POO și Java

Programarea Orientată pe Obiecte este o paradigmă de programare care utilizează obiecte și interacțiuni între acestea pentru a modela arhitectura unui program.

Până în anii '60, paradigma cea mai utilizată era cea a programării structurate. Programarea structurată este tipul de programare pe care l-ați folosit până acum, la cursul de Programare și la cel de SD. Această paradigmă constă în utilizarea funcțiilor și procedurilor pentru a realiza un program (cu eliminarea apelurilor GOTO).

Totuși, în anii '60, deja pe măsură ce programale deveneau din ce în ce mai mari, randamentul programatorilor scădea și în consecință TTM-ul (time-to-market) creștea. Stilul de programare structurată nu mai făcea față unor programe de dimensiuni mereu în creștere.

Fiecare paradigmă de programare propune un nivel de împărțire a taskului de realizat (adică a programului) în taskuri mai mici pentru a micșora complexitatea. Astfel, într-un program monoprocedural, unitatea de abstractizare este instrucțiunea. În programarea structurată este funcția/procedura. Programarea Orientată Obiect (POO) propune pentru acest lucru obiectul. Obiectele în POO modelează (sau ar trebui să modeleze dacă arhitectură aplicației este corectă) obiecte din lumea reală.

Obiectele din POO sunt instanțe ale unui tip de date numit clasă. Relația dintre clasă și obiect-instanță a acelei clase este exemplificată de relația între conceptul de masă și masă din sufragerie. Adică:

• conceptul de masă implică existența anumitor caracteristici (un număr de picioare și un blat, totul de o anumită culoare)
• conceptul de masă implică realizarea potențială a unor acțiuni (se poate mânca pe masă)
• obiectul masă are caracteristicile respective (4 picioare, culoare neagră)
• obiectul masă permite realizarea practică a acțiunilor respective (se poate mânca doar pe masă fizică, nu pe ideea de masă)

Ce remarcăm este că există niște tipare în lumea reală, care grupează în mintea noastră niște atribute ale obiectelor cu acțiunile lor, pentru a forma un tot ce definește obiectul respectiv. Pe acest concept, numit încapsulare, se sprijină programarea orientată obiect.

Folosirea POO permite realizarea de sisteme informatice de dimensiuni mărite, cu timpi de dezvoltare, testare și mentenanță reduși față de paradigmele anterioare. Totuși, pentru a creă un sistem funcțional este necesară înțelegerea corectă a conceptelor care stau în spatele POO. Cu aceste concepte se ocupă cursul și laboratoarele de POO.

Programarea Orientată pe Obiecte se poate aplică în orice limbaj care permite acest lucru. Cele mai cunoscute asemenea limbaje astăzi sunt C++, Java, C#, chiar și PHP. În acest semestru vom ilustra conceptele de POO folosind limbajul Java.

Java a pornit că o platformă de programare pentru sisteme embedded. Țelurile principale ale proiectului erau:

• independența de sistem
• utilizarea POO.

Astăzi, Java este folosită mai mult că o platformă pentru Internet și a atins o utilizare impresionantă.

Java este un mediu (platformă) de programare care constă în:

• un limbaj de programare (Java) care descrie programatorului ce instrucțiuni sunt valide și ce face fiecare
• un compilator (javac.exe (Windows) / javac (Linux)) care transformă fișierul sursă într-un limbaj intermediar numit bytecode
• o mașină virtuală, Java Virtual Machine (JVM), care permite transformarea codului intermediar în instrucțiuni executabile pe procesorul curent.
• o bibliotecă puternică ce răspunde foarte bine nevoilor apărute în practică (class library)

Workflowul este următorul. Dezvoltatorul instalează Java Development Kit (JDK) care constă în principal din:

• Java Runtime Environment (JRE), ce conține JVM
• compilator.

Compilatorul este aplicat codului scris și se obțin fișiere conținând bytecode. Aceste fișiere au în Java extensia .class.

Diagrama, până acum, arată astfel:

Clasamea.java —-compilare—> Clasamea.class [ pe mașina de dezvoltare ]

Acest pas corespunde cu invocarea compilatorului astfel:

javac Clasamea.java

Apoi codul bytecode este distribuit (nu analizăm acum cum se face acest lucru) utilizatorului. El are instalat JRE, care este mașina care interpretează bytecode-ul și îl transformă într-un flow de instrucțiuni pentru procesorul utilizatorului (există un JRE pentru fiecare procesor și sistem de operare folosit).

Diagrama arată așa:

———————————————————————- | flow de bytecode | ——> | JRE | —→ | flow instrucțiuni native | ———————————————————————-

Pasul corespunde cu invocarea mașinii virtuale astfel:

java Clasamea

Rezultatul instrucțiunilor native afectează flowul de instrucțiuni bytecode, astfel încât rolul JRE nu este doar o etapă de preprocesare. Nu se aplică o simplă transformare de instrucțiuni ca să se obțină o imagine, după care să se trimite imaginea de executabil nativ la procesor. Mașina virtuală “interpretează” tot timpul. Codul bytecode este numit interpretat din această cauză.

Cel mai important avantaj în acest workflow este că permite obținerea independenței de sistem. Dezvoltatorul are nevoie de un compilator funcțional pentru platformă pe care face dezvoltarea, iar utilizatorii, pe orice patforma ar fi (sistem de operare, arhitectură hardware), pot utiliza programul cât timp au o mașină virtuală Java instalată pentru acea platformă.

