A Jáva programozási nyelv rejtelmei

Átírás

1 Page 1 of 20 A Jáva programozási nyelv rejtelmei Tartalomjegyzék: Az alapok Egy példaprogram A program szerkezete Változók és értékek Megjegyzések a programban A fôprogram Vezérlési szerkezetek Kivételkezelés A program törzse Módszerek Hálózati kommunikáció Fordítás, futtatás Objektumorientált programozás Jáva módra Absztrakt adattípusok létrehozása Objektumok Osztályok definíciója Egyedváltozók Módszerek Konstruktorok Osztályváltozók és -módszerek Tömbök Szövegek Pakkok Láthatóság Öröklôdés és következményei Osztályok leszármaztatása Láthatóság Mi öröklôdik, és mi nem Polimorfizmus Interfészek Szálak Szálak létrehozása Szálak futása Ütemezés Szinkronizáció és kommunikáció Programkák Különbségek a programkák és a programok között A programkák szerkezete A futás vezérlése Rajzolás Programkák egy Web oldalon Az alapok Ismeretes, hogy a Jáva nyelv a C++ nyelvbôl született, sok helyen egyszerûsítve, esetenként bôvítve azt. Az ismertetôben feltételezem, hogy az olvasó legalább a C nyelvet alaposan ismeri, bár C++ nyelv, illetve az objektumorientált programozás fogalmainak ismerete sem árthat. Azt is remélem, hogy az olvasó nem riad vissza, ha az Internet hálózat világából vett szolgáltatásokat, protokollokat emlegetek. Egy példaprogram Tapasztalataim szerint egy programozási nyelvet a száraz ismertetés helyett példákat követve könnyebb megérteni. Persze nem könnyû az ismerkedés elejére érthetô, rövid, de nem túlzottan egyszerû példát találni és sajnos a "Szervusz világ!" programot már megmutattam. A bevezetô példa a Internet hálózat világába visz el bennünket. A drótposta ( ) továbbítására itt az ún. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) protokoll használatos. A levéltovábbító programok (Message Transfer Agent, általában a sendmail

2 Page 2 of 20 program) a 25-ös TCP kapun várakoznak arra, hogy valaki kiépítse velük a kapcsolatot, ha a kapcsolat létrejött, egy nagyon egyszerû, karakterorientált párbeszédbe kezdenek a hívóval. A párbeszéd egy ritkán használt, de néha nagyon hasznos parancsa, a VRFY (Verify) segítségével megkérdezhetjük egy SMTP kiszolgálótól, hogy egy adott nevû felhasználónak van-e a gépen postaládája. A mi programunk pontosan ezt csinálja, a java SMTPclient host user parancs hatására a host számítógép SMTP szerverétôl a user felhasználó felôl érdeklôdik, a kapott választ pedig kiírja a konzolra. Lássunk egy példa párbeszédet a két gép között! Dôlt betûkkel a megszólított SMTP kiszolgáló (a hapci.mmt.bme.hu gépen), normális betûkkel az ügyfél, a mi programunk (a tudor.mmt.bme.hu gépen) üzenetei láthatók. A példa egy sikeres és egy sikertelen lekérdezést is tartalmaz. 220 hapci.mmt.bme.hu 5.65c8/BMEIDA Sendmail is ready at Wed, 14 Feb :31: HELO tudor.mmt.bme.hu 250 Hello tudor.mmt.bme.hu, pleased to meet you VRFY kiss 250 Kiss Istvan <kiss> VRFY duke 550 duke... User unknown QUIT 221 tudor.mmt.bme.hu closing connection Látható, hogy a kiszolgáló minden üzenetét egy számmal is kódolja. A program szerkezete A programok import utasításokkal kezdôdhetnek, felsorolva a programban felhasznált könyvtárak nevét. Ez nem kötelezô, az egyes könyvtári elemekre való hivatkozásnál is megadhatjuk a könyvtár nevét. C programozók figyelem: ez nem #include parancs, nem a fordítóprogramnak szóló üzenet a forrásszöveg beolvasására. Az import a kapcsolatszerkesztônek, betöltônek szól, már lefordított kódú könyvtárakra hivatkozik. Importálásnál csomagokból (package) osztályokat (class) importálunk, azaz a programunkban felhasználhatóvá tesszük. A csillag az adott csomag összes osztályát jelenti. import java.net.*; import java.io.*; import java.lang.*; import java.util.*; Ezután rögtön egy osztálydeklarációnak kell következni, a Jáva programban minden változó, minden utasítás csak osztályok törzsében szerepelhet. Eltûntek a C globális változói, globális függvényei. Aki most lát elôször C++-ból átvett osztálydeklarációt, ne essen kétségbe, egyelôre fogadja el, hogy még a legegyszerûbb Jáva program is a class osztálynév... mintát követi. Az osztálynév-ben, mint a Jáva minden azonosítójában, a kis- és nagybetûk különbözôek. class SMTPclient Változók és értékek Az osztályok belsejében változókat deklarálhatunk, a deklaráció szintaxisa egy-két módosító alapszó (static vagy final) kivételével megfelel a C-nek: típus változónév [ = kezdeti_érték ] A nyelv tartalmaz néhány beépített, egyszerû adattípust, amelynek neve és értékkészlete a következô táblázatban található: egész típusok byte 8 bit kettes komplemens

3 Page 3 of 20 A fenti 3 sor a szabványos Jáva könyvtárakban definiált osztályok - Socket, DataInputStream, DataOutputStream - egyshort 16 bit kettes komplemens int 32 bit kettes komplemens long 64 bit kettes komplemens valós típusok float 32 bit IEEE 754 lebegôpontos double 64 bit IEEE 754 lebegôpontos karakter típus char 16 bites Unicode karakter kód logikai boolean true vagy false Látható, hogy csak elôjeles egész típusok vannak, bár ez nem jelenti azt, hogy nem lehet rájuk például a szokásos bitmûveletek alkalmazni. A C-tôl eltérés az is, hogy itt az egyes beépített típusok mérete, helyfoglalása nyelvi szinten definiált, nem függ a programot futtató gép architektúrájától. A karakterek tárolásánál a nemzetközileg elfogadott, 16 bites Unicode-ot használják. static final int SMTPport = 25; A Jávában nincs #define, sem a C++ const-ja, ennek a legközelebbi megfelelôje a final változó, a fordítóprogram gondoskodik róla, hogy ennek értéke ne változhasson meg. Látható, hogy a változó deklarációjával együtt kezdeti értéket is adhatunk neki, ez persze final változó esetén kötelezô. A static módosító egyelôre ne zavarjon bennünket, pontos jelentésére majd az osztályok ismertetésénél térünk ki. Elöljáróban csak annyit, hogy ezek azonosak a C++-ból ismert osztályváltozókkal és ezek közelítik meg leginkább a szokásos nyelvek globális változóit. A beépített numerikus típusokon a C-bôl jól ismert mûveletek értelmezettek. Az numerikus típusú értékekkel a szokásos aritmetikai mûveletek használhatók. Az egész típusú értékekre használható bit mûveletek kiegészültek a >>> operátorral, amely jobbra léptetésnél 0-t és nem az elôjelet lépteti be a legnagyobb helyiértékû bitre. Ezek az operátorok értékadással is kombinálhatók, pl.: +=, /=,... A logikai értékek a C-vel ellentétben nem egész típusúak. Azonos típusú értékek összehasonlítására használt operátorok logikai értéket állítanak elô, ilyen értékekre használhatók az ismert logikai mûveletek is. A következô táblázat tartalmazza a Jáva nyelv összes operátorát - némelyikrôl egyelôre nem beszéltem - precedenciájuk csökkenô sorrendjében: () []. zárójelek, indexelés, osztály komponensére hivatkozás (pre- vagy poszt-) inkremens és dekremens,! ~ logikai és bitenkénti negálás, instanceof típus ellenôrzés new (type)expression új egyed létrehozása * / % szorzás, osztás, moduló + - összeadás, kivonás << >> >>> bitenkénti léptetések < > >= <= összehasonlítások ==!= egyenlô, nem egyenlô & bitenkénti AND ^ bitenkénti XOR bitenkénti OR && logikai AND logikai OR? : feltételes kifejezés = += -= *= /= %= ^= &= = <<= >>= >>>= különbözô értékadások Az egyszerû, beépített típusokon túl a Jáva csak kétfajta összetett adattípust tartalmaz, a programozók által definiálható osztályokat (class) illetve a tömböket (array), amelyek egyébként teljes értékû osztályok. Nincs struct, union, de nincs typedef sem, sôt mutatók (pointer) sincsenek! static Socket smtpconn; static DataInputStream instream; static DataOutputStream outstream;

