Programowanie aplikacji Java

Maciej Gowin

Zjazd 1 - dzień 2

Linki

Opis

https://maciejgowin.github.io/wsb-java/

Kod źródłowy przykładów oraz zadań

https://github.com/MaciejGowin/wsb-programowanie-aplikacji-java

Język Java: tablice

Tablica jest kolekcją elementów danego typu. Pozwala na przechowywanie większej ilości danych w uporządkowany sposób. Dla zmiennej typ jej jest definiowany przy pomocy składni type[] variable. Dla przykładu tablica przechowująca typ int:

int[] arrayOfInt;

Powyższe wyrażenie definiuje tylko zmienną bez przypisania wartości. Kolejnym krokiem jest stworzenie obiektu przez inicjalizację zmiennej. Podczas inicjalizacji tablicy musimy zdefiniować jej rozmiar, związane jest to z alokacją przestrzeni w pamięci.

int[] arrayIfInt = new int[10];

O obiektach oraz inicjalizacji będziemy mówić w kolejnych rozdziałach.

Programowanie: przykład 04

Tablica po zainicjalizowaniu zawiera wartości domyślne. W przykładzie użyliśmy pętli for...each, która pozwala na sprawdzenie wszystkich elementów tablicy (tzw. iteracja). Pętla ta będzie omawiana w szczegółach w kolejnych rozdziałach.

Programowanie: przykład 04

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        int[] intItems = new int[2];
        for (int intItem: intItems) {
            System.out.println(intItem);
        }

        double[] doubleItems = new double[2];
        for (double doubleItem: doubleItems) {
            System.out.println(doubleItem);
        }

        String[] stringItems = new String[2];
        for (String stringItem: stringItems) {
            System.out.println(stringItem);
        }
    }
}

Język Java: tablice

Następnym etapem jest przypisanie wartości do kolejnych elementów tablicy. Każdy element tabeli ma przyporządkowany numer szeregowy, który nazywamy indeksem. Przypisanie i odczyt odbywa się analogicznie przy użyciu indeksu danego elementu:

int[] intItems = new int[2];
intItems[0] = 2;
intItems[1] = 4;

System.out.println(intItems[0]);
System.out.println(intItems[1]);

Język Java: tablice

Indeksy tabel są dość wyjątkowe. Pierwszy element tabeli znajduje się pod indeksem 0.

Jeżeli pierwszym indeksem jest 0, możemy wywnioskować, że dla tabeli o rozmiarze 10 (uogólniając n):

• pierwszym indeksem będzie 0
• ostatnim indeksem będzie 9 (uogólniając n - 1)

W przypadku próby dostępu do nieistniejącego indeksu tablicy (np. n + 1) zostanie zgłoszony wyjątek ArrayIndexOutOfBoundsException.

Język Java: tablice

Możemy też zainicjalizować tablicę wraz z przypisaniem wartości podczas deklaracji. Poniższe formy są równoznaczne:

int[] intItems = {1, 2, 3};
int[] intItems = new int[] {1, 2, 3};

W przypadku inicjalizacji podczas deklaracji rozmiar tablicy nie jest definiowany i zostaje automatycznie obliczony przez kompilator. Rozmiar możemy pobrać, używając właściwości (property) tabeli: length:

int[] intItems = {1, 2, 3}; int length = intItems.length;

Programowanie: zadanie 06

Zdefiniuj tabelę z 10 elementami składającą się z liczb od 2 do 20. Używając:

• pętli for...each
• operatorów arytmetycznych + oraz /
• długości tabeli
  oblicz średnią wartość wszystkich elementów w tabeli. Wynik wypisz na ekran.

Język Java: tablice

Oczywiście elementami tablic mogą być też tablice. W taki sposób powstają tablice wielowymiarowe.

int[][] items = { {11}, {21, 22}, {31, 32, 33} };

Bezpośredni dostęp do elementów jest analogiczny do tego znanego z tablic jednoelementowy.

int[] subItems = items[1];
int subItem = items[1][1];

Programowanie: przykład 05

Tablica wielowymiarowa oraz sposób iteracji po jej elementach z zagnieżdżoną pętlą for...each.

