Java by example v09 final

Java by example v09 final

AptechVietnam 1/114 Chương 1: Giới thiệu về Java Mục tiêu bài học Kết thúc bài học này, học viên có thể:  Tìm hiểu các thực thể trong thế giới thực như là các đối tượng  Định nghĩa một đối tượng phần mềm  Tìm hiểu và giải thích cấu trúc của một lớp  So sánh các lớp và các đối tượng  Tìm hiểu tầm quan trọng của Java  Tìm hiểu bộ JDK và các công cụ của nó  Tìm hiểu về máy ảo Java - Java Virtual Machine (JVM) 1.1 Giới thiệu về lớp và đối tượng Các đối tượng (object) và các lớp (class) là nền tảng để xây dựng Java. Lớp là một khuôn mẫu, bao gồm một tập các đối tượng có tính chất tượng tự nhau. Lớp mô tả tất cả các thuộc tính của một tập các đối tượng cụ thể. 1.1.1 Các thực thể trong thế giới thực như là các đối tượng Đối tượng là khái niệm dùng để mô tả các thực thể trong thế giới thực. Ví dụ các đối tượng có thể nhainf thấy quanh ta như: Chó - Dogs, Ô tô - Cars, bông hoa - Flowers, ngôi nhà – Houses, … Bất kỳ một thực thể hữu hình hoặc có thể sờ mó được nào đó, đều có thể xem như như một đối tượng trong thế giới thực. Mỗi đối tượng có các thuộc tính hoặc tính chất nhằm mô tả nó là cái gì. Ví dụ, các thuộc tính của đối tượng Dog là:  Giống  Màu lông  Tuổi Ngoài ra, một đối tượng có thể thực hiện các hành động. Chẳng hạn, các hành động của Dog có thể thực hiện là:  Sủa  Ăn Learn Java by Example 2/114 AptechVietnam  Chạy Như vậy, hai yếu tố quan trọng nhất của đối tượng trong thế giới thực là: thuộc tính (Attribute) và hành động (Action). Nhờ đó, đối tượng có thể được định nghĩa như một thực thể tồn tại, có các thuộc tính và hành động hoàn toàn xác định. Tương tự như vậy, trong phạm vi của công nghệ phần mềm, các đối tượng cũng được mô tả dựa theo trạng thái và hành vi của nó. Trạng thái của một đối tượng phần mềm được định nghĩa bởi các thuộc tính của nó. Các hoạt động của một đối tượng phần mềm được định nghĩa như là các hành vi của nó. Hãy xem xét một đối tượng trong thế giới thực, chẳng hạn Dog, một con chó. Nếu đối tượng này được ánh xạ đến một đối tượng phần mềm, trạng thái của nó có thể là màu lông, giống và tuổi. Hành vi của đối tượng Dog có thể là sủa, ăn, chạy, … Vì vậy, một đối tượng phần mềm là một thực thể bao gồm các trạng thái (thuộc tính) và hành vi (hành động). Nó lưu giữ các trạng thái của nó trong các trường, được gọi là các biến trong ngôn ngữ lập trình. Còn các hành vi được xem như là các phương thức, giống như các hàm trong ngôn ngữ lập trình. Một phương thức là một chuỗi các câu lệnh được đặt tên nhằm thực hiện các tác vụ cụ thể nào đó. Tham khảo hình 1.1, đây là ví dụ về đối tượng „Cashier‟ (Thủ quỹ) Hình 1.1: Đối tượng „Cashier‟ và đối tượng „Customer‟ Các thuộc tính của đối tượng „Cashier‟ là:  Tên  Chức vụ  Tuổi Một đối tượng thực thi một số hành động. Các hành động của đối tượng ‟Cashier‟ là: Chương 1 Giới thiệu về Java 3/114  Thu tiền từ khách hàng  In hoá đơn Sự thuận lợi khi sử dụng đối tượng là:  Nó giúp chúng ta hiểu hơn về thế giới thực  