Un dezavantaj este viteza scăzută a codului Java. Există overhead-ul implicat de acțiunile adiționale realizate de JRE tot timpul rulării programului. Pentru a combate acest dezavantaj au apărut compilatoare just-în-time (JIT) care permit transformarea bytecodeului în cod executabil la prima rulare a unei secvențe de instrucțiuni bytecode, apoi stocarea acestuia pentru refolosire. Aici mașina virtuală nu este folosită decât o dată. Modelul clasic este C#, care folosește acest artificiu încă de la apariția sa. (Întârzierea cauzată de prima pornire a aplicației .NET respective este vizibilă în multe cazuri). Rețineți că modelul clasic Java este unul cu compilator și interpretor (mașină virtuală).

Conform POO, orice este un obiect, însă din motive de performanță, Java suportă și tipurile de bază, care nu sunt clase. Aceste tipuri, numite tipuri primitive, corespund tipurilor de date cel mai des folosite și sunt prezentate mai jos, alături de spațiul ocupat și intervalul corespunzător de valori:

Se observă că:

• Java nu posedă tipuri unsigned
• tipul char este pe 16 biți și întrebuințează Unicode
• tipul boolean nu are o dimensiune fixă
• deși valorile posibile sunt doar 0 și 1, ocupând 1 bit, acestui bit i se adaugă un header dependent de mașină, după care acesta se completează cu biți până se ajunge la un număr multiplu de 8
• pentru mai multe detalii: http://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/nutsandbolts/datatypes.html
• void nu este tip in Java, este doar un cuvânt cheie pentru cazurile în care dorim să indicăm că ceea ce se returnează este nimic

  // cod C
  int f(void) // specificăm explicit ca funcția nu are parametrii
  void f(int) // definim o metodă care primeste un int și nu întoarce nimic
  void *p // definim un pointer care poate conține orice tip
  (void) p // cast către orice tip
   
  // cod Java
  int f(void) // eroare de compilare, nu există parametrii de tip void
  void f(int) // similar cu C
  void *p // nu există conceptul de pointer in Java
  (void) p // nu se poate face cast către void in Java

• din documentația 'Java Language specification 7': “ Note that the Java programming language does not allow a “cast to void” - void is not a type ”

Segmentele de memorie inițiale, precum și parametri de rulare sunt ilustrați mai jos.

Exemplu de declarație:

int i, j;
boolean k;

/* Mutat la resurse utile - in labul acesta mentionat ca exista tipul Referinta.*/

Celelalte tipuri existente sunt clase. Instanțele claselor sunt tipuri referință. Acest lucru înseamnă că în spate, mașina virtuală Java lucrează cu pointeri la obiecte și noi folosim pointeri impliciți către zone de memorie alocate pentru obiectele utilizate. Acest lucru va avea consecințe mai târziu, când vom studia transferul parametrilor în Java.

Care este diferența dintre referințe (Java) și pointeri (C) ?

• referințele pot ascunde un anumit număr de niveluri de indirectare deasupra pointerilor
• din cauza faptului că nu putem accesa direct memoria, nu putem face operații aritmetice cu referințele, spre deosebire de pointeri
• datorită libertății oferite de pointerii din C, putem face cast oricărui pointer pentru a da un alt sens zonei respective de memorie; acest lucru nu este posibil in cazul referințelor, se poate face cast doar la un alt tip al unui obiect care este deja încapsulat în obiectul curent (mai multe detalii când vom discuta despre moștenire)

Acum e de reținut faptul că în Java nu există pointeri expliciți. Această facilitate a fost considerată generatoare de erori și nu a fost implementată. Acest lucru nu limitează capacitățile platformei.

Pentru a începe dezvoltarea avem nevoie de JDK pe care îl găsim pe site-ul oracle. JDK conține și JRE pentru procesorul curent, așa că putem testa aplicațiile pe mașină locală.

Pentru a seta variabilele de mediu în Linux adăugați următoarea linie în /etc/bash.bashrc (pentru a fi disponibil tuturor utilizatorilor):

  export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-<versiunea undefined> 

unde valoarea variabilei JAVA_HOME este calea către directorul unde aveți Java instalat.

Conform paradigmei POO, programul este compus din clase. Pentru a avea un entry point al programului (punct de început, cum este funcția main în C), trebuie să scriem o clasă:

 class HelloWorld  { 
     public static void main(String[] args) { 
         System.out.println(a€œHello world!”); 
     } 
 } 

Observăm că:

• o clasă se definește prin listarea metodelor, cuprinse între acolade, după declararea ei prin cuvântul cheie class urmat de numele clasei.
• semnătura functei de entry în program este: public static void main(String[] args)
• intuim că linia System.out.println(a€œHello world”) va afișa mesajul de întâmpinare

Salvăm textul ca HelloWorld.java. Compilăm programul cu:

  javac HelloWorld.java 

Observăm apariția în directorul curent a unui fișier HelloWorld.class cu:

dir (ls pentru Linux) 

Pentru rulare:

   java HelloWorld 

Pentru Java există mai multe medii de dezvoltare dintre care noi recomandăm Eclipse datorită plugin-urilor disponibile. Eclipse oferă plugin-uri și pentru PHP, C/C++, Python etc.

Eclipse poate fi download-at de aici. Pentru instalare vă recomandăm acest tutorial.

• JDK
• Eclipse