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        int[][] items = { {11}, {21, 22}, {31, 32, 33} };

        for (int[] subItems: items) {
            for (int subItem: subItems) {
                System.out.println("item: " + subItem);
            }
        }
    }
}

Język Java: metody

Do czynienia z metodą mieliśmy już przy okazji każdego programu zawierającego definicję main. Ma ona specjalne znaczenie, ponieważ jest ona domyślną metodą wywoływaną podczas uruchamiania programu.

Metodę możemy opisać jako blok kodu zawierający wyrażenia i czasami zwracający wartość. Główną ich zaletą jest podział kodu na mniejsze części wykonujące konkretną funkcjonalność. Tak wydzielona funkcjonalność może później zostać u żyta wielokrotnie.

Język Java: metody

Aby lepiej zrozumieć działanie metody, wyobraźmy sobie blok kodu pozwalający na obliczenie pola trójkąta:

double triangleField(double a, double h) {
    return a * h / 2;
}

Metoda składa się z następujących części:

• nazwy, w przykładzie: triangleField
• parametrów, w przykładzie: a oraz h
• typu wartości zwracanej, w przykładzie: double

Język Java: metody

Uogólniając:

typWartościZwracanej nazwaMetody(parametry) {
    return wartośćZwracana
}

Programowanie: przykład 06

Definicja oraz wywołanie metody obliczającej pole trójkąta.

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        double triangle1 = triangleField(2.0, 3.0);
        System.out.println("Triangle 1: " + triangle1);
        System.out.println("Triangle 2: " + triangleField(4.0, 6.0));
    }

    public static double triangleField(double a, double h) {
        return a * h / 2;
    }
}

Język Java: metody

Wywołanie metody polega na użyciu jej nazwy oraz podaniu parametrów. Wartość zwracana może zostać przypisana lub używa bezpośrednio. Słowa kluczowe public oraz static zostaną omówione w dalszej części.

Metody nie zawsze zwracają wartości oraz nie muszą też przyjmować żadnych parametrów. Jeżeli metoda nie zwraca wartości podczas definicji typ zwracany zastępujemy słowem kluczowym void. Przy braku parametrów po prostu je pomijamy.

Programowanie: przykład 07

Porównanie metod z parametrami i wartościami zwracanymi.

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        parametersReturns(2);
        parametersNoReturn(2);
        noneParametersReturns();
        noneParametersNoneReturn();
    }

    public static int parametersReturns(int parameter) {
        int result = parameter * 10;
        System.out.printf("parameters: %s, returns: %s\n", parameter, result);
        return result;
    }

    public static void parametersNoReturn(int parameter) {
        System.out.printf("parameters: %s, returns: %s\n", parameter, "none");
    }

    public static int noneParametersReturns() {
        int result = 1;
        System.out.printf("parameters: %s, returns: %s\n", "none", result);
        return result;
    }

    public static void noneParametersNoneReturn() {
        System.out.printf("parameters: %s, returns: %s\n", "none", "none");
    }
}

Język Java: metody

Do tej pory definiowaliśmy własne metody, ale też wywoływaliśmy metody wbudowane w język Java i dostarczane wraz z JRE jako biblioteki standardowe. Przykładem takich metod są: System.out.println, System.out.printf oraz System.out.print. Kolejne będziemy pozwać wraz z przykładami. Istotą programowania jest umiejętne poruszanie się po bibliotekach oraz metodach, które realizują pewne funkcjonalności oraz rozwiązują dane problemy.

Programowanie: zadanie 07

Stwórz program służący do konwersji walut z jedną metodą pozwalającą na konwersje EUR do PLN.

Język Java: klasa i obiekt

Java jest językiem obiektowym. Możemy z tego wywnioskować, że obiekty odgrywają w nim znaczącą rolę. Obiekt to byt posiadający stan oraz zachowanie. Możemy to odnieść do świata rzeczywistego na przykładzie samochodu:

• ma stan: jest uruchomiony, stoi, jest czerwony, jest marki Opel
• ma zachowanie: jechanie, hamowanie, parkowanie

Obiekty tworzymy na podstawie definicji klasy. Klasa jest niejako prototypem opisującym, jak dany obiekt może wyglądać oraz jakie zachowania są z nim związane. Dla jednej definicji klasy może istnieć nieskończenie wiele jej instancji, czyli obiektów.

