PB162 — Programování v jazyce Java

Tomáš Pitner, Radek Ošlejšek, Marek Šabo, Jakub Čecháček

Základní informace

  • jednotlivé sekce (1, 2…​) neodpovídají přesně probírané látce v týdnech semestru (ale přibližně ano)

  • přesné info k probírané látce v daném týdnu přednášky i cvičení najdete vždy v osnově předmětu PB162 jaro2023 v IS

1. Úvod do Javy

2. Úvod do objektového programování, konstruktory

3. Statické proměnné a metody, neměnné objekty, přetěžování

4. Rozhraní

5. Dědičnost, viditelnost

6. Pole, porovnávání objektů, abstraktní třídy, moduly

7. Dynamické datové struktury I

8. Dynamické datové struktury II

9. Výjimky

10. Vnořené třídy

11. Vstupy a výstupy, soubory

12. Konzultace, návaznosti, pokročilá témata

Profil

  • Prakticky zaměřený bakalářský předmět

  • Cílem je naučit základním principům objektového návrhu a programování.

  • Algoritmickou stránku věci jste již většinou probírali v IB001/IB111

  • Zde je důraz na kvalitní objektový návrh a implementaci, styl, konvence.

  • Všechny materiály k přednášce jsou v IS MU.

Předchozí předměty IB111

IB111 nebo IB113 — Základy programování nebo Úvod do programování a algoritmizace kde studenti získávají

  • základní znalosti programování (Python)

  • znalost základních příkazů, řídicí struktury, pole

  • částečnou znalost objektového přístupu

Předchozí předměty PB071

PB071 Principy nízkoúrovňového programování, kde studenti získávají

  • znalost syntaxe jazyka C

  • znalost základních datových typů

  • znalost vnitřních struktur

Předchozí předměty IB002

IB002 Algoritmy a datové struktury I, kde studenti získávají

  • základy algoritmizace vč. mírně pokročilých datových struktur (stromy, grafy)

Předpoklady obecně

Předpokládají se základní znalosti strukturované algoritmizace a programování, tj.:

  • základní příkazy, sestavování jednoduchých výrazů;

  • základní datové typy (celá a reálná čísla, logické proměnné, řetězce);

  • základní řídicí struktury — větvení, cykly, procedury/funkce.

Návaznosti PV168 Seminář z jazyka Java (podzim)

  • náplní je zvládnutí Javy umožňující vývoj jednodušších praktických aplikací s GUI, databázemi, základy webových aplikací.

  • V průběhu semestru se pracuje na uceleném projektu formou párového programování plus některých individuálních úloh.

  • Učí kolektiv zkušených cvičících pod vedením Tomáše Pitnera, Luďka Bártka, Petra Adámka a Martina Kuby.

Návaznosti PB138 Moderní značkovací jazyky (jaro)

  • náplní jsou XML a související technologie,

  • prvky týmového vývoje (projekty, využití služeb hostování projektů, jako je GitHub).

  • Učí kolektiv zkušených cvičících pod vedením Luďka Bártka a Tomáše Pitnera.

Návaznosti pokročilých předmětů PA165 Vývoj aplikací v jazyce Java (podzim)

  • pokročilejší předmět spíše magisterského určení, předpokládá znalosti/zkušenosti z oblasti databází, částečně sítí a distribuovaných systémů, a také Javy zhruba v rozsahu PB162 a PV168.

  • Náplní je zvládnutí netriviálních, převážně klient/server aplikací na platformě JavaEE.

Návaznosti — webový vývoj

Problematice webových a mobilních aplikací se na FI věnují např.

Hodnocení a harmonogram předmětu

O přednášejícím - Radek Ošlejšek

  • pracovna A305 (budova A1 FI) laboratoře Lasaris

  • tel. 54949 6121 (z tlf. mimo budovu), kl. 6121 (volání v rámci fakulty i celé MU)

  • e-mail: oslejsek(at)fi.muni.cz

  • Web RO: Osobní stránka RO

O přednášejícím - Tomáš Pitner

  • pracovna C218,

  • příp. kanc.správy Vědecko-technologického parku CERIT (1.NP/přízemí budovy A2);

  • tel. 54949 5940 (z tlf. mimo budovu), kl. 5940 (volání v rámci fakulty i celé MU)

  • e-mail: pitner(at)muni.cz

  • Web: Osobní web TP

Konzultační hodiny

  • Primárním konzultačním bodem jsou vaši cvičící.

  • Cvičení jsou vedena mj. právě z důvodu možnosti konzultací.

  • Konzultace přímo s přednášejícími

    Tomáš Pitner

    vždy v kanc. C218

  • Út 10.00 — 11.30

  • nebo jindy, dle dohody

Informační zdroje (knihy)

Informační zdroje (knihy)

V knihovně FI k dispozici

Ostatní

  • Bruce Eckel: Myslíme v jazyce Java — příručka programátora, Grada Publishing , 2000

  • příp. Bruce Eckel: Myslíme v jazyce Java — příručka zkušeného programátora, Grada Publishing , 2000 — pro pokročilé

  • Joshua Bloch: Java efektivně — 57 zásad softwarového experta, Grada Publishing

  • Bogdan Kiszka: 1001 tipů a triků pro programování v jazyce Java, Computer Press, 2003

  • Bruce Eckel: Thinking in Java Stáhnout zdarma (PDF)

Rychlost Javy

01 java is slow

Java jako programovací jazyk

  • Dle indexu TIOBE (na bázi výskytu "java programming" na webu) stále nejpopulárnější jazyk na světě s podílem 15 %, po jazycích Python, C, C++.

  • Je jazykem 3. generace (3GL) — imperativním jazykem vysoké úrovně.

  • Je jazykem univerzálním — není určen výhradně pro specifickou aplikační oblast.

  • Je jazykem objektově-orientovaným — program používá volání metod objektů (zasílání zpráv objektům).

  • Je OO jazykem disponujícím objektovými třídami, což automaticky neplatí pro všechny jazyky s objekty.

  • Ideovým předchůdcem Javy je C++.

  • Svým způsobem je Java obdobou C++, ale zbaveným zbytečností a nepříjemností.

Java v budoucnu

  • Pro tradiční typy serverových podnikových aplikací a systémů zůstává Java (Enterprise Edition) klíčovou platformou spolu s .NET

  • Perspektivním směrem vývoje je zachování Java platformy (JVM, stávající knihovny, aplikace, aplikační prostředí)

  • Rychle se vyvíjejí skriptovací jazyky na této platformě: Groovy, JRuby, Jython, a zejména v poslední době Kotlin…​)

Mnoho jazyků bylo inspirovaných javou: C#, Groovy, Ruby, Scala, Kotlin…​

Proč Java

  • Java je jazyk pro vývoj a běh jednoduchých i rozsáhlých aplikací.

  • Vývoj je efektivnější než na jejich předchůdcích (C++) a výsledné aplikace "běží všude".

  • Silnou typovaností, běhovou bezpečnostní kontrolou, efektivní automatickou alokací a dealokací paměti (garbage collection), stabilními knihovnami vč. open-source a rozsáhlým souborem dobrých praktik nabízí aplikacím velmi vysokou robustnost.

  • Nezavádí zbytečnosti a vede ke správným a dále uplatnitelným návykům.

  • Je velmi perspektivní platformou pro vývoj open-source i komerčního SW, mj. pro extrémně velké množství volně dostupných knihoven.

Další přednosti

  • Java podporuje vytváření správných návyků v objektovém programování a naopak systematicky brání přenosu některých špatných návyků z jiných jazyků.

  • Program v Javě je přenositelný na úrovni zdrojového i přeloženého kódu.

  • Přeložený javový program běží v tzv. Java Virtual Machine (JVM).

  • Zdrojový i přeložený kód je tedy přenositelný mezi všemi obvyklými platformami (UNIX/Linux, Windows, MacOS X).

Omezení

  • Neuplatní se ve většině skutečně malých a low-power zařízení (kategorie Arduino, 8bitové kontrolery apod.)

  • Lze ji použít pro zařízení třídy RaspberryPi (32bitová)

  • Ve variantě jazyka Java Card se používá pro vývoj bezpečných aplikací pro chytré karty

    Coding techniques used in a practical Java Card program differ significantly from those used in a Java program. Still, that Java Card uses a precise subset of the Java language speeds up the learning curve, and enables using a Java environment to develop and debug a Java Card program (caveat: even if debugging occurs with Java bytecode, make sure that the class file fits the limitation of Java Card language by converting it to Java Card bytecode; and test in a real Java Card smart card early on to get an idea of the performance); further, one can run and debug both the Java Card code for the application to be embedded in a smart card, and a Java application that will be in the host using the smart card, all working jointly in the same environment. [Wikipedia: heslo Java_Card]

Java pro programátora

Konkrétní možnosti:

  • V Javě se dobře píší vícevláknové aplikace (multithreaded applications).

  • Java má automatické odklizení nepoužitelných objektů (automatic garbage collection).

  • Java je jednodušší než C++ (méně syntaktických konstrukcí, méně nejednoznačností v návrhu), což zlepšuje čitelnost a redukuje riziko chyb.

Platformy (specifikace) Java

  • Java SE (Standard Edition) - pro běžná i serverová použití na běžných "plných" platformách (Linux, Mac OS, Win)

  • Java EE (Enterprise Edition) - kromě samotného běhového prostředí (JVM) zahrnuje také množství dalších API. Existuje 20 implementací (aplikačních serverů) Java EE, jako je GlassFish Server, IBM WebSphere Application Server, Red Hat JBoss Enterprise Application Platform a další.

  • Java ME (Micro Edition) - do přenosných, vestavěných a malých zařízení (mobily, televizory)

  • Java Card - platforma pro bezpečné chytré karty - je odlišné nejen API (knihovní třídy), ale i jazyk

Aktuální verze

Stav k lednu 2023:

  • Java Standard Edition 19 je aktuální "ostrou" verzí, v "ramp-down phase one" je Java 20 (frozen features), 21

  • Aktuální informace najdete vždy na webu Oracle Oracle Technetwork/Java.

  • K předpokládanému vývoji a podpoře existuje Oracle Java SE Support Roadmap

Licence Javy

  • Na stránkách https://www.java.com/download/ je java dostupná Oracle Java SE pro všechny platformy.

  • Pro testovací, vývojové, demonstrační nekomerční využití je Java SE zdarma.

  • Pro komerční provoz je Oracle Java placená. Licenční poplatky se liší dle způsobu nasazení (desktop až cloud) od cca $2.5 do $25 měsíčně na jeden procesor a zahrnuje podporu - podobně jako např. RHEL.

  • Pro plné využití zdarma je možné sáhnout po OpenJDK (Oracle’s free, GPL-licensed, production-ready OpenJDK JDK 19 binaries for Linux, macOS, and Windows)

Stažení Javy

  • samotné vývojové prostředí (JDK), např. OpenJDK 19 či Oracle Java SE 8 JDK

  • jen běhové prostředí (JRE), např. Java SE 8 JRE: to nám tady nestačí, chceme vyvíjet

  • JDK v balíčku s grafickým (okénkovým) integrovaným vývojovým prostředím (IDE, Integrated Development Environment) NetBeans.

Připravili jsme pro vás tutoriál, jak Javu nainstalovat.

Budoucnost Javy

Program "Hello World!"

  • Abychom měli kam náš kód psát, vytvoříme třídu Demo s hlavní funkci main, která se zavolá při spuštění programu.

  • V Javě nestačí výkonný kód (příkazy) umístit jen tak do zdrojového souboru.

  • V Javě sice existuje možnost interaktivní práce "REPL" (read-eval-print-loop), ale moc se nepoužívá.

  • V praxi tedy většinou napíšeme kód aspoň do statické metody main v nějaké třídě.

public class Demo {
   public static void main(String[] args) {
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

Program "Hello World!" - proč a jak main

public class Demo {
   public static void main(String[] args) {
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

  • Metoda main musí být veřejná (public), statická (static) a nevrací žádnou hodnotu (void). Klíčová slova pochopíte časem, není to teď důležité.

  • Metoda musí mít parametry typu String (řetězec), které se předávají při spuštění z příkazového řádku do pole String[] args.

Motivace třídy I

  • Jak reprezentovat složitou strukturu, aby se s ní dobře pracovalo?

  • Příklad: Osoba s jménem a rokem narození

class Person {
   String name;
   int yearBorn;
}

  • Části objektu nastavíme i zjistíme stejným způsobem jako v jazyce Python:

k.name = "Karel"; // set name to Karel
String karelsName = k.name; // get name value
Jednotlivé části (jméno, rok narození) nazýváme atributy.

Motivace třídy II

  • Někdy bychom rádi měli funkce, které pracují přímo s částmi struktury.

  • Pamatujeme si rok narození, ale co když chceme zjistit věk?

  • Jak lehce zjistit informace o naší struktuře — třídě?

public class Person {
   private String name;
   private int yearBorn;
   public int getAge() {
     return 2018 - yearBorn;
   }
   public void printNameWithAge() {
     System.out.println("I am " + name + " and my age is " + getAge());
   }
}
V kódu třídy se nyní objevila klíčová slova public a private. Nemají vliv na funkcionalitu, ale na "viditelnost", na možnost či nemožnost z jiného kódu danou třídu nebo její vlastnost vidět a použít. Logicky public půjde použít vždy a odevšad.

Vlastnosti třídy

  • Třída představuje strukturu, která má atributy a metody.

    Atributy

  • jsou nositeli datového obsahu, údajů, "pasivních" vlastností objektů

  • to, co struktura má, z čeho se skládá, např. auto se skládá z kol

  • definují stav objektu, nesou informace o objektu

    Metody

  • jsou nositeli "výkonných" vlastností, schopností objektů něco udělat

  • to, co dokáže struktura dělat — pes dokáže štěkat, osoba dokáže mluvit

  • definují chování objektu (může být závislé na stavu)

Vytvoření konkrétní osoby

  • Máme třídu Person, to je něco jako šablona pro objekty—​osoby.

  • Jak vytvořím konkrétní osobu s jménem Jan?

public class Demo {
 public static void main(String[] a) {
   Person jan = new Person();
   jan.name = "Jan";
   jan.yearBorn = 2000;
   System.out.println(jan.name);
   System.out.println(jan.yearBorn);
 }
}

Poznámky k příkladu Demo

  • Třída Person má vlastnost name a age, to jsou její atributy.

  • Objekt jan typu Person má vlastnost name s hodnotou Jan a yearBorn s hodnotou 2000.

  • Klíčová slova public a private vám z Pythonu nejsou známá, zde v Javě i jiných jazycích označují "viditelnost" položky — jednoduše řečeno, co je veřejné a co soukromé.

  • Soukromé (private) atributy "vidíme" jen z metod třídy, v níž jsou uvedeny.

Objekt

  • Objekt je jeden konkrétní jedinec příslušné třídy.

  • Všechny vytvořené objekty nesou stejné vlastnosti, např. všechny objekty třídy Person mají vlastnost name.

  • Vlastnosti mají však pro různé lidi různé hodnoty — lidi mají různá jména.

  • Konkrétní objekt určité třídy se také nazývá instance (jedincem) své třídy.

Vytváření objektů

  • Co znamená new Person()?

  • Proč musíme psát Person jan = new Person() a ne jen Person jan?

Person jan = new Person();
// why not just:
Person jan;

  • Pouhá deklarace proměnné objektového typu (Person jan) žádný objekt nevytvoří.

  • Pouze nám to pojmenuje místo pro odkaz, který následně naplníme odkazem na skutečně vytvořený objekt.

  • K vytvoření tohoto objektu slouží operátor new.

Co se děje při vytváření objektů přes new

  • Alokuje se paměť v oblasti dynamické paměti, tedy na haldě (heap).

  • Vytvoří se tam objekt a naplní jeho atributy výchozími hodnotami.

  • Zavolá se speciální metoda objektu, tzv. konstruktor, který objekt dotvoří.

Repl.it demo k třídám a objektům

Konstruktor

  • Slouží k "oživení" vytvořeného objektu bezprostředně po jeho vytvoření:

    • Jednoduché typy, jako například int, se vytvoří a inicializují samy a konstruktor nepotřebují.

    • Složené typy, objekty, je potřeba vždy zkonstruovat!

  • V našem příkladu s osobou operátor new vytvoří prázdný objekt typu Person a naplní jeho atributy výchozími (default) hodnotami.

