Lekce 1 - Úvod do jazyka Java

Vítejte u první lekce populárního on-line kurzu programovacího jazyka Java. Budeme se učit postupně, od úplných začátků až po složité konstrukce, objektové modely a např. práci s databází. S trochou trpělivosti a vytrvalosti se z tebe stane dobrý programátor.

Minimální požadavky kurzu

K tomuto kurzu nepotřebujete žádné speciální znalosti, stačí běžná práce s počítačem 🙂

Vývoj programovacích jazyků

Abychom plně porozuměli jazyku Java, ohlédneme se do minulosti na to, jak se programovací jazyky vyvíjely. Bude pro nás totiž důležité pochopit, jak Java pracuje a proč je dobré programovat právě v tomto jazyce.

1. generace jazyků – Strojový kód

Procesor počítače umí vykonávat jen omezené množství jednoduchých instrukcí, které jsou uloženy jako sekvence bitů. Jsou to tedy čísla. Ta se mu obvykle zadávají v hexadecimální (šestnáctkové) soustavě. Instrukce jsou tak elementární, že umožňují pouze např. sčítání adres nebo skoky mezi instrukcemi. Nelze např. jednoduše sečíst dvě čísla, musíme se na čísla dívat jako na adresy v paměti a takové sečtení čísel zabere několik instrukcí. Program sčítající dvě čísla by vypadal např. takto:

2104
1105
3106
7001
0053
FFFE
0000

Instrukce se procesoru předloží v binární podobě. Takovýto kód je samozřejmě extrémně nečitelný a závisí na instrukční sadě daného CPU. V tomto jazyce určitě nebude jednoduché tvořit nějaké programy, bohužel každý program musí být nakonec do tohoto jazyka přeložen, aby mohl být na procesoru počítače spuštěn:

2. generace jazyků – Assembler

Assembler (zkráceně ASM) není o nic jednodušší než strojový kód, ale je lidsky čitelný. Jedná se o strojový kód, ve kterém mají instrukce slovní označení (kód), člověk si tedy nemusí pamatovat čísla. Kódy instrukcí se poté přeloží do výše uvedeného strojového kódu. Stejný program by v ASM vypadal takto:

ORG 100
LDA A
ADD B
STA C
HLT
DEC 83
DEC –2
DEC 0
END

Vidíme, že podoba je poněkud lidštější, ale nezasvěcení lidé stále vůbec netuší, jak program funguje (včetně mne).

3. generace jazyků

Jazyky ve třetí generaci konečně nabízejí uživateli určitou abstrakci toho, jak program vidí počítač. Zaměřují se na to, jak program vidí člověk. Naše čísla jsou vnímána již jako proměnné, zdrojový kód připomíná matematický zápis.

Sečtení dvou čísel by v jazyce C vypadalo takto:

int main(void)
{
    int a, b, soucet;
    a = 83;
    b = -2;
    soucet = a + b;
    return 0;
}

Všichni asi tušíme, co program dělá: sečte čísla 83 a -2 a výsledek uloží do proměnné soucet. U všech jazyků třetí generace je samozřejmě výhodou vysoká čitelnost.

S dalším vývojem šly jazyky ještě dál a přinesly objektově orientované programování, ale o tom až později.

Kategorie jazyků

Jazyky třetí generace můžeme v zásadě rozdělit do tří kategorií.

1. Kompilované jazyky

Kompilované (neřízené) jazyky mají svůj zdrojový kód v jazyce, kterému lidé dobře rozumí. Tento zdrojový kód se samozřejmě musí přeložit do strojového kódu, aby ho bylo možné na procesoru spustit. Tento překlad zajišťuje překladač (kompiler), který přeloží najednou celý program do stroj. kódu:

Výhody kompilace

Mezi hlavní výhody kompilace patří:

• Rychlost – Jediné zpomalení spočívá v jednorázové kompilaci. Přeložený program poté běží srovnatelně rychle, jako kdyby byl napsán např. v ASM.
• Nepřístupnost zdroj. kódu – Program se šíří již zkompilovaný. Není jej tedy možné jednoduše modifikovat, pokud zároveň nevlastníte jeho zdroj. kód.
• Snadné odhalení chyb ve zdroj. kódu – Pokud zdrojový kód obsahuje chybu, celý proces kompilace spadne a programátor je s chybou seznámen. To značně zjednodušuje vývoj.