4 Page 4 of 20 egy példányának, egyedének (objektum) foglal helyet, pontosabban ezek egyelôre csak üres hivatkozások, az objektumok még nem jöttek létre. Megjegyzések a programban // Program: drótposta címek ellenôrzése SMTP kiszolgáló segítségével // Használata: // java SMTPclient <host> <user> A Jáva örökölte a C-bôl a /*... */ stílusú megjegyzés szintaxist, a C++-ból a //-val kezdôdô egysoros megjegyzéseket, végül a /**... */ alakú megjegyzések a kiegészítô dokumentációs rendszerrel (javadoc) együtt használhatók. A fôprogram Minden Jáva alkalmazásnak, pontosabban az egyik osztályának - mivel a Jávában minden utasítás csak osztályok definíciójában szerepelhet - tartalmaznia kell egy main nevû, itt következô fejlécû függvényt: public static void main (String args[]) A public a módszer láthatóságáról nyilatkozik, jelentése: bárhonnan meghívható. A static jelentésérôl egyelôre annyit, hogy az eljárás csak osztályváltozót használ, void a módszer visszatérési értékének típusa: nem ad vissza értéket. A Jáva alkalmazás futtatását a virtuális gép a main eljárás végrehajtásával kezdi A main eljárás paramétere egy szövegtömb, amelynek egyes elemei a parancssorban megadott argumentumokat tartalmazzák. A szövegek tárolására, kezelésére szolgáló String egy elôre definiált osztály, nem pedig karaktertömb, mint a C-ben. A tömbök indexértékei itt is nullától kezdôdnek, viszont itt az args[0] nem a program nevét adja vissza, mint a C-ben, hanem ténylegesen az elsô argumentum. Akinek hiányzik a megszokott argc argumentumok száma paraméter, ne aggódjon, a Jáva tömbök méretét futás közben is le lehet kérdezni. Az egyes eljárásokban természetesen használhatunk lokális változókat, itt a String osztály egyedére lesz szükségünk, amelyet deklarációjával egyidejûleg a new parancs segítségével létre is hozzuk. String res = new String(); Lokális változókat a módszerek törzsében tetszôleges helyen deklarálhatunk, sôt az egyes programblokkok saját, máshonnan nem látható lokális változókkal rendelkezhetnek. Vezérlési szerkezetek Kezdjük a programunkat azzal, hogy megvizsgáljuk, megfelelô számú argumentummal hívták-e meg! Amennyiben a programnak nem 2 argumentuma volt - az SMTP kiszolgáló és a keresett felhasználó neve -, tájékoztató üzenetet írunk ki és befejezzük a program mûködését. if (args.length!= 2) System.out.println("Usage:"); System.out.println(" java SMTPclient <host> <user>"); System.exit(1); A System könyvtár a Jáva programok futtatásához szükséges objektumokat, módszereket tartalmazza. Ilyen a programok szabványos kimenetét (standard output) - pl. konzol periféria - megvalósító out objektum. A kiíró eljárás a print illetve println, amelynek csak egyetlen paramétere van, de elég "intelligens" ahhoz, hogy karakteres formában tetszôleges típusú értéket (igen, még a felhasználó által definiált objektumokét is) "megjelenítsen". A programunkban csak szövegek kiíratására fogjuk használni. A println módszer a paraméterének kiírása után még egy új sort is kiír. A programból vagy a main módszer befejezésével, vagy a System könyvtár exit módszerének meghívásával lehet kilépni. A Jáva nyelv átvette a C vezérlési szerkezeteit, az elágazásokhoz az if-else és switch; ismétlésekre, ciklusszervezésre a for, while és do-while utasítások használhatók. Eltérés, hogy az összes feltételnek logikai értéknek kell lennie, int nem használható, ezért a fordítóprogram kiszûri a C programozók "kedvenc" hibáját, amikor if-ben értékadást ("=") írunk egyenlôség-vizsgálat ("==") helyett. A nyelvbôl kimaradt az ugró utasítás (goto), de megmaradtak a címkék (label). A címkéket ciklusutasítások megjelölésére használhatjuk, így a ciklus törzsében kiadott break és continue utasítások nem csak a legbelsô, hanem bármelyik, címkével

5 Page 5 of 20 ellátott beágyazó ciklusra hivatkozhatnak. Kivételkezelés Van még egy utasításcsoport, amely a program végrehajtásnak sorrendjét befolyásolhatja, a try-catch-throw csoport, amely nagyon hasonló formában a C++ nyelvben is megtalálható. A tisztességesen megírt C programok legnagyobb problémáját az egyes eljárások végrehajtása közben esetleg elôbukkanó hibák, ún. kivételek (exception) lekezelése jelenti. Kisebb gondossággal megírt programoknál a programozó hajlamos elfeledkezni arról, hogy legtöbbször az eljárás visszatérési értékének tesztelésével ellenôrizze, sikerült-e a végrehajtott mûvelet. Ha mégis megteszi, leggyakrabban egyszerûen befejezi a programot, olyan bonyolult a hiba elôbukkanását és okát "felfelé" terjeszteni és a megfelelô helyen lekezelni azt. Ezen segíthetnek a fenti utasítások. Most csak a felületesen ismerkedhetünk meg a kivételkezelés rejtelmeivel, majd késôbb részletesen visszatérünk a témához. try Egy try blokkba zárt utasításcsoporton belül bárhol elôforduló kivétel hatására a program normális futása abbamarad és a vezérlés automatikusan a catch blokkra kerül. Itt a catch paramétereként megkapjuk a hiba okát - általában egy Exception típusú objektumot -, aztán kezdjünk vele, amit tudunk. A példaprogramunk egyszerûen kiírja a hiba okát. A programozó maga is definiálhat ilyen kivételeket, amiket - no meg az egyes catch blokkokban lekezelhetetlen kivételeket - a throw utasítással felfele passzolhatunk, amíg valaki - legrosszabb esetben a virtuális gép - "lekezeli". A program törzse A programunk szerencsére nagyon egyszerû: kiépítjük az SMTP kapcsolatot az elsô argumentumként megadott géppel: opensmtpconnection(args[0]); Elküldünk egy HELO üzenetet, hozzáfûzve a saját gépünk nevét (részletekrôl majd máskor), a visszakapott választ (res tartalma) nem használjuk. res = sendmessage("helo " + java.net.inetaddress.getlocalhost().gethostname()); Elküldünk egy VRFY üzenetet a második argumentumként megkapott felhasználó nevével. A visszakapott választ kiírjuk. res = sendmessage("vrfy " + args[1]); System.out.println(res); Elküldjük a búcsúzó QUIT üzenetet és lezárjuk a kapcsolatot. res = sendmessage("quit"); closesmtpconnection(); Bármi hiba történt, kiírjuk a program kimenetre. ; catch(exception e) System.out.println("Error: " + e.tostring()); Egész egyszerû, nemde? Persze csaltam, azért ilyen egyszerû minden, mert "magasszintû", a feladathoz alkalmazkodó eljárásokat használtam. Ezeket még definiálni kell, mert sajnos nem szerepelnek a Jáva könyvtárakban. Módszerek Emlékeznek még arra, hogy egy osztály - SMTPclient - belsejében vagyunk? Az osztályok belsejében definiált függvényeket az objektumorientált terminológia szerint módszereknek (method) hívják. Definíciójuk nem különbözik a C- ben megszokottaktól, persze a mi programunkban a main-hez hasonlóan itt is meg kell adni a static módosítót, mert ezek a módszerek is használják a fent definiált osztályváltozókat. static void opensmtpconnection (String host) throws IOException

6 Page 6 of 20 Persze a korábban megismert kivételkezelés belezavar a képbe: a Jáva nyelv megköveteli, hogy a módszerekben elôforduló kivételeket vagy le kell kezelni, vagy deklarálni kell, hogy lekezeletlenül továbbadjuk. A módszer fejében a throws parancs erre szolgál. (Megjegyzés: a lekezeletlen kivételek deklarálásának szabálya alól is vannak "kivételek", de errôl is csak késôbb.) Hálózati kommunikáció A programhoz szükséges hálózati kommunikációt szerencsére a Jáva net könyvtára segítségével könnyû megoldani. A részletek mellôzésével: a könyvtár definiál egy Socket osztályt, amely egyszerû TCP kapcsolat kiépítésére és azon adatok átvitelére szolgál. Elôször létrehozunk egy új Socket-et, egyben megnyitva az összeköttetést a paraméterként megkapott gép 25-ös (SMTP kiszolgáló) kapujával (port). smtpconn = new Socket(host, SMTPport); Az átvitelre két - input és output - stream objektum szolgál, amelyeket a get...stream eljárással kibányászunk a kapcsolatból. instream = new DataInputStream(smtpconn.getInputStream()); outstream = new DataOutputStream(smtpconn.getOutputStream()); Ezen stream-ek segítségével már közvetlenül olvashatunk vagy írhatunk a kiépült kapcsolaton. Itt az elsô beérkezô sort - az SMTP kiszolgáló bejelentkezô üzenetét - egyszerûen eldobjuk. ; String dummy = instream.readline(); A kapcsolat lezárása egyszerû: static void closesmtpconnection () throws IOException smtpconn.close(); ; Egy SMTP üzenet kiküldéséhez egy kicsit ügyeskednünk kell: static String sendmessage(string msg) throws IOException Elôször is a kiküldendô üzenetet - a String típusú msg paramétert - Byte-okká alakítva kell elküldeni. Ne feledjük el, hogy a Jáva a karakterek tárolására - és egy szöveg is ezekbôl áll - 16 Bites Unicode-ot használ, a szegény SMTP kiszolgáló alaposan meg lenne lepve, ha ezt kapná. A Byte-sorozat végére még odabiggyesztjük a protokoll által megkívánt CR és LF karaktereket. Legalább látunk arra is példát, hogyan lehet - úgy, mint a C-ben - karakter konstansokat megadni. outstream.writebytes(msg); outstream.write('\015'); outstream.write('\012'); A flush utasítás kiüríti az átviteli puffert, elküldi az összegyûlt Byte-okat az összeköttetésen. outstream.flush(); Az SMTP szerver egy ilyen üzenetet nem hagy válasz nélkül, az egy soros választ beolvassuk és visszaadjuk a módszert meghívó programnak. Az utasítás arra is példa, hogy egy változót (res) nem csak a módszerek elején, hanem bárhol deklarálhatunk, ahol Jáva utasítás állhat. ; String result = instream.readline(); return result; Fordítás, futtatás Ha valaki nem sajnálja a fáradságot és begépeli a fenti programot, mondjuk SMTPclient.java néven, lefordítani a javac SMTPclient.java

