Giáo trình Lập trình mạng với Java - Chương 2: Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Java

1 Chương 2 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Java 1. Giới thiệu công nghệ Java 1.1 Lịch sử phát triển Lịch sử phát triển của Java bắt đầu năm 1991 khi SUN tiến hành các dự án lập trình cho vi xử lý dùng trong các thiết bị điện tử khác nhau. C++ không đáp ứng được các yêu cầu này vì C++ cho đem mã nguồn từ máy này sang máy khác nhưng sau khi biên dịch lại hoàn toàn phụ thuộc vào từng bộ vi xử lý cụ thể. Trong khi đó bộ vi xử lý dùng trong các thiết bị điện tử rất đa dạng và có vòng đời khá ngắn ngủi. Nếu ta thay đổi bộ xử lý dẫn đến cần phải thay đổi trình biên dịch C++, điều này gây lên tốn kém. SUN đã thiết kế một ngôn ngữ lập trình mới có tính khả chuyển cao hơn đó chính là Java. Java là tên địa phương nơi xuất xứ của một loại cà phê ngon nổi tiếng. Java được chính thức công bố năm 1995 và ngay lập tức đã tạo lên một trào lưu mới trên toàn thế giới và từ đó đến nay vẫn tạo được sức cuốn hút mạnh mẽ. Bởi vì Java không chỉ đơn thuần là một ngôn ngữ lập trình mà nó là giải pháp cho nhiều vấn đề. 1.2. Cấu trúc của máy ảo Java (Java Virtual Machine) Chương trình ứng dụng hoạt động bằng cách sử dụng các đối tượng của Java (Java Object). Máy ảo Java tạo thành một cầu nối giữa trình ứng dụng viết bằng Java và hệ điều hành. Máy ảo Java bao gồm các thành phần sau : • Trình nạp lớp (Class Loader): đọc bytecode từ đĩa hoặc từ kết nối mạng. • Trình kiểm tra lớp (Class Verifier): Kiểm tra các lớp sẽ không sinh ra các lỗi ảnh hưởng tới hệ thống khi thực thi. • Trình thực thi (Execution Unit): sẽ thực hiện các lệnh được quy định trong từng bytecode. Trong bộ công cụ Java, tệp tin java.exe chính là máy ảo Java. 1.3 Các đặc trưng của Java • Java là một môi trường độc lập (Independent Platform) Do cấu trúc của Java nên ta có thể soạn thảo chương trình trên bất kỳ hệ thống nào. Sau khi đã được biên dịch thành tệp tin lớp (*.class) ứng dụng có thể thực thi ở bất kỳ hệ thống nào. Đó là đặc tính mà các ngôn ngữ khác không có. Chương trình Java: tập hợp các đối tượng Máy ảo Java Hệ điều hành 2 • Java là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng thuần túy (Pure Object Oriented Programming) Java là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng thuần túy, mọi thứ trong Java đều là đối tượng. • Java là một ngôn ngữ có tính khả chuyển (Portibility) Java có tính khả chuyển đối với cả mã nguồn và bản thân mã biên dịch (bytecode) • Java là môi trường xử lý phân tán (Distributed Enviroments) Bytecode không phụ thuộc vào hệ thống vì vậy bytecode có thể nằm phân tán trên mạng. Việc liên kết với thư viện chỉ được thực hiện vào lúc chạy chương trình do vậy mã byte thường gọn nhẹ. Chương trình Java được nạp dần một cách linh hoạt nên không gây quá tải cho mạng. Ngoài ra, Java còn cho phép xử lý đa tuyến đoạn. Cơ chế truyền thông điệp thuận tiện cho việc tổ chức mạng. • Java là môi trường an toàn Khi phát triển các ứng dụng phân tán thì một trong nhừng vấn đề được quan tâm hàng đầu là an toàn hệ thống. Java được thiết kế để đảm bảo an toàn cho người dùng Java trên mạng. Java có bốn tầng bảo an: Tầng 1: Mức ngôn ngữ và trình biên dịch. Java không có kiểu con trỏ. Trình biên dịch kiểm tra kiểu rất chặt chẽ. Mọi chuyển đổi kiểu đều phải được thực hiện một cách tường minh. Trình biên dịch Java từ chối sinh ra mã byte nếu mã nguồn không tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn. Tầng 2: Trình nạp lớp (Class Loader) Có khả năng phân biệt những lớp đến từ mạng và những lớp nạp từ hệ thống. Nhờ khả năng phân biệt như vậy lớp được nạp qua mạng được khống chế chặt chẽ, không được phép thực hiện các thao tác mức thấp. Tầng 3: Trình kiểm tra mã byte. Trình này sẽ kiểm tra mã byte vào lúc chạy chương trình bảo đảm chương trình Java đã được biên dịch một cách đúng đắn. Khi thực hiện sẽ không gây lỗi ảnh hưởng tới hệ thống cũng như không đụng chạm tới dữ liệu riêng tư trên máy khách. Tầng 4: Trình bảo an. Kiểm tra mã byte vào lúc chạy nhằm bảo đảm mã đang xét không vi phạm qui tắc an toàn đã được thiết lập. Các thao tác của ứng dụng được xem là có khả năng gây nguy hiểm như đọc, xóa tệp đều phải được Trình bảo an cho phép. • Java cung cấp cho người lập trình một thư viện khủng lồ Java cung cấp cho người lập trình một thư viện khổng lồ các hàm chuẩn, gọi là core API. Các hàm chuẩn này được đặt trong các gói. • Java có cơ chế quản lý bộ nhớ tự động Quản lý bộ nhớ là một trong những vấn đề phức tạp đối với C và C++. Khi thực hiện chương trình người lập trình chịu trách nhiệm khởi tạo các vùng nhớ, sau khi dùng phải giải phóng các vùng nhớ này. Chỉ cần một lỗi nhỏ có thể làm cạn kiệt tài nguyên dẫn đến treo hệ thống. Java đã loại bỏ gánh nặng này cho người lập trình. Các vùng nhớ được tự động giải phóng nếu như nó không tham chiếu đến bất kỳ đối tượng nào đang hoạt động • Chi phí phát triển ứng dụng bằng Java thấp 3 Khi phát triển ứng dụng dựa trên công nghệ Java thì sẽ có rất nhiều công cụ phát triển và dịch vụ được cung cấp miễn phí. 1.4. Các ấn bản Java • J2SE ( Java 2 Platform, Second Edition) Đây là ấn bản chuẩn, bao gồm một môi trường thời gian chạy và một tập hợp các API để xây dựng một loạt các ứng dụng khác nhau từ applet, cho tới các ứng dụng độc lập chạy trên các nền khác nhau, ứng dụng cho client cho các ứng dụng doanh nghiệp khác nhau. • J2EE (Java 2 Platform, Enterprise Edition (J2EE) J2EE là nền tảng để xây dựng các ứng dụng phía server. • J2ME (Java 2 Platform, Micro Edition ) Ấn bản này cho phép xây dựng các ứng dụng Java cho các “vi thiết bị” (các thiết bị có màn hình hiển thị và hỗ trợ bộ nhớ tối thiểu, như điện thoại di động và các thiết bị trợ giúp cá nhân). 1.5. Công cụ phát triển SUN cung cấp một số tiện ích cho phép biên dịch bắt lỗi và tạo tài liệu cho một ứng dụng Java. JDK bao gồm: • javac: Bộ biên dịch để chuyển mã nguồn thành bytecode. • java: Bộ thông dịch để thực thi các ứng dụng Java trực tiếp từ tập tin lớp. • apppletviewer: Thực thi Java Applet từ tài liệu html. 1.6. Các kiểu ứng dụng trong Java Có hai kiểu ứng dụng • Ứng dụng độc lập (Standalone Applicaiton) Cho phép lập trình như các ngôn ngữ lập trình khác như Pascal, C. • Ứng dụng ký sinh (Applet) Cho phép tạo ra chương trình liên kết với các văn bản Web và được khởi động bởi trình duyệt hỗ trợ Java. Để thấy