Nó ánh xạ các thuộc tính và các hành động của các đối tượng trong thế giới thực thành trạng thái và hành vi của các đối tượng phần mềm. 1.1.2 Class (Lớp) Như đề cập ở trên, Dog là một ví dụ về một đối tượng trong thế giới thực. Tuy nhiên, trong thế giới thực có nhiều loại động vật khác như mèo, cừu, cọp, …Vì vậy, Dog chỉ là một thể hiện của lớp động vật. Các thuộc tính và hành động chung của một số đối tượng được nhóm lại thành một đơn vị. Đơn vị này có thể được dùng để tạo ra một đại diện của loại tương ứng, gọi là lớp. Mỗi một lớp mô tả một tập các đối tượng riêng lẻ. Một lớp là một khuôn mẫu hoặc bản thiết kế định nghĩa đặc điểm chính của trạng thái và hành vi cho tất cả các đối tượng thuộc về lớp. Tất cả các thể hiện của lớp, được gọi là đối tượng, sẽ có chung các trạng thái và hành vi. Tuy nhiên, các thuộc tính và hành động có thể được gán chỉ sau khi một đối tượng được tạo ra. Khi đối tượng được tạo ra ta mới có một đại diện thật sự của thực thể. Vì vậy, lớp là một mô hình khái niệm của thực thể. Nó mô tả các thuộc tính và hành động chung chứ không riêng cho một đối tượng cụ thể nào. Ví dụ, xem xét một lớp có tên Animal (Động vật) như trong bảng 1.1. Lớp chứa các thuộc tính (trạng thái) và hành động (hành vi) của động vật. Class Animal Type Animal Name Color Motion Breathing Eating Bảng 1.1: Mô tả lớp Animal Lớp này có trạng thái „Type‟, „Animal Name‟ và „Color‟. Trong đó, Type - Mô tả loài động vật. Animal name - Tên loại động vật, chẳng hạn cừu, cọp, ếch, … Learn Java by Example 4/114 AptechVietnam Color - Mô tả màu da/ lông của loài đó „Motion‟ (Di chuyển), „Breathing‟ (Thở) và „Eating‟ (Ăn) là các hành vi của lớp Animal. 1.1.3 So sánh giữa lớp (class) và đối tượng (object) Có sự khác biệt giữa một lớp và một đối tượng. Một lớp mô tả một thực thể, trong khi một đối tượng là một thực thể thật sự. Đối tượng là vật thật, trong khi lớp là một mô hình khái niệm định nghĩa tất cả các trạng thái và hành vi cần thiết của một đối tượng. Một lớp là một nguyên mẫu (prototype) của một đối tượng. Nó định rõ các hành động và các tính chất cần thiết cho một loại đối tượng cụ thể. Bảng 1.2 là ví dụ về lớp và đối tượng. Class (Lớp) Object (Đối tượng) Animal Cat Dog Car Honda City Benz Bảng 1.2: Ví dụ về lớp và đối tượng Lớp không thay đổi, trong khi dữ liệu chứa trong một đối tượng có thể thay đổi. Các thuộc tính của lớp được thiết lập trong suốt thời gian chay chương trình, không thể thêm bớt thuộc tính trong lúc chương trình đang chạy. Khi một đối tượng được tạo từ một lớp, nó sẽ là một thành phần của lớp đó cho đến khi bị huỷ bỏ. Sự tồn tại của đối tượng có hạn chế, đối tượng sẽ được tạo ra và hủy bỏ theo đúng trình tự. Mỗi đối tượng được gọi là một thể hiện của một lớp. Trong ví dụ bên dưới, Employee là một lớp, còn các đối tượng là: Cashier, System Administrator, Stock Manager, Salesman, Purchase Manager. Chương 1 Giới thiệu về Java 5/114 Hình 1.2: Các đối tượng và lớp. 1.2 Giới thiệu về Java Vào năm 1995, hãng Sun