiten zur eingebetteten Programmierung verwendet wird. Sie
hat eine ähnliche Syntax,
unterscheidet sich jedoch in vielerlei Hinsicht von Java und wird nur selten
zur Konstruktion größerer Anwendungen verwendet.
Smalltalk
Smalltalk ist eine der ältesten
objektorientierten Programmiersprachen überhaupt. Java erbt von Smalltalk die
grundsätzliche Konzeption eines Objektbaumes, in den alle Objekte eingehängt
werden und von einem einzigen Mutterobjekt abstammen (java.lang.Object). Außerdem wurde das
Konzept der automatischen Speicherbereinigung (garbage
collector) und der virtuellen Maschine übernommen sowie eine
Vielzahl weiterer Merkmale der Sprache Smalltalk.
Smalltalk kennt jedoch keine primitiven Datentypen wie zum Beispiel int – selbst eine einfache Zahl ist ein
Objekt. Dieses Konzept wurde nicht nach Java übernommen.
C++
Java lehnt seine Syntax an die der Programmiersprache C++ an. Im
Gegensatz zu C++ fanden jedoch komplexe Konstrukte wie Mehrfachvererbung oder
die fehleranfällige Zeigerarithmetik keinen Einzug. Die interne
Speicherverwaltung wird dem Java-Entwickler weitgehend abgenommen; dies
erledigt die automatische Speicherbereinigung.
Deshalb ist Java in vielen Fällen leichter zu handhaben als C++. Allerdings
garantiert auch dieser Mechanismus nicht den vollständigen Ausschluss von Speicherlecks.
Letztlich muss der Programmierer dafür sorgen, dass nicht mehr verwendete
Objekte nirgends mehr referenziert werden.
Neben Mehrfachvererbung und Speicherarithmetik wurden bei der Entwicklung
von Java noch weitere Konstrukte der Sprache C++ bewusst weggelassen:
Im Gegensatz zu C++ ist es in Java nicht möglich, Operatoren (zum Beispiel
arithmetische Operatoren wie +
und -, logische Operatoren
wie && und ||, oder den Index-Operator []) zu überladen, das heißt in einem
bestimmten Kontext mit neuer Bedeutung zu versehen. Dies sorgt einerseits für
eine Vereinfachung der Sprache an sich und verhindert, dass Quellcodes mit
Operatoren, die mit schwer nachvollziehbarer Semantik überladen werden,
unleserlich gemacht werden. Andererseits können benutzerdefinierte Typen mit
überladenen Operatoren in C++ eher wie eingebaute Typen erscheinen und vor
allem numerischer Code ist mitunter einfacher nachzuvollziehen. Die
Sprachdefinition von Java definiert jedoch typabhängiges Verhalten der
Operatoren + (Addition bei
arithmetischen Operanden, andernfalls zur Verkettung von Zeichenketten („string
concatenation“)) sowie &,
| und ^ (logisch für boolean und bitweise für
arithmetische Operanden). Das lässt diese Operatoren zumindest wie teilweise
überladene Operatoren erscheinen.
Das C++-Konstrukt der „Templates“, die es erlauben, Algorithmen oder sogar
ganze Klassen unabhängig von den darin verwendeten Datentypen zu definieren,
wurde in Java nicht übernommen. Seit Version 1.5 unterstützt Java aber
sogenannte „Generics“, die zwar keinerlei
Metaprogrammierung erlauben, aber ähnlich wie C++-Templates typsichere
Container und ähnliches ermöglichen.
C#
Die von Microsoft
entwickelte Programmiersprache C# (engl. C sharp; Aussprache [ˌsiːˈʃɑːp])
kann als Konkurrenzprodukt zu Java gesehen werden. Mit der Spezifikation von C#
hat Microsoft
im Rahmen seiner .NET-Strategie
versucht, den Spagat zwischen der Schaffung einer neuen Sprache und der
leichten Integration bestehender Komponenten zu schaffen.
Konzeptionelle Unterschiede zu Java bestehen insbesondere in der Umsetzung
von Callback-Mechanismen. C# implementiert hierzu die Unterstützung von Delegaten
(engl. delegates), einem Konzept, das mit Funktionszeigern vergleichbar
ist. Hierbei kommt ein Beobachter-Entwurfsmuster zum Einsatz –
Objekte können sich für Ereignisse registrieren bzw. diese delegieren. C# kennt
ebenso wie Java eine Unterscheidung zwischen Werttypen (engl. value types;
zum Beispiel int, struct) und Referenztypen (engl. reference
types, zum Beispiel class),
allerdings sind auch die elementaren Datentypen objektbasiert. Außerdem
unterstützt C# sogenannte Attribute (attributes), die es
erlauben, die Funktionalität der Sprache über Metadaten im Code zu erweitern
(eine ähnliche Funktionalität wurde in Form der oben beschriebenen Annotations
in Java 5.0 übernommen). C# enthält auch Bestandteile der Sprachen VisualBasic,
zum Beispiel Eigenschaften („properties“), sowie Konzepte aus C++. In C#
hingegen ist es nicht notwendig und möglich, Ausnahmen (exceptions) zu einer
Methode zu deklarieren. In Java können Ausnahmen so deklariert werden, dass sie
auch verarbeitet werden müssen (checked Exception).