7 Page 7 of 20 paranccsal lehet. Ha nem követtünk el gépelési hibát és a Jáva Fejlesztôi Környezetet (JDK) is helyesen telepítettük, akkor a fordító létrehoz egy SMTPclient.class állományt, ami a lefordított Byte kódot tartalmazza. Az állomány neve nem a forrás nevébôl származik, hanem az állományban definiált osztály nevét hordozza. Ha több osztályt definiálnánk, a fordító több különálló állományt hozna létre. A programunkat tesztelhetjük például a paranccsal és kis szerencsével a válasz: lesz, aki pedig én vagyok! java SMTPclient hapci.mmt.bme.hu kiss 250 Kiss Istvan <kiss> Objektumorientált programozás Jáva módra Az objektumorientáltság manapság az egyik legdivatosabb programozási paradigma (alapelv), természetesen a Jáva is követi a divatot. Bár a nyelv ôse a C++ volt, ám a Jávában sokkal tisztábban érvényesülnek az objektumorientált programozás elvei, talán azért, mert nem kényszerül arra, hogy még a C nyelvbôl származó programozási elveket, szerkezeteket koloncként magával hordozza. Az objektumorientáltság még elég új elv ahhoz, hogy a teoretikusok felhevült hitvitákban próbálják definiálni lényeges vonásait. A teljesség igénye nélkül én itt az egyik széles körben használt definíciót ismertetném, természetesen olyat, amely illik a Jávára. Ezek szerint: Egy objektumorientált program együttmûködô objektumok (object) összessége. A program alap építôkövei az objektumok. Ezek olyan, a környezetüktôl jól elkülöníthetô, viszonylag független összetevôk, amelyeknek saját viselkedésük, mûködésük és lehetôleg rejtett, belsô állapotuk van. Egy objektumra a környezetben lévô egyéb objektumok hatnak és ennek hatására saját állapotuk megváltozhat. Minden objektum valamilyen osztályba (class) tartozik. Az osztályok megfelelnek az absztrakt adattípusoknak, minden objektum valamely típus példánya, egyede (instance). Az osztályok definiálják az egyes objektumok állapotát leíró adatszerkezetet és a rajtuk végezhetô mûveleteket, az úgynevezett módszereket (method). Az egyes egyedek csak az állapotukat meghatározó adatszerkezet tényleges értékeiben különböznek egymástól, a módszerekkel definiált viselkedésük közös. Az egyes osztályokat az öröklôdés hierarchiába rendezi. Az öröklôdés az az eljárás, amely segítségével egy osztály felhasználhatja a hierarchiában felette álló osztályokban definiált állapotot (adatszerkezeteket) és viselkedést (módszereket). Így a közös elemeket elegendô egyszer, a hierarchia megfelelô szintjén definiálni. Általában csak az elsô három követelménynek eleget tevô programozási nyelvet, technológiát objektum-alapúnak (object based), míg a negyedikkel kiegészülôket objektumorientáltnak (object-oriented) hívják. Az elsô 3 építôelem már korábbi programozási nyelvekben is megjelent, ezt leggyakrabban absztrakt adattípusoknak nevezték. Kezdetben én is ezzel foglalkozom. Absztrakt adattípusok létrehozása A Jáva nyelvben csaknem minden objektum. Mint korábban láthattuk, egy programban az import utasításokon kívül minden utasítás osztályok belsejében szerepelhet csupán, nincsenek globális változók, globális eljárások. A nyelv ugyan tartalmaz néhány egyszerû adattípust, de ezeken felül minden egyéb adatszerkezet vagy valamilyen osztályba tartozó objektum, vagy tömb, amely, mint azt hamarosan látni fogjuk, ugyancsak speciális osztály. Mellesleg a nyelv tartalmaz a beépített típusokat becsomagoló osztályokat (wraper class) is: Boolean, Character, Double, Float, Integer. Objektumok Az objektumok olyan programösszetevôk, amelyek szoros egységbe foglalják az állapotukat leíró belsô adatszerkezetüket és a rajtuk értelmezhetô mûveleteket. Ebben az értelemben az egyes objektumok nagyon hasonlítanak egy adott típusba tartozó értékekhez. Egy int típusú érték is elrejti elôlünk a belsô reprezentációját és csak az elôre definiált mûveletek végezhetôk rajta.

8 Page 8 of 20 A Jávában minden egyes objektumnak meghatározott típusa kell, hogy legyen, azaz valamelyik osztályba kell tartoznia. Az objektumokra változókon keresztül hivatkozhatunk, pl. a Person somebody; azt jelenti, hogy a somebody név mindig egy Person típusú objektumra hivatkozik. Viszont a C++ nyelvvel ellentétben a fenti deklaráció nem jelenti egy új objektum létrejöttét, a változó egyelôre nem hivatkozik semmire, azaz "értéke" null. A Person somebody = new Person("Kovacs", "Istvan", " "); utasítás nem csak definiál egy új változót, de a new paranccsal létre is hoz egy új objektumot, amelyre a változó hivatkozik. Nagyon fontos megértenünk azt, hogy a Jávában minden változó hivatkozást tartalmaz csupán. Ezt szem elôtt tartva érthetô, hogy az értékadás (=) operátor nem készít másolatot, a bal oldali változó ugyanarra az objektumra hivatkozik majd, mint a jobb oldal. Ha valakinek mégis másolatra van szüksége, többnyire használhatja a csaknem minden osztályban megtalálható clone módszert. Hasonlóképpen az egyenlôség vizsgálatának C-bôl ismert operátora (==) is a referenciák egyenlôségét ellenôrzi, az objektumok strukturális ellenôrzésére az equal módszer való, már amennyiben létezik ilyen. Ha már minden objektumra amúgy is csak referenciákon keresztül hivatkozhatunk - természetesen a hivatkozás feloldásának mûveletét (dereference) nem kell külön kiírnunk -, már nem is tûnik túl meglepônek, hogy a Jáva külön mutató típust nem tartalmaz. Ez nagyon sok programozási hibától, biztonsági problémától megkímél bennünket. A referenciák viszont szentek és sérthetetlenek, semmiféle mûvelet, konverzió nem végezhetô rajtuk. Az egyes referenciák által hivatkozott objektumok típusát az instanceof logikai értéket adó operátorral tudjuk lekérdezni, például if (x instanceof Person) then System.out.println("x egy személy!"); Azt már láttuk, hogy új objektumokat a new utasítással lehet létrehozni, megszüntetni, törölni viszont nem kell. A Jáva virtuális gép, amely a programokat futtatja, tartalmaz egy szemétgyûjtô (garbage collection, gc) - jelenleg az ún. markand-sweep típusú - algoritmust, amely általában a háttérben, a CPU szabadidejében, a programmal aszinkron futva összegyûjti a már nem hivatkozott objektumokat és azok tárterületét felszabadítja, hogy a new újra felhasználhassa majd. A szemétgyûjtés teljesen rejtetten, automatikusan történik, a programozóknak általában nem is kell törôdniük a szemétgyûjtéssel. Ha már vannak objektumaink, nézzük meg, hogyan tudunk hatni rájuk. Az egyes objektumok módszereit az obj.method(parameter, parameter,...) szintaxissal hívhatjuk meg. Az objektumorientált terminológia ezt gyakran üzenetküldésnek (message passing) nevezi, pl. a somebody.changepid(" "); utasítás "megkéri" a somebody objektumot, hogy hajtsa végre saját magán a changepid mûveletet a " " paraméterrel. Az ilyen módszerhívások vezethetnek az objektum belsô állapotának, azaz belsô változói értékének megváltozásához is, de gyakran csak egy belsô változó értékének lekérdezése a cél. Bár a tiszta objektumorientált elvek szerint egy objektum belsô állapotváltozóinak értékéhez csak módszerein keresztül lehetne hozzáférni, a Jáva - a C++-hoz hasonlóan - megengedi a programozónak, hogy bizonyos változókat közvetlenül is elérhetôvé tegyen. Pl. amennyiben age közvetlenül látható a somebody.age = 46; utasítás közvetlenül a példaszemélyünk életkorát változtathatja meg. Osztályok definíciója A Jáva programozók osztályokat a class ClassName /* az osztály törzse */ programszerkezettel definiálhatnak, ahol a ClassName az újonnan definiált osztály neve lesz, az objektumok belsô állapotát és viselkedését pedig a kapcsos zárójelek közötti programrészlet írja le. A class alapszó elôtt, illetve az osztály