Język Java: klasa i obiekt

Klasę definiujemy używając słowa kluczowego class wraz z jej:

• polami (odpowiedzialnymi za stan) oraz
• metodami (odpowiedzialnymi za zachowanie)

class NazwaKlasy {
    // Pola
    // Metody
}

Język Java: klasa i obiekt

Korzystając z przykładu samochodu:

class Car {
    String brand = "Unknown";
    
    void startEngine() {
        System.out.println("Starting engine");
    }
}

Zdefiniowana klasa ustala również domyślną markę każdego nowo utworzonego samochodu. Tworzenie obiektów danej klasy odbywa się przy pomocy słowa kluczowego new oraz z udziałem konstruktora klasy. Tak stworzona wartość jest przypisywana do zmiennej opisanej nazwą klasy, podobnie jak to miało miejsce podczas definicji zmiennych dla typów prymitywnych.

Język Java: klasa i obiekt

Obiekty nazywamy również instancjami danej klasy.

Car mercedes = new Car();
Car bmw = new Car();

Przy tak utworzonym obiekcie możemy się odwołać do jego pól i metod.

Car mercedes = new Car();
String brand = mercedes.brand;
mercedes.startEngine();

Jak już wiemy, metody mogą przyjmować parametry oraz zwracać wartość. Uzyskujemy do nich dostęp poprzez . oraz zmienną, do której przypisany jest obiekt. Metody klasy operują też na polach oraz mogąc zmieniać ich wartość.

Język Java: null

Do zdefiniowanego zmiennej danej klasy możemy przypisać instancję lub też literał null. Możemy go rozumieć jako brak przypisanej wartości, coż co nie istnieje. Odwołanie się do zmiennej, do której przypisany jest null będzie skutkowało błędem.

Car car1; // will not compaline as not defined
Car car2 = null; // works fine
Car car3 = new Car(); // works fine
car2.run(); // throws NullPointerException
car3.run(); // works fine

Język Java: null

Przypisanie null do zmiennej nie jest tym samym co zadeklarowanie zmiennej przez przypisania w obrębie funkcji. W obrębie własności klasy wszystkie wartości są automatycznie zainicjalizowane przy użyciu null.

Programowanie: przykład 08

class Car {
    String brand = "Unknown";
    boolean engineStarted = false;

    void startEngine() {
        engineStarted = true;
    }

    void stopEngine() {
        engineStarted = false;
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Car unknown = new Car();

        Car bmw = new Car();
        bmw.brand = "BMW";
        bmw.startEngine();

        Car mercedes = new Car();
        mercedes.brand = "Mercedes";
        mercedes.startEngine();
        mercedes.stopEngine();

        System.out.print("\nSummary:\n");
        System.out.printf("Car %s with engine %s\n", unknown.brand, onOrOff(unknown.engineStarted));
        System.out.printf("Car %s with engine %s\n", bmw.brand, onOrOff(bmw.engineStarted));
        System.out.printf("Car %s with engine %s\n", mercedes.brand, onOrOff(mercedes.engineStarted));
    }

    public static String onOrOff(boolean isStarted) {
        if (isStarted) {
            return "on";
        } else {
            return "off";
        }
    }
}

Język Java: metody i pola statyczne

Metody statyczne

W poprzednich rozdziałach mówiliśmy o metodach. Każda z nich zdefiniowana była w kontekście klasy. Możemy jednak zauważyć małą różnicę w ich definicji w porównaniu z metodami zdefiniowanymi w kolejnych przykładach:

    public static String onOrOff(boolean isStarted) {
        if (isStarted) {
            return "on";
        } else {
            return "off";
        }
    }

    void stopEngine() {
        engineStarted = false;
    }

Język Java: metody i pola statyczne

Metody statyczne

Mowa o słowie kluczowym static. Jaka jest zatem różnica pomiędzy nimi? Każda metoda zdefiniowana ze słowem kluczowym static może zostać wywołana bez konieczności stworzenia obiektu. Innymi słowy, działa ona w kontekście klasy. Co za tym idzie, z poziomu metody statycznej nie mamy dostępu do pól obiektów. Wykorzystywane są one najczęściej w kontekście klas narzędziowych (ang. utility classes).

