Tổng quan về JAVA

Chương 1- Tổng quan về JAVA
Mục tiêu: Đến cuối chương bạn có thể

Hiểu những đặc điểm và lợi ích của Java
Hiểu cơ chế thực thi của Java
Hiểu cơ chế biên dịch và chạy 1 chương trình Java
Hiểu cấu trúc cơ bản của một chương trình Java
Nội dung chương 1
1.1- Lịch sử của Java
1.2- Những đặc điểm cơ bản của Java
1.3- Máy ảo Java- JVM
1.4- Môi trường lập trình Java
1.5- Chương trình Java đầu tiên
1.7- Tóm tắt
1.8- Trắc nghiệm và bài tập
1.1- Lịch sử của Java
Năm 1990, James Gosling, Bill Joy, Patrick Naughton(Sun MicroSystem) phát triển ngôn ngữ Oak nhằm mục đích cài chương trình vào các bộ xử lý của các thiết bị như VCR, lò nướng, PDA (personal data assistant), Oak đòi hỏi:
- Độc lập cấu trúc nền (phần cứng, OS) do thiết bị có thể do nhiều nhà sản xuất khác nhau (Platform independent)‏
- Phải tin cậy tuyệt đối (extremely reliable)‏
- Nhỏ gọn, chắc chắn (compact)‏
Lịch sử Java (tt)‏
1993, TV tương tác và PDA thất bại, Internet và Web bùng nổ, Sun chuyển Oak thành một môi trường lập trình Internet với tên dự án là Java.
1994, HotJava Browser của Sun xuất hiện (viết bằng Java chỉ sau vài tháng)minh họa thế mạnh của các applet cũng như khả năng phát triển nhanh một ứng dụng của Java.

Lịch sử Java (tt)‏
Cùng với sự bùng nổ của Internet, Java trở thành phần mềm ưu thế trong việc phát triển ứng dụng chạy trên internet.
Tuy nhiên, những bản Java đầu chưa đủ mạnh theo yêu cầu của người sử dụng. Thí dụ: Đồ họa trong bản Java 1.0 thô và vụng về hơn so với đồ họa khi được xử lý bằng C hoặc ngôn ngữ khác.
Tuy lúc đầu Java chưa thành công trong việc xây dựng các ứng dụng mức người dùng, Java vẫn là ngôn ngữ rất thông dụng mức doanh nghiệp, các ứng dụng mức trung gian như: Lưu trữ trực tuyến, xử lý giao tác, giao tiếp với database,… và càng thông dụng trên những cấu trúc nền nhỏ (small platform) như điện thoại di động, PDA.
Java là gì?
Là một ngôn ngữ OOP đầy đủ, không thể viết 1 ứng dụng hướng thủ tục trong Java.
Có thể giải các họ bài toán như những ngôn ngữ lập trình khác.
Cho phép tạo Application hoặc Applet.
Applet là những chương trình nhỏ chạy trong tài liệu HTML với điều kiện trình duyệt có hỗ trợ Java (như IE, Netscape Navigator, HotJava,…)‏
Sử dụng 2 cơ chế: Interpreter | Compiler
Write code one, run it anywhere, anytime, forever

1.2- Đặc điểm của Java
Đơn giản( simple). Tương tự như C++ nhưng bỏ bớt các đặc tính phức tạp của C++ như: quản lý bộ nhớ, pointer, overload toán tử, không dùng include, bỏ struct, union
Hướng đối tượng (OO). Mọi thứ trong Java là đối tượng
Phân tán (Distributed). Nhắm đến phân bố ứng dụng trên mạng, ứng dụng độc lập platform.
Mạnh (Robust). Định kiểu mạnh, tường minh, kiểm tra lúc biên dịch và kiểm tra khi thông dịch trước khi thực thi  Giới hạn được lỗi; kiểm tra truy xuất phần tử của mảng, chuỗi lúc thực thi, kiểm tra ép kiểu run-time. Có trình gom rác – garbage collection- programmer không cần phải lo toan đến việc hủy đối tượng.
Đặc điểm của Java (tt)‏
Bảo mật (Secure): Kiểm tra an toàn code trước khi thực thi, có nhiều mức kiểm tra bảo mật  Môi trường thực thi an toàn