9 Page 9 of 20 neve után opcionálisan állhatnak még különbözô módosítók, de ezekrôl majd késôbb. Egyedváltozók Az osztály törzsében szerepelnek azok a változó-deklarációk, amelyek az egyes egyedek belsô adatszerkezetét valósítják meg. Ezeket gyakran egyedváltozóknak (instance variable, member variable) nevezzük, jelezve, hogy az osztály minden egyede ezekbôl a változókból saját készlettel rendelkezik. A változó-deklarációk megfelelnek a C-ben megszokottaknak: class Person String name, surname, pid; byte age; Person mother, father; A képzeletbeli Person típusunkba tartozó egyedek három szövegváltozóban tárolhatják a személy vezeték- és keresztnevét, személyi számát (ez persze lehetne akár egy long egész szám is), egy Byte-ban az életkorát és két Person típusú változóban az apját és anyját. Az utolsó 2 változó példa arra, hogy egy egyed belsô állapota hivatkozhat más - akár az egyeddel megegyezô típusú - objektumokra is. Módszerek A típus által értelmezett mûveleteket a módszerek testesítik meg, ezek definiálása megegyezik a C függvényekével. void changepid (String newpid) throws WrongPIDException if (correctpid(newpid)) pid = newpid else throw new WrongPIDException(); Mint látjuk, az egyes módszereknek lehet visszatérési értéke - bár a példánkban nincsen, ezt jelzi az ilyenkor kötelezô void -, illetve adott típusú és számú bemenô paramétere. A módszer nevét, visszatérési értékének és paramétereinek számát, típusát a módszer lenyomatának (signature) nevezzük. A módszerek meghívásánál a lenyomatban definiált formális paraméterek aktuális értéket kapnak. A Jávában minden paraméterátadás érték szerint történik, azaz a paraméter helyén szereplô értékrôl másolat készül, a módszer ezt a másolatot látja, használja. Persze, ha a másolat módosul, az az eredeti értéket nem érinti. Kicsit becsapós a "mindig érték szerinti paraméterátadás" szabálya. Amennyiben a paraméter nem valamelyik beépített, egyszerû típusba tartozik, úgy az átadásnál a referenciáról készül másolat, azaz a C++ fogalmai szerint ilyenkor referencia szerinti átadás történik, tehát a hivatkozott objektum a módszer belsejében megváltoztatható. A visszatérési érték sem feltétlenül egy egyszerû típusba tartozó érték, hanem lehet objektum referencia is. Az osztály belsejében azonos névvel, de egyébként különbözô lenyomattal több módszert definiálhatunk (többes jelentés, overloading), ilyenkor a fordító a módszer hívásánál a paraméterek számából és típusából dönti el, hogy melyik módszert akarjuk meghívni, de a kiválasztásnál a módszer visszatérési értékének típusát a fordító nem veszi figyelembe. A módszerek törzsében a korábban már megismert utasításokat írhatjuk. A kifejezésekben, értékadások bal oldalán használhatjuk az eljárás paramétereit, lokális változóit, de az objektum egyedváltozóinak értékét is. Amennyiben a saját objektumra akarunk hivatkozni, úgy használhatjuk a this szimbólumot. Pl. a pid = newpid azonos a this.pid = newpid utasítással. A módszerek fejében használhatjuk a native módosítót, ez a fordítóprogramnak azt jelenti, hogy a módszer törzsét nem Jávában írtuk meg, hanem az aktuális platformtól függô módon, pl. C-ben. Az ilyen módszerek paraméterátadási módja, esetleg az elnevezési konvenciói az aktuális platformtól függhetnek. Természetesen ilyenkor az osztálydefinícióban a módszernek csak a lenyomatát kell megadni. Az ilyen módszereket használó programok sajnos elvesztik a Jáva programok architektúra-függetlenségét, de egyébként a native módszerek mind a láthatóság, mind az öröklôdés szempontjából a többi módszerrel teljesen azonos módon viselkednek. Konstruktorok Az osztályban definiált módszerek közül kitûnnek az ún. konstruktorok (constructor), amelyek szerepe az objektumok létrehozása, belsô állapotuk kezdeti értékének beállítása. Minden konstruktor neve megegyezik az osztálya nevével, visszatérési értéke pedig nincs. Természetesen a konstruktor is lehet többes jelentésû módszer: Person () /* üres */ ; Person (String name, String surname, String PID)

10 Page 10 of 20 ; this(); // az üres konstruktor egyenlôre nem csinál semmit this.name = name; this.surname = surname; this.pid = PID;... A konstruktorokat a new utasítás kiadása hívja meg, a konstruktorok közül a new-nál megadott paraméterek száma és típusa szerint választunk. Kitüntetett szerepû a paraméter nélküli, ún. alap (default) konstruktor, ha mi nem definiáltunk ilyet, a Jáva fordító automatikusan készít egyet az osztályhoz. Az így generált konstruktor a helyfoglaláson kívül nem csinál semmit. A szemétgyûjtés miatt a C++-ból ismert destruktorok itt nem léteznek, viszont ha egy objektum végleges megszûntetése elôtt valami rendrakó tevékenység végrehajtására lenne szükség, akkor ezt írjuk egy void finalize() lenyomatú módszer törzsébe, a Jáva virtuális gép biztosan végrehajtja, mielôtt az objektum területét a szemétgyûjtô felszabadítaná, azonban az aszinkron szemétgyûjtés miatt azt soha nem tudhatjuk biztosan, hogy ez mikor következik be. Osztályváltozók és -módszerek Míg az egyedváltozókból minden példány saját készlettel rendelkezik, addig az ún. osztály- vagy statikus (static) változókból osztályonként csak egy van. Természetesen mivel ezek nem egy példányhoz tartoznak, ezért a hozzáféréshez sincs szükség egy konkrét objektumra, az osztály nevével is hivatkozhatunk rájuk. A csak statikus változókat használó módszerek a statikus, avagy osztálymódszerek. Egészítsük ki a személy példánkat úgy, hogy minden új személy kapjon egy egyedi sorszámot: class Person... int index; // egyedi sorszám static int counter; // létrejött személyek számlálója static counter = 0; // statikus változó kezdeti értéke Person () index = counter++; // a konstruktorban használjuk fel a számlálót static int howmanypersons () return counter; )... A példában látható egy ún. statikus inicializáló programrészlet is - a static... -, amely utasításai az osztály betöltésénél, az esetleges statikus változók kezdeti értékadásával egyidejûleg hajtódnak végre. Megjegyzés: a példában ez kihagyható lenne, helyette elég lenne static int counter = 0; // létrejött személyek számlálója változódeklarációt írni. Tömbök A Jáva nyelv tömbjei is objektumok, ha kissé speciálisak is. Deklarálásuk nem csak a C-szerû szintaxissal megengedett, de végre tehetjük a szögletes zárójeleket a "logikus helyére" is, azaz a következô két deklaráció ekvivalens: int a[] = new int[10]; int[] a = new int[10]; Mint a többi objektumnál, a név itt is csak egy referencia, a tömb deklarációja után azt a new paranccsal létre is kell hozni. Az indexelés mûvelete azonos a C-ben megismerttel, itt is 0 a legkisebb index. Lényeges különbség viszont, hogy a virtuális gép ellenôrzi, hogy ne nyúljunk túl a tömb határán; kivétel keletkezik, ha mégis megtesszük. Minden tömb objektumnak van egy length nevû egyedváltozója, amely a tömb aktuális méretét adja vissza. Ez azért is fontos, mert a program futása során ugyanaz a tömbváltozó más és más méretû tömbökre hivatkozhat. Természetesen nem csak a beépített, egyszerû típusokból képezhetünk tömböket, hanem tetszôleges típusból, beleértve egyéb tömböket. A Jáva többdimenziós tömbjei is mint tömbök tömbje jönnek létre. Például int a[][] = new int[10][3]; system.out.println(a.length); system.out.println(a[0].length); // 10-et ír ki // 3-at ír ki

11 Page 11 of 20 Még egy érdekesség: a referenciák használatának következménye, hogy nem csak "négyszögletes" kétdimenziós tömböt lehet készíteni, de olyat is, ahol az egyes sorok nem azonos hosszúak. Pl. egy "háromszög alakú tömb" létrehozása: float f [][] = new float [10][]; for (int i = 0; i < 10; i++) f[i] = new float [i + 1]; Szövegek A Jávában a szövegek (String) is teljes rangú objektumok. A szövegek gyakori módosításának hatékonyabb elvégzésére használhatjuk a StringBuffer osztályt is. Részletes magyarázkodás helyett álljon itt egy példa, egy olyan módszer, amelyik megfordít egy szöveget: String reverse (String source) int i, len = source.length(); StringBuffer dest = new StringBuffer(len); for (i = len - 1; i >= 0; i--) dest.append(source.charat(i)); return dest.tostring(); Pakkok Összetartozó osztályokat a pakk (package) segítségével a programozók egyetlen fordítási egységgé foghatnak össze. Ezzel osztály-könyvtárakat építhetünk, és nagy szerep jut a láthatóság szabályozásánál is. A pakkot, amennyiben használjuk egyáltalán, a forrás elsô nem megjegyzés sorában kell megneveznünk, pl. package mmt.networking.snmp A pakkoknak programozási konvenciók szerint általában több komponensû, ponttal elválasztott nevet adunk, a fordító a névnek megfelelô könyvtár-hierarchiába helyezi el a lefordított osztályokat. Létezik egy név nélküli pakk arra az esetre, ha nem adtuk meg a package utasítást. Az így létrehozott pakkokból lehet a múltkor megismert import utasítással egy vagy több osztályt átvenni, használni. A Jáva nyelvi környezet jelenleg a következô pakkokat tartalmazza: java.applet java.awt java.awt.image java.awt.peer java.io java.lang java.net java.util Programkák környezete Ablakozó rendszer (Abstract Windowing Toolkit), grafikus és kezelôi felület elemek segéd osztályok az AWT-hez be- és kivitel nyelvi szinten definiált osztályok hálózatkezelés segéd osztályok Láthatóság A programozók megadhatják, hogy az általuk definiált egyes osztályok, illetve az osztályok változói, módszerei milyen körben használhatók. Erre a célra az ún. hozzáférést specifikáló (access specifier) módosítók használatosak. Egyelôre - amíg az öröklôdésrôl nem beszéltünk - 3 ilyen specifikáló lehet: nyilvános (public), magán (private), baráti (friendly). Ez utóbbi az alapértelmezés, ha nem adjuk meg a hozzáférés módját, akkor ez mindig baráti. Osztályokra csak a nyilvános vagy a baráti hozzáférés vonatkozhat: nyilvános osztályokat a programunkban bárhol használhatunk, bármelyik pakkunkba importálhatjuk. Baráti osztályokat csak az adott pakkon belül lehet használni. Egyed- illetve osztályváltozókra, módszerekre a nyilvános és baráti hozzáférés a fentivel azonos jelentésû, ezen túl a magán változók, módszerek csak az adott osztályon belül láthatók. Öröklôdés és következményei Az objektumorientáltság igazi csattanója az öröklôdés. Ez teszi lehetôvé, hogy a korábbi programozási módszereknél jóval könnyebben felhasználhassunk már megírt programrészeket, ezt gyakran szoftver IC-knek reklámozzák. Bár egyelôre az objektumorientált paradigma nem váltotta be minden ígéretét, de tagadhatatlan, hogy nem csak divatos, de sikeres is.