  • Další přednáška bude věnována konstruktorům, kde se dozvíte víc.

Třída a objekt

Třída

  • Je komplexní struktura, reprezentuje prvky z reálného světa (např. pes, člověk).

  • Je určitý vzor pro tvorbu podobných objektů (konkrétních psů či lidí).

  • Definice třídy sestává převážně z atributů a metod (říkáme jim také prvky nebo členy třídy).

  • Skutečné objekty této třídy pak budou mít prvky, které byly ve třídě definovány.

Objekt

  • Objekty jsou instancemi "své" třídy vytvořené dle definice třídy a obsahující atributy.

  • Vytváříme je operátorem new.

  • Odkazy na vytvořené objekty často ukládáme do proměnné typu té třídy, např. Person jan = new Person();

Komplexnější příklad I

Následující třída Account modeluje jednoduchý bankovní účet.

  • Každý bankovní účet má jeden atribut balance, který reprezentuje množství peněz na účtu.

  • Pak má metody:

    • add přidává na účet/odebírá z účtu

    • writeBalance vypisuje zůstatek

    • transferTo převádí na jiný účet

Komplexnější příklad II

public class Account {
   private double balance; // 0.0
   public void add(double amount) {
      balance += amount;
   }
   public void writeBalance() {
      System.out.println(balance);
   }
   public void transferTo(Account whereTo, double amount) {
      balance -= amount;
      whereTo.add(amount); // whereTo is another account
   }
}

  • Metoda transferTo pracuje nejen se svým "mateřským" objektem, ale i s objektem whereTo předaným do metody.

Komplexnější příklad - definice vs. použití třídy

  • Třída sama je definovaná v samostatném souboru Account.java.

  • Její použití pak třeba v Demo.java.

public static void main(String[] args) {
   Account petrsAccount = new Account();
   Account ivansAccount = new Account();
   petrsAccount.add(100.0);
   ivansAccount.add(20.0);
   petrsAccount.transferTo(ivansAccount, 30.0);
   petrsAccount.writeBalance(); // prints 70.0
   ivansAccount.writeBalance(); // prints 50.0
}

println vs. return

  • Pozor na rozdíl mezi vypsáním řetězce a jeho vrácením:

public void writeString() {
  System.out.println("Sample text"); // writes it
}
public String returnString() {
  return "Sample text"; // does not write it
}

Kategorie proměnných

V Javě jsou proměnné realizovány jako místa v paměti nesoucí hodnotu nebo odkaz na objekt. Rozlišujeme tyto kategorie podle místa výskytu proměnné:

  • atributy (nebo též proměnné objektu, instanční proměnné)

  • statické proměnné (nebo též statické atributy nebo proměnné třídy)

  • lokální proměnné (místní proměnné, proměnné v metodě)

Lokální proměnné

  • Ve příkladu s bankovními účty se v metodě main objevily proměnné (účty), které nebyly atributy objektů, ale pracovalo se s nimi pouze v metodě samotné.

  • Takové proměnné se označují podobně jako v jiných jazycích jako lokální.

  • Podobně jako atributy mají i tyto proměnné svůj datový typ - primitivní nebo objektový.

  • V případě primitivního pak proměnná nese přímo hodnotu (například číslo nebo boolean).

  • V případě objektového nese odkaz na objekt.

  • V tomto ohledu se to tedy nijak neliší od atributů.

public static void main(String[] args) {
   Account petrsAccount = new Account();
   petrsAccount.add(100.0);
}

Lokální v Javě = automatické

  • Liší se však okamžikem vytvoření: vytvoří se při každém zavolání metody (v případě objektové proměnné se samozřejmě vytvoří jen ten odkaz, nikoli celý objekt).

  • Proto jsou také označovány jako automatické.

  • Technicky jsou vytvořeny alokací místa na zásobníku, tedy podobným mechanismem, jako se ukládají návratové adresy při volání metod.

Deklarace

  • Úplně klasicky vypadá například deklarace lokální proměnné takto:

  • primitivní typy (čísla, boolean…​): int i = 2, boolean isOK = true

  • objektové typy:

Person jan = new Person("Honza");
// compiles iff Employee is a subclass of Person
Person petr = new Employee("Petr");

Odvození typu

  • Doposud jsme viděli, že na levé straně byl uveden deklarovaný typ proměnné.

  • V novějších verzích Javy (8+) lze využít tzn. odvození typu (type inference).

  • Z typu výrazu na pravé straně odvodíme typ proměnné na levé straně:

var petr = new Employee("Petr Servus");
// so this does not compile - Employee expected:
petr = new Person("Petr Svatý");

Odvození typového parametru

  • Kromě výše uvedených jednoduchých situací uvidíme později další.

  • U tzv. parametrizovaných typů, např. seznamů, lze odvodit typ prvku seznamu z jedné strany na druhou - i zleva doprava.

List<Person> listPeople = new ArrayList<>();
// or the type on the left is inferred to ArrayList<Person>
var listPeople = new ArrayList<Person>();

Odvození typu lambda výrazu

  • Lambda výrazy (konstrukcty funkcionálního paradigmatu) jsou také typované.

  • Funguje zde odvození typů - zde se odvodí, že v seznamu jsou osoby:

var listPeople = new ArrayList<Person>();
// type of the list item is Person
// inferred type of lambda is `(Person p) -> p.print()`:
listPeople.forEach(p -> p.print());

Organizace tříd do balíků

  • Třídy zorganizujeme do balíků.

  • V balíku jsou vždy umístěny související třídy.

  • Co znamená související?

    • pracuje na nich jeden tým

    • jejich objekty spolupracují

    • jsou podobné úrovni abstrakce

    • jsou ze stejné části reality

Příklad: V balíku geometry jsou třídy reprezentující geometrické objekty (čtverec, trojúhelník, …​).

Světově unikátní pojmenování balíků

  • Aby se zabránílo kolizím (stejná jména pro různé třídy)

  • konstruují se jména balíků jako pokud možno světově unikátní

  • byla zvolena obdoba doménových internetových jmen (taky unikátní)

Příklad jména balíku

  • cz.muni.fi.pb162 je možné a vhodné jméno balíku

  • je světově unikátní, protože cz.muni.fi je obrácené doménové jméno fakulty (fi.muni.cz)

  • pb162 je identifikátor, jehož jedinečnost už si v rámci organizace FI "uhlídáme"

  • Pozor, jiné konvence mají balíky ve standardní vestavěné knihovně Java Core API (např. java.util)

  • Občas jsou výjimky i jinde, např. používalo se junit.framework, i když to nebylo Java Core API.

Příklad třídy v balíku

package cz.muni.fi.pb162;
// class Person is in this package
public class Person {
   // attributes, methods
}
Všechna písmena názvu balíku by měla být dle konvencí malá, tedy nikoli Cz.Muni.Fi.PB162 nebo tak něco.

Plný název třídy vč. balíku

  • Na třídu v balíku se odvoláváme plným názvem cz.muni.fi.pb162.Person

  • Pokud se odvoláváme na třídu ve stejném balíku (z jedné do druhé), pak stačí jen "holé" lokální jméno Person

Zápis třídy do zdrojového souboru

  • Umístění do balíků souvisí s umístěním zdrojových souborů na disku

  • Třída Person bude v souboru Person.java

  • Tento soubor bude v adresáři cz/muni/fi/pb162

  • Pozor na velká/malá písmena — v obsahu i názvu souboru i adresářů

Příslušnost třídy k balíku

  • Deklarujeme ji syntaxí: package název.balíku;

  • Uvádíme obvykle jako první deklaraci v zdrojovém souboru.

  • Příslušnost k balíku musíme současně potvrdit správným umístěním zdrojového souboru do adresářové struktury.

  • Neuvedeme-li příslušnost k balíku, stane se třída součástí tzv. implicitního balíku — prosím nepoužívat!

(Pseudo)hierarchie balíků

  • Balíky obvykle organizujeme do jakýchsi pseudohierarchií, např.:

    • cz.muni.fi.pb162

    • cz.muni.fi.pb162.banking

    • cz.muni.fi.pb162.banking.credit

  • Nicméně není to tak, že by např. třída cz.muni.fi.pb162.banking.Account byla současně v balíku cz.muni.fi.pb162.banking a taky třeba cz.muni.fi.pb162.

  • Je-li třída v balíku cz.muni.fi.pb162.banking, je pouze v něm a žádném jiném.

  • Není ani v cz.muni.fi.pb162, ani v cz.muni.fi.pb162.banking.credit.

Prostě buď je ve stejném balíku nebo je v jiném :-)

Použití tříd v různých balících

  • Balíky slouží k logickému rozčlenění kódu

  • Důsledkem je vzájemná "(ne)viditelnost" tříd

  • Velmi zjednodušeně: třídy v jednom balíku "mají k sobě blíž"

  • Jsou-li v různých balících, vůbec o sobě nemusí vědět

Odbočka: práva přístupu

  • Kromě toho rozhoduje i to, jakou viditelnost (právo přístupu) použijeme

  • Pro tento účel slouží modifikátory public, protected, private

  • Objasníme později

Příklad vzájemného použití tříd

  • Třídy ve stejném balíku: snadné vzájemné použití

Třída Person v balíku cz.muni.fi.pb162

package cz.muni.fi.pb162;
public class Person {
   // attributes, methods
}

Třída Account v tomtéž balíku

package cz.muni.fi.pb162;
public class Account {
   private Person owner; // owner of this Account is a Person
}

Příklad vzájemného použití tříd

  • Třídy v jiném balíku: nutné plné jméno

  • Třída Account v balíku import cz.muni.fi.pb162.banking

  • použije pro třídu Person její plný název balíku

package cz.muni.fi.pb162.banking;
public class Account {
   private cz.muni.fi.pb162.Person owner; // full package name
}

Deklarace import

  • Nebo lze pro vzájemné odvolávání pomocí deklarace import

package cz.muni.fi.pb162.banking;
import cz.muni.fi.pb162.Person;
public class Account {
   private Person owner; // class name imported above
}

Deklarace import názevbalíku.NázevTřídy

  • Příklad import cz.muni.fi.pb162.Person;

  • Umožní použít identifikátor třídy (v našem případe Person) v rámci jiné třídy.

  • Píšeme obvykle ihned po deklaraci příslušnosti k balíku (package názevbalíku;).

  • Import není nutné deklarovat mezi třídami téhož balíku!

Deklarace import názevbalíku.*

  • Import všech tříd z balíku provedeme např. import cz.muni.fi.pb162.*;

  • Doporučuje se "import s hvězdičkou" nepoužívat vůbec

    • jestli máme více * importů, a obojí z nich obsahují třídu Person, která z nich se použije?

    • (nepoužije se žádná, dostanete kompilační chybu)

  • Nebudeme používat!

  • Pozn.: Hvězdičkou nezpřístupníme třídy z podbalíků — např. import cz.* nezpřístupní třídu cz.muni.fi.pb162.Person.

Základní životní cyklus javového programu

  • V Javě sice existuje interaktivní (tzv. REPL read-eval-print-loop) prostředí,

  • většinou však kód napíšeme do souboru, uložíme, přeložíme a spustíme.

  • Zdrojový kód každé veřejné (public) třídy je umístěn v jednom souboru

    • např. třída Hello je v Hello.java

Postup:

  • vytvoření zdrojového textu (libovolným editorem)

  • překlad (nástrojem javac)

  • spuštění (nástrojem java)

  • (anebo totéž jednodušeji v některém z IDE, třeba v IntelliJ Idea)

Nástroje ve vývojové distribuci

  • javac

    • překladač, tj. Hello.java → Hello.class

  • java (nebo jexec)

    • spouštěč přeloženého bytecode

  • javadoc

    • generátor dokumentace

  • jar

    • správce archivů JAR (sbalení, rozbalení, výpis)

Pod Windows to jsou .exe soubory umístěné v podadresáři bin

Překlad "Ahoj!"

  • Máme nainstalován Java SDK 8 (jen příklad, funguje i s dalšími verzemi)

  • Jsme v adresáři c:\devel\pb162, v něm je soubor Hello.java

  • Spustíme překlad — javac Hello.java

    • název souboru je včetně přípony .java

  • Je-li program správně napsán, přeloží se "mlčky"

  • Vytvoří se soubor Hello.class

Hello.java
public class Hello {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Ahoj!");
  }
}

Spuštění "Ahoj!"

  • Spustíme program Hello příkazem java Hello

    • název třídy je bez přípony .class

  • Je-li program správně napsán a přeložen, vypíše se Ahoj!

Překlad & Spuštění

Překlad překladačem javac (úspěšný, bez hlášení překladače):

compile-nopkg

Spuštění voláním java:

run-nopkg

Co když je tŕída v adresáří (balíku)

Když je tŕída v balíku, tj. na začátku souboru je:

package cz.muni.fi.pb162.hello;

Kompilace a spuštění pak vypadá následovně:

run-with-package

Pro maven projekty (všechny projekty na cvičení) je nutno být ve adresáři src/main/java.

Od Java 11: překlad a spuštění v jednom

  • Počínaje Java 11 lze na jednoduché(!) programy použít přímý postup:

  • java HelloWorld.java → program se přeloží a následně spustí

  • funguje dokonce i tehdy, nebude-li se třída s metodou main jmenovat HelloWorld

  • blíže také 330: Launch Single-File Source-Code Programs

Praktické informace (aneb co je nutné udělat)

  • Cesty ke spustitelným programům PATH musejí obsahovat i adresář <JAVA_HOME>/bin

    • Např. …​;C:\Program Files\Java\jdk9.0\bin

  • Systémové proměnné by měly obsahovat JAVA_HOME=<adresář Javy>

    • Např. JAVA_HOME=C:\Program Files\Java\jdk9.0

  • Možné je nastavit i proměnnou CLASSPATH=<cesty ke třídám>

    • Např. CLASSPATH=c:\devel\pb162

Příkazy a řídicí struktury v Javě

V Javě máme následující příkazy:

  • Přiřazovací příkaz = a jeho modifikace (kombinované operátory jako je += apod.)

  • Řízení toku programu (větvení, cykly) if, switch, for, while, do-while

  • Volání metody

  • Návrat z metody příkazem return

  • Příkaz je ukončen středníkem ;

Přiřazení v Javě

  • Operátor přiřazení = (assignment)

    1. na levé straně musí být proměnná

    2. na pravé straně výraz přiřaditelný (assignable) do této proměnné

  • Rozlišujeme přiřazení

    1. primitivních hodnot a

    2. odkazů na objekty

Přiřazení primitivní hodnoty

  • Na pravé straně je výraz vracející hodnotu primitivního typu:

    • číslo, logická hodnotu, znak

    • ale ne např. řetězec (to je objekt)

  • Na levé straně je proměnná téhož nebo širšího typu jako přiřazovaná hodnota:

    • např. int lze přiřadit do long

  • Při zužujícím přiřazení se také provede konverze, ale může dojít ke ztrátě informace:

    • např. int → short nebo i int → float nebo i int → double jsou zužující

  • Přiřazením primitivní hodnoty se hodnota zduplikuje ("opíše") do proměnné na levé straně.

Přiřazení odkazu na objekt

  • Konstrukci = lze použít i pro přiřazení do objektové proměnné, např. Person z1 = new Person()

  • Co to udělalo?

    1. pravá strana vytvoří se nový objekt typu Person ( new Person() )

    2. přiřazení přiřadilo jej do proměnné z1 typu Person

  • Nyní můžeme odkaz na tentýž vytvořený objekt například znovu přiřadit do z2: Person z2 = z1;

  • Proměnné z1 a z2 ukazují nyní na fyzicky stejný (identický) objekt typu osoba!!!

  • Proměnné objektového typu obsahují odkazy (reference) na objekty, tedy ne objekty samotné!!!

Volání metody

  • Metoda objektu je vlastně procedura/funkce, která realizuje svou činnost primárně s proměnnými objektu.

  • Volání metody určitého objektu realizujeme:

  • identifikaceObjektu.názevMetody(skutečné parametry), kde:

    • identifikaceObjektu, jehož metodu voláme

    • . (tečka)

    • názevMetody, jíž nad daným objektem voláme

  • v závorách uvedeme skutečné parametry volání (záv. může být prázdná, nejsou-li parametry)

Návrat z metody

  • Návrat z metody se děje:

    • Buďto automaticky posledním příkazem v těle metody

    • nebo explicitně příkazem return

  • Oboje způsobí ukončení provádění těla metody a návrat, přičemž u return může být specifikována návratová hodnota

  • Typ skutečné návratové hodnoty musí korespondovat s deklarovaným typem návratové hodnoty.