được sự khác biệt giữa hai kiểu ứng dụng nói trên chúng ta có thể xem những sự khác biệt về đặc trưng của hai kiểu ứng dụng ở bảng dưới đây: Ứng dụng độc lập Java Applet Khai báo Là lớp con của bất kỳ lớp nào trong các gói thư viện các lớp Phải là lớp con của Applet Giao diện đồ họa Tùy chọn Do trình duyệt Web quyết định Yêu cầu bộ nhớ Bộ nhớ tối thiểu Bộ nhớ dành cho cả trình duyệt và applet đó Cách nạp chương trình Nạp bằng dòng lệnh Thông qua trang Web Dữ liệu vào Thông qua các tham số trên Các tham số đặt trong tệp 4 dòng lệnh HTML gồm địa chỉ, kích th- ớc của trình duyệt Cách thức thực hiện Mọi hoạt động được bắt đầu và kết thúc ở main() nh- trong C/C++ Gọi các hàm: init(), start(), stop(), destroy(), paint() Kiểu ứng dụng Ứng dụng trên các máy chủ Server. Công cụ phát triển phần mềm, - ứng dụng trên các máy khách Các ứng dụng trên Web Bảng 2.1 1.7. Cài đặt chương trình dịch Java và các công cụ Để cài đặt Java J2SDK ta cần tải về bộ J2SDK tại trang , trang này cập nhật những phiên bản mới nhất của Java. Sau đó ta tải về bộ công cụ soạn thảo Edit Plus tại địa chỉ . Các bước cài đặt Java Bước 1: Cài đặt J2SDK. Sau khi cài đặt xong, Java được cài đặt tại thư mục: C:\Program Files\Java. Trong thư mục này có hai thư mục con là: jdk1.5.0_01 và jre1.5.0_01. • Công cụ phát triển nằm trong thư mục: • C:\Program Files\Java\jdk1.5.0_01\bin: Bao gồm các công cụ cho phép ta phát triển, thực thi, gỡ rối và soạn thảo các chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java. • Môi trường thời gian chạy (Runtime Environment) • Nằm trong thư mục con JRE. Nó bao gồm một máy ảo Java, các thư viện lớp, và các tệp tin hỗ trợ việc xử lý các chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java. • Các thư viện • Nằm trong thư mục con lib. Các thư viện lớp và các tệp tin bổ trợ cần cho các công cụ phát triển... • Các ứng dụng và applet demo • Nằm trong thư mục demo. Thư mục này bao gồm các ví dụ, mã nguồn lập trình cho Java/ Bước 2: Thiết lập các biến môi trường Biến môi trường path Trên desktop ta kích chuột phải vào biểu tượng My Computer, sau đó chọn thẻ Advanced, nháy chuột vào nút lệnh Enviroment Variable, xuất hiện cửa sổ cho phép ta thiết lập biến môi trường như sau: 5 Hình 2.1 Nháy vào nút lệnh New để nhập vào thông tin về biến môi trường Hình 2.2 Sau đó nháy chuột vào nút lệnh OK để hoàn thành Thiết lập biến môi trường classpath cũng tiến hành tương tự 6 Hình 2.3 Bước 3: Cài đặt chương trình soạn thảo Edit Plus. Bước 4: Tạo lập các công cụ biên dịch và thực thi chương trình trong Edit Plus. Giao diện của chương trình soạn thảo như sau: 1.8. Một số ví dụ mở đầu Ví dụ 1: Tạo chương trình Java cho phép nhập một dòng ký tự từ đối dòng lệnh và hiển thị xâu ký tự đó lên trên màn hình: class ViDu1 { public static void main(String[] args) { System.out.println(args[0]); } } Biên dịch chương trình C:\>javac ViDu1.java Thực hiện chương trình C:\>java ViDu1 "Lam quen voi ngon ngu lap trinh Java" Kết quả in ra là: Lam quen voi ngon ngu lap trinh Java Chương trình trên ta nhận thấy ngay đây là một chương trình ứng dụng độc lập đơn giản. Chương trình thực hiện một tác vụ hết sức đơn giản là nhận một xâu ký tự được truyền vào từ đối dòng lệnh sau đó in xâu ký tự lên màn hình. Đối dòng lệnh là một mảng xâu ký tự String[] args. Khi ta thực thi chương trình trên, args[0] được gán bằng xâu ký tự "Lam quen voi ngon ngu lap trinh Java". Ví dụ 2: Tạo một applet hiển thị một xâu ký tự lên màn hình import java.applet.