Mức 1: Mức ngôn ngữ: Nhờ tính bao gói dữ liệu của OOP, không cho phép truy cập trực tiếp bộ nhớ mà phải thông qua method.
Mức 2: Mức Compiler, kiểm tra an toàn cho code trước khi biên dịch.
Mức 3: Mức Interpreter, trước khi bytecode được thực thi, được kiểm tra an toàn.
Mức 4: Mức Class, các class trước khi nạp được kiểm tra an toàn.
Đặc điểm của Java (tt)‏
Tính tương thích
khả chuyển
(Portability)‏
Chương trình Java
Compiler
Chương trình Bytecode độc lập platform
Java Runtime Interpreter/ JVM thực thi Javabytecode
IBM
Macintosh
Sparc
Đặc điểm của Java (tt)‏
Thực thi dạng thông dịch: (Interpretive execution) Chỉ thị chỉ được dịch sang lệnh máy lúc thực thi
Chương trình độc lập platform  Write Once Run Anywhere (WORA)‏
Các file tài nguyên  trình biên dịch javac  class file độc lập thiết bị
Class file  trình thông dịch java  mã máy thực thi, không cần liên kết (link)‏
Lợi ích
Java class file có thể được dùng ở bất kỳ flatform nào.
Tính module hóa cao, dùng bộ nhớ tốt hơn với class file hơn là file thực thi vì class file
Đặc điểm của Java (tt)‏
Hiệu suất cao (high performance):
bytecode  native machine code dễ dàng nhờ Just-in-time compiler.
Đa luồng (multithreading)‏
Cho phép lập trình đa luồng (nhiều chương trình đồng hành nhờ lớp Thread : khởi tạo, ngưng 1 luồng, kiểm tra trạng thái của luồng)‏
thread: một luồng thực thi của CPU  là 1 chương trình
Linh động (dynamic): Cho phép tương thích với sự thay đổi của môi trường, Trong CT java có các thông tin run-time  Kiểm tra truy xuất lớp an toán,  an toàn để liên kết caùc lớpvào CT  dynamic

1.3- JVM- Java Virtual Machine
5 thành phần của môi trường Java
(1) Java language
(2) Bytecode definitions
(3) Java/ Sun Class libraries
(4) The Java Virtual Machine
(5) The structure of .class file
JVM là trung tâm của Java
Các thành phần dẫn đến sự thành công của Java: Bytecode definitions, the structure of .class file, JVM.
1.3.1- JVM là gì?
Là một phần mềm giả lập một máy tính trong đó : có tập lệnh định nghĩa các tác vụ
JVM là gì? (tt)‏
JVM tạo ra 1 hệ thực thi phụ thuộc platform bao gồm các tác vụ:
(1) Nạp .class file
(2) Quản lý bộ nhớ
(3) Thực thi gom rác

1.3.2- JRE-Môi trường run-time của Java
JRE:
Hai giai đoạn của 1 Java application: Compile-time, Run-time
Compile-time phase: Viết và biên dịch chương trình

Begin
Java source code
Biên dịch bằng javac
.class file
End
JRE- Run-time phase
Begin
Nạp .class file
Kiểm tra bytecode
Interpreter
Run-time code
JIT code Generator
Hardware
Net work
.class file
Nhờ class Loader, kiểm tra an toàn
Nhờ chức năng bytecode verifier, kiểm tra code format và quyền truy xuất
End
1.3.3- Trình gom rác- Garbage Collection
Heap: Vùng nhớ chia sẽ thông tin giữa các qúa trình. Với C, C++, Pascal, programmer phải tự quản lý vùng nhớ cấp phát động này bằng các hàm cơ bản.
Cơ chế quản lý heap
Heap được quản lý bằng 2 danh sách:
Free block list và Allocated Block List.
- Cách cấp phát: “first-fit block”
- Khi khối bộ nhớ được yêu cầu lớn hơn khả năng của các khối tự do: Compaction - dồn vùng nhớ để tạo ra vùng lớn hơn.
Heap trong Java : 2 heap
heap cấp phát tĩnh và heap cấp phát động.
Trình gom rác (tt)‏
Static Heap
Class definitions
Các hằng
CMT1
(class1,method1,Add1)
CMT2
(class2,method2,Add2)‏
…..
Dynamic heap Section 1
Biến đối tượng O2
Biến đối tượng O1