Microsystem giới thiệu một ngôn ngữ lập trình mới là Java. Cho đến giờ, từ “Java” chỉ có nghĩa là tên một hòn đảo ở Indonesia hoặc một kiểu cách pha café nào đó. 1.2.1 Sự cần thiết của Java Java là một ngôn ngữ dành cho các nhà lập trình chuyên nghiệp. Java được xây dựng trên cơ sở ngôn ngữ lập trình C và C++. Nó kế thừa cú pháp của C và các nét đặc trưng của C++. Một nhóm kỹ sư của hãng Sun Microsystem cần thiết kế một ngôn ngữ cho các thiết bị điện tử như tivi, máy giặt, …Vì vậy, mục đích cơ bản là phát triển ngôn ngữ để tạo ra phần mềm có thể nhúng trong các thiết bị điện tử. Trong ngôn ngữ C và C++ trình biên dịch phụ thuộc vào loại CPU riêng biệt. Các trình biên dịch rất đắt và mất nhiều thời gian để tạo ra. Do đó, không thể có trình biên dịch cho mọi loại CPU. Và yêu cầu là cần có cách dễ dàng và hiệu quả để tạo ra các trình biên dịch. Ngoài ra, phần mềm phải nhỏ, nhanh, hiệu quả và độc lập nền tảng, nghĩa là mã chương trình có thể thực hiện trên nhiều CPU khác nhau dưới các môi trường khác nhau. Trong nỗ lực tạo ra một ngôn ngữ độc lập nền tảng và khả chuyển, James Gosling và nhóm cộng sự đi tiên phong Learn Java by Example 6/114 AptechVietnam trong vấn đề này. Kết quả là sự ra đời của ngôn ngữ Java. Đầu tiên nó được gọi là “Oak”, sau đó được đổi tên thành Java. Ngày nay, Java đã có những bước phát triển hết sức thành công và được chấp nhận bởi hàng triệu lập trình viên trên toàn thế giới. Java là một ngôn ngữ lập trình phổ dụng, được dùng để viết các chương trình có thể chạy được trên Internet. Nét đặc trưng chính của Java là ngôn ngữ hướng đối tượng và độc lập nền tảng. Độc lập nền tảng có nghĩa là chương trình có thể chạy trên nhiều nền tảng khác nhau như: Microsoft Windows, Apple Macintosh, Linux, …Java không những được dùng cho các ứng dụng độc lập, các chương trình trên mạng, mà còn được dùng trong các thiết bị tiêu dùng như: điện thoại, các thiết bị cầm tay, … 1.2.2 Các đặc trưng của ngôn ngữ Java  Hướng đối tượng (Object-oriented) Java là một ngôn ngữ hướng đối tượng. Trong Java không có các hằng, biến hoặc hàm độc lập. Nghĩa là tất cả đều là một phần của đối tượng. Các hằng, biến và hàm được truy nhập thông qua các lớp và các đối tượng. Các ngôn ngữ hướng đối tượng lai ghép khác như C++, có đặc điểm của ngôn ngữ cấu trúc cộng thêm sự mở rộng đối tượng. Ví dụ, C++ là một ngôn ngữ hướng đối tượng, nhưng lập trình theo hướng cấu trúc, phương thức main() nằm ngoài bất kỳ lớp và đối tượng nào. Java thì không cho phép cách khai báo này. Trong Java, phương thức main() chỉ được khai báo bên trong một lớp.  