*; import java.awt.*; 7 public class ViDu2 extends Applet { public void paint(Graphics g) { g.drawString("Chuc mung cac ban da thanh cong voi vi du thu 2",30,30); } } Biên dịch applet C:\>javac ViDu2.java Tạo một trang html để nhúng applet New Document Trong tài liệu trên ta để ý thấy dòng cho phép ta nhúng một applet trong một văn bản web. Để thực thi applet ta chỉ cần hiển thị trang ViDu2.html trên trình duyệt. Kết quả được thể hiện ở hình dưới đây: 8 Hình 2.4 2. Ngôn ngữ lập trình Java 2.1 Cấu trúc tệp của một chương trình Java Một tệp tin chương trình Java có thể có các phần được đặc tả như sau: 1. Định nghĩa một gói là tùy chọn thông qua định danh của gói (package). 2. Một số lệnh nhập import (0 hoặc nhiều). 3. Một số định nghĩa lớp và interface có thể định nghĩa theo thứ tự bất kỳ Ví dụ giả sử có tệp nguồn Java như sau: Hình 2.5 // Phần 1: Tùy chọn // Định nghĩa gói package GoiNhaTruong; // Phần 2: (0 hoặc nhiều hơn) // các gói cần sử dụng import java.io.*; // Phần 3: (0 hoặc nhiều hơn) // Định nghĩa các lớp và các interface public class NewApp{ ...} class C1{...} interface I1{...} // class Cn {...} interface Im{...} 9 Lưu ý: • Tệp chương trình Java luôn có tên trùng với tên của một lớp công khai (lớp chứa hàm main() nếu là ứng dụng độc lập) và có phần mở rộng là .java. • Tệp NewApp.java nếu là chương trình ứng dụng độc lập thì phải có một lớp có tên là NewApp và lớp này phải có phương thức main(). Phương thức này luôn có dạng: public static void main(String args[]){ // Nội dung cần thực hiện của chương trình ứng dụng } • Khi dịch (javac) thì mỗi lớp trong tệp chương trình sẽ được dịch thành byte code và được ghi thành tệp riêng có tên trùng với tên của lớp và có đuôi .class. Những lớp này sẽ được nạp vào chương trình lúc thông dịch và thực hiện theo yêu cầu. • Trong chương trình Java không có các khai báo biến, hàm tách biệt khỏi lớp và chỉ có các khai báo và định nghĩa các lớp, interface. Như thế chương trình Java được xem như là tập các lớp, interface và các đối tượng của chúng trao đổi thông điệp với nhau (bằng các lời gọi hàm) để thực hiện các nhiệm vụ của ứng dụng. 2.2. Định danh, kiểu dữ liệu và khai báo biến Định danh (Identifier) Tên gọi của các thành phần trong chương trình được gọi là định danh Định danh thường được sử dụng để xác định biến, kiểu, phương thức, lớp. Qui tắc cho định danh: • Định danh là một dãy các ký tự gồm các chữ cái, chữ số và các ký tự khác: ‘_’, $,... • Định danh không bắt đầu bằng chữ số. • Độ dài của định danh không giới hạn. • Java phân biệt chữ hoa và chữ thường. Qui ước đặt tên • Định danh cho các lớp: chữ cái đầu của mỗi từ trong định danh đều viết hoa • Ví dụ: MyClass, HocSinh, SocketServer, URLConnection,... • Định danh cho các biến, phương thức, đối tượng: chữ cái đầu của mỗi từ trong định danh đều viết hoa trừ từ đầu tiên. Ví dụ: hoTen (họ tên), namSinh (năm