Nevýhody kompilace

Kompilace s sebou samozřejmě přináší několik nevýhod:

• Závislost na platformě – Program je stále závislý na platformě, tedy na typu procesoru a operačním systému. Zkompilovaný program nemůžeme vzít a přenést na jinou platformu, aniž ho na této platformě zkompilujeme.
• Nemožnost editace – Jakmile se program jednou zkompiluje do strojového kódu, nelze ho editovat jinak než opětovnou kompilací. To pochopitelně platí i pro výše zmíněné jazyky.
• Memory management – Vzhledem k tomu, že počítač danému programu nerozumí a jen mechanicky vykonává instrukce, můžeme se někdy setkat s velmi nepříjemnými chybami s přetečením paměti. Kompilované jazyky obvykle nemají automatickou správu paměti a jsou to jazyky nižší (s nižším komfortem pro programátora). Běhové chyby způsobené zejména špatnou správou paměti se kompilací neodhalí.

Příkladem kompilovaných jazyků jsou např. jazyk C, jeho objektový následník C++ nebo Pascal/Delphi.

2. Interpretované jazyky

Interpretace se snaží řešit problém přenositelnosti programů mezi různými platformami a také přichází s vyšším komfortem pro programátora. Interpret funguje podobně jako kompiler, jen nepřekládá program celý najednou, ale pouze to, co je v danou chvíli potřeba. (Interpreter znamená v angličtině tlumočník, tedy nejprve vyslechne jednu větu mluvčího a tu poté přeloží a vysloví. Překlad probíhá během proslovu, tedy běhu programu, po větách/instrukcích. Kompiler/překladač přeloží rozhovor celý najednou a poté ho celý přečte.) Můžeme si představit, že výše uvedený zdrojový kód by interpret četl po jednotlivých řádcích, tu část by vždy zkompiloval do strojového kódu a vykonal. Výsledek kompilace by zahodil a přesunul by se na další řádek. Možná vám to připadá jako plýtvání výkonem procesoru a je pravda, že tento způsob běhu programu také není zrovna nejrychlejší:

Výhody interpretu

Jaké může mít tedy tento postup výhody? Je jich hned několik:

• Přenositelnost – Program je plně přenositelný. Pokud existuje interpret pro danou platformu, půjde tam zdrojový kód programu spustit (a vývoj interpretu je snadnější než vývoj kompilátoru).
• Jednodušší vývoj – Ve vyšších jazycích jsme odstíněni od správy paměti, kterou za nás dělá tzv. garbage collector (více si o něm řekneme později v seriálu). Často také nemusíme ani zadávat datové typy a máme k dispozici vysoce komfortní kolekce a další struktury.
• Stabilita – Díky tomu, že interpret kódu rozumí, předejde chybám, které by zkompilovaný program jinak klidně vykonal. Běh interpretovaných programů je tedy určitě bezpečnější. Umožňuje též zajímavou vlastnost, tzv. reflexi, kdy program za běhu zkoumá sám sebe, ale o tom později.
• Jednoduchá editace – Program můžeme vyvíjet po částech a nahrávat na cílové umístění. Díky tomu, že se nemusí kompilovat, jej můžeme jednoduše editovat "za běhu".

Nevýhody interpretu

Interpret má však tři zásadní nevýhody:

• Rychlost – Interpretace může být mnohdy velmi pomalá a program tak plně nevyužívá výkon počítače.
• Často obtížné hledání chyb – Kvůli kompilaci za běhu se chyby v kódu objeví, až když je kód spuštěn. To může být někdy velmi nepříjemné.
• Zranitelnost – Protože se program šíří v podobě zdrojového kódu, každý do něj může zasahovat, nebo dokonce krást jeho části.

Příkladem interpretovaného jazyka je např. PHP. Na většině webů tento poměrně pohodlný jazyk výkonově stačí, ale například Facebook používá speciální kompilovanou verzi PHP. Zájemci se mohou podívat na projekt HipHop for PHP.