Přehled

  • Větvení if-else

  • Cyklus while - kde stačí vstupní po

  • Cyklus for - vstupní a pokračovací podmínka, akce po každém provedení - obdoba téhož v C/C++

  • Cyklus for ve variantě iterace po prvcích pole, seznamu, množiny…​ - tedy něco jako foreach

  • Cyklus do-while - pokračovací podmínka se testuje na konci těla cyklu

  • Vícecestné větvení switch - case - default - podobné jako v C/C++

Větvení výpočtu — podmíněný příkaz

Podmíněný příkaz

neboli neúplné větvení pomocí if

if (logický výraz) příkaz

  • Platí-li logický výraz (má hodnotu true), provede se příkaz.

  • Neplatí-li, neprovede se nic.

Úplné větvení

Příkaz úplného větvení

if (logický výraz) příkaz1 else příkaz2

  • Platí-li logický výraz (má hodnotu true), provede se příkaz1.

  • Neplatí-li, provede se příkaz2.

  • Větev else se nemusí uvádět.

Cyklus while, tj. s podmínkou na začátku

while

Tělo cyklu se provádí tak dlouho, dokud platí podmínka, obdoba v Pascalu, C a dalších

  • V těle cyklu je jeden jednoduchý příkaz:

while (podmínka) příkaz;

Cyklus while se složeným příkazem

  • Nebo příkaz složený z více a uzavřený ve složených závorkách:

while (podmínka) {
   příkaz1;
   příkaz2;
   příkaz3;
   ...
}

  • Tělo cyklu se nemusí provést ani jednou — to v případě, že hned při prvním testu na začátku podmínka neplatí.

Doporučení k psaní cyklů/větvení

  • Větvení, cykly: doporučuji vždy psát se složeným příkazem v těle (tj. se složenými závorkami)!!! Jinak hrozí, že se v těle větvení/cyklu z neopatrnosti při editaci objeví něco jiného, než chceme, např.:

    while (i < a.length)
   System.out.println(a[i]);
   i++;

  • Provede v cyklu jen ten výpis, inkrementaci již ne a program se tudíž zacyklí!!!

Doporučení k psaní cyklů/větvení

  • Pišme proto vždy takto:

    while (i < a.length) {
   System.out.println(a[i]);
   i++;
}

  • U větvení obdobně:

    if (i < a.length) {
   System.out.println(a[i]);
}

Příklad použití while cyklu

  • Dokud nejsou přečteny všechny vstupní argumenty — vč. toho případu, kdy není ani jeden:

int i = 0;
while (i < args.length) {
   System.out.println(args[i]);
   i++;
}

Příklad while — celočíselné dělení

  • Dalším příkladem (pouze ilustračním, protože na danou operaci existuje v Javě vestavěný operátor) je použití while pro realizaci celočíselného dělení se zbytkem.

public class DivisionBySubtraction {
   public static void main(String[] args) {
      int dividend = 10; // dělenec
      int divisor = 3; // dělitel
      int quotient = 0; // podíl
      int remainder = dividend;
      while (remainder >= divisor) {
         remainder -= divisor;
         quotient++;
      }
      System.out.println("Podil 10/3 je " + quotient);
      System.out.println("Zbytek 10/3 je " + remainder);
   }
}

Cyklus do-while, tj. s podmínkou na konci

  • Tělo se provádí dokud platí podmínka (vždy aspoň jednou)

  • obdoba repeat v Pascalu (podmínka je ovšem interpretována opačně)

  • Relativně málo používaný — hodí se tam, kde něco musí aspoň jednou proběhnout

do {
   příkaz1;
   příkaz2;
   příkaz3;
   ...
} while (podmínka);

Příklad použití do-while cyklu

  • Tam, kde pro úspěch algoritmu "musím aspoň jednou zkusit", např. čtu tak dlouho, dokud není z klávesnice načtena požadovaná hodnota.

float number;
boolean isOK;
// create a reader from standard input
BufferedReader in = new BufferReader(new InputStream(System.in));
// until a valid number is given, try to read it
do {
   String input = in.readLine();
   try {
      number = Float.parseFloat(input);
      isOK = true;
   } catch (NumberFormatException nfe) {
      isOK = false;
   }
} while(!isOK);
System.out.println("We've got the number " + number);

Příklad: Načítej, dokud není zadáno číslo

import java.io.InputStreamReader;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
public class UntilEnteredEnd {
   public static void main(String[] args) throws IOException {
      BufferedReader input = new BufferedReader(
         new InputStreamReader(System.in));
      String line = "";
      do {
            line = input.readLine();
      } while (!line.equals("end"));
      System.out.println("Uživatel zadal " + line);
   }
}

Cyklus for

  • Obdobně jako for cyklus v C/C++ jde de-facto o rozšíření cyklu while.

  • Zapisujeme takto:

for(počáteční op.; vstupní podm.; příkaz po každém průch.)
   příkaz;

  • Anebo obvykleji a bezpečněji mezi { a } proto, že když přidáme další příkaz, už nezapomeneme dát jej do složených závorek:

for (počáteční op.; vstupní podm.; příkaz po každém průch.) {
   příkaz1;
   příkaz2;
   příkaz3;
}

Příklad použití for cyklu

  • Provedení určité sekvence určitý počet krát:

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
   System.out.println(i);
}

  • Vypíše na obrazovku deset řádků s čísly postupně 0 až 9.

Doporučení — asymetrické intervaly a pevný počet

  • for se většinou užívá jako cyklus s pevným počtem opakování, známým při vstupu do cyklu. Tento počet nemusí být vyjádřený konstantou (přímo zadaným číslem), ale neměl by se v průběhu cyklu měnit.

  • Používejte asymetrické intervaly (ostrá a neostrá nerovnost):

    • počáteční přiřazení i = 0 a

    • inkrementaci i++ je neostrou nerovností: i se na začátku rovná 0), zatímco

    • opakovací podmínka i < 10 je ostrou nerovností: i už hodnoty 10 nedosáhne!

  • Vytvarujte se složitých příkazů v hlavičce (kulatých závorkách) for cyklu.

  • Je lepší to napsat podle situace před cyklus nebo až do jeho těla!

Doporučení — řídicí proměnná

  • V cyklu for se téměř vždy vyskytuje tzv. řídicí proměnná,

  • tedy ta, která je v něm inicializována, (obvykle) inkrementována a testována.

  • Někteří autoři nedoporučují psát deklaraci řídicí proměnné přímo

    • do závorek cyklu for (int i = 0; …​

    • ale rozepsat takto: int i; for (i = 0; …​

  • Potom je proměnná i přístupná ("viditelná") i za cyklem, což se však ne vždy hodí.

Vícecestné větvení switch case default

  • Obdoba pascalského select - case - else

  • Větvení do více možností na základě ordinální hodnoty, v novějších verzí Javy i podle hodnot jiných typů, vč. objektových.

  • Chová se spíše jako switch-case v C, — zejména se chová jako C při "break-through"

Struktura switch - case - default

   switch(výraz) {
      case hodnota1: prikaz1a;
                     prikaz1b;
                     prikaz1c;
                     ...
                     break;
      case hodnota2: prikaz2a;
                     prikaz2b;
                     ...
                     break;
      default:       prikazDa;
                     prikazDb;
                     ...
   }

  • Je-li výraz roven některé z hodnot, provede se sekvence uvedená za příslušným case.

  • Sekvenci obvykle ukončujeme příkazem break, který předá řízení ("skočí") na první příkaz za ukončovací závorkou příkazu switch.

switch další info

  • Řídicí výraz může nabývat hodnot

    • primitivních typů byte, short, char a int, dále

    • výčtových typů (enum),

    • typu String a některých dalších.

  • Tutoriál Oracle Java: Switch statement

switch příklad s čísly

public class MultiBranching {
   public static void main(String[] args) {
      if (args.length == 1) {
         int i = Integer.parseInt(args[0]);
         switch (i) {
            case 1: System.out.println("jednicka"); break;
            case 2: System.out.println("dvojka"); break;
            case 3: System.out.println("trojka"); break;
            default: System.out.println("neco jineho"); break;
         }
         } else {
            System.out.println("Pouziti: java MultiBranching <cislo>");
         }
      }
   }

switch příklad se String

Převzato z tutoriálu Oracle

   switch (month.toLowerCase()) {
      case "january":
         monthNumber = 1;
         break;
      case "february":
         monthNumber = 2;
         break;
      case "march":
         monthNumber = 3;
         break;
      ...

switch příklad se společnými větvemi case

Převzato z tutoriálu Oracle

int month = 2;
int year = 2000;
int numDays = 0;

switch (month) { case 1: case 3: case 5: case 7: case 8: case 10: case 12: numDays = 31; break; case 4: case 6: case 9: case 11: numDays = 30; break; …​

Použití nové syntaxe větví →

  • V nových verzích Java 14+ lze použít namísto otravného ukončování větví pomocí break (což je kdysi poděděné z C) nové syntaxe s šipkou →.

switch (day) {
    case MONDAY, FRIDAY, SUNDAY -> System.out.println(6);
    case TUESDAY                -> System.out.println(7);
    case THURSDAY, SATURDAY     -> System.out.println(8);
    case WEDNESDAY              -> System.out.println(9);
}

  • Ve vybrané větvi se provede příkaz nebo blok, je-li uveden v { }.

  • Jednu větev lze vybrat více výrazy současně (např. MONDAY, FRIDAY, SUNDAY).

Výraz switch

  • switch nemusíme používat jen jako příkaz vícecestného větvení

  • zejména ve výše uvedených příkladech, kdy se v každé větvi provedlo jen přiřazení do stejné proměnné, je lepší použít switch v nové formě jako jakýsi rozšířený podmíněný výraz

  • funguje v Javě 14+

int numLetters = switch (day) {
    case MONDAY, FRIDAY, SUNDAY -> 6;
    case TUESDAY                -> 7;
    case THURSDAY, SATURDAY     -> 8;
    case WEDNESDAY              -> 9;
};

Vnořené větvení

  • Větvení if - else můžeme samozřejmě vnořovat do sebe.

  • Toto je vhodný způsob zápisu:

if(podmínka_vnější) {
      if(podmínka_vnitřní_1) {
            ...
      } else {
            ...
      }
} else {
      if(podmínka_vnitřní_2) {
            ...
      } else {
            ...
      }
}

Vnořené větvení (2)

  • Je možné "šetřit" a neuvádět složené závorky, v takovém případě se else vztahuje vždy k nejbližšímu neuzavřenému if , např. znovu předchozí příklad:

    if(podmínka_vnější)
   if(podmínka_vnitřní_1)
      ...
   else // vztahuje se k if(podmínka_vnitřní_1)
else // vztahuje se k if(podmínka_vnější)
   if (podmínka_vnitřní_2)
      ...
   else // vztahuje se k if (podmínka_vnitřní_2) ...

  • Tak jako u cyklů ani zde tento způsob zápisu (bez závorek) nelze v žádném případě doporučit!!!

Příklad vnořeného větvení

public class NestedBranching {
   public static void main(String args[]) {
      int i = Integer.parseInt(args[0]);
      System.out.print(i+" je cislo ");
      if (i % 2 == 0) {
         if (i > 0) {
            System.out.println("sude, kladne");
         } else {
            System.out.println("sude, zaporne nebo 0");
         }
      } else {
         if (i > 0) {
            System.out.println("liche, kladne");
         } else {
            System.out.println("liche, zaporne");
         }
      }
   }
}

Řetězené if - else if - else

  • Časteji rozvíjíme pouze druhou (negativní) větev:

    if (podmínka1) {
   ... // platí podmínka1
} else if (podmínka2) {
   ...  // platí podmínka2
} else if (podmínka3) {
   ...  // platí podmínka3
} else {
   ...  // neplatila žádná
}

  • Opět je dobré všude psát složené závorky.

Příklad if - else if - else

public class MultiBranchingIf {
   public static void main(String[] args) {
      if (args.length == 1) {
         int i = Integer.parseInt(args[0]);
         if (i == 1)
         System.out.println("jednicka");
         else if (i == 2)
         System.out.println("dvojka");
         else if (i == 3)
         System.out.println("trojka");
         else
         System.out.println("jine cislo");
         } else {
            System.out.println("Pouziti: java MultiBranchingIf <cislo>");
         }
      }
   }

Příkazy break

  • Realizuje "násilné" ukončení průchodu cyklem nebo větvením switch.

  • Syntaxe použití break v cyklu:

    int i = 0;
for (; i < a.length; i++) {
   if(a[i] == 0) {
      break; // skoci se za konec cyklu
   }
}
if (a[i] == 0) {
   System.out.println("Nasli jsme 0 na pozici "+i);
} else {
   System.out.println("0 v poli neni");
}

  • Použití u switch jsme již viděli přímo v ukázkách pro switch.

Příkaz continue

  • Používá se v těle cyklu.

  • Způsobí přeskočení zbylé části průchodu tělem cyklu

    for (int i = 0; i < a.length; i++) {
   if (a[i] == 5) continue; // pětku vynecháme
   System.out.println(i);
}

  • Výše uvedený příklad vypíše čísla 1 , 2 , 3 , 4 , 6 , 7 , 8 , 9 , nevypíše hodnotu 5.

Příklad na break i continue

public class BreakContinue {
   public static void main(String[] args) {
      if (args.length == 2) {
         int limit = Integer.parseInt(args[0]);
         int skip = Integer.parseInt(args[1]);
         for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            if (i == skip)
               continue;
            System.out.print(i+" ");
            if (i == limit)
               break;
         }
         System.out.println("\nKonec cyklu");
      } else {
         System.out.println(
            "Pouziti: java BreakContinue <limit> <vynechej>");
      }
   }
}
Příklad je pouze ilustrativní — v reálu bychom break na ukončení cyklu v tomto případě nepoužili a místo toho bychom limit dali přímo jako horní mez for cyklu.

break a continue s návěštím

  • Umožní ještě jemnější řízení průchodu vnořenými cykly:

    • pomocí návěští můžeme naznačit, který cyklus má být příkazem break přerušen nebo

    • tělo kterého cyklu má být přeskočeno příkazem continue.

public class Label {
   public static void main(String[] args) {
      outer_loop:
      for (int i = 1; i <= 10; i++) {
         for (int j = 1; j <= 10; j++) {
            System.out.print((i*j)+" ");
            if (i*j == 25) break outer_loop;
         }
         System.out.println();
      }
      System.out.println("\nKonec cyklu");
   }
}

Repl.it demo k řídicím strukturám

Konstruktory

  • Konstruktory jsou speciální metody volané při vytváření nových objektů (=instancí) dané třídy.

  • V konstruktoru se typicky inicializují atributy (proměnné) objektu.

  • Konstruktory lze volat jen ve spojení s operátorem new k vytvoření nového objektu.

  • V Pythonu jsou to metody def init(self):

  • V Javě se jmenují přesně stejně jako jejich třída (a bez návratového typu)

  • Konstruktorů v jedné třídě může být více - musí se pak lišit počtem evt. typem parametrů

Příklad konstruktoru

  • Konstruktor se dvěma parametry, inicializuje hodnoty atributů:

public class Person {
  private String name;
  private int age;

  public Person(String name, int age) {
    this.name = name;
    this.age = age;
  }
}

  • identifikátor this znamená, že se přistupuje k atributům objektu

  • odpovídá self v Pythonu (kde se ale musí používat i tam, kde se neshoduje jméno atributu a lokální proměnné = parametru)

  • nastavují se dle hodnot name, age předaných do konstruktoru

Konstruktory — použití

  • Příklad využití tohoto konstruktoru:

...
Person pepa = new Person("Pepa from Hongkong", 105);
...

  • Toto volání vytvoří objekt pepa a naplní ho jménem a věkem.

  • Následně je možné získávat hodnoty proměnných objektů pomocí tečkové notace, např. pepa.age.

  • V tomto případě by nebylo možné volat Person pepa = new Person();, protože existující konstruktor má dva parametry.

Výchozí (default) konstruktor

  • Co když třída nemá definovaný žádný konstruktor?