sinh), tinhTong (tính tổng). Chú thích Chú thích trong các chương trình để giải thích công việc hoặc cách thực hiện để người đọc dễ hiểu và tiện theo dõi. • Chú thích trên một dòng //Đây là chú thích dòng • Chú thích trên nhiều dòng 10 /* Đây là chú thích khối nhiều dòng */ 2.3. Các kiểu dữ liệu nguyên thủy (primitive datatype) Kiểu dữ liệu cơ bản định nghĩa sẵn được gọi là kiểu nguyên thủy Kiểu nguyên thủy bao gồm các kiểu: Hình 2.6 • Kiểu nguyên: char (ký tự), byte, short, int, long. • Kiểu số thực: float, double. • Kiểu logic: boolean. Kiểu dữ liệu Độ rộng char 16 byte 8 short 16 int 32 long 64 float 32 doube 64 Bảng 2.2 Chú ý: • Các giá trị kiểu nguyên thủy không phải là đối tượng. • Mỗi kiểu dữ liệu có miền xác định và các phép toán xác định trên nó. • Mỗi kiểu dữ liệu nguyên thủy có một lớp gói (wrapper class) để sử dụng các kiểu nguyên thủy như là các đối tượng. 11 Kiểu dữ liệu Lớp gói char Char byte Byte short Short int Integer long Long float Float double Double Bảng 2.3 2.4. Khai báo các biến a. Các loại biến trong Java • Các biến thành phần: là các thành phần của lớp và được khởi tạo giá trị mỗi khi một đối tượng của lớp được tạo ra. • Ví dụ: URL u ; HocSinh hs = new HocSinh(“Tuan Anh”); • Các biến tham chiếu đối tượng (Object Reference) là biến được sử dụng để xử lý các đối tượng. • Các biễn tĩnh (static variable) là biến của lớp đại diện cho cả lớp. • Các biến cục bộ: là biến được khai báo trong các phương thức và trong các khối. b. Khai báo biến kieu_du_lieu bien; Ví dụ: int i; char b,c; float giaBan, dienTich; c. Khởi tạo giá trị cho các biến Các giá trị mặc định cho các biến thành phần Kiểu dữ liệu Giá trị mặc định boolean false char ‘\u000’ byte, short, int, long 0 float, double +0.0F,+0.0D tham chiếu đối tượng null Bảng 2.4 12 Qui tắc chuyển đổi kiểu trong Java () Ví dụ float f = (float)100.15D; Mở rộng và thu hẹp kiểu byte short int long float double char Ví dụ 1:Mở rộng kiểu char c = ‘A’; int k =c; Ví dụ 2:Thu hẹp kiểu int k =10; char c=(char)k; 2.3. Các lệnh trong Java Một lệnh có thể thay đổi trạng thái của máy tính: giá trị của các biến, các phần tử của mảng, nội dung của các tệp tin, 2.3.1. Lệnh biểu thức Một lệnh biểu thức là lệnh có dạng: ; Nó được xử lý bằng cách đánh giá biểu thức mà không cần lưu lại giá trị tính toán. 2.3.2. Khối lệnh Khối lệnh trong Java tương tự như khối lệnh trong C/C++, là những lệnh nằm trong cặp ngoặc mở { và đóng }. Một khối lệnh là một dãy không hoặc nhiều lệnh hoặc các khai báo biến hoặc khai báo lớp theo bất kỳ thứ tự nào được đặt trong cặp ngoặc {} { S1; S2; Sn; } ƒ Lệnh gán Ví dụ int a, b, c,d; d=b*b-4*a*c; 13 • Biểu thức điều kiện Biểu thức điều kiện A?B:C trả về giá trị B nếu A có giá trị true, trả về giá trị C nếu A có giá trị false. Ví dụ: • byte b; • int i=b>=0?b:b+255; • Trong ví dụ trên thực hiện việc chuyển đổi các số nguyên kiểu byte có dấu về số nguyên kiểu int không có dấu. Nếu b lớn hơn hoặc bằng 0 thì I nhận giá trị là b, ngược lại I sẽ nhận giá trị là 255+b. 2.3.4. Các lệnh điều khiển rẽ nhánh chương trình o Lệnh if đơn giản Cú pháp if o Lệnh if – else Cú pháp if ; else ; Ví dụ: Viết chương trình nhập vào một dãy số nguyên từ đối