Độc lập nền tảng (Platform independent) Java là một nền tảng để phát triển ứng dụng. Nó có thể được dùng như một ngôn ngữ. Nền tảng ở đây là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm hệ thống mà hầu hết các phần mềm đều chạy được. Ví dụ, bộ xử lý Intel chạy trên nền Windows XP là một nền tảng. Độc lập nền tảng nói đến khả năng của chương trình di chuyển từ một nền tảng này sang một nền tảng khác không có bất kỳ một khó khăn nào. Độc lập nền tảng trong Java ở mức mã nguồn và mã bytecode (mã trung gian). Java là một ngôn ngữ định kiểu mạnh mẽ, nghĩa là phải cần khai báo kiểu dữ liệu cho mọi biến. Kiểu dữ liệu trong Java là đồng nhất trong tất cả các nền tảng phát triển. Java có các lớp thư viện cơ sở. Điều này cho phép các lập trình viên có thể di chuyển mã từ nền tảng này đến một nền tảng khác mà không cần viết lại mã. Chương 1 Giới thiệu về Java 7/114 Nói tóm lại, độc lập nền tảng ở mức mã nguồn cho phép di chuyển mã nguồn từ một hệ thống này sang một hệ thống khác, biên dịch và thực hiện êm xuôi trên mọi hệ thống. Sử dụng mã bytecode, Java đã giải quyết vấn đề độc lập nền tảng. Không giống như trình biên dịch của C, trình biên dịch Java đưa ra một định dạng đặc biệt, đó là bytecode, giống nhau trên mọi nền tảng. Các chương trình Java được biên dịch thành bytecode vẫn cần một trình thông dịch để thực thi nó trên bất kỳ một nền tảng đã định sẵn nào. Công việc của trình thông dịch là đọc mã bytecode và chuyển nó thành ngôn ngữ máy. Để chạy Java trên một máy tính hoặc một hệ điều hành mới, chỉ cần trình thông dịch và một vài gói thư viện cần thiết. Bởi vì bytecode là độc lập nền tảng.  Mạnh mẽ Java là ngôn ngữ định kiểu mạnh mẽ. Nó được thiết kế để viết các phần mềm có độ tin cậy cao và mạnh. Tuy nhiên, nó yêu cầu phải khai báo các phương thức một cách rõ ràng. Java kiểm tra lỗi cú pháp tại thời điểm biên dịch, và tại thời điểm thông dịch. Vì vậy, nó chắc chắn loại bỏ một số lỗi trong lập trình. Java không có con trỏ và phép tính con trỏ. Nó kiểm tra tất cả truy nhập đến mảng và chuỗi tại thời điểm chạy chương trình. Ngoài ra nó còn kiểm tra sự chuyển kiểu của đối tượng từ kiểu này đến kiểu khác tại thời điểm chạy chương trình. Trong các môi trường lập trình truyền thống, lập trình viên phải tự cấp phát bộ nhớ. Kết thúc chương trình, lập trình viên phải giải phóng vùng bộ nhớ này. Các sự cố sẽ nảy sinh khi lập trình viên quên giải phóng bộ nhớ. Trong Java, lập trình viên không cần quan tâm đến việc giải phóng bộ nhớ. Nó được thực hiện tự động bởi bộ thu gom rác (garbage collection).  An toàn (Secure) Virus máy tính là nguyên nhân gây ra sự lo lắng trong việc sử dụng máy tính. Trước khi có Java, các lập trình viên phải quét virus các tập tin trước khi tải về và thực hiện chúng. Thông thường việc này cũng không loại trừ hoàn toàn virus. Ngoài ra, chương trình khi thực thi có khả năng tìm kiếm và đọc các thông tin nhạy cảm trên máy của người sử dụng mà người sử dụng không hề hay biết. Java cung cấp một môi trường quản lý việc thực thi chương trình. Nó cho rằng không có một đoạn mã nào là an toàn cả. Vì thế, Java không chỉ là ngôn ngữ lập Learn Java by Example 8/114 AptechVietnam trình thuần tuý mà còn cung cấp nhiều mức để kiểm soát tính an toàn khi thực thi chương trình. Ở mức đầu tiên, dữ liệu và các phương thức được truy nhập thông qua các interface (giao tiếp) do lớp cung cấp. Java không hỗ trợ các phép toán con