12 Page 12 of 20 Osztályok leszármaztatása Ha egy új osztályt már valamelyik meglévô alapján akarjuk definiálni, azt az osztály fejében a következô szerkezettel kell jelezni: class Child extends Parent /* Child törzse */ Az így módon megadott, ún. leszármazott osztály (Child) örökli a szülôje (Parent) tulajdonságait, azaz a belsô állapotát leíró adatszerkezetét és a viselkedést megvalósító módszereit. Természetesen az osztály törzsében ezt tovább bôvítheti, a viselkedését módosíthatja, ezt sugallja az extends (kiterjeszt) kifejezés a definíciónál. A Jáva a C++-szal ellentétben csak az ún. egyszeres öröklôdést engedélyezi, azaz minden osztálynak egyetlen közvetlen szülôje lehet. Tulajdonképpen nem csak lehet, de mindig van is szülôje, a nyelv ugyanis definiál egy beépített Object nevû osztályt, amennyiben az új osztály definíciójában máshogy nem rendelkezünk, automatikusan "extends Object" értendô, azaz minden osztály közvetlenül vagy közvetve, de örökli az Object-ben definiáltakat. Az így örökölt módszerek például az egyes objektumok másolásával (clone), összehasonlításával (equals), megnevezésével (tostring), illetve osztálya megkülönböztetésével (getclass), vagy a többszálú futtatással (pl. wait, notify) kapcsolatosak. Szükség esetén a meglévô osztályainkból való leszármaztatást megtilthatjuk úgy, hogy azt "final class"-ként definiáljuk. Ezt akkor alkalmazzuk, ha nem akarjuk, hogy egy mások által belôle leszármaztatott osztály nem kívánt módon módosítson az osztályunkban definiált viselkedést. Láthatóság Az absztrakt adattípusoknál megismert, hozzáférést szabályozó módosítók - public, private, és a ki soha nem írt friendly - a protected (védett) alapszóval bôvültek. A védettnek definiált változók és módszerek csak az osztályban, annak valamelyik leszármazottjában, vagy a pakkban láthatók, míg a privát védett (private protected) változók az elôzôhöz képest a pakkokban sem látszanak általában. (Ez a C++-ban ismerôsök számára az ottani protected láthatóság megfelelôje.) Mi öröklôdik, és mi nem Az öröklés során az új osztály örökli a szülôje összes egyedváltozóját. Ezek a vátozók még akkor is megvannak a leszármazott típusú objektumban, ha azok egy private deklaráció miatt közvetlenül nem láthatók. Hasonló a helyzet akkor, ha a leszármazott definiál egy, a szülôben már használt nevû változót, ilyenkor ez a változó eltakarja (shadowing) a szülô változóját. Ilyen esetekben ugyan a szülôtôl örökölt változók a leszármazott osztály módszereiben közvetlenül nem láthatók, de szülô nem magán módszerei segítségével továbbra is hozzáférhetôk. A szülô módszerei is öröklôdnek, egy leszármazott osztályban használható a szülô bármelyik nyilvános, védett vagy baráti módszere. Azonban a módszerek esetében nagyobb szabadságunk van: ha a leszármazottban a szülôben meglévô módszerrel azonos lenyomatú módszert definiálunk, az elfedi a szülôbeli jelentést, így megváltoztatva egy a szülôben definiált viselkedést. A módszerek ilyen jelentésének megváltoztatását megakadályozhatjuk, ha azt a szülôben finalnak definiáljuk. Láttuk, hogy egy módszerben a saját egyedváltozókra a this referencia segítségével hivatkozhatunk, öröklôdés esetén a szülôbôl örökölt egyedváltozókra, módszerekre hivatkozásnál a super referenciát használhatjuk. Persze az új osztályban láthatók lehetnek a szülô osztályváltozói és az ezeket kezelô statikus módszerek is, ez azonban nem öröklés, hanem inkább kölcsönös használat, hiszen minden statikus változóból és módszerbôl továbbra is csak egy van. Nem öröklôdnek a konstruktorok, minden osztályhoz meg kell írni a saját konstruktorait. Ebbôl a fordító csak az alap - paraméter nélküli - konstruktort hajlandó automatikusan létrehozni, amely úgy mûködik, hogy miután a tárban a kazalon (heap) az egyed számára helyet foglalt, lehívja a szülô alapkonstruktorát, a super()-t. Egy leszármazott-béli konstruktor ezt a szülô alapkonstruktorát mindig automatikusan meghívja, hacsak a leszármazott konstruktorában valamely más paraméterezésû super(...) konstruktort a saját konstruktorának elsô utasításaként meg nem hív. Végezetül az öröklôdésben érdekes szerep jut az abstract módosítóval deklarált módszereknek, olyan módszereknek, amelyeknek egy osztály csak a fejét (lenyomatát) definiálja, de a törzse helyét kihagyja. Az ilyen absztrakt módszereket valamelyik leszármazott osztálynak kell majd definiálnia. Legalább egy absztrakt - saját maga által absztraktnak definiált, vagy így örökölt és nem konkretizált - módszerrel rendelkezô osztályt absztrakt osztálynak nevezünk, ezt az osztály fejében a class elôtti abstract módosítóval kell, hogy jelezzük. Az absztrakt osztályok sajátossága, hogy nem lehetnek egyedei, a fordító hibaüzenettel visszautasítja a new utasítást. Polimorfizmus

13 Page 13 of 20 A polimorfizmus többalakúságot, többarcúságot jelent. Az objektumorientált nyelveknél ez valami olyasmit jelent, hogy különbözô típusú objektumoknak lehet azonos lenyomatú módszere és e módszerek közül az objektum aktuális típusának megfelelô módszer kerül meghívásra. Ez persze csak akkor izgalmas, ha a program szövegébôl nem látszik konkrétan, hogy éppen milyen típusú elemmel van dolgunk. Ez egy szigorúan típusos nyelvnél, mint a Jáva, csak úgy lehet, ha bizonyos lazításokat vezetünk be, pl. megengedjük, hogy egy szülô típusú referencia aktuálisan hivatkozhat valamelyik leszármazott típusra is. Definiáljuk például a jól ismert vicc nyomán a példabeli Person osztályunkban egy absztrakt SqueezeToothPaste nevû módszert a fogpaszta tubusból kinyomására. class Person... void SqueezeToothPaste();... Származtassuk le a férfi és a nô osztályokat a személybôl, ezekben már megadva konkrétan, hogyan is szokták a férfiak és a nôk a fogkrémes tubust megnyomni: class Man extends Person void SqueezeToothPaste() /*... tekerd az egyik végérôl kezdve... */ ; class Woman extends Person void SqueezeToothPaste() /*... markold középen és nyomjad... */ ; Ezek után képezhetünk egy tömböt, amely egyes elemei hol Man, hol Woman típusúak lehetnek Person[] p = new Person [20]; p[1] = new Man(); p[2] = new Woman();... A programban elôforduló p[n].squeezetoothpaste() módszerhívásról a fordítóprogram még nem tudja eldönteni, a hogy p adott indexû helyén épp férfival, avagy nôvel akadt dolga. Ez csak a konkrét futáskor derül ki, akkor kell majd kiválasztani a két SqueezeToothPaste() közül az alkalmazandót. C++ programozók figyelem: ott ezt a mûködést virtuális függvényhívásnak hívják és minden esetben külön kell a programban deklarálni. A Jávában minden módszer virtuális! A példa azt is illusztrálja, hogy egy szülô típusú referencia esetén használhatunk minden további nélkül gyerek típusra hivatkozást. Egyébként itt is ismert a típus átformálás (type casting) fogalma, de itt kötöttebb mint a C++-ban, mert az átformálás csak a referencia típusát érinti, magát az objektumot nem, nem lehet objektum referenciák típusát akármivé átalakítani, csak az öröklôdési láncban felfelé vagy lefelé. Interfészek A C++-hoz képest újítás a Jáva interfész (interface) fogalma, a nyelv tervezôi az Objective-C hatását emlegetik. Egy interfész nem más, mint módszerek lenyomatának gyûjteménye, mégpedig olyan módszereké, amelyek egy osztályban való egyidejû meglétét a programozó fontosnak tartja. Maga az interfész a módszerek törzsét nem adja meg, de írhatunk olyan osztályokat, amelyek megvalósítják, implementálják az interfészt, azaz konkrétan definiálják az interfészben felsorolt valamennyi módszert. Ennek nagy haszna, hogy az öröklôdési hierarchiában nem rokon osztályok is viselkedhetnek hasonlóan, az objektumorientált terminológia szerint azonos protokoll - a módszergyûjtemény - segítségével kommunikálnak. Ha egy osztály megvalósít egy interfészt, azt a class A implements I... formában lehet kifejezni, de ennek az a következménye, hogy A-ban az összes I-beli módszert meg kell valósítani. A Jávában többszörös öröklés ugyan nincs, de egy osztály egyidejûleg több interfészt is megvalósíthat. Egyébként az interfészben deklarált minden módszer nyilvánosnak és absztraktnak tekintendô, de a módosítókat - sem ezeket, sem másokat - nem lehet kiírni. Szükség esetén egy interfész deklarálhat változókat is, ám ezek mind véglegesek, nyilvános és statikusak (final public static) és természetesen értéküket azonnal iniciálni kell.