dòng lệnh, sắp xếp dãy số đó và hiển thị dãy số sau khi sắp xếp lên màn hình. class SapXep { public static void main(String[] args) { int a[]=null; int i,j,tg; if(args.length>0) { a=new int[args.length]; } for(i=0;i<args.length;i++) { a[i]=Integer.parseInt(args[i]); System.out.print(a[i]+" "); } 14 System.out.println(); for(i=0;i<a.length-1;i++) for(j=i+1;j<a.length;j++) if(a[i]>a[j]) { tg=a[i]; a[i]=a[j]; a[j]=tg; } System.out.println("Day so sau khi sap xep la:"); for(i=0;i<args.length;i++) System.out.print(a[i]+" "); } } Biên dịch chương trình C:\>javac SapXep.java Thực hiện chương trình C:\>java SapXep -2 3 1 4 -5 6 -10 -2 3 1 4 -5 6 -10 Day so sau khi sap xep la: -10 -5 -2 1 3 4 6 Lệnh switch Lệnh này cho phép rẽ nhánh theo nhiều nhánh tuyển chọn dựa trên các giá trị nguyên của biểu thức. Cú pháp: switch() { case nhan_1:; case nhan_2:; case nhan_3:; ... case nhan_n:; default:; } 2.3.5. Lệnh lặp Lệnh lặp cho phép một khối các câu lệnh thực hiện một số lần lặp lại. 15 • Lệnh while while () Chú ý: Có thể không được thực hiện lần nào nếu ngay từ đầu có giá trị false. là biểu thức boolean. Ví dụ: Lập chương trình in ra dãy số Fibonaci có các giá trị nhỏ hơn 50. class Fibonaci { public static void main(String[] args) { int lo=1; int hi =1; System.out.println(lo); while(hi<50) { System.out.println(hi); hi=lo+hi; lo=hi-lo; } } } • Lệnh do – while Cú pháp do { //Các lệnh } while(); Chú ý: Thân chu trình được thực hiện ít nhất một lần • Lệnh for Cú pháp for(; ; ) 16 o : Khai báo và gán các giá trị khởi đầu cho các biến điều khiển quá trình lặp. o :Biếu thức logic. • Sự tương đương giữa vòng for và while { ; while() { ; ; } • Lệnh lặp vô hạn: Ta có thể sử dụng vòng for với cú pháp như sau làm vòng lặp vô hạn. for(;;) Vòng lặp vô hạn while: while(true){ } 2.3.6. Các câu lệnh nhảy Java hỗ trợ ba lệnh nhảy: break, continue, và return. Các lệnh này truyền điều khiển sang phần khác của chương trình. • Lệnh break: Được dùng để kết thúc trình tự thực hiện lệnh trong lệnh switch hoặc được sử dụng để thoát ra khỏi một vòng lặp. class BreakDemo { public static void main(String[] args) { for(int i=0;i<20;i++){ if(i==10)break; System.out.println("i="+i); } } } Chương trình này in ra kết quả là: i=0 i=1 17 i=2 i=3 i=4 i=5 i=6 i=7 i=8 i=9 Như chúng ta có thể thấy, vòng lặp for được thiết kế để chạy với các giá trị từ 0 đến 9, lệnh break làm cho vòng lặp kết thúc sớm khi i bằng 10. Lệnh break có thể được sử dụng trong bất kỳ vòng lặp Java nào, bao gồm cả vòng lặp vô hạn • Lệnh continue Lệnh continue sẽ bỏ qua không xử lý một lệnh nào đó trong vòng lặp nhưng vẫn tiếp tục thực hiện phần còn lại của vòng lặp. class ContinueDemo { public static void main(String[] args) { for(int i=0;i<20;i++){ if(i==10)continue; System.out.println("i="+i); } } } Kết quả thực hiện chương trình trên như sau: i=0 i=1 i=2 i=3 i=4 i=6 i=7 i=8 18 i=9 Ta thấy rằng chương trình không in ra giá trị i=5 vì khi kiểm tra điều kiện chương trình bỏ qua giá trị i=5 và thực hiện lệnh với giá trị I còn lại của vòng lặp. • Lệnh return Được sử dụng để kết thúc việc thực hiện của hàm hiện thời và chuyển điều khiển chương trình về cho chương trình đã gọi phương thức