Dynamic heap Section 2
( Các entry: 2 pointers)‏
(O1, CMT1)‏
(O2, CMT2)‏
Static heap: không gom rác
CMT: class method table
Dynamic heap: có gom rác
Section 2: Theo dõi hoạt động của các đối tượng
Cơ chế gom rác
Cơ chế cấp bộ nhớ
1/ Nhận yêu cầu cấp bộ nhớ
2/ if (Free-Block list đủ) cấp bộ nhớ cho yêu cầu (First-fit)
3/ else if (máy rảnh) thực thi gom rác
4/ else ứng dụng phải gọi tường minh tác vụ gom rác: System.gc();
Trình gom rác được ấn định độ ưu tiên rất thấp Gọi tường minh có ý nghĩa chấp nhận ứng dụng này tạm dừng để chờ gom rác.
Cơ chế gom rác ( chỉ gom rác ở Dynamic heap)‏
1/ Xem đối tượng nào không có entry trong section2 Không còn dùng đối tượng này nữa.
2/ Garbage Collector sẽ gọi method finalize() để thu tài nguyên của đối tượng (file, stream kết hợp, bộ nhớ)‏
1.4- Môi trường lập trình Java
JDK- Java Development Kit- Bộ công cụ phát triển ứng dụng Java bao gồm 4 thành phần:
Classes
Compiler
Debugger
Java Runtime Environment
Hiện nay đã có bản Java 1.6(Beta)‏

Các công cụ chính của môi trường Java
Trong thư mục BIN của JDK (sau khi cài đặt) có:
Javac.exe : Java Compiler:
Dịch source code  Independent Bytecode
Java.exe : Thực thi class file trong JVM
Appletviewer.exe : cho phép chạy applet mà không cần Browser.
1.5- Chương trình java đầu tiên
Yêu cầu: Viết chương trình xuất chuỗi “Hello world from java!” ra màn hình.
Phân tích:
- Cần tạo 1 lớp có chức năng xuất chuỗi này (lớp HelloWorld) . Vì chức năng của chương trình đơn giản -> lớp này chỉ có 1 hành vi main(…), nội dung hành vi là xuất chuỗi được yêu cầu.
Cách làm 1: Viết code bằng 1 editor, về dấu nhắc Command Prompt biên dịch, chạy chương trình.
Cách làm 2: Nhờ 1 IDE như Jcreator, JPadPro, Jbuilder, … cho phép vừa viết code vừa thực thi.
Dùng NotePad, biên dịch dòng lệnh
Lưu trữ với tên HelloWorld.java- tên lớp là tên file
C:PROGRA~1JavaSoftJRE1.2in>javac e:BaiGiang2004javaHelloWorld.java
e:BaiGiang2004javaHelloWorld.java:1: `;` expected.
import java.io.*
^
1 error
Lỗi thiếu dấu chấm phẩy, code trên đã sửa
E:BaiGiang2004Java>javac HelloWorld.java
E:BaiGiang2004Java>java HelloWorld
Hello World From Java !
E:BaiGiang2004Java>