3. Jazyky s virtuálním strojem

Napadlo vás, co by se stalo, kdyby se oba dva výše zmíněné způsoby spojily? Pokud ano, gratulujeme, vynalezli jste virtuální stroj. Jedná se o nejmodernější podobu jazyka, která je v současné době také nejrozšířenější a nejlepší volbou pro vývoj většiny aplikací. Nebudeme tajit, že do této kategorie spadá samotná Java nebo C#.

Zdrojový kód je nejprve přeložen do tzv. mezikódu, kterému se u Javy říká bytecode (bajtkód). Jedná se v podstatě o strojový (binární) kód, který má ale o poznání jednodušší instrukční sadu a přímo podporuje objektové programování. Tento mezikód je potom díky jednoduchosti relativně rychle interpretovatelný tzv. virtuálním strojem, tedy interpretem (v případě Javy je to tzv. JVM – Java Virtual Machine). Výsledkem je strojový kód pro náš procesor:

Výhody virtuálního stroje

Určitě jste trochu vyděšení, ale věřte, že jsme v podstatě odstranili nevýhody interpretu i kompileru a můžeme využívat mnohé z jejich výhod:

• Odhalení chyb ve zdrojovém kódu – Díky kompilaci do bajtkódu jednoduše odhalíme chyby ve zdrojovém kódu.
• Stabilita – Díky tomu, že interpret kódu rozumí, zastaví nás před vykonáním nebezpečné operace a na chybu upozorní. Můžeme také provádět reflexi (i když pro bajtkód, ale od toho jsme většinou odstíněni).
• Jednoduchý vývoj – Máme k dispozici hi-tech datové struktury a knihovny, správu paměti za nás provádí garbage collector.
• Slušná rychlost – Rychlost se u virtuálního stroje pohybuje mezi interpretem a kompilerem. Virtuální stroj již výsledky své práce po použití nezahazuje, ale dokáže je cachovat. Sám se tedy optimalizuje při četnějších výpočtech a může dosahovat až rychlosti kompileru. Start programu bývá pomalejší, protože stroj překládá společně využívané knihovny.
• Málo zranitelný kód – Aplikace se šíří jako zdrojový kód v bajtkódu, není tedy úplně jednoduše lidsky čitelná.
• Přenositelnost – Asi je jasné, že hotový program poběží na každém železe, na kterém se nachází virtuální stroj.

Java a JDK

Java je distribuována ve třech edicích:

• Java SE – Standardní edici budeme používat pro začátek.
• Java EE – Enterprise edice není ve skutečnosti jiná Java, ale sada knihoven do JSE, která umožňuje vytvářet velké webové aplikace. Je poměrně komplikovaná, ale ve firmách extrémně žádaná. Pokud se ji naučíte, budete velmi žádaní programátoři.
• Java ME – Micro edice běží v SIM kartách, pračkách a dalších elektronických zařízeních (Oracle tvrdí, že Java pohání 9 miliard zařízení).

Pro spuštění našich aplikací budeme potřebovat JRE (Java Runtime Environment), což je běhové prostředí obsahující virtuální stroj. Pro vývoj pak budeme potřebovat JDK (Java Development Kit), který obsahuje knihovny a nástroje pro vývojáře.

Java je zdarma pro nekomerční použití. Od verze 11 je však Java pro komerční účely placená.

Naštěstí existuje edice OpenJDK, kterou lze používat zdarma i pro komerční aplikace.

Aplikace v Javě lze také spouštět přímo ve webovém prohlížeči pomocí Java Web Start. Ten se také automaticky stará o aktualizaci naší aplikace.

Jazyky s virtuálním strojem ctí objektově orientované programování a jedná se o současný vrchol vývoje v této oblasti.

Existují i jazyky 4. a 5. generace, ale ty mají specifické použití a nebudeme se s nimi zde zatím zabývat.

Nyní víme, s čím vlastně budeme pracovat.

V příští lekci, IntelliJ IDEA a první konzolová aplikace, si ukážeme práci s IDE (programátorským prostředím) IntelliJ IDEA. Vytvoříme si svůj první program.