Język Java: metody i pola statyczne

Przykładem klasy narzędziowej może być wbudowana klasa Math. Definiuje metody statyczne, do których mamy dostęp z poziomu klasy.

double sqrtOf2 = Math.sqrt(2);
int max = Math.max(1, 2);

Oczywiście metodę statyczną możemy też wywołać z poziomu obiektu. Jednak nie jest możliwe wywołanie metody niestatycznej z poziomu klasy.

Programowanie: zadanie 08

Stwórz klasę Car, która zawiera definicję marki samochodu w polu brand. Stwórz klasę CarCalculator posiadającą statyczną metodę countBrand pozwalającą na zliczenie samochodów danej marki na podstawie 2 parametrów: brand oraz cars. W metodzie głównej main zainicjalizuj kilka obiektów samochodu oraz dokonaj obliczeń ilości samochodów danej marki. Wyniki obliczeń wypisz na ekran.

Przetestuj użycie metody countBrand przy użyciu wywołania metody z poziomu klasy CarCalculator oraz jej instancji.

Język Java: metody i pola statyczne

Pola statyczne

W analogiczny sposób do metod statycznych możemy zdefiniować pola statyczne. Również ich znaczenie jest podobne do metod statycznych. Odwołują się one do klasy oraz są wspólne dla wszystkich obiektów.

class Car {
    static int speedLimit = 180;
    String brand = "Mercedes";
}

Jako że pole statyczne jest zdefiniowane na poziomie klasy, jakakolwiek zmiana jego wartości będzie widoczna w każdym obiekcie.

Programowanie: przykład 09

Definicja pól statycznych oraz dostęp z poziomu klasy i obiektu.

class Car {
    static int speedLimit = 180;
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Car bmw = new Car();
        Car mercedes = new Car();

        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", Car.speedLimit);
        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", bmw.speedLimit);
        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", mercedes.speedLimit);

        Car.speedLimit = 190;

        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", Car.speedLimit);
        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", bmw.speedLimit);
        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", mercedes.speedLimit);


        mercedes.speedLimit = 200;

        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", Car.speedLimit);
        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", bmw.speedLimit);
        System.out.printf("Car speed limit: %s\n", mercedes.speedLimit);
    }
}

Język Java: przeciążanie metod

Przeciążanie metod (ang. method overloading) to nic innego jak używanie tej samej nazwy dla kilku metod w obrębie jednej klasy. Jest ono możliwe, jeżeli:

• każda z tych metod ma różną liczbę parametrów
• typy parametrów są różne
• te zachodzą dwa powyższe warunki.

Dla przykładu wszystkie z poniższych są metodami przeciążonymi:

int someFunction(int i) { ... }
double someFunction(double d) { ... }
double someFunction(double d1, double d2) { ... }

Język Java: przeciążanie metod

Co istotne typ zwracany nie wpływa na przeciążanie, dlatego też poniższe nie jest możliwe i spowoduje błąd kompilacji:

int someFunction(int i) { ... }
double someFunction(int i) { ... }

Przeciążanie metod jest istotne z punktu widzenia czytelności kodu. Wyobraźmy sobie metodę sumującą liczby. Gdybyśmy musieli stworzyć osobną nazwę dla każdej z funkcji, mogłoby to wyglądać następująco:

int sumOf2Ints(int a, int b) { ... }
int sumOf3Ints(int a, int b, int c) { ... }
double sumOf2Doubles(double a, double b) { ... }

Język Java: przeciążanie metod

Oczywiste jest to, że funkcje te mają podobne działanie, jednak ich nazwy stają się nieczytelne. Ujednolicenie nazwy pozwoli na lepsze ich zrozumienie, czytelność kodu, jak i łatwiejsze użycie przez programistę, który będzie z nich w przyszłości korzystał.