  • Vytvoří se automaticky výchozí (default) konstruktor:

public Person() { }

  • Použití konstruktoru pak vypadá následovně:

Person p = new Person();

  • Výchozí (default) konstruktor se vytvoří pouze v případě, že žádný jiný konstruktor v třídě neexistuje.

Nevytvoření objektu

  • Co když volám nad proměnnou metody bez vytvoření objektu?

Person p = null;
System.out.println(p.getName());

  • Kód po spuštění "spadne", neboli zhavaruje, předčasně skončí.

  • Java sa snaží pád programu popsat pomocí výjimek (exceptions).

  • Výjimky mají své jméno, obvykle i určitý textový popis dokumentující příčinu havárie.

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException

  • Výjimky budou probírány později.

Návratový typ konstruktoru?

  • Jaký je návratový typ konstruktoru?

  • "prázdný" typ void? NIKOLI!

  • konstruktory vracejí odkaz na vytvořený objekt

  • návratový typ nepíšeme, typem je fakticky odkaz na nově vytvořený objekt

Proměnná objektového typu

  • Bavíme se o proměnných lokálních ve kódu metod.

  • Proměnná objektového typu se deklaruje např. Person p;

  • Deklarace proměnné objektového typu sama o sobě žádný objekt nevytváří

  • Takové proměnné jsou pouze odkazy na dynamicky vytvářené objekty

  • Vytvoření objektu se děje až operátorem new dynamicky, instance se vytvoří až za běhu programu

  • V Javě se celé objekty do proměnné neukládají, jde vždy o uložení pouze odkazu (adresy) na objekt

Přiřazení proměnné objektového typu

  • Přiřazením takové proměnné pouze zkopírujeme odkaz

  • Na jeden objekt se odkazujeme nadále ze dvou míst

  • Nezduplikujeme tím objekt

Příklad kopie odkazu na objekt

  • Proměnné jan a janCopy ukazují na ten tentýž objekt ⇒ změna objektu se projeví v obou:

public static void main(String[] args) {
  Person jan = new Person("Jan");
  Person janCopy = jan;
  janCopy.name = "Janko"; // modifies jan too
  System.out.println(jan.name); // prints "Janko"
}

Konstruktory — shrnutí

Jak je psát a co s nimi lze dělat?

  • neuvádí se návratový typ

  • mohou a nemusí mít parametry

  • když třída nemá žádný konstruktor, automaticky se vytvoří výchozí

  • může jich být více v jedné třídě, reálně se používá

Návrhové vzory

  • Návrhové vzory jsou osvědčené způsoby objektové dekompozice v jasně popsaných situacích

  • Jsou použitelné pro libovolný objektově orientovaný jazyk

  • Jejich aplikace ale vyžaduje návrhová rozhodnutí, která mohou být ovlivněna vlastnostmi programovacího jazyka

  • Mnohé si postupně stručně představíme s cílem

    • demonstrovat, že objektová dekompozice Java Core API není náhodná,

    • motivovat vás l používání vozrů při dekompozici vašeho kódu.

Vytvářecí návrhové vzory

Speciální podskupina návrhových vzorů, která nabízí alternativní způsoby k vytváření objektů, než je prosté volání konstruktoru

  • Singleton: Vytvoření jediné instance třídy, kterou všichni sdílí a snadno k ní přistupují odkudkoli.

  • Builder: Konstrukce složitého objektu po kouscích (např. vytvoření grafu přidáváním uzlů a hran).

  • Prototype: Namísto vytváření nového objektu naklonuj existující objekt.

  • Abstract Factory: Jednotné místo pro vytváření vzájemně kompatibilních instancí různých tříd.

  • Factory Method: Přenechání konstrukce objektu podtřídě.

  • Dobrá praxe dle Josh Bloch: Effective Java

Co je zapouzdření

  • Naprosto zásadní vlastnost objektového přístupu, možná nejzásadnější

  • Jde o spojení dat a práce s nimi do jednoho celku - objektu

  • Data jsou v atributech objektu, práce je umožněna díky metodám objektu

  • Data by měla být zvenčí (jinými objekty) přístupná jen prostřednictvím metod

  • Data jsou tedy "skryta" uvnitř, zapoudřena

  • To zajistí větší bezpečnost a robustnost, přístup k datům máme pod kontrolou

Motivace zapouzdření

class Person {
   String name;
   int age;

   Person(String inputName, int inputAge) {
     name = inputName;
     age = inputAge;
   }
 }

Co když:

  • Nechceme, aby kdokoli mohl modifikovat atributy name, age po vytvoření objektu

  • Většinou ale chceme, aby konstruktor a třídu mohl používat každý

Řešení — práva přístupu

  • Nastavíme viditelnost nebo též práva přístupu pomocí modifikátorů třídy, metody nebo atributu

  • Nechceme modifikovat atributy name, age po vytvoření objektu? ⇒ použijeme klíčové slovo private

  • Chceme, aby mohl konstruktor a třídu používat skutečně každý? ⇒ použijeme klíčové slovo public

public class Person {
  private String name;
  private int age;

  public Person(String inputName, int inputAge) {
    name = inputName;
    age = inputAge;
  }
}

4 typy viditelnosti v zkratce

  • public = veřejný, může používat každý i mimo balík ⇒ používejte na třídy a (některé) metody

  • private = soukromý, nemůže používat nikdo mimo třídy ⇒ používejte na atributy

  • protected = chráněný ⇒ používá se při dědičnosti, vysvětlíme později

  • modifikátor neuveden, pak jde o možnost přístupu "package local"

    • v rámci balíku se chová jako public, mimo něj jako private

    • v našem kurzu tento typ nebudeme používat

  • Ujistěte se, že vždy máte zadefinovaný práva přístupu/typ viditelnosti.

  • V drtivé většině budete používat public a private.

Každá veřejná třída musí být v souburu se stejným jménem.

Metody get & set — motivace

public class Person {
   private String name;
   private int age;

   public Person(String inputName, int inputAge) {
     name = inputName;
     age = inputAge;
   }
 }

  • Klíčové slovo public umožňuje použít třídu Person všude

    Person p = new Person("Marek", 23); // even from another class/package

  • Klíčové slovo private zabraňuje získat hodnotu atributů p.name, p.age.

Metody get

  • Chci získat hodnotu atributu i po vytvoření objektu,

  • ale zabránit jeho modifikaci?

  • Do třídy přidáme metodu, která bude veřejná a po zavolaní vrátí hodnotu atributu.

public int getAge() {
  return age;
}

  • Takové metody se slangově nazývají "gettery".

  • Mají návratovou hodnotu podle typu vraceného atributu.

  • Název metody je vždy get + jméno atributu s velkým písmenem (getAge, getName, …​).

Metody set

  • Chci-li nastavit hodnotu atributu i po vytvoření objektu:

public void setAge(int updatedAge) {
  age = updatedAge;
}

  • Metoda je veřejná a po jejím zavolaní přenastaví původní hodnotu atributu.

  • Takové metody se slangově nazývají settery.

  • Mají návratovou hodnotu typu void (nevrací nic).

  • Název metody je vždy set + jméno atributu s velkým písmenem (setAge, setName, …​).

Příklad atribut a get & set

public class Person {
  private String name; // attribute
  public String getName() { // its getter
    return name;
  }
  public void setName(String newName) { // its setter
    name = newName;
  }
}

Viditelnost atributů

  • Není lepší udělat atribut public, namísto vytváření metod get a set?

  • Není, neumíme pak řešit tyhle problémy:

  • Co když chci jenom získat hodnotu atributu, ale zakázat modifikaci (mimo třídy)? ⇒ Řešení: odstraním metodu set

  • Chci nastavit atribut věk (v třídě Person) pouze na kladné číslo? ⇒ Řešení: upravím metodu set:

    • if (updatedAge > 0) age = updatedAge;

  • Chci přidat kód provedený při získávání/nastavování hodnoty atributů? ⇒ Řešení: upravím metodu get/set

  • Gettery & settery se dají ve vývojových prostředích (NetBeans, IDEA) generovat automaticky.

Využití this

public void setAge(int updatedAge) {
  age = updatedAge;
}

  • Mohli bychom nahradit jméno parametru updatedAge za age?

  • Ano, ale jak bychom se potom dostali k atributu objektu?

  • Použitím klíčového slova this:

public void setAge(int age) {
  this.age = age;
}

  • this určuje, že jde o atribut objektu, nikoli parametr (lokální proměnnou)

Korektní použití třídy I

public class Person {
   private String name;
   public Person(String name) {
     this.name = name;
   }
   public void writeInfo() {
     System.out.println("Person " + name);
   }
   public String getName() {
     return this.name;
   }
}

Korektní použití třídy II

  • Vytvoříme dvě instance (konkrétní objekty) typu Person.

public class Demo {
   public static void main(String[] args) {
      Person ales = new Person("Ales");
      Person beata = new Person("Beata");
      ales.writeInfo();
      beata.writeInfo();
      String alesName = ales.getName(); // getter is used
      // String alesName = ales.name; // forbidden
   }
}

Třída Account — připomenutí

public class Account {
  private double balance;
  public void add(double amount) {
    balance += amount;
  }
  public void writeBalance() {
    System.out.println(balance);
  }
  public void transferTo(Account whereTo, double amount) {
    balance -= amount; // change the balance
    whereTo.add(amount);
  }
}

  • Co je zde malý nedostatek?

  • metoda transferTo přistupuje přímo k balance

  • ale přístup k balance by měl být nějak lépe kontrolován (např. zda z účtu neberu více, než smím)!

Třída Account — řešení

  • řešení: znovupoužijeme metodu add, která se o kontrolu zůstatku postará

  • (i když to třeba ještě teď neumí!)

    public void transferTo(Account whereTo, double amount) {
  this.add(-amount);
  whereTo.add(amount);
}

Konvence obecně

  • Slouží k ustálení zvyklostí, jak psát kód

  • Konvence pro různé programovací jazyky se obvykle částečně liší.

  • Nejsou striktně vyžadované překladačem, tzn. kód může být přeložitelný a funkční i při porušení konvencí

  • V Javě se dodržují víceméně všude a všemi vývojáři, ti většinou nemají moc vlastních odlišných konvencí

  • V Javě se na nich hodně lpí a jejich nedodržování je neslušnost

  • Podstatnou kategorií konvencí jsou jmenné konvence pro pojmenovávání tříd, proměnných atd.

Jmenné zásady v Javě

  • Nepoužíváme diakritiku (problémy s editory, přenositelností a kódováním znaků)

  • Používáme výhradně angličtinu (čeština/slovenština dělá problémy cizojazyčným kolegům v týmu)

  • Je-li jméno složenina více slov, pak je nespojujeme podtržítkem: This_is_bad_in_Java

  • Používáme tzv. camelCase, "velbloudí" střídání velkých a malých písmen: myVeryLongMethodNameIsOK()

  • Konvence jsou jiné pro jména balíků, tříd, metod, proměnných atd. viz dále

Konvence názvů proměnných

  • vztahují se na lokální proměnné v metodách i na atributy

  • jména proměnných začínají malým písmenem

  • Příklady

    • age

    • temporalName

Konvence názvů metod

  • platí pro všechny metody obecně

  • jména metod začínají malým písmenem

  • názvy metod vždy obsahují závorky, v kterých mohou, ale nemusí, být parametry

  • Příklady

    • calculateAge()

    • print(String stringToBePrinted) — stringToBePrinted je parametr

    • toString()

Konvence názvů tříd

  • začínají velkým písmenem

  • Příklady

    • Person

    • MeasurableGrid

Konvence názvů balíků

  • všechno malými písemny

  • jednotlivá slova reprezentují složky názvu (a tím adresáře, kde jsou třídy balíku uloženy)

  • slova jsou oddělena tečkou

  • Příklady

    • cz

    • cz.muni.fi

    • geometry (není ideální, protože není světově unikátní)

Konvence názvů konstant

  • Konstantou rozumíme hodnotu, která se nemění

  • Název konstanty se píše velkými písmeny

  • Konstanta je jediná výjimka, kde v názvu používáme znak _

  • Příklady

    • SIZE

    • MAXIMUM_AGE

    • DEFAULT_USER_NAME

  • Deklarace typicky obsahuje modifikátory public static final

  • V celé podobě například public static final int MAXIMUM_AGE = 100;

  • Je dobře možné i s omezenou viditelností private static final int MAXIMUM_AGE = 100;

Jmenné konvence — testík

  • Co následující identifikátory mohou být - Třída? Metoda? Lokální proměnná? Atribut? Konstanta?

    • Dog

    • dog

    • dog()

    • DOG

Jmenné konvence — závěrem

  • Dodržování jmenných konvencí výrazně zlepšuje čitelnost i cizího kódu

  • Je základem psaní srozumitelných programů

  • Bude vyžadováno a hodnoceno v úlohách i písemkách

  • Poměrně málo často se v názvech tříd či proměnných používají číslice — spíše výjimečně

  • Jedině tam, kde jde o zvláštní konkrétní význam daného čísla, např. Counter32bit, Vertex2D.

Úvod k datovým typům v Javě

  • Existují dvě základní kategorie datových typů: primitivní a objektové

Primitivní

  • v proměnné je uložena přímo hodnota

  • např. int, long, double, boolean, …​

Objektové

  • musí se nejdřív zkonstruovat (použitím new)

  • do proměnné se uloží pouze odkaz

  • např. String, Person, …​

  • mezi objektové patří i výčtové typy (enum) podobné třídám (de facto jsou to specifické třídy)

  • zcela nově pak Java nabízí i typy record (záznam) = jakési speciální třídy neměnitelných objektů

Datové typy primitivní

integrální typy

zahrnují typy celočíselné (byte , short , int a long) a typ char

čísel s pohyblivou řádovou čárkou

float a double

logických hodnot

boolean

Výchozí (default) hodnoty

  • Každý typ má svou výchozí (default) hodnotu, na kterou je nastaven, není-li hned přiřazena jiná.

  • Dle Java Language Specification: Each class variable, instance variable, or array component is initialized with a default value when it is created (§15.9, §15.10):

TypeDefault value

byte

(byte)0

short

(short)0

int

0

long

0L

float

0.0f

double

0.0d

char

'\u0000'

boolean

false

reference types

null

Na co se vztahují výchozí hodnoty

  • Automatické nastavení proměnných na výchozí hodnoty se tedy vztahuje na proměnné objektů a tříd (atributy) a prvky polí.

  • Nevztahuje se na lokální proměnné a parametry, ty musejí být před prvním použitím nastaveny, inicializovány.

Příklad výchozí hodnoty

int i; // automatically i = 0
Více informací najdete na: The Java Tutorials: Primitive Data Types.

Repl.it demo k primitivním typům a objektům

Zajímavosti a odlišnosti

  • V Javě neexistuje možnost typy rozsahově či interpretačně modifikovat (žádné unsigned int apod.)

  • Pro velká čísla lze v nových verzích Javy použít notaci s podtržítkem k oddělení řádů po tisících:

private int bigNumber = 123_456_789;

Datové typy objektové

  • objektovými typy v Javě jsou všechna ostatní typy

  • třídy

  • rozhraní ("téměř totéž, co třídy")

  • pole (ano, v Javě jsou samotná pole objekty)

Výchozí hodnota objektového typu je null — tzv. "odkaz na nic".

Příklad použití objektového typu

Person p; // p is null automatically
p = new Person(); // now p references to an object

  • Objektový typ je všechno, kde se používá operátor new.

Shrnutí

Základní rozdíl je v práci s proměnnými.

primitivní typy

přímo obsahují danou hodnotu

objektové typy

obsahují pouze odkaz na příslušný objekt

  • Důsledek: dvě objektové proměnné mohou nést odkaz na tentýž objekt

Přiřazení primitivní proměnné

  • Hodnota proměnné se nakopíruje:

double a = 1.23456;
double b = a;
a += 2;
// a is 3.23456
// b is 1.23456

Přiřazení objektové proměnné

  • Objektové proměnné po přiřazení odkazují (ukazují) na stejný objekt.