trỏ. Do đó, nó không cho phép truy nhập trực tiếp đến các vùng nhớ và cung cấp cơ chế thu gom rác giúp thu hồi bộ nhớ không sử dụng. Các đặc trưng này giúp Java an toàn tối đa và có khả năng khả chuyển cao. Trong mức thứ hai, trình biên dịch kiểm soát để đảm bảo mã là an toàn, và tuân theo các nguyên tắc của Java. Mức thứ ba, được đảm bảo bởi trình thông dịch. Chúng kiểm tra xem bytecode phải đảm bảo các qui tắc an toàn trước khi thực thi. Mức thứ tư, kiểm soát việc nạp các lớp vào bộ nhớ để giám sát việc vi phạm giới hạn truy xuất trước khi nạp vào hệ thống.  Phân tán (Distributed) Java có thể được dùng để phát triển các ứng dụng trên nhiều nền tảng, hệ điều hành và nhiều giao tiếp người dùng đồ hoạ. Java được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng trên mạng. Do đó, Java được dùng như là một công cụ phát triển trên môi trường Internet.  Đa luồng (Multithreaded) Đa luồng là yếu tố cần thiết cho một ngôn ngữ như Java. Một ứng dụng thực hiện một tác vụ trong khi đang chờ người dùng nhập liệu. Trong một ứng dụng đồ hoạ trên mạng như một trình duyệt web, thường có rất nhiều tác vụ xảy ra tại một thời điểm. Java cung cấp hỗ trợ cho xử lý gọi là “multithreading” để thực hiện nhiều tác vụ đồng thời. Java cung cấp cơ chế đồng bộ nhiều xử lý. Cơ chế này cũng hỗ trợ cho luồng (thread) giúp các ứng dụng tương tác trên mạng chạy êm xuôi.  Động (Dynamic) Java được thiết kế như một ngôn ngữ động để đáp ứng cho những môi trường mở. Mã nguồn Java được lưu trữ trong tập tin có dạng .java. Trình biên dịch sẽ biên dịch chúng thành bytecode chứa trong tập tin .class. Mỗi tập tin .java thường được biên dịch thành một tập tin .class. Đầu tiên trình biên dịch kiểm tra đường dẫn trên thư mục hiện hành và các thư mục khác được xác định trong biến môi trường CLASSPATH. Điều này cần thiết giúp xác định các lớp khác được tham chiếu trong tập tin nguồn. Ví dụ, nếu tập tin được biên dịch phụ thuộc vào các tập tin không được biên dịch khác, trình biên dịch sẽ cố tìm và biên dịch chúng. Trình biên dịch có thể điều khiển sự phụ thuộc vòng tròn cũng như các phương thức được sử dụng trước khi được khai báo. Nó cũng xác định tập tin nguồn có thay đổi so với lần biên dịch cuối cùng hay không. Vì vậy, trình biên dịch khá thông minh. Chương 1 Giới thiệu về Java 9/114  Kiến trúc trung lập (Architecture-neutral) Công nghệ Java được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng sẽ được triển khai trong các môi trường không đồng nhất trên mạng. Trong các môi trường như vậy, các ứng dụng phải có khả năng thực thi tốt trên nhiều kiến trúc phần cứng. Các chương trình Java được biên dịch thành một định dạng bytecode không phụ thuộc kiến trúc có thể thực thi trên nhiều nền tảng phần cứng và phần mềm. Vì vậy, vấn đề phân phối nhị phân và phiên bản được giải quyết bởi bản chất thông dịch của công nghệ Java. Các chương trình Java chạy trên bất kỳ hệ thống nào có hỗ trợ máy ảo Java. Điều này không những hữu ích trên mạng mà còn có ích trên các hệ thống phân tán.  