14 Page 14 of 20 Szálak A régivágású programozók programjai egyidejûleg csak egyetlen tevékenységgel foglalkoznak, pl. egy grafikus alkalmazás esetén vagy a képernyôre rajzolnak, vagy az egér mozgására, billentyûjeinek lenyomására figyelnek. Ezért van az, hogy gyakran látni olyan programot, hol egy-egy bonyolultabb rajz közben az egér "megfagy", hiába lökdössük, a képernyôn nem mozdul tovább. Persze a fenti feladatot meg lehetne úgy is írni, hogy egy kicsit rajzolunk, majd egy kicsit az egérrel foglalkozunk, és így tovább, de ez elég macerás, különösen azért, mivel egy igazi programnál sok egyéb eseményre is figyelnünk kellene. Jó lenne, ha a programozási nyelvünk - és az alatta rejtôzô operációs rendszer - segítene bennünket, lehetôvé tenné, hogy a programunk egyidejüleg több tevékenységgel is foglalkozzon, és ezek összehangolásával lehetôleg ne kelljen sokat törôdni. Így merül fel a párhuzamos programrészletek használatának igénye. Jó elôre érdemes kiemelni, hogy még napjainkban is a legtöbb számítógép egyetlen processzort tartalmaz, ezért igazi párhuzamos, egyidejûleg mûködô tevékenységrôl nem beszélhetünk. Talán kicsit jogosulatlanul használtam a "régivágású" jelzôt, sokan azért írnak egyetlen szálon futó programokat, mert nincs egyéb magasszintû eszköz a kezükben, igazán nagy feladatatokat pedig kinek van kedve gépi kódban megírni. A párhuzamosan futó tevékenységek elôször az operációs rendszereknél jelentkeztek, a multiprogramozáshoz elengedhetetlen, hogy amíg egy program (folyamat, process) pl. valamilyen lassú perifériás átvitelre várakozik, a rendszer más programot is futtathasson legalább egy rövid ideig. Az operációs rendszerek ezt a lehetôséget megnyitották a rendszerközeli programozók számára is, például ilyen célokat szolgál a UNIX rendszerek fork() rendszerhívása. Ezt már lehet pl. C nyelvû programokból használni, de lassan-lassan megjelentek magasabbszintû programozási nyelvek (Ada, Modula-2,...), amelyek nyelvi absztrakcióikban igyekeztek a párhuzamos programozás "piszkos" részleteit mind jobban elrejteni a programozók elôl. A szál (thread) viszonylag új fogalom, a szálak és a folyamatok közötti különbségek megértését segíti, ha megismerjük a szálakra használt másik elnevezést: pehelysúlyú folyamat (lightweight process). Míg egy fork-kal létrehozott tevékenység egészen önálló életet él, saját tárterülettel rendelkezik, amelyre a rendszer féltékenyen vigyáz, addig a szálak közös tárterületet, állományokat és egyéb rendszer-erôforrásokat használnak, csak a vermük és a regisztereik a sajátjuk. A közös erôforrások tulajdonosa általában egy folyamat, a szálak ennek a környezetében (context) futnak. Ha vannak folyamataink, miért kellenek a szálak? Gyorsabban lehet közöttük váltogatni, a várakozó tevékenység gyorsabban felébredhet, reagálhat valamilyen eseményre. A közös memória megkönnyíti az tevékenységek közötti információcserét is. Persze az elônyök mellett a szálakkal problémák is adódhatnak: közös lónak túros a háta, a közös tárban turkálásnál nagyon kell vigyázni arra, hogy mikor melyik szál következhet. Egy jól megtervezett nyelv, rendszer igyekszik kivédeni ezeket a hibákat, de a programozók zseniálisak, ha új programozási hibákat kell kitalálni, és sajnos a párhuzamos tevékenységekkel együtt megjelentek a rettegett idôfüggô, nem reprodukálható hibák. Újabban divattá váltak a szálak, lassan néhány operációs rendszer - pl. a Sun Solaris 2.x rendszere, vagy a Windows NT - rendszerszinten is támogatja ezeket, de megjelentek olyan programcsomagok (pl. PThreads), amelyek segítségével a hagyományos UNIX rendszereken is használhattunk C nyelvi programokból szálakat. A Jáva nyelv túllép ezen, nyelvi szintre emeli a szálak fogalmát, használatuk támogatását. A szálaknál is, mint az egyéb párhuzamos tevékenységnél, a következô alapvetô problémák merülnek fel: a szálak létrehozása, futtatása; a szálak szinkronizációja, futásuk összehangolása; információcsere a szálak között; ütemezés, a központi egység használatának felosztása a szálak között. Szálak létrehozása A Jáva nyelvben a szálak számára a java.lang pakk tartalmaz egy külön osztályt, a Thread-et. Minden párhuzamos tevékenység vagy egy Thread, vagy ebbôl leszármazott osztály egy példánya. Szálakat tehát például úgy hozhatunk létre, hogy leszármaztatunk a Thread osztályból egy saját osztályt, amelybôl aztán létrehozunk egy vagy több példányt. Persze meg kell adnunk, hogy a szálunk milyen tevékenységet hajtson végre, ezt a Thread-bôl örökölt nyilvános run módszer felüldefiniálásával teheljük meg class MyThread extends Thread public int ID; MyThread (int i) ID = i; ; public void run () /* a szál tevékenységének leírása */

15 Page 15 of 20 Ezek után a programunkban létrehozhatunk néhány saját szál objektumot: MyThread first = new MyThread(1); MyThread second = new MyThread(2); A fenti példa azt is illusztrálja, hogy a leszármazott osztály konstruktorát felhasználhatjuk arra, hogy az egyes szálaknak megszületésük elôtt egyedváltozókban olyan objektumokat adjunk át, amelyeket az egyes szálak az éltük folyamán használhatnak. Az így létrehozott szálak még csak "megfogantak", de nem születtek meg, nem kezdték el a run módszer törzsét végrehajtani. Ehhez meg kell hívni a Thread osztályból örökölt start módszert: first.start(); second.start(); A start módszer indítja majd el a run törzsét. Eztán már mindkét szál fut, versengve az egyetlen központi egységért. Hogy nagyobb legyen a tülekedés, a fenti kettôn túl van még néhány szál, amire talán nem gondoltunk: a fôprogram - a main statikus eljárás törzse - is egy szál, sôt a tárgazdálkodáshoz szükséges szemétgyûjtés is párhuzamos tevékenységként valósul meg. A Thread osztálynak van még néhány konstruktora, talán említést érdemelnek azok a konstruktorok, ahol egy String paraméterben nevet is adhatunk a szálunknak, amit pl. a nyomkövetésnél jól használhatunk. Ezt felhasználva írunk egy másik konstruktort is: class MyThread extends Thread... MyThread (int i, String name) super(name) ; ID = i; ;... MyThread first = new MyThread(1, "First"); A szálak létrehozásának a Thread-bôl leszármaztatáson túl van egy másik módja: a java.lang tartalmaz egy Runnable interfész is, amely egyetlen módszert, a run-t specifikálja. Ha a mi osztályunk implementálja a fenti interfészt, létrehozhatunk egy Thread típusú objektumot, a konstruktornak megadva az objektumunkat, amely a run-t megvalósítja. A fenti példa a rövidség kedvéért egyetlen szállal az interfészt használva így nézhet ki: class MyObj implements Runnable public int ID; MyThread (int i) ID = i; ; public void run () /* a szál tevékenységének leírása */ ; MyObj firstobj = new MyObj(1); Thread first = new Thread(firstObj); first.start(); Egy trükk: ha késôbb nem akarunk sem az objektumra, sem a szálra hivatkozni, azaz megelégszünk azzal, hogy az fut, az utolsó 3 sort össze is vonhatjuk: new Thread(new MyObj(1)).start(); Melyik létrehozási módszert érdemes használni? Gyakran nincs választási lehetôségünk, mivel a Jáva nem engedélyez többszörös leszármazást, ha az osztályunkat más osztályból akarjuk leszármaztatni pl. programkát írunk, akkor csak az interfészen keresztüli definíció használható. A Thread-bôl közvetlen leszármaztatást csak akkor érdemes használni, ha valamilyen okból a Thread-bôl örökölt néhány módszert - természetesen a run-on kívül - felül akarunk definiálni. Szálak futása A Jáva virtuális gép az egyes szálak végrehajtása során nyomonköveti azok állapotát. A következô állapotátmeneti diagramm szemlélteti az egyes szálak viselkedését.