  • Nevznikají přitom žádné kopie objektů, pouze odkaz (adresa) se zkopíruje do proměnné vlevo.

public class Counter {
   private double value;
   public Counter(double v) {
      value = v;
   }
   public void add(double v) {
      value += v;
   }
}
...
Counter c1 = new Counter(1.23456);
Counter c2 = c1;
c1.add(2);
// c1 has value 3.23456
// c2 has value 3.23456

Operátor ==

  • Pro primitivní typy porovnává hodnoty:

1 == 1 // true
1 == 2 // false

  • Pro objektové typy porovnává odkazy:

Counter c1 = new Counter(1.23456);
Counter c2 = c1;
c1 == c2 // true
c1 == new Counter(1.23456) // false

  • Na porovnání hodnot objektových typů se používá equals, probereme později.

Použití u metod — primitivní typy

  • Java funguje na principu "pass-by-value", tj. změna v metodě se neprojeví:

public static void main(String[] args) {
  int i = 1;
  passByValue(i);
  System.out.println(i); // 1
}

private static void passByValue(int i) {
  i = 4;
}

Použití u metod — objektové typy

  • Odkazy na objekty fungují obdobně — změna objektu na jiný se neprojeví.

  • Modifikace téhož objektu však ano!

public static void main(String[] args) {
  Dog d = new Dog("Max");
  passByValue2(d);
  System.out.println(d); // Charlie
}

private static void passByValue2(Dog d) {
  d.setName("Charlie");
  d = new Dog("Alex");
}

Pole v zkratce

  • Vytvoření, naplnění a získání hodnot vypadá následovně:

int[] array = new int[2];
array[0] = 1;
array[1] = 4;
System.out.println("First element is: " + array[0]);

  • Deklarace: typ[] jméno = new typ [velikost];

  • typ může být i objektový: Person[] p = new Person[3];

Řetězce ve zkratce

  • String je velice často užívaný typ, jeho hodnotami jsou posloupnosti znaků.

  • Jedná se o typ objektový, nikoli primitivní.

  • Proměnné typu String tedy odkazují na objekty, které teprve obsahují znaky řetězce.

  • Řetězec smí být prázdný (velikost neboli délka = 0), zapisujeme "".

  • Pro vytváření řetězců nemusíme používat operátor new; stačí napsat:

String s = "Hello!";
System.out.println("Greeting is " + s);
// this is also possible:
s = new String("Hello!");

Porovnání řetězců

  • Z objektové povahy řetězců plyne, že k jejich porovnávání musíme přistupovat jinak, než např. k porovnávání čísel.

  • Většinou potřebujeme zjistit, zda jsou dva řetězce stejné, tzn. mají:

    • stejný počet znaků (nebo jsou oba prázdné)

    • na stejných pozicích mají stejné znaky

  • Takovou shodu ověříme pomocí metody equals, nikoli pomocí ==

String s = "Hello!";
String t = "Hell" + "o!";
System.out.println("Strings are equal? " + s.equals(t));

Dokumentace javových programů I

  • Dokumentace je nezbytnou součástí javových programů.

  • Existuje mnoho druhů dokumentací dle účelu:

    • instalační (pokyny pro nasazení produktu)

    • systémová (konfigurace, správa produktu)

    • uživatelská (pro užívání produktu)

    • vývojářská neboli programátorská (pro údržbu, rozšiřování a znovupoužití)

Dokumentace javových programů II

  • Zde se budeme věnovat především dokumentaci programátorské.

  • To znamená pro ty, kteří budou náš kód využívat ve svých programech, rozšiřovat jej, udržovat jej.

  • Programátorské dokumentaci se říká dokumentace API, javadoc.

  • Nejlepším příkladem je přímo dokumentace Java Core API

Pravidla komentování

Při psaní dokumentace dodržujeme tato pravidla:

  • Jedná se hlavně o dokumentaci pro ostatní, tudíž prioritně dokumentujeme to, co je pro použití ostatními

  • Dokumentujeme především celé třídy a jejich public a protected metody.

  • Ostatní věci dle potřeby, například těžce pochopitelné nebo nelogické pasáže kódu.

  • Dokumentaci píšeme přímo do zdrojového kódu ve speciálních dokumentačních komentářích.

  • Dovnitř metod nepíšeme většinou žádné komentáře, ale můžeme (obtížné části).

  • Ideální ovšem je, když uvnitř metod žádný komentář být nemusí, neboť účel a funkčnost je z kódu zřejmá :-)

  • Ve výuce (ale často i v praxi) budou komentáře ve vašem projektu vynucovány nástrojem checkstyle.

Typy komentářů

  • řádkové - od značky // do konce řádku, nepromítnou se do dokumentace

     // inline comment, no javadoc generated

  • blokové - mohou být na libovolném počtu řádků, nepromítnou se do dokumentace

    /* block comment, no javadoc generated */

  • dokumentační - libovolný počet řádků, promítnou se do dokumentace

    /** documentary comment, javadoc generated */

  • Řádkové a blokové komentáře by měly být pouze dočasné, ve výsledném kódu by měly být komentáře pouze dokumentační.

Nástroj javadoc

  • Slouží ke strojovému generování dokumentace z dokumentačních komentářů a ze samotné struktury programu

  • Dokumentace se vygeneruje do sady HTML souborů, takže to bude vypadat jako v Java Core API.

  • Používá speciální značky se znakem zavináč, např. @author, v dokumentačních komentářích

Značky nástroje javadoc

  • Javadoc používá značky vkládané do dokumentačních komentářů; hlavními jsou:

    @author

    specifikuje autora

    @param

    popisuje jeden parametr metody

    @return

    popisuje co metoda vrací

    @throws

    popisuje informace o výjimce, kterou metoda propouští ("vyhazuje")

a další…​

Co dokumentujeme

  • Dokumentujeme především celé třídy, zejména veřejné

  • Jejich public a protected metody

  • Lze dokumentovat i celý balík a to sepsáním souboru package-info.html v příslušném balíku

  • V pořádných knihovnách (API) dokumentace k balíkům je

Komentář třídy

/**
 * This class represents a point in two dimensional space.
 *
 * @author Petr Novotny
 **/
 public class Vertex2D { ... }

Komentář metody I

  • Zkrácený oficiální komentář metody toString():

/**
 * Returns a string representation of the object. In general, the
 * {@code toString} method returns a string that
 * "textually represents" this object. The result should ...
 *
 * @return  a string representation of the object.
 */
 public String toString() { ... }

  • Část {@code toString} značí formátování, vypíše to toString neproporcionálním písmem.

Komentář metody II

/**
 * Returns the smaller of two int values.
 * If the arguments have the same value, the result is that same value.
 *
 * @param   a   an argument.
 * @param   b   another argument.
 * @return  the smaller of {@code a} and {@code b}.
 */
public int min(int a, int b) {
    return (a <= b) ? a : b;
}

Kde uvádíme dokumentační komentáře

  • Dokumentační komentáře uvádíme:

    • Před hlavičkou třídy — pak komentuje třídu jako celek.

    • Před hlavičkou metody — pak komentuje příslušnou metodu.

  • Doporučení Sun/Oracle k psaní dokumentačních komentářů — How to Write Doc Comments for the Javadoc Tool

Problémy dokumentování

  • Komentáře lžou — změním kód a zapomenu upravit komentář

    /**
 * Calculates velocity.
 */
System.out.println(triangle.getArea());

  • Zbytečné komentáře

    private int size; // creates size

  • Ideální je psát kód a názvy tříd a metod tak, aby se komentáře ani nemusely číst

Java je ukecaná

talkative-java

Úvod

  • Se statickou metodou jsme se setkali už u úplně prvního programu - Hello, world!

public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Hello World!");
  }
}

  • public reprezentuje viditelnost — metoda je veřejná

  • void reprezentuje návratový typ — nic nevrací

  • Co reprezentuje static?

  • Metoda static v Javě (jinde může být chápáno jinak) říká, že metoda nepotřebuje pro své fungování žádný konkrétní existující objekt, s nímž by pracovala

  • To přesně potřebujeme u main, neboť žádný objekt dosud nemáme

Dosud byly nestatické metody a atributy

  • Dosud jsme zmiňovali atributy (proměnné) a metody objektu.

  • Jméno (atribut String name) patří přímo jedné osobě

  • Metoda toString vrátí Person jméno této osoby

public class Person {
  private String name; // name of this person
  ...
  public String toString() {
    return "Person " + name; // returns name of this person
  }
}

Jak fungují statické metody a atributy

  • Lze deklarovat také metody a proměnné patřící celé třídě, tj. všem objektům třídy.

  • Taková proměnná (nebo metoda) existuje pro jednu třídu jen jednou.

  • Označujeme ji static.

Použití statických metod

  • Chceme metodu max, která vrací maximální hodnotu dvou čísel

  • K tomu žádné objekty nepotřebujeme

  • Uděláme ji jako statickou

public class Calculate {
  public static int max(int a, int b) {
    if (a > b) return a;
    return b;
  }
}

Jde i jako nestatická?

  • Ano, takto. Vynecháme static.

public class Calculate {
  public int max(int a, int b) {
    if (a > b) return a;
    return b;
  }
}

  • Na spuštění max budu nyní potřebovat objekt třídy Calculate

Calculate c = new Calculate();
int max = c.max(1, 2); // method needs an object `c`

  • Ovšem ten objekt c je tam úplně k ničemu, s žádnými jeho atributy se nepracuje a ani žádné nemá

Řešení

  • Uděláme metodu statickou.

  • Pak metoda patří celé třídě a zavoláme ji názvem třídy bez konkrétního objektu

public class Calculate {
  public static int max(int a, int b) {
    if (a > b) return a;
    return b;
  }
}
...
int m = Calculate.max(1, 2);

Zpříjemnění použití statických metod

  • Někdy v kódu často používáme statické metody určité třídy, např. naše Calculator.max

  • Pro kratší zápis lze pak využít deklaraci import static dané metody

  • nebo všech metod přes *, např.

import static cz.muni.fi.pb162.Calculator.*;
...
int m = max(1, 2);

Typické použití statických metod

  • Velmi často se používají v obdobných situacích, jako výše uvedené max

  • Tzn. jednoduše pro implementaci funkce, která nevyužívá žádné atributy (data objektu), pouze dostane vstupy a něco vrátí

  • Pak ani logicky žádný objekt nepotřebuje

  • Příklady: metody třídy java.util.Arrays

Statické proměnné (atributy třídy)

  • Doposud jsem měli pouze proměnné (atributy) patřící konkrétnímu objektu

  • Např. ve třídě Person, která reprezentuje člověka, má každý člověk své (obvykle i odlišné) jméno

  • Někdy je ale situace, kdy pro celou třídu stačí určitý údaj jenom jednou

  • Příklad: chceme jsi pamatovat, kolik lidí se nám během chodu programu vytvořilo

  • Jak to udělat?

Počítaní lidí

  • Vytvoříme statickou proměnnou peopleCount a každý člověk ji při svém vzniku zvýší o jedna.

public class Person {
   private String name;
   private static int peopleCount = 0;
   public Person(String name) {
      this.name = name;
      peopleCount++;
   }
   public static int howManyPeople() {
      return peopleCount;
   }
}

  • Logicky na vrácení počtu lidí stačí statická metoda howManyPeople()

Počítaní lidí II

  • Použití bude vypadat následovně

Person.howManyPeople(); // 0
Person jan = new Person("Jan");
Person.howManyPeople(); // 1
Person anna = new Person("Anna");
Person.howManyPeople(); // 2
Více informací: Java tutorial — Class variables

Voláni statické metody

Můžeme volat statickou metodu nad konkrétním objektem (instancí) dané třídy?

Person anna = new Person("Anna");
anna.howManyPeople();

  • Ano, není to problém.

  • Přes třídu Person je to však správnější.

Voláni nestatické metody

  • Můžeme volat nestatickou metodu jako statickou?

Person.getName();

  • Logicky ne!

  • Co by mohlo volání Person.getName() vrátit? Nedává to smysl.

  • Jde nám přece o jméno konkrétního člověka, tj. atribut v konkrétním objektu Person

  • Atribut name se nastaví až při zavolání konstruktoru

Přístup ze statické metody k nestatickému atributu?

  • Obdobně platí pro atributy, tj. NELZE toto:

public class NonStaticTest {
  private int count = 0;
  public static void main(String args[]) {
    count++; // compiler error
  }
}

  • Java ohlásí při překladu chybu: non-static variable count cannot be referenced from a static context.

  • Metoda main je statická — může používat pouze statické metody a proměnné.

Přístup k nestatickému atributu

  • Jedině po vytvoření konkrétní instance:

public class NonStaticTest {
  private int count = 0;
  public static void main(String args[]) {
    NonStaticTest test = new NonStaticTest();
    test.count++;
  }
}
Všimněte si, že ve třídě mohu vytvořit objekt té stejné třídy.

  • Dalším řešením by bylo udělat count statický.

Problémy se statickými metodami? NE

  • Ano, použití static není tak prosté, jak jsme dosud prezentovali :-)

  • Statické metody většinou problém nejsou

  • Jednoduše slouží k realizaci nějaké činnosti, které stačí předané vstupy (parametry) a která nepotřebuje žádný "svůj" objekt s atributy

  • Důkazem je řada použití statických metod v Java Core API, kde jsou třídy, které mají jen statické metody

  • Takovým třídám se říká utility classes (jakési "účelové" třídy)

Problémy se statickými proměnnými? ANO

  • U statických proměnných je to složitější

  • Jejich použití musí být hodně dobře zdůvodněné

  • Opravdu potřebujeme danou hodnotu pro danou třídu právě jednou???

  • Nestane se dobudoucna, že jich budeme potřebovat více???

Možné řešení — singleton

  • Často je lepší aplikovat návrhový vzor singleton (jedináček)

  • Jedná se běžnou třídu, např. PersonCounter, která má své běžné nestatické atributy a metody zajišťující potřebnou funkcionalitu

    • Např. metody void increaseNumPeople() a atribut int peopleCount zajišťující počítání vytvořených lidí.

public class PersonCounter {
   private int peopleCount = 0;
   public void increaseNumPeople() {
      peopleCount++;
   }
   public int howManyPeople() {
      return peopleCount;
   }
}

Možné řešení — singleton (pokr.)

  • Singleton ale navíc zajišťuje vytvoření jediné sdílené instance (např. jediného počítadla lidí pro celý systém):

    • Zakáže se volání konstruktoru (např. tak se vytvoří jediný bezparametrický privátní konstruktor)

    • Místo volání konstruktoru se nabídne veřejná metoda getInstance(), která zjistí, jestli (jediná) instance již existuje. Pokud ne, vytvoří jí (voláním privátního konstruktoru) a uloží do statického atributu třídy. Pokud již existuje, rovnou se instance vrátí.

  • A dále zajišťuje jednoduchý přístup k jediné instanci odkudkoliv:

    • Metoda getInstance() je statická, tj. kdokoliv odkudkoliv může zavolat PersonCounter.getInstance().increaseNumPersons().

    • Pokud chceme automaticky počítat vytvoření instance třídy Person z předchozího příkladu, lze toto volání jednoduše přidat konstruktorů třídy Person

Kompletní příklad singletonu

public class PersonCounter {
   // here will be the singleton instance (object)
   private static PersonCounter counter = null;
   private int peopleCount = 0;
   // "private" prevents creation of instance via new PersonCounter()
   private PersonCounter() {}
   // creates the singleton unless it exists
   public static PersonCounter getInstance() {
      if(counter == null) {
         counter = new PersonCounter();
      }
      return counter;
   }
   public void increaseNumPeople() {
      peopleCount++;
   }
   public int howManyPeople() {
      return peopleCount;
   }
}

Import statických prvků

  • Už jsme ukázali výše, že statické třídy i metody můžeme importovat:

import static java.lang.System.out;
public class HelloWorld {
  public static void main(String[] args) {
    out.println("Hello World!");
  }
}

  • relevantní pouze pro statické metody a proměnné

  • vhodně použitelné pro některé věci z Java Core API, např. Math

Více informací: Wikipedia:Static import

Problémy importu statických prvků

import static java.lang.System.out;
// developer is reading the code
out.println("Hello World!"); // what is out?
// few lines above:
PrintStream out;
// ahh ok, I thought it was System.out

  • Takže někdy pak nevíme, jestli jde o statický import a nebo jen o lokální proměnnou/metodu.

  • A jakmile něco nevíme na první pohled, JE TO ŠPATNĚ! :-)

==

Konstanty v Javě

  • Konstanty slouží pro pojmenování určitých konkrétních hodnot se zvláštním významem v programu — tzv. magic numbers, kde nemusí být na první pohled zřejmé, proč je to zrovna právě ta hodnota.