Um auch systemnahe Programmierung zu ermöglichen, besteht in .NET die
Möglichkeit, über platform invoke Systembefehle und unmanaged code
aufzurufen, ähnlich Javas JNI.
Geschwindigkeitskritische Programmteile können in C# in sogenanntem
unsicheren unsafe code geschrieben werden, was ähnlich zu Inline-Assembler
in C-Programmen zu sehen ist. Java kennt hierfür keine Entsprechung.
Entwicklungsumgebungen
Es gibt eine große Vielfalt von Entwicklungsumgebungen für Java,
sowohl kommerzielle als auch freie (Open Source).
Die meisten Entwicklungsumgebungen für Java sind selbst ebenfalls in Java geschrieben.
Die bekanntesten Open-Source-Umgebungen sind das von der Eclipse Foundation
bereitgestellte Eclipse und das von Sun entwickelte NetBeans.
Unter den kommerziellen Entwicklungsumgebungen sind das auf Netbeans
basierende Sun ONE Studio von Sun,
IntelliJ
IDEA von JetBrains, JBuilder von Borland sowie JCreator am
verbreitetsten. Außerdem gibt es noch eine, um einige hundert Plugins erweiterte
Version von Eclipse, die von IBM unter dem Namen WebSphere Studio
Application Developer („WSAD“) vertrieben wurde und seit Version 6.0 Rational Application Developer
(„RAD“) heißt.
Apple liefert mit Mac OS X ab Version 10.3 die Entwicklungsumgebung Xcode aus, die
verschiedene Programmiersprachen unterstützt und einen Schwerpunkt auf Java
setzt. Xcode wird mit jedem Apple (-Betriebssystem) mitgeliefert,
Aktualisierungen sind darüber hinaus nach Registrierung für jedermann kostenlos
erhältlich.
Wer lieber einen Texteditor verwendet, findet in Emacs zusammen mit
der JDEE (Java Development Environment for
Emacs) ein mächtiges Werkzeug. Ein vielseitiger und erweiterbarer in Java
geschriebener Editor ist jEdit. Für andere Editoren wie Vim, Jed oder Textpad gibt es
ebenfalls entsprechende Modi.
Compiler
Ein Java-Compiler
übersetzt Java-Quellcode (Dateiendung .java) in einen ausführbaren
Code. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Bytecode- und Nativecode-Compilern.
Einige Java-Laufzeitumgebungen
verwenden einen JIT-Compiler, um zur Laufzeit den Bytecode häufig
genutzter Programmteile in nativen Maschinencode
zu übersetzen.
Bytecode-Compiler
Im Normalfall übersetzt der Java-Compiler die Programme in einen nicht
direkt ausführbaren Bytecode (Dateiendung .class), den die Java Runtime
Environment (JRE) später ausführt. Die aktuelle HotSpot-Technologie kompiliert
den Bytecode zur Laufzeit in nativen Prozessorcode und optimiert diesen
abhängig von der verwendeten Plattform. Diese Optimierung findet dabei nach und
nach statt, so dass der Effekt auftritt, dass Programmteile nach mehrmaliger
Abarbeitung schneller werden. Andererseits führt diese Technik, die ein
Nachfolger der Just-In-Time-Compilierung ist, dazu, dass Java-Bytecode
theoretisch genau so schnell wie native, kompilierte Programme ausgeführt
werden könnte.
Die HotSpot-Technik ist seit der JRE Version 1.3 verfügbar und wurde seitdem
stetig weiter verbessert.
- javac (Teil des JDK) von Sun Microsystems
- Jikes von IBM
Native
Compiler
Es existieren auch Compiler für Java, die Java-Quelltexte oder Java-Bytecode in normalen
Maschinencode
übersetzen können, sogenannte Ahead-Of-Time-Compiler.
Nativ kompilierte Programme haben den Vorteil, keine JavaVM mehr zu
benötigen, aber auch den Nachteil, nicht mehr plattformunabhängig zu sein.
- GNU Compiler for Java (GCJ)
- MinGW
- Cygwin
- JNC – JavaNativeCompiler Eine GUI, Erweiterungen und vorkompilierte Programme.
- Excelsior JET
Wrapper
Als weitere Möglichkeit kann das Java-Programm in ein anderes Programm
„eingepackt“ (englisch to wrap) werden; diese äußere Hülle dient
dann als Ersatz für ein Java Archive. Sie sucht selbständig nach einer
installierten Java-Laufzeitumgebung,
um das eigentliche Programm zu starten, und informiert den Benutzer darüber, wo
er eine Laufzeitumgebung herunterladen kann, sofern noch
keine installiert ist. Es ist also immer noch eine Laufzeitumgebung nötig, um
das Programm starten zu können, aber der Anwender erhält eine verständliche
Fehlermeldung, die ihm weiterhilft.
Java
Web Start ist ein etwas eleganterer und standardisierter Ansatz für diese
Lösung – er ermöglicht die einfache Aktivierung von Anwendungen mit einem einzigen
Mausklick und garantiert, dass immer die neueste Version der Anwendung
ausgeführt wird. Dadurch werden komplizierte Installations- oder
Aktualisierungsprozeduren vermieden.
- JSmooth (Lizenz:
GPL)
- Launch4J (Lizenz: GPL)
- JBuilder
von Borland und NSIS sind ebenfalls in der
Lage, einen Wrapper für Windows zu erstellen
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