16 Page 16 of 20 Az egyes szálak 5 különbözô állapotban lehetnek: Új állapotúak az éppen létrejött szálak (Thread konstruktora lefutott); Futásra készek azok a szálak, amelyek ugyan futhatnának, de egy másik szál használja a Jáva virtuális gépet; A futó szál utasításait hajtja végre a virtuális gép; A vár állapotú szálak valamilyen külsô vagy belsô esemény bekövetkezését várják; A halott állapotú folyamatok megálltak, futásuk befejezôdött. Az egyes állapotátmenetek magyarázata: 1. Lehívták a szál start() módszerét, a szál futása megkezdôdhet. 2. A szál stop() módszerét meghívva a szál végrehajtása befejezôdik, bármelyik állapotban is legyen. 3. A szál várakozni kényszerül, mert valaki a suspend() módszerrel a szál futását felfüggesztette, valaki - akár saját maga - a sleep(long millisec) módszerrel a megadott ideig várakoztatja, a wait() módszerrel egy objektumhoz rendelt ún. feltételes változóra vár, egy objektumhoz rendelt monitorra vár, valamilyen I/O mûvelet lezajlására vár. 4. Bekövetkezett a várt esemény (a fenti sorrendben): valaki a resume() módszerrel a szál futását továbbengedte, letelt a sleep-ben megadott idô, a várt feltételes változóra kiadtak egy notify() vagy notifyall() hívást, a várt monitor felszabadult, a várt I/O mûvelet befejezôdött. 5. Az ütemezô a futásra kész szálak közül kiválaszt egyet és folyatja annak futtatását. 6. A szál a yield() hívással lemondhat a futás jogáról valamelyik futásra kész szál javára, illetve az ütemezô is elveheti az éppen futó száltól a futás jogát. 7. A szál elérte run módszerének végét, futása befejezôdik. Ütemezés Mint az állapotátmeneti diagramnál láttuk, a virtuális gépen megvalósított ütemezô az 5-ös és 6-os számmal jelölt állapotátmeneteknél kap szerepet. A Jáva nyelv fix prioritású preempív ütemezést definiál, egyes architektúrákon ez idôosztásos is lehet. Nézzük ennek a magyarázatát: Minden szál rendelkezik egy, a "fontosságát" meghatározó int számmal, amelyet örököl az ôt létrehozó száltól, de a setpriority(int newprio) hívással bármikor be is állíthatja a MIN_PRIORITY és MAX_PRIORITY közötti értékre. Azért hívják a rendszert mégis fix prioritásúnak, mivel maga a virtuális gép soha nem módosítja szálak prioritását. A futásra kész folyamatok közül a futó kiválasztása mindig szigorúan a prioritások alapján történik, a legnagyobb, illetve az azonos prioritással rendelkezôk közül a legrégebben várakozó indul tovább. Az ütemezés azért preemptív, mert amennyiben az éppen futónál nagyobb prioritású szál válik futásra késszé, akkor a futó megszakad (6-os átmenet) és a legnagyobb prioritású indul tovább. (Megjegyzés: ez csak nagyobb prioritás esetén történik, azonosnál nem!) Még egy ilyen preemptív ütemezés esetén is elôfordulhat, hogy a legnagyobb prioritású szál kisajátítja a virtuális gépet, ha nem kényszerül várakozni (3-as átmenet) és a yield() hívással sem mond le egy idôre a futás jogáról. Ezért használnak néhány rendszernél idôosztásos (time-slicing) ütemezést. Itt minden szál csak egy adott, maximális ideig

17 Page 17 of 20 lehet futó állapotú, ha az idôszelete letelt, a virtuális gép megszakítja és beáll a futásra készek közé, a vele azonos prioritásúak mögé. Ez gyakran nagyon kényelmes, de figyelem, gondolom az egyes architektúrákon elôbukkanó implementációs problémák elkerülése végett a nyelv nem követeli meg, hogy az ütemezés idôosztásos legyen! Ha valaki erre számít, elôfordulhat, hogy a programja néhány architektúrán nem helyesen fut. (Ennyit a híres architektúrafüggetlenségrôl! Nekem ez nagyon nem tetszik, de mit tehetnék, legfeljebb az vigasztal, hogy véleményemmel nem állok egyedül.) Egyes szálakat a programozó a setdaemon() hívással "démonizálhat". A démonok olyan párhuzamos tevékenységek, amelyek más szálaknak nyújtanak szolgálatokat, általában végtelen ciklusban futnak, gyakran arra várva, hogy más szálak kommunikáljanak velük. A Jáva program addig fut, azaz a virtuális gép addig mûködik, amíg van a rendszerben legalább egy nem démon szál. Szinkronizáció és kommunikáció Az eddig megismert módszerekkel létrehozhatunk párhuzamosan futó szálakat, de ezek csak akkor igazán hasznosak, ha összehangoltan tevékenykednek valamilyen közös cél érdekében. Ehhez szükséges a szálak közötti szinkronizáció és kommunikáció. Ezek közül a szinkronizáció a komolyabb feladat, a kommunikációt - ha a szinkronizáció helyesen mûködik - a szálak már megoldhatják közösen használható objektumokhoz való hozzáféréssel. Mivel a szálak közös erôforrásokon - pl. a táron - osztoznak., a legfontosabb szinkronizációs probléma az ún. kölcsönös kizárás (mutual exclusion) biztosítása, azaz megoldás arra, hogy bizonyos erôforrásokat egyidejûleg csak egyetlen szál használhasson, egy másik szál pedig csak akkor férhessen hozzá, ha az elôzô már konzisztens, biztonságos állapotban hagyta. A kölcsönös kizárás megvalósítására a Jáva a Hoare-féle monitor koncepciót követi. Minden objektum rendelkezik egy zárral (lock, monitor) és a programozó elôírhatja, hogy bizonyos módszerek végrehajtása csak akkor kezdôdhet meg, ha az objektum szabad. Ez a módszer fejében használt synchronized módosítóval történik. Az ilyen módon definiált módszer meghívása elôtt a hívó szál megpróbálja az objektumhoz - statikus módszer esetén az osztályhoz - tartozó zárat lefoglalni. Amennyiben senki nem használja a zárat, akkor elkezdi a módszer végrehajtását, természetesen ezzel kizárva az összes többi versengô szálat. Amennyiben viszont foglaltnak találja a monitort, akkor várakozni kezd. Kivételt képez az az eset, ha a monitort ugyanez a szál tartja lefoglalva, ilyenkor a futás továbbhaladhat, a Jáva monitorja újrabeléphetô (reentrant). Miután a módszer lefutott, kilépéskor a szál felszabadítja a zárat, szükség esetén továbbindítva - futásra késszé téve - egyet a zárra várakozók közül. A programozónak külön meg kell mondania, hogy melyek azok a módszerek vagy kódrészletek, amelyek végrehajtásához kizárólagosságot kell biztosítani. (Megjegyzés: a nyelv a "szinkronizáció" fogalmát sajnos az irodalomban elterjedtnél szûkebben, a kölcsönös kizárás szinonimájaként használja. Ezentúl, bár nem tetszik, de én is követem ezt a terminológiát.) A szinkronizált módszerhívás alternatívájaként használhatunk szinkronizált kódrészletet is, ahol a synchronized (obj) /* szinkronizálandó... */ kódrészletet a paramétereként megadott objektum - és nem a this, mint fentebb - zárja védi. Természetesen mindkét módon a programozó felelôssége annak megállapítása, hogy melyik módszereket, kódrészletet kell védeni, az itt elkövetett hibákat a fordítóprogram nem tudja kiszûrni. A monitor koncepcióban megvalósuló automatikus, a programozó elôl rejtett implementációjú kölcsönös kizárás sajnos az együttmûködô szálakhoz általában nem elég, kell olyan eszköz is, amelyikkel egy szál bevárhatja, amíg egy másik elér tevékenységének adott pontjára. Erre szolgál a monitor koncepciót kiegészítô, a Hoare-féle feltételes változó (conditional variable). Minden Jáva objektumhoz tartozik egy ilyen feltételes változó, amire lehet várakozni (wait()), illetve egyetlen (notify()) vagy az összes (notifyall()) várakozót tovább lehet indítani. Mind a wait, mind a notify módszert csak szinkronizált módszerekben lehet hívni. Wait esetén az azt kiadó szál várakozni kezd a szinkronizált objektum feltételes változójára, és ezzel együtt - ideiglenesen - felszabadítja a monitort, hogy másik módszer is futhasson. Egy szinkronizált módszerben kiadott notify kiválaszt az adott objektumra várakozó szálak közül egyet, és azt futásra késszé teszi. Mikor a monitor legközelebb felszabadul, a továbbindított szál újra megszerzi, azaz lefoglalja a monitort, és folytatja a futását. A wait módszerben várakozó szálat csak egy notify vagy notifyall mozdíthatja ki, de létezik a wait-nek egy paraméteres, idôzített változata is, ahol a szál legfeljebb a paraméterben millisecundum mértékegységben megadott idôtartamon keresztül várakozik. Ilyen wait-bôl felébredve a szálnak meg kell gyôzôdnie arról, hogy vajon egy notify avagy az idô lejárta miatt ébredt-e fel.