  • Proto si ji rozumně pojmenujeme a pak používáme tento identifikátor místo přímé hodnoty.

  • Může jít i o objektové typy (např. konstanta typu Person).

Všeobecně platí: raději víc konstant než míň.

Definice konstanty

  • Konstanty jsou vždy:

    • statické (static) — stačí nám jedna pro celou třídu

    • neměnné (final) — je to konstanta, tudíž pomocí final zajistíme neměnnost

  • Konstanta může být:

    • privátní (dobře možné, když ji nechceme používat mimo třídu)

    • veřejná (nicméně asi obvyklejší, většinou má širší použití)

Příklad konstanty

  • Obvykle se nastavuje takto přímo přiřazením hodnoty

public static final int MAX_PEOPLE_COUNT = 100;
public boolean maxPeopleCountReached() {
  return peopleCount >= MAX_PEOPLE_COUNT;
}
...
int constant = Person.MAX_PEOPLE_COUNT;

Klíčové slovo final

  • Slovo final způsobuje, že daná hodnota se v proměnné nemůže změnit.

  • V objektové proměnné je uložena adresa (odkaz),

  • final odkaz se tedy změnit nemůže, ale vnitřek (atributy) objektu ano

  • Proto se může kombinovat s neměnnými (immutable) objekty, u nichž se vnitřek nemění

Příklad final objektová proměnná

final int i = 1;
i = 2; // cannot be done

final Person p = new Person("Honza");
p = new Person("Pavel"); // cannot be done
p.setName("Pavel"); // dirty hack
Konstanty mají kromě slova final i slovo static protože ji chceme právě jednou.

Motivace k výčtovému typu

Chceme reprezentovat dny v týdnu.

public static final int MONDAY = 0;
public static final int TUESDAY = 1;
public static final int WEDNESDAY = 2;

  • Problémem je, že nemáme žádnou kontrolu:

    • typovou: metoda přijímající den má parametr typu int, takže bere libovolné číslo, třeba 2000, a to nebude fungovat.

    • hodnotovou: dva dny v týdnu mohou omylem mít stejnou hodnotu a překladač nám to taky neodchytí.

Výčtový typ

  • Typově bezpečná cesta, jak vyjmenovat a používat pojmenované konečné výčty prvků.

  • Proměnná určitého výčtového typu může pak nabývat vždy jedné hodnoty z daného výčtu.

  • Definice výčtového typu "den v týdnu":

public enum Day {
  MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY, SUNDAY
}

Příklad použití výčtu

  • Velmi příjemné použití ve větvení switch

public String tellItLikeItIs(Day day) {
  switch (day) {
    case MONDAY:
      return "Mondays are bad.";
    case FRIDAY:
      return "Fridays are better.";
    case SATURDAY:
    case SUNDAY:
      return "Weekends are best.";
    default:
      return "Midweek days are so-so.";
  }
}

  • Klíčové slovo break může být vynecháno, protože return způsobí okamžitý návrat z funkce.

Porovnání enum

Lze snadno a bezpečně testovat rovnost pomocí ==:

  • day == MONDAY

  • day.equals(MONDAY) - funguje stejně, pouze selže při day == null

  • MONDAY.equals(day) - bezpečněji, ale stejně lépe psát day == MONDAY

Díky tomu, že každý výčet implementuje Comparable<E>, lze prvky i řadit

Výčty vs. třídy

  • Výčtový typ se koncepčně velmi podobá třídě, de facto je to třída.

  • Výčet má však jen pevně daný počet prvků (instancí).

  • Pro každý prvek daného typu enum je získatelné jeho ordinální číslo (pořadí) metodou int ordinal().

  • Každý námi definovaný výčtový typ je potomkem třídy java.lang.Enum.

  • Podobně jako jiné třídy má vestavěné metody a může mít další metody, konstruktory apod.

Výčtový typ s dalšími vlastnostmi

  • Využijeme, že enum je de facto třída.

  • Přidáme atributy, případně metody nebo konstruktor.

  • Dobře se využije možnost definovat jednotlivé prvky výčtu s inicializací jeho atributů.

  • Lze i překrýt metody jako toString a vracet jiné textové reprezentace

  • Nelze však překrýt equals, porovnání proto zůstává takové, že x.equals(y) <⇒ x == y

Příklad (1)

enum OrderStatus {
    // 3 instances and no more ever
    // they might by initialized with parameters
    ORDERED(5), PREPARING(2), READY(0);
    // enum may have attributes (not necessarily final)
    int timeToReady;
    OrderStatus(int timeToReady) {
        this.timeToReady = timeToReady;
    }
    // may override toString
    @Override public String toString() { return "ready in " + timeToReady; }
    // this would not compile! must NOT override equals
    @Override public boolean equals(Object o) {
        if(o instanceof OrderStatus status)
            return timeToReady == status.timeToReady;
        return false;
    }
}

Příklad (2)

OrderStatus status = OrderStatus.PREPARING;
System.out.println(status);
// may even directly modify status properties
OrderStatus.PREPARING.timeToReady = 1;
System.out.println(status);
// status is still == (though modified inside)
System.out.println(status == OrderStatus.PREPARING);

Výčty mají předem přesně daný počet instancí

  • Toto se nezkompiluje, duplicitní identifikátor ORDERED.

  • Že pokaždé jinak inicializovaný, nehraje roli.

  • Parametry v závorce nezpůsobí vytvoření nové prvku jako new.

    ORDERED(5), ORDERED(15), PREPARING(2), READY(0);

Prvky jsou uspořádané

  • Jsou uspořádané dle pořadí, v jakém jsou uvedeny, aniž bychom cokoli definovali.

  • Nelze ovšem psát OrderStatus.ORDERED < OrderStatus.PREPARING, ale je nutno využít compareTo:

  • OrderStatus.ORDERED.compareTo(OrderStatus.PREPARING)

Množina prvků výčtu EnumSet

  • Jelikož prvků výčtu je konečný (a většinou nevelký) počet, je dobré, že pro ně máme speciální typ množiny - java.util.EnumSet.

  • EnumSet je abstraktní podtřídou AbstractSet a má dvě neabstraktní implementace:

    • RegularEnumSet - vnitřně implementován jako bitové pole do velikosti 64 bitů, a to pomocí jednoho long

    • JumboEnumSet - jako bitový vektor libovolné, tzn. i větší velikosti

Příklad EnumSet

EnumSet<OrderStatus> set = EnumSet.of(OrderStatus.ORDERED, OrderStatus.READY);
// prints [ready in 5, ready in 0]:
System.out.println(set);
// prints [ready in 2]:
System.out.println(EnumSet.complementOf(set));
// prints class java.util.RegularEnumSet:
System.out.println(set.getClass());

  • další použitelné (statické) metody EnumSet:

    • EnumSet.noneOf() → vytvoří prázdnou množinu ** EnumSet.range(LOWER, UPPER) → vytvoří množinu prvků od LOWER po UPPER

Mapa s klíči prvky výčtu EnumMap

  • Z obdobného důvodu se nabízí rovněž mapa EnumMap.

  • Klíčem jsou prvky výčtu (tzn. jsou pevně předem dány a většinou jich není moc).

EnumMap<OrderStatus, Integer> countOrders
  = new EnumMap<OrderStatus, Integer>(OrderStatus.class);
countOrders.put(OrderStatus.ORDERED, 4);
countOrders.put(OrderStatus.READY, 2);
System.out.println(countOrders);

Repl.it demo k výčtovým typům

Další zdroje

Neměnné objekty

  • Neměnný (immutable) objekt nemůže být po jeho vytvoření modifikován

  • Bezpečně víme, co v něm až do konce života bude

  • Tudíž může být souběžně používán z více míst, aniž by hrozily nekonzistence

  • Jsou prostředkem, jak psát robustní a bezpečný kód

  • K jejich vytvoření nepotřebujeme žádný speciální nástroj

  • Od nových verzí Javy (14+) lze pro tento účel s výhodou využít typy record (záznam)

Příklad neměnného objektu

public class Vertex1D {
  private int x;
  public Vertex1D(int x) {
    this.x = x;
  }
  public int getX() {
    return x;
  }
}
...
Vertex1D v = new Vertex1D(1);
// x of value 1 cannot be changed anymore

Totéž jako záznam (record)

  • Namísto třídy class můžeme použít record

  • Tím se definuje třída, kde každý objekt bude mít vlastnosti name a address, které se nastaví jednou a už nejdou změnit, čili jako výše Vertex1D.

public record Person (String name, String address) {}
//...
Person p = new Person("Pavel Holec", "Lipová 3, Brno");

Co nabízí záznam?

  • Překladač pro nás automaticky pro tuto třídy vytvoří:

    • konstruktor mající parametr pro nastavení každého atributu (hodnoty) v objektu

    • metodu equals pro porovnání objektů: dva záznamy budou stejné <⇒ jsou stejné příslušné atributy

    • přístupové metody pro čtení atributů, např. person.name()

    • "inteligentní" metodu toString vracejíí např. Person[name=John Doe, address=100 Linda Ln.]

Jména metod jsou odlišná od konvence používané u JavaBeans nebo obecně u javových objektů: tradičně by bylo person.getName(), ale u záznamu person.name()

Výhody a nevýhody neměnných objektů

Výhody

  • je to vláknově bezpečné (thread safe) — objekt může být bezpečně používán více vlákny naráz

  • programátor má jistotu, že se mu obsah objektu nezmění — silný předpoklad

  • kód je čitelnější, udržovanější i bezpečnější (např. útočník nemůže změnit náš token)

Nevýhody

  • chceme-li objekt byť jen drobně změnit, musíme vytvořit nový

  • to stojí čas a paměť

Porovnání

  • Neměnný objekt vs. konstanta

    • konstanta je jenom jedna (je statická)

    • neměnných objektů může být víc s různými hodnotami

    • kdyby jich bylo více a měly stejnou hodnotu, postrádá smysl

  • Neměnný objekt vs. final

    • final prakticky zakáže změnu odkazu

    • nelze tedy do dané proměnné přiřadit odkaz na jiný objekt

    • samotný objekt ale může být dál "vevnitř" modifikován

Příklad final

final Person p = new Person("Marek");
// p = new Person("Jan"); // cannot be done
p.setName("Haha I changed it"); // this works!

Vestavěné neměnné třídy

  • Neměnnou třídou v Javě je String.

  • Má to řadu dobrých důvodů - tytéž jednou definované řetězce lze používat souběžně z více míst programu

  • Nicméně i negativní stránky - někdy větší režie spojená s nemodifikovatelností:

String s = "Hello " + "World";

  • Kód vytvoří 3 objekty: "Hello ", "World" a "Hello World".

  • Cože? To je tak neefektivní?

  • Pokud by vysloveně vadilo, lze místo String použít StringBuilder, který je modifikovatelný (mutable), viz dále

String pod lupou

  • Podívejme se na rozdíl "Hello" a new String("Hello").

    new String("Hello")

    vytvoří pokaždé nový objekt

    "Hello"

    funguje na principu: jestli taký objekt zatím neexistuje, tak ho vytvořím, jinak vrátím odkaz na již existující objekt (uložen v paměti String constant pool)

String s1 = "Hello";
String s2 = "Hello";
boolean bTrue = (s1 == s2); // true, identical objects

s1 = new String("Hello");
s2 = new String("Hello");
boolean bFalse = (s1 == s2); // false, different objects though with same value

Metody třídy String

  • char charAt(int index) — vráti prvek na daném indexu

  • static String format(String format, Object…​ args) — stejné jako printf v C

  • boolean isEmpty() — vráti true jestli je prázdný

  • int length() — velikost řetězce

  • matches, split, indexOf, startsWith …​

Více metod najdete v dokumentaci třídy String.

  • Doporučujeme javadoc prostudovat, používaním existujících metod jsi ušetříte spoustu práce!

Víceřádkové řetězcové literály = textové bloky

  • V nových verzích Javy (15+) je možnost použít speciální formy řetězcových literálů:

String s1 = """
    toto je první slovo řetězce, druhé,
    druhý řádek,
    třetí""";

  • Překladač vytvoří řetězec včetně oddělovačů řádku (dříve bylo možné pomocí znaku \n).

  • Vynechá počáteční mezery (leading spaces), takže skutečně slovo "toto" bude prvními znaky řetězce s.

Třída StringBuilder

StringBuilder builder = new StringBuilder("Hello ");
builder.append("cruel ").append("world"); // method chain
builder.append("!");
String result = builder.toString();

  • StringBuilder se průběžně modifikuje, přidáváme do něj další znaky

  • Na závěr vytvoříme výsledný řetězec

  • StringBuilder není thread safe, proto existuje její varianta StringBuffer.

Návrhový vzor Builder

Třída StringBuilder odpovídá návrhovému vzoru Builder

  • Builder obecně umožňuje konstruovat složitý objekt po částech a až poté získat celý výsledek

  • Metody append slouží pro přidávání kousků textu, tj. odpovídají metodě buildPart() ze vzoru.

  • Metoda toString slouží k získání výsledného textu, tj. odpovídá metodě getResult() ze vzoru.

  • Director je náš kód používající StringBuilder

Objektové obálky nad primitivními hodnotami

  • Java má primitivní typy — int, char, double, …​

  • Ke každému primitivnímu typu existuje varianta objektového typu — Integer, Character, Double, …​

  • Tyto objektové typy se nazývají wrappers.

  • Objekty jsou neměnné

  • Při vytváření takových objektů není nutné používat new,

    • využije se tzv. autoboxing, např. Integer five = 5;

    • Obdobně autounboxing, int alsoFive = five;

Integer objectInt = new Integer(42);
Integer objectInt2 = 42;

Konstanty objektových obálek

  • Wrappers (např. Double) mají různé konstanty:

    • MIN_VALUE je minimální hodnota jakou může double obsahovat

    • POSITIVE_INFINITY reprezentuje konstantu kladné nekonečno

    • NaN je zkratkou Not-a-Number — dostaneme ji např. dělením nuly

  • Protože konstanty jsou statické, jejich hodnoty získáme přes název třídy:

double d = Double.MIN_VALUE;
d = Double.NEGATIVE_INFINITY;

Metody objektových obálek

  • např. pro Double existuje static double parseDouble(String s) — udělá ze String číslo, z "1.0", vytvoří číslo 1.0

  • obdobně pro Integer a další číselné typy

  • pro převody na číselné typy dále int intValue() převod double do typu int

  • boolean isNaN() — test, jestli není hodnotou číslo

Více konstant a metod popisuje javadoc.

Víc hodnot

  • Test: Objektové typy (Integer) mají od primitivních (int) jednu hodnotu navíc — uhádněte jakou!

  • je to null

  • Integer je objektový typ, proměnná je odkaz na objekt

Rozdíl od primitivních typů

Proč tedy vůbec používat primitivní typy, když máme typy objektové?

int i = 1

  • zabere v paměti právě jen 32 bitů

  • používáme přímo danou paměť, jednička je uložena přímo v i

Integer i = 1

  • je třeba alokace paměti pro objekt, zkonstruování objektu s obsahem 1

  • v proměnné i je pouze odkaz, je to (nepatrně) pomalejší

  • Výkon může být u velkého počtu objektů problém, např. vytvoření miliónu proměnných typu Integer namísto int může mít dopad na výkon a zcela jistě zabere dost paměti, asi zbytečně

Doporučení

  • Používejte hlavně primitivní typy

  • Využívejte metody objektových typů, hlavně statické, kde není třeba mít objekt

  • Řada objektových jazyků vůbec primitivní typy jako v Javě nemá, vše jsou objekty

Konverze mezi primitivními a objektovými typy

  • Java podporuje automatické balení (boxing) a vybalení (unboxing) mezi primitivními typy a wrappery.

  • Proto je následující kód je naprosto v pořádku

int primitiveInt = 42;
// jakoby new Integer(primitiveInt):
Integer objectInt = primitiveInt;
primitiveInt = new Integer(43);

  • Jak už bylo řečeno, použití primitivního typu je obvykle lepší nápad - jsme v Javě :-)

Zvláštnosti

  • Zajímavost, anebo spíš podraz Javy:

Integer i1 = 100; // between -127 and 128
Integer i2 = 100;
boolean referencesAreEqual = (i1 == i2); // true

i1 = 300;
i2 = 300;
boolean referencesNotEqual = (i1 == i2); // false

  • Poučení: objekty pomocí == obvykle neporovnáváme (budeme se učit o equals).