Programowanie: przykład 10

Przeciążanie metod na podstawie kalkulatora obliczającego sumę liczb.

class Calculator {

    static int sum(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    static int sum(int a, int b, int c) {
        return sum(a, b) + c;
    }

    static double sum(double a, double b) {
        return a + b;
    }
}

public class Main {

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(Calculator.sum(1, 2));
        System.out.println(Calculator.sum(1, 2, 3));
        System.out.println(Calculator.sum(1.0, 2.0));
    }
}

Język Java: podział programu

Do tej pory wszystkie klasy definiowaliśmy w jednym pliku. Nie jest to problematyczne przy prostych programach. Jednak umieszczenie większej ilości klas w jednym pliku sprawiłoby, że kod byłby nieczytelny. Pierwszym etapem podziały programu jest zdefiniowanie klas w osobnych plikach. Należy pamiętać, że każdy z plików musi zawierać przynajmniej jedną klasę publiczną (modyfikator dostępu, o którym mowa w dalszej części) tożsamą z nazwą pliku.

Język Java: podział programu

Car.java

public class Car {
}

Main.java

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Car car = new Car();
    }
}

W przykładzie klasa Main używa klasy Car zdefiniowanej w innym pliku. Jest to możliwe, gdyż pliki te są umieszczone w tym samym katalogu. Podczas kompilacji (JDK) oraz uruchomienia programu (JRE) procesy używa obecnego katalogu (.) do wyszukiwania definicji klas.

Język Java: pakiety

Przy bardziej skomplikowanych programach, przydatne jest grupowanie klas w pakiety. Tak jak klasom odpowiadają pliki, tak za podział na pakiety odpowiedzialne są katalogi. Nazwa pakietu wynika z nazw katalogów, w jakich znajdują się pliki.

Ścieżka katalogów: {root}/my/first/package
Pakiet: my.first.package

Język Java: pakiety

Głównymi zaletami używania pakietów są:

• lepsza czytelność kodu
• unikanie kolizji nazewniczych (szczególnie istotne przy definiowaniu bibliotek)

Z kolizją mamy do czynienia w przypadki dwóch klas o tych samych nazwach. Dzięki pakietom klasy te są zdefiniowane w plikach o różnej lokalizacji, dzięki czemu może się do nich odnosić bezpośrednio przy użyciu pełnej nazwy.

Programowanie: przykład 11

vehicles/Car.java

package vehicles;

public class Car {
}

vehicles/Bus.java

package vehicles;

public class Bus {
}

Programowanie: przykład 11

Main.java

import vehicles.Car;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Car car = new Car();
        vehicles.Bus bus = new vehicles.Bus();
    }
}

Język Java: pakiety

Każda z klas, która zlokalizowana jest w danym katalogu musi posiadać definicję package o nazwie równoznacznej z nazwą katalogu. Jeżeli natomiast chcemy użyć użyć klasy z innego pakietu musimy go załadować poprzez instrukcję import lub użyć jej pełnej ścieżki dostępowej. W poprzednich przykładach wszystkie z plików znajdowały się z tym samym katalogu (pakiet domyślny) lub też w tym samym pliku. Klasy z tego samego pakietu nie importujemy explicite.

Język Java: pakiety

Importowanie klas jest istotne z perspektywy kompilatora oraz środowiska uruchomieniowego. Dzięki temu narzędzia te otrzymują informacje, w jakim miejscu dana klasa jest zlokalizowana i pozwala na rozszerzenie przestrzeni wyszukiwań.

Jeżeli chcemy zaimportować wszystkie klasy zdanego pakietu, możemy użyć konstrukcji:

import vehicles.*;

Język Java: pakiety

Język Java dostarcza biblioteki zawierające wbudowane pakiety i klasy. Mogą one być użyte w naszym kodzie i też podlegają procesowi importowania. Wyjątkiem są klasy z pakietu java.lang, które są używane z pominięciem importowania. Bibliotekom poświęcony będzie osobny z rozdziałów.

import java.time.LocalDate;
import java.util.ArrayList;

Programowanie: zadanie 09

Zmodyfikuj program z zadania 08, dzieląc go na osobne pliki, dla każdej z klas oraz wprowadzając pakiet cars dla klas Car oraz CarCalculator.

Język Java: komentarze

Aby dodać komentarze do kodu, możemy użyć następującej konstrukcji:

• // dla komentarzy w jednej linii
• /* */ dla komentarzy w wielu liniach

// Komentarz w jednej linii.
        
/*
    Komentarz w wielu
    liniach.
*/