18 Page 18 of 20 Programkák A Jáva programozási nyelv legnagyobb újítása, rohamos terjedésének oka, hogy kitalálták a programkákat (applet), olyan Jáva programokat, amelyeket a Web-en böngészve egy Web oldallal együtt letöltünk a saját számítógépünkre, majd az itt nálunk futni kezd. Egy ilyen program életet lehelhet a statikus Web oldalakba, a szerver közremûködése és a hálózat a terhelése nélkül például animációt jeleníthet meg, illetve gyakran egy kliens-szerver programrendszer klienseként a szerver felé tartó adatok elôfeldolgozását, a válaszok intelligens megjelenítését végezheti. Programkákat alkalmazva lehetôség nyílik a Web böngészôk szolgáltatásainak, képességeinek akár dinamikus, igényeknek megfelelô bôvítésére is. Különbségek a programkák és a programok között A Jáva programok önállóan futnak, közvetlenül az operációs rendszer és az erre épülô Jáva virtuális gép felügyelete alatt. A programkák hálózaton keresztüli betöltését és futtatását viszont egy Web böngészô program végzi, a programkák futási környezete maga a böngészô. (A Jáva fejlesztôi rendszerek tartalmaznak ugyan a programkák kipróbálására segédprogramokat, mint pl. a SUN appletviewer-e, ám ezek egy böngészônek pontosan megfelelô környezetet biztosítanak.) A programkák sokat profitálnak ebbôl az albérletbôl, használhatják a böngészôben meglévô teljes programinfrastruktúrát: a Web oldalból kihasíthatnak maguknak területeket, ahova rajzolhatnak, felhasználhatják a böngészô grafikus-, multimédia és pl. HTML megjelenítési szolgáltatásait, kezelôi felület elemeit, eseménykezelését, hálózati kommunikációját. Igaz, hogy lehet olyan önálló Jáva alkalmazást írni, amely egy programkának megfelelôen viselkedik, ám egy ilyen környezet felállítása viszonylag nagy munkát igényel, a programkák viszont mindent készen kapnak. Azonban, akárcsak egy valódi albérletben, a programkák itt is korlátokba ütközhetnek. A távoli számítógéprôl óvatlanul gyakran a hálón barangoló tudta nélkül letöltött és a helyi számítógépen futni kezdô programok sokakban jogosan a vírusok rémképét idézik. Ezért a böngészô szigorúan korlátozza a felügyelete alatt futó programkákat, megakadályozza, hogy potenciálisan veszélyes tevékenységet hajtsanak végre. Így például a Jáva nyelvbe már amúgyis beépített biztonsági rendszeren, konzisztencia ellenôrzésen túl a programkák: nem, vagy csak nagyon szigorúan korlátozva férhetnek hozzá a helyi állományrendszerhez; csak azzal a szerverrel, az ott futó programokkal vehetik fel a kapcsolatot, ahonnan letöltôdtek; nem indíthatnak el a helyi gépen lévô programokat, nem tölthetnek be helyi programkönyvtárakat. Sokak szerint a fenti megkötések túlságosan szigorúak, de amíg a Jáva rendszerbe nem kerülnek be a programkák módosíthatatlanságát, megbízható azonosítását lehetôvé tevô titkosítási algoritmusok - dolgoznak rajtuk -, addig nincs mit tenni, mint szigorúan kulcsra zárni az összes olyan kiskaput, ahol rosszindulatú programkák beszivárogva belerondíthatnak a számítógépünkbe. A programkák szerkezete Programkák írásához a Jáva nyelv külön pakkot (java.applet) és külön osztályt (Applet) tartalmaz, saját programkánkat ebbôl kell - mégpedig nyilvánosan - leszármaztatnunk. Teljesség igénye nélkül ismertetek néhány fontosabb, felüldefiniálható módszert. A futás vezérlése Míg a Jáva programok betöltése után a main statikus módszer indul el, addig a programkák esetében a böngészô biztosítja azt, hogy megfelelô események bekövetkeztekor meghívja a leszármazott osztály az Applet-ben meglévôt felüldefiniáló módszereit. Persze nem kell minden itt ismertetett módszert feltétlenül felüldefiniálni ezek az Applet osztályban nem absztrakt, hanem létezô, de üres törzsû módszerek. Az egyszerû példaprogramunknak sem lesz mindegyikre szüksége. A programka futásának vezérlésére az init, start, stop és destroy módszerek szolgálnak, valamennyien paraméter nélküliek. Az init törzse a programka letöltésekor fut le, itt végezhetôk el a kezdeti beállítások. Rögtön az init után a start is lefut, de a start módszert akkor is meghívja a böngészô, ha újra akarja indítani a programkát. A stop módszer a programka futásának leállítására szolgál. Tipikus, hogy egy HTML oldalt letöltve betöltôdnek az ott lévô programkák is, majd lehívódik ezek init és start módszere. Ha ezután böngészés közben továbblépünk errôl az oldalról, akkor az összes ott futó programka stop módszere is lehívásra kerül. Ha visszatérünk a lapra, akkor már csak a start-ok indulnak el, az init nem. Ha a stop módszert üresen hagyjuk, a lapot elhagyva a programkánk folytathatja a mûködését, ezzel esetleg feleslegesen használva rendszer erôforrásokat. A stop-ban gondoskodhatunk róla, hogy a programka mûködése

19 Page 19 of 20 felfüggesztôdjön. Végezetül a destroy módszer lehetôvé teszi, hogy a programka leállása elôtt felszabadítsa az összes általa lefoglalt speciális erôforrást, tisztán és rendben hagyja itt a világot. A destroy-t pl. a böngészô leállása, vagy egy futó programka újra betöltése elôtt hívja meg. Bár a böngészôk tipikusan egy-egy szálat allokálnak a letöltött oldalon lévô minden programkához és ebbôl a szálból hívják meg a programkát vezérlô módszereket, de ez nem zárja ki, hogy a programkánk végrehajtása közben maga is létrehozzon szálakat. Szálak használata tipikus a folytonos animációt biztosító programkáknál, de célszerû a hosszú ideig tartó inicializálást - pl. nagy méretû képek hálózatról letöltését - is egy párhuzamosan futó szállal megoldani. Rajzolás A paint módszer, amelynek egy java.awt.graphics osztályba tartozó paramétere is van, szolgál arra, hogy a programka a böngészô által megjelenített lap területére "rajzoljon", azaz szöveget, grafikát jelenítsen meg. A böngészô feladata, hogy ezt a módszert lehívja mindig, amikor a programka által használt területre rajzolni kell, pl. init után, vagy ha a bögészô ablaka láthatóvá válik, mérete megváltozik, más helyre kerül a képernyôn, stb. Ha a programka saját maga akarja kezdeményezni a rajzolást, akkor meghívja a repaint módszert, amely hatására a böngészô egy alkalmas idôpontban meghívja a programka update módszerét. Az update is az Applet-bôl öröklôdik, amennyiben nem definiáltuk újra, egyszerûen paint-et hív, de felüldefiniálva lehetôségünk van például kihasználni azt, hogy a programka már felrajzolta, amit akart, nekünk elég a meglévô képen módosítanunk. Különösebb magyarázat nélkül közlök egy egyszerû példát, a szokásos "Hello világ" programka változatát. A programkában van egy kis csavar: képes átvenni az ôt tartalmazó lapról egy paramétert, így a "world" helyett ezt a szöveget írja majd ki, persze, ha létezik egyáltalán ilyen paraméter. A feladat egyszerûsége miatt elég csak az init-et és a paint-et definiálni. import java.applet.applet; import java.awt.graphics; import java.awt.font; import java.awt.color; public class HelloWorldApplet extends Applet Font f = new Font("TimesRoman", Font.BOLD, 36); String name; public void init() name = getparameter("name"); if (name == null) name = "World"; name = "Hello " + name + "!"; public void paint(graphics g) g.setfont(f); g.setcolor(color.red); g.drawstring(name, 5, 50); Programkák egy Web oldalon Ahhoz, hogy a programkánk egy Web oldallal együtt letöltôdjön és elinduljon, a lapot leíró HTML dokumentumot ki kell egészíteni a programka, annak elhelyezkedésének, esetleges paramétereinek megadásával. Erre a célra szolgál a <APPLET> HTML tag. Remélem a példám használatához szükséges, itt közölt HTML lap különösebb magyarázatok nélkül is érthetô. <HTML> <HEAD> <TITLE>Hello!</TITLE> </HEAD> <BODY> <P> <APPLET CODE="HelloWorldApplet.class" WIDTH=300 HEIGHT=50> <PARAM NAME=name VALUE="Pisti"> Hello to whoever you are!

20 Page 20 of 20 </APPLET> </BODY> </HTML> Szeretném felhívni a figyelmet a "Hello to whoever you are!" szövegre. Az <APPLET> tag definíciója szerint annak lezárása elôtt szereplô bármilyen, nem a programka leírásához tartozó szöveget azok a böngészôk jelenítik meg, amelyek nem képesek programkák futtatására. Így ezt a példa lapot olvasva mindenki látna valamit, a szerencsésebbek nagy piros betûkkel azt, hogy a kevésbé szerencsések csak azt, hogy de azért ôk se csüggedjenek! Kipróbálod? Hello Pisti! Hello to whoever you are! Kiss István updated: 96/06/30,