Proč tak podivné chování?

  • Optimalizace využití paměti: "valueOf() returns an Integer instance representing the specified int value. This method will always cache values in the range -128 to 127, inclusive, and may cache other values outside of this range."

  • Důsledek použití návrhové vzoru Flyweight (muší váha), kdy konstruktor (respektive autoboxing kód v Javě) někdy vrací již dříve vytvořenou instanci (de facto Singleton), jindy zas zcela novou instanci.

Přetěžování metod

  • Jedna třída může mít více metod se stejnými názvy, ale různými parametry.

  • Pak hovoříme o tzv. přetížené (overloaded) metodě.

  • I když jsou to teoreticky úplně různé metody, jmenují se stejně, proto by měly dělat něco podobného.

Přetěžování — příklad I

public void transferTo(Account whereTo, double amount) {
  this.add(-amount);
  whereTo.add(amount);
}
public void transferTo(Account whereTo) {
  whereTo.add(balance);
  balance = 0;
}

  • První metoda převede na účet příjemce amount peněz.

  • Druhá metoda převede na účet celý zůstatek (balance) z účtu odesílatele.

  • Nedala by se jedna metoda volat pomocí druhé?

Přetěžování — příklad II

public void transferTo(Account whereTo, double amount) {
  this.add(-amount);
  whereTo.add(amount);
}
public void transferTo(Account whereTo) {
  transferTo(whereTo, balance);
}

  • Toto je jednodušší, přehlednější, udělá se tam potenciálně méně chyb.

  • Kód se neopakuje, tudíž se neopakuje ani případná chyba

  • Je to přesně postup divide-et-impera, rozděl a panuj, dělba práce mezi metodami!

Přetěžování — příklad III

Zkusme naší metodu lépe popsat:

public void transferTo(Account whereTo, double amount) {
  this.add(-amount);
  whereTo.add(amount);
}
public void transferAllMoneyTo(Account whereTo) {
  transferTo(whereTo, balance);
}

  • Převod celého zůstatku jsme napsali jako nepřetíženou metodu, která popisuje přesně, co dělá.

  • Z názvu metody je zřejmé, co dělá — netřeba ji komentovat!

Přetěžování konstruktorů

  • Přetěžovat můžeme i konstruktory

  • Můžeme tak mít více konstruktorů v jedné třídě

  • Pro vzájemné volání konstruktorů použijeme klíčové slovo this

  • Používá se hodně často, častěji než přetěžování jiných metod

public Person() {
  this("Default name"); // calls second constructor
}
public Person(String name) {
  this.name = name;
}

Přetěžování — jak ne

  • Proč nelze přetížit metodu pouze změnou typu návratové hodnoty?

  • Která metoda se zavolá?

    public int getNumber() {
  return 5;
}
public short getNumber() { // smaller int
  return 6;
}
...
long bigInt = getNumber(); // 5 or 6?

  • V Javě se číselné typy proměnných přetypují automaticky.

  • Mělo by dojít k přetypování int na long, nebo short na long?

Obdobný příklad

  • Nelze také přetížit uvedením a neuvedením návratové hodnoty

  • Protože vracenou hodnotu stejně nemusíme použít:

new String("Sss").isEmpty(); // result is omitted

  • Opět nevíme, která metoda se zavolá:

public void getNumber() {
  // do nothing
}
public int getNumber() { // smaller int
  return 6;
}
...
getNumber(); // which one is called?

Vracení odkazu na sebe

  • Metoda může vracet odkaz na objekt, nad nímž je volána pomocí this:

public class Account {
  private double balance;

  public Account(double balance) {
    this.balance = balance;
  }

  public Account transferTo(Account whereTo, double amount) {
    add(-amount);
    whereTo.add(amount);
    return this; // return original object
  }
}

Řetězení volání

  • Vracení odkazu na sebe lze využít k řetězení volání:

Account petrsAccount = new Account(100);
Account ivansAccount = new Account(100);
Account robertsAccount = new Account(1000);

// we can chain methods
petrsAccount
   .transferTo(ivansAccount, 50)
   .transferTo(robertsAccount, 20);

  • Stejný princip se dost často využívá u StringBuilder metody append.

Třída Object

  • I když v Javě vytvoříme prázdnou třídu, obsahuje 'skryté' metody.

public class Person { }
...
Person p = new Person();
p.toString(); // ???

  • Tyto vestavěné (tj. bez našeho vlivu existující) metody jsou ve skutečnosti poděděny z třídy Object.

  • Seznam všech vestavěných metod najdete v javadocu třídy Object.

Některé metody třídy Object

  • getClass() — vrátí název třídy

  • equals, hashCode — bude probíráno později

  • clone() — vytvoří identickou kopii objektu (deep copy)

    • tahle metoda však může způsobovat problémy (vysvětlíme později)

    • proto ji nepoužívejte

  • toString() — vrátí textovou reprezentaci objektu

Person p = new Person();
System.out.println(p);
// it simply does this - for non-null p:
System.out.println(p.toString());

Překrytí metody

  • Podívejme se blíž na metodu String toString().

  • Co kdybychom chtěli její chování změnit?

  • Zkusme v naší třídě implementovat metodu se stejným jménem:

public class Person {
  public String toString() {
    return "it works";
  }
}
Person p = new Person();
System.out.println(p); // it works

Metoda toString()

  • Javadoc říká, že každá třída by měla tuhle metodu překrýt.

  • Co se stane, když ji nepřekryjeme a přesto ji zavoláme?

  • Použije se výchozí implementace z třídy Object:

getClass().getName() + '@' + Integer.toHexString(hashCode())

Person p = new Person();
System.out.println(p); // Person@14ae5a5

  • Vypíše se jméno třídy, zavináč, a pak hexadecimálně nějaký podivný hash.

Anotace @Override — motivace

  • Bylo by fajn mít kontrolu nad tím, že překrýváme skutečně existující metodu.

  • Najdete chybu?

public class Person {
  public String toStrng() {
    return "not working";
  }
}
Person p = new Person();
System.out.println(p); // Person@14ae5a5

Anotace @Override

  • Použijeme proto anotaci, která kompilátoru říká: přepisuji existující metodu.

  • Anotace se píše před definici metody:

@Override
public String toString() {
  return "it works again";
}

  • Kdybychom udělali chybu např. v názvu překrývané metody, kód by nešel přeložit.

Vždy používejte anotaci @Override, když přepisujete metodu.

Jiné notace

Existují i jiné anotace, například @Deprecated naznačuje, že by se daná věc už neměla používat.

deprecated

Objects.toString

  • Více z předchozího, že například ve zřetězení "Osoba " + p se kód přeloží skoro jako "Osoba " + p.toString() — s výjimkou p == null, kdy vrátí "Osoba null".

  • Přímé volání o.toString() tedy vyžaduje test na nulovost o anebo

  • bezpečně a bez testů použít Objects.toString(o),

  • případně Objects.toString(o, "žádná") — vrátí v případě o == null náhradní text "žádná".

Závislosti mezi objekty

  • správě závislostí mezi objekty, tzn. jeden objekt se své činnosti potřebuje další objekt nebo objekty, se věnuje speciální sekce Dependency Injection.

Vyhnout se zbytečným objektům

  • Avoid unnecessary objects

  • Vytváření objektů je "drahá" operace - stojí výpočetní čas i paměť.

  • Objekt se musí v řadě případů též dealokovat, zlikvidovat, což stojí další čas.

  • V řadě případů není třeba objekt vytvářet, ukážeme si typické situace:

    • řetězce: každé zřetězení s = s + t znamená vytvoření nového objektu!

    • úplně stejně s += t vede k vytvoření nového objektu

    • new namísto zavolání (statické) tovární metody rovněž vždy vytvoří objekt

    • řadu složitějších objektů lze vytvořit jen jednou a znovupoužívat

Metody místo new

  • Raději Boolean.valueOf("true") namísto new Boolean("true"), neboť to vytvoří pokaždé (obsahově stejný) objekt Boolean

  • Obdobně pro další typy - navíc statické metody mohou obecně vrátit i null, když se nezdaří.

  • U řetezců se mohutně využívá internalizace (neplést s internacionalizací), tzn. uložení do poolu v rámci běžící JVM.

  • Každý řetězec zadaný jako literál (do uvozovek, třeba "abcde") je internalizován a opakované použití odkazuje na tutéž instanci a nezabírá další paměť.

  • Internalizaci lze vyvolat i pomocí metody s.intern() - u dlouhých řetězců by sdílení mohlo mít smysl!

  • Je to proto, že řetězcové literály - nebo obecněji řetězce, které jsou hodnotami konstantních výrazů (§15.28) - jsou "internalizovány" tak, aby sdílely jedinečné instance pomocí metody String.intern (§12.5).

  • blíže viz Java Language Specification, 3.10.5. String literals

Předkompilace u regex

  • Regulární výrazy jsou silnou a častou používanou technikou, jak nalézat nebo ověřovat vzory v řetězcích.

  • Jsou použitelné ve všech běžných jazycích vč. Javy.

  • Lze je buďto:

    • rychle napsat, ale pomalu používat: "řetězec".matches("regex")

    • zdlouhavěji zapsat a rychle - i opakovaně - vykonávat

Pattern pattern = Pattern.compile("regex");
// i opakovaně, bleskově provedeno (násobně rychleji):
String s = ...
if(pattern.matcher(s).matches()) ...

Nepoužívejme finalize()

  • Finalizér, tj. metoda finalize() vlastní všem objektům, může teoreticky být překryta a tím umožněn adekvátní "likvidační" postup při zániku objektu - sestávající obvykle z uvolnění systémových zdrojů - síťové sokety, spojení na databázi atd.

  • V Javě nicméně není zaručeno, že se finalizér skutečně zavolá - JVM jej nemusí volat, pokud nepotřebuje fyzicky uvolnit paměť obsazenou (již nepoužívaným) objektem.

  • I kdyby finalizér zavolán byl, zůstává problém s určením okamžiku, kdy je volán a v jakém pořadí jsou finalizéry na mrtvých objektech volány.

  • Celkově tedy na finalize() nespoléhat a nepoužívat je - zdroje uvolňovat explicitním zavoláním vhodné metody.

Tento tip je javově-specifický, jde o to, jak a kdy pracuje garbage collector při likvidaci nepřístupných ("mrtvých") objektů.

Motivace

  • Jsou objektové jazyky, kde vůbec rozhraní nemáme.

  • Jsou dokonce objektové jazyky, kde nemáme ani třídy (JavaScript).

  • Většinou ale třídy jsou, u většiny OO jazyků: Java, C++, C#, Python, Ruby…​

  • Přímočaré řešení je pak použít na implementaci nějaké potřebné funkčnosti třídu.

  • Problém je, že někdy máme takový požadavek na funkčnost, který se jednou třídou špatně implementuje, resp. evidentně potřebujeme více zcela různorodých tříd, které budou tento požadavek plnit.

  • Příklad: požadavkem je, aby objekty uměly o sobě sdělit informace, tedy aby měly třeba metodu retrieveInfo().

  • Zcela jistě existuje mnoho typů objektů, které o sobě umějí informovat — od psa až po laserovou tiskárnu :-)

  • Tudíž ani není možné všechny třídy objektů, které o sobě umějí informovat, chápat jako podtřídy jedné třídy "UmímOSoběInformovat". V Javě navíc třída smí mít pouze jednu rodičovskou třídu/předka (=dědit jen z jedné rodičovské), tzn. bychom tím "spotřebovali" možného předka a žádného jiného předka už bychom nikde nemohli mít.

Příklad jednoduchého rozhraní

  • Velmi jednoduché rozhraní s jedinou metodou:

// Informing = can describe information about itself
public interface Informing {
  // this method is used for describing
  String retrieveInfo();
}

Přesněji k rozhraní

  • Rozhraní (interface) je seznam metod (budoucích) tříd objektů.

  • Neobsahují vlastní kód těchto metod.

  • Je to tedy seznam hlaviček metod s popisem, co přesně mají metody dělat, typicky dokumentačním komentářem.

  • Rozhraní by nemělo příliš smyslu, kdybychom neměli třídy, které jej naplňují, realizují, přesněji implementují

  • Říkáme, že třída implementuje rozhraní, pokud obsahuje všechny metody, které jsou daným rozhraním předepsány.

    • třída implementuje rozhraní = objekt dané třídy se chová jak rozhraní předepisuje,

    • např. osoba nebo pes se chová jako běhající

Deklarace rozhraní

  • Stejně jako třída, jedině namísto slova class je interface.

  • Všechny metody v rozhraní přebírají viditelnost z celého rozhraní:

    • viditelnost hlaviček metod není nutno psát;

    • rozhraní v našem kurzu budou pouze public (není to vůbec velká chyba tak dělat stále).

  • Těla metod v deklaraci rozhraní se nepíší vůbec, ani složené závorky, jen středník za hlavičkou.

// Informing = can describe information about itself
public interface Informing {
  // this method is used for describing
  String retrieveInfo();
}

Implementace rozhraní

  • Třídy Person a Donkey implementují rozhraní Informing:

public class Person implements Informing {
  public String retrieveInfo() {
    return "People are clever.";
  }
}
public class Donkey implements Informing {
  public String retrieveInfo() {
    return "Donkeys are simple.";
  }
}
Když třída implementuje rozhraní, musí implementovat všechny jeho metody!

Použít při deklaraci typu rozhraní namísto třídy

public void printInfo(Informing informing) {
  System.out.println("Now you learn the truth!");
  System.out.println(informing.retrieveInfo());
}
...
Person p = new Person();
printInfo(p);
...
Donkey d = new Donkey();
printInfo(d);

  • Parametr metody je typu rozhraní, můžeme tam tedy použít všechny třídy, které ho implementují.

  • To je velice časté a užitečné používat jako typ parametru rozhraní; je z toho pak dobře vidět, že daný objekt používáme jako instanci implementující určité rozhraní a konkrétní třída nás u použití nezajímá.

"Přetypování" obecně

  • Java má podobně jako většina jiných jazyků operátor pro "přetypování" (type cast).

  • Píše se buďto a) (typ) hodnota nebo b) (typ) odkaz_na_objekt podle toho, co "přetypováváme".

  • Jeho fungování se zásadně liší podle toho, zda jde o a) o primitivní hodnotu nebo b) odkaz na objekt. **

Typová kontrola odkazů na objekty

  • U "přetypování" odkazů na objekty se ve skutečnosti nejedná o změnu obsahu objektu, nýbrž pouze o potvrzení, tzn. běhovou typovou kontrolu, že běhový typ objektu je ten požadovaný, na nějž "přetypováváme".

  • Jde tedy o potvrzení faktu, že pracujeme s objektem skutečného typu, jaký potřebujeme.

  • Sdělujeme překladači "Hele, já vím, že jde o osobu, tak s tím pracuj jako s osobou".

  • Když běhová kontrola případně selže (tedy nikoli v době překladu,ale až při spuštění), je vyvolána výjimka a běh programu přerušen.

Příklad - typová kontrola odkazů

Person p = new Person();
// OK, p je třídy Person a ta implementuje Informing.
Informing i = (Informing) p;
// Rovněž OK, protože jakýkoli objekt je
// (aspoň nepřímým) potomkem Object.
Object o = (Object) i;

Přetypování u primitivních typů

  • U primitivních typů se jedná o skutečný převod hodnoty z původního typu na cílový, o typovou konverzi.

  • Např. long přetypujeme na int a ořeže se tím rozsah.

  • korektnost a případnou ztrátu informace za nás pohlídá v některých případech překladač, který samozřejmě zná obecné vlastnosti typů. Projeví se zejména při přetypování čísel.

Proměnná typu rozhraní

  • Můžeme taky vytvořit proměnnou typu rozhraní:

public class Person implements Informing {
  public String retrieveInfo() {
    return "People are clever.";
  }
  public void emptyMethod() { }
}
...
Informing i = new Person();
i.retrieveInfo(); // ok
i.emptyMethod(); // cannot be done

  • Proměnná i může používat pouze metody definované v rozhraní (ztrácí metody v třídě Person).

  • To je opět velice časté a užitečné používat jako typ proměnné rozhraní.