Khả chuyển (Portable) Khả chuyển là hệ quả của kiến trúc trung lập. Công nghệ Java có được khả năng khả chuyển là nhờ vào định nghĩa chặt chẽ của ngôn ngữ. Nó chỉ rõ kích thước của các kiểu dữ liệu cơ bản để loại trừ sự phụ thuộc cài đặt và hành vi của các toán tử số học. Hệ thống Java bản thân là khả chuyển. Trình biên dịch Java được viết bằng Java, trong khi hệ thống thực thi Java được viết bằng ANSI C với ranh giới khả chuyển rõ ràng.  Hiệu suất cao (high performance) Hiệu suất luôn được cân nhắc. So với các ngôn ngữ kịch bản thông dịch mức cao, Java có hiệu suất cao nhất. Bộ thu gom rác tự động thực hiện như luồng ngầm bên dưới, có độ ưu tiên thấp nhất, đảm bảo khả năng khả chuyển cao nhất. Sun khẳng định khả năng thực thi của bytecode chuyển thành mã máy tốt gần như C hoặc C++. 1.3 Giới thiệu JDK Sun Microsystems cung cấp ngôn ngữ Java trong sản phẩm gọi là Java Development Kit (JDK). JDK bao gồm các công cụ phát triển, môi trường thực thi (Java Runtime Environment hay JRE), các thư viện, các chương trình demo và mã nguồn. Một số công cụ nằm trong JDK dùng phát triển các ứng dụng Java được mô tả dưới đây:  Trình biên dịch Java, „Javac‟ Trình biên dịch dịch mã nguồn Java thành tập tin class. Trình biên dịch javac được dùng để biên dịch các tập tin mã nguồn Java thành bytecode. Mã nguồn Java có thể được tạo ra bằng bất kỳ trình soạn thảo văn bản nào, chẳng hạn Notepad Cú pháp: Javac [option] source Learn Java by Example 10/114 AptechVietnam Trong đó, source - 1 hoặc nhiều tên tập tin có phần mở rộng là .java option - Các tuỳ chọn dòng lệnh Ví dụ, Javac FirstProgram.java Câu lệnh này sẽ tạo ra một tập tin có tên „FirstProgram.class‟. Tập tin class này sẽ chạy trên máy ảo Java (JVM). Một vài tuỳ chọn của câu lệnh javac được mô tả trong bảng 1.3 Tùy chọn (Option) Mô tả -classpath Xác định rõ vị trí chứa các lớp được tham chiếu trong mã nguồn (được lưu trong biến môi trường CLASSPATH) -d Xác định thư mục đích chứa các tập tin .class -g In tất cả các thông tin gỡ lỗi thay cho số dòng và tên tập tin mặc định. -verbose Hiển thị các thông tin đầu ra mỗi lần lớp được nạp và tập tin nguồn được biên dịch. -version Hiển thị thông tin về phiên bản -sourcepath Cho biết vị trí lớp -help Hiển thị các tuỳ chọn chuẩn Bảng 1.3: Các tuỳ chọn của trình biên dịch Javac Xem xét ví dụ sau sử dụng tuỳ chọn –d: javac –d c:\FirstProgram.java Câu lệnh này sẽ biên dịch và lưu tập tin „FirstProgram.class‟ trong ổ đĩa C.  Trình thông dịch Java, „Java‟ Trình thông dịch Java được sử dụng để thực thi mã bytecode. Nó lấy đối số là tên tập tin .class để thực thi hoặc tên tập tin lưu trữ Java gọi là jar. Cú pháp: . dịch Java, „Javac‟ Trình biên dịch dịch mã nguồn Java thành tập tin class. Trình biên dịch javac được dùng để biên dịch các tập tin mã nguồn Java thành bytecode.. bytecode. Mã nguồn Java có thể được tạo ra bằng bất kỳ trình soạn thảo văn bản nào, chẳng hạn Notepad Cú pháp: Javac [option] source Learn Java by Example 10/114