Hoặc biên dịch với thư mục hiện hành là thư mục chứa source code .
Biên dịch thành công và chạy ứng dụng
Chú ý: Tên file .java có tính chất case-sensitive
Kết qủa biên dịch
Dùng JCreatorPro
1.6- Tóm tắt
Java là ngôn ngữ OOP chủ yếu được dùng để phát triển các ứng dụng Internet với các đặc điểm: Simple, OO, Distributed, Robust, Secure, System Structure neutrality, Portability, Interpretive execution, High Performance, Multithreading, Dynamic.
JVM là trái tim của Java.
JDK là bộ công cụ hỗ trợ lập trình.
JDK cung cấp một số công cụ được để trong thư mục BIN khi cài đặt JDK gồm 3 chức năng chính: javac: trình biên dịch, java: JVM, appletviewer.
Tài liệu API của Java rất cần cho người lập trình java vì chứa các tài liệu hướng dẫn về các lớp (class), các gói phần mềm (package), các giao tiếp (interface)‏

1.8- Trắc nghiệm
Câu 1
Java hỗ trợ những đặc điểm nào sau đây?

A) OO
B) Độc lập platform
C) Bảo mật
D) Tất cả các đặc điểm trên
d
Câu 2
Source code của java có tên mở rộng là :

.class
.java
.com
Tất cả đều sai.

b
Câu 3
Java source code được trình biên dịch java biên dịch thành:

Bytecode
Executable code
Machine code
Tất cả đều sai
a
Câu 4
Trình nào sẽ chuyển đổi java source code thành file .class

A) javac
B) java
C) appletviewer
D) Tất cả đều sai
E) Tất cả đều đúng
a
Câu 5
Chương trình nào thực thi 1 class file trong JVM
A) javac
B) java
C) appletviewer
D) Tất cả đều sai
E) Tất cả đều đúng
b
Câu 6
Trình nào cho phép ta chạy applet bên ngoài browser

appletviewer
WWW
java
Tất cả đều sai
Tất cả đều đúng
a
Câu 7
Chọn phát biểu sai.

Có thể xây dựng một ứng dụng hướng thủ tục trong Java.
b) Không thể xây dựng một ứng dụng hướng thủ tục trong Java

a
Câu 8
Cơ chế quản lý bộ nhớ của Java gồm 2 heap, static heap và dynamic heap. Chọn các phát biểu sai.

a- Static heap chứa các định nghĩa class + dữ liệu của các đối tượng + code chương trình.
b- Static heap chứa các định nghĩa class + code chương trình.
c- Dynamic heap chứa các định nghĩa class + dữ liệu của các đối tượng + code chương trình.
d- Dynamic heap chứa các định nghĩa class + code chương trình.

Câu 9
Chọn các phát biểu đúng.

a- Dynamic heap trong Java chứa dữ liệu của đối tượng.
b- Dynamic heap trong Java chứa thông tin về mối quan hệ giữa đối tượng trong dynamic heap và code trong static heap.
c- Dynamic heap trong Java chứa thông tin về mối quan hệ giữa đối tượng và code trong dynamic heap.
d- Dynamic heap trong Java chứa thông tin về mối quan hệ giữa đối tượng trong static heap và code trong static heap.



Câu 10
Chọn các phát biểu sai
Các đối tượng của Java
Được cấp phát động nên ta cần chủ động trả bộ nhớ khi không dùng đến đối tượng nữa.
Được cấp phát động, ta không cần chủ động trả bộ nhớ khi không dùng đến đối tượng nữa.
Máy ảo không tự động thu hồi bộ nhớ đối với những đối tượng không dùng đến đối tượng nữa.
Câu 11
Có thể dùng một trình editor chuẩn bất ký để viết code java.

a- Đúng
b- Sai
a
Câu 12
Cơ chế nào cho phép 1 ứng dụng Java độc lập với platform (chọn 2)‏
a- Mỗi platform có một trình Java.exe riêng để thông dịch file.class.
b- file.class có cấu trúc độc lập với flatform.
c- Mỗi nhà cung cấp hệ điều hành tạo ra các cách riêng để chạy ứng dụng Java
Bài tập
Viết chương trình xuất ra màn hình các thông tin sau
“Hello! I’m .”
“This is my first java program.”
“This is common technology today.”
“I will work hard to enhance my skill in Java”