Příklad z reálného světa

  • máme různé tiskárny, různých značek

  • nechceme psát kód, který ošetří všechny značky, všechny typy

  • chceme použít i budoucí značky/typy

  • vytvoříme pro všechny jedno uniformní rozhraní:

public interface Printer {
  void printDocument(File file);
  File[] getPendingDocuments();
}

  • náš kód bude používat tohle rozhraní, každá tiskárna která ho implementuje, bude kompatibilní

  • budoucí tiskárny, které rozhraní implementují, ho budou moci používat také

Anotace @Override

  • Pro jistotu, že přepisujeme metodu předepsanou rozhraním a ne jinou, použijeme znovu anotaci @Override:

public class Person implements Informing {
  @Override
  public String retrieveInfo() {
    return "People are clever.";
  }
}

Repl.it demo k rozhraním

Výchozí a statické metody rozhraní

  • Jde o možnosti, jak do rozhraní přímo implementovat funkčnost, nenechávat to až na třídy.

  • Popírá základní princip, že v rozhraní funkční kód metod není.

  • Je to tedy trochu "nečisté", ale je to současně jediná cesta, jak ve stávajícím kódu doplnit metodu do rozhraní, aniž bychom narušili přeložitelnost stávajícího kódu a nemuseli do VŠECH tříd implementujících určité rozhraní dopisovat implementaci této nové metody.

  • Mají omezené použití a neměly by se nadužívat.

  • Existují dva základní typy metod s výkonným kódem v rozhraní:

    • statické — static

    • výchozí — default

Statické metody

  • Rozhraní může obsahovat statické metody.

  • Statické metody smějí pracovat jen s dalšími statickými metodami a proměnnými.

  • Nesmějí pracovat s metodami a atributy objektu.

interface A {
  void methodToImplement();
  static void someStaticMethod() {
    /* code inside */
  }
}
...
A.someStaticMethod();

Výchozí metody — motivace

  • Nechť existuje rozhraní, které implementuje 10 tříd.

  • Do rozhraní chceme přidat novou metodu.

  • Metoda musí být (bohužel) implementována ve všech rozhraních!

  • Co kdyby rozhraní poskytovalo i svou výchozí implementaci, kterou by třídy nemuseli implementovat?

  • výchozí = default

Oracle The Java Tutorial: Default Methods

Výchozí metody — příklad

Výchozí metodu můžeme samozřejmě ve třídách překrýt.

interface Addressable {

  String getStreet();

  String getCity();

  default String getFullAddress() {
    return getStreet() +", " + getCity();
  }
}
Zdroj: Java SE 8’s New Language Features

Výchozí metody — použití

Výchozí metody používáme, když chceme:

  • přidat novou metodu do existujícího rozhraní

    • všechny třídy implementující rozhraní pak nemusí implementovat novou metodu

  • nahradit abstraktní třídu za rozhraní

    • abstraktní třída vynucuje dědičnost

    • preferujeme implementaci rozhraní před dědičností tříd

Statické a výchozí metody

Statické metody se mohou v rozhraní využít při psaní výchozích metod:

interface A {
  static void someStaticMethod() {
    /* some stuff */
  }
  default void someMethod() {
    // can call static method
    someStaticMethod();
  }
}

Rozšiřování rozhraní s výchozí metodou

  • Mějme rozhraní A obsahující výchozí metodu defaultMethod().

  • Definujme-li rozhraní B jako rozšíření rozhraní A, mohou nastat 3 různé situace:

    1. Jestliže výchozí metodu defaultMethod() v rozhraní B nezmiňujeme, pak se podědí z A.

    2. V rozhraní B uvedeme metodu defaultMethod(), ale jen její hlavičku (ne tělo). Pak ji nepodědíme, stane se abstraktní jako u každé obyčejné metody v rozhraní a každá třída implementující rozhraní B ji musí sama implementovat.

    3. V rozhraní B implementujeme metodu znovu, čímž se původní výchozí metoda překryje — jako při dědění mezi třídami.

Více výchozích metod — chybně

Následující kód se nezkompiluje:

interface A {
   default void someMethod() { /*bla bla*/ }
}
interface B {
   default void someMethod() { /*bla bla*/ }
}
class C implements A, B {
   // compiler does not know which default method should be used
}

Více výchozích metod — překryté, OK

Následující kód je zkompiluje:

interface A {
   default void someMethod() { /*bla bla*/ }
}
interface B {
   default void someMethod() { /*bla bla*/ }
}
class D implements A, B {
   @Override
   public void someMethod() {
   // now we can define the behaviour
   A.super.someMethod();
   }
}

Jedna metoda výchozí, druhá abstraktní

  • Následující kód se opět nezkompiluje.

  • Jedno rozhraní default metodu má a druhé ne.

interface A { void someMethod(); }
interface B { default void someMethod() { /* whatever */ } }
class E implements A, B {
 // compiler should or should not use default method?
}

Repl.it demo k výchozím a statickým metodám rozhraní

Implementace více rozhraní I

  • Jedna třída může implementovat více rozhraní.

  • Jednoduše v případě, kdy objekty dané třídy toho "mají hodně umět".

  • Příklad: Třída Person implementuje 2 rozhraní:

public interface Informing { String retrieveInfo(); }
public interface Screaming { String scream(); }

public class Person implements Informing, Screaming {
  public String retrieveInfo() { ... }
  public String scream() { ... }
}

Implementace více rozhraní II

  • Co kdyby obě rozhraní měla stejnou metodu?

public interface Informing { String retrieveInfo(); }
public interface Screaming { String retrieveInfo(); }

  • Mají-li úplně stejnou hlavičku, je to v pořádku:

public class Person implements Informing, Screaming {
  @Override
  public String retrieveInfo() { ... }
}

Implementace více rozhraní III

  • Mají-li stejný název i parametry, ale různý návratový typ, je to PROBLÉM.

public interface Informing { String retrieveInfo(); }
public interface Screaming { void retrieveInfo(); }
public class Person implements Informing, Screaming { ... }

  • To samozřejmě nelze — viz totéž u přetěžování metod:

Person p = new Person();
// do we call method returning void or
// string and we ignore the result?
p.retrieveInfo();
Nesnesou se tedy metody lišící se pouze návratovým typem.

Rozhraní — vtip

Metody i samotné rozhraní by mělo obsahovat kvalitní dokumentaci s detailním popisem.

Rozhraní je jako vtip. Když ho třeba vysvělovat, není tak dobré.

Zajímavost — rozhraní bez metod

  • Občas se kupodivu používají i prázdná rozhraní, nepředepisující žádnou metodu.

  • Úplně bezúčelné to není — deklarace, že třída implementuje určité rozhraní, poskytuje typovou informaci o dané třídě.

  • Např. java.lang.Cloneable, java.io.Serializable.

Rozšiřování (dědičnost) rozhraní

  • Rozhraní může převzít (můžeme říci též dědit) metody z existujících rozhraní.

  • Říkáme, že rozhraní mohou být rozšiřována (extended).

  • Rozšířené rozhraní by mělo nabízet něco navíc než to výchozí (rozšiřované).

  • Příklad: Každá třída implementující WellInforming musí pak implementovat i metody z rozhraní Informing:

interface Informing {
  String retrieveInfo();
}
interface WellInforming extends Informing {
  String detailedInfo();
}
public class Person implements WellInforming {
  public String retrieveInfo() { ...  }
  public String detailedInfo() { ... }
}

Kde použít implements a kde extends

  • Ztrácíte se v klíčových slovech?

  • implements = třída implementuje rozhraní

    • ve třídě musím napsat kód (obsah) metod předepsaných rozhraním

  • extends = když dědím ze třídy nebo rozšiřuji rozhraní

    • dědím metody automaticky

Vícenásobé rozšiřování rozhraní

  • Rozhraní může dědit z více rozhraní zároveň:

public interface Informing { String retrieveInfo(); }
public interface Screaming { String scream(); }

public interface WellInforming extends Informing, Screaming {
  String detailedInfo();
}

  • Každá třída implementující WellInforming musí implementovat všechny 3 metody.

Řetězení rozšiřování (dědičnosti)

  • Dědičnost můžeme řetězit:

public interface Grandparent { int method1();  }
public interface Parent extends Grandparent { int method2(); }
public interface Child extends Parent { int method3(); }

  • Grandparent pak obsahuje jednu metodu, Parent dvě, Child tři.

Kdy je vícenásobné rozšiřování možné

  • Úplně stejné metody ze dvou rozhraní jsou OK

public interface A {
  void someMethod();
}
public interface B {
  void someMethod();
}
public interface AB extends A, B {
  // it is OK, methods have same signature
}

Kdy je vícenásobné rozšiřování možné

  • Stejné metody s různými parametry ze dvou rozhraní jsou také OK

public interface A {
  void someMethod();
}
public interface B {
  void someMethod(int param);
}
public interface AB extends A, B {
  // it is OK, methods have different params
}

Kdy vícenásobné rozšiřování není možné

  • Dvě metody lišící se jen návratovým typem nejsou OK

  • Třída implementující rozhraní AB by musela mít dvě metody lišící se jen návratovým typem, a to nejde

public interface A {
  void someMethod();
}
public interface B {
  int someMethod();
}
public interface AB extends A, B {
  // cannot be compiled
}

Testování software

  • Účelem testování je obecně vzato zajistit bezchybný a spolehlivý software.

  • Testování je naprosto klíčová součást SW vývoje.

  • Je to rozsáhlá disciplína softwarového inženýrství sama o sobě.

  • Některé postupy vývoje jsou přímo řízené testy (Test-driven Development).

  • Zde v PB162 se zatím budeme věnovat jen testování jednotek programu.

  • Bližší info v řadě předmětů na FI, např. PV260 Software Quality

Typy testování

  • Testování jednotek (malé, ale ucelené kusy, např. třídy, samostatně testované) — dělá vývojář nebo tester

  • Integrační testování (testování, jak se kus chová po zabudování do celku) — dělá vývojář nebo tester často ve spolupráci s architektem řešení

  • Akceptační testování (při přijetí kódu zákazníkem) — dělá přebírající

  • Testování použitelnosti (celá aplikace obsluhovaná uživatelem) — dělá uživatel či specialista na UX

  • Bezpečnostní testování (zda neobsahuje bezpečnostní díry, odolnost proti útokům, robustnost) — dělá specialista na bezpečnost

  • …​

Testování jednotek

  • Testování jednotek (unit testing) testuje jednotlivé elementární části kódu

    • elementární části = třídy a metody

  • V Javě se nejčastěji používá volně dostupný balík JUnit.

  • V nových produktech se používají verze JUnit 4.x nebo JUnit 5.

  • Elementárním testem v JUnit je testovací metoda opatřena anotací @Test.

Jednoduchý příklad JUnit testu

  • @Test před metodou označí tuto metodu za testovací.

  • Metoda se nemusí nijak speciálně jmenovat (žádné testXXX jako dříve není nutné).

@Test
public void minimalValueIs5() {
  Assert.assertEquals(5, Math.min(7, 5));
}

  • Metoda assertEquals bere 2 parametry

    • očekávanou (expected) hodnotu — v příkladu 5 a

    • skutečnou (actual) hodnotu — v příkladu Math.min(7, 5).

  • Pokud hodnoty nejsou stejné, test selže.

  • Může přitom vydat hlášku, co se vlastně stalo.

Příklad Calculator — testovaná třída

  • Testovaná třída Calculator, jednoduchá sčítačka čísel:

public class Calculator {
  public int evaluate(String expression) {
    int sum = 0;
    for (String summand: expression.split("\\+"))
      sum += Integer.valueOf(summand);
    return sum;
  }
}
...
new Calculator().evaluate("1+2"); // returns 3
Řetězec "\\+" je pouhý regulární výraz reprezentující znak +.

Příklad Calculator — testovací třída

  • Třída testující Calculator:

public class CalculatorTest {
  @Test
  public void evaluatesExpression() {
    Calculator calculator = new Calculator();
    int sum = calculator.evaluate("1+2+3");
    Assert.assertEquals(6, sum);
  }
}
Zdroj: junit wiki.

Repl.it demo k JUnit testování

assert metody

  • Jak bylo vidět, pro ověření, zda během provádějí testu platí různé podmínky, jsem používali volání Assert.assertXXX.

  • Z jejich názvů je intuitivně patrné, co vlastně ověřují.

  • Jsou realizovány jako statické metody třídy Assert z JUnit:

    • assertTrue

    • assertFalse

    • assertNull

    • …​

Import statických metod Assert

  • Abychom si ušetřili psaní názvu třídy Assert, můžeme potřebné statické metody importovat

import static org.junit.Assert.assertEquals;
public class CalculatorTest {
  @Test
  public void evaluatesExpression() {
    Calculator calculator = new Calculator();
    int sum = calculator.evaluate("1+2+3");
    assertEquals(6, sum);
  }
}
Javové testování bude podrobně probíráno v dalším kurzu — PV168.

Vtip

Dědičnost. Nejlepší objektově-orientovaný způsob, jak zbohatnout.

Dědičnost

  • Objektové třídy jsou obvykle podtřídami, tj. speciálními případy jiných tříd:

class Subclass extends Superclass
class DogKeeper extends Person {
// methods & attributes for DogKeeper
// in addition to Person
}

  • Všechny objekty typu DogKeeper jsou současně typu Person.

Person p = new DogKeeper("Karel");

V Javě dědí každá třída od třídy Object.

Definice

  • Nadtřída = superclass, "bezprostřední předek", "rodičovská třída"

  • Podtřída = subclass, "bezprostřední potomek", "dceřinná třída"

    • je specializací své nadtřídy

    • přebírá vlastnosti nadtřídy

    • zpravidla přidává další vlastnosti, čímž nadtřídu rozšiřuje (extends)

Správné použití

  • Dědičnost by měla splňovat vztah je (is a) — Chovatel psa je osoba.

  • Při atributech třídy se používá vztah má (has a) — Osoba má jméno.

Proč používat dědičnost?

  • Abychom zohlednili konceptuální vztah obecnější vs. speciálnější typ.

  • Abychom se vyhnuli opakování kódu a dosáhli znovupoužití (= kód metod a atributů se podědí, nemusíme jej znovu psát).

  • Mělo by platit oboje, aby mělo smysl dědičnost použít.

Tranzitivní dědění

Dědění může být vícegenerační:

public class Manager extends Employee { ... }

public class Employee extends Person { ... }

Manažer podědí metody a atributy ze třídy Zaměstnanec i Osoba.

Vícenásobná dědičnost

  • Java vícenásobnou dědičnost u tříd nepodporuje!

  • Důvodem je problém typu diamant:

class DoggyManager extends Employee, DogKeeper { }
class Employee  { public String toString() { "Employee";  } }
class DogKeeper { public String toString() { "DogKeeper"; } }

DoggyManager().toString(); // we have a problem!

  • Vícenásobná dědičnost je možná jedině u rozhraní (metody zatím nemají definovanou implementaci).

Dědičnost a vlastnosti tříd

  • Dědičnost (v kontextu Javy) znamená:

    1. potomek dědí všechny vlastnosti nadtřídy

    2. poděděné vlastnosti potomka se mohou změnit (např. překrytím metody)

    3. potomek může přidat další vlastnosti

  • Pozn.: Vlastnosti třídy = metody & atributy třídy

Dědičnost vs. rozhraní

Dědičnost

  • vyhýbáme se duplikaci kódu

  • kód je kratší

  • když potřebuji upravit předka, musím upravit změny ve všech potomcích, co může být netriviální

Použití rozhraní

  • méně závislostí, více kódu

  • více používané v praxi

Příklad s Account

  • Vylepšíme třídu Account tak, aby zůstatek nebyl nižší než minimální zůstatek

  • Realizujeme tedy změnu metody debit pomocí jejího překrytí (overriding)

  • Stará třída Account:

public class Account implements Informing {
   private int balance;
   ...
   public boolean debit(int amount) {
      if(amount <= 0) return false;
      balance -= amount;
      return true;
   }
}

Nová třída CheckedAccount

public class CheckedAccount extends Account {
  private int minimalBalance;
  public CheckedAccount(Person owner, int minBal, int initBal) {
    super(owner, initBal); // calling Account constructor
    if(initBal < minBal) { // is initial balance sufficient?
       throw new IllegalArgumentException("low initial balance");
    }
    this.minimalBalance = minBal;
  }

  @Override
  public boolean debit(int amount) {
    // check min. balance
    if(getBalance() - amount >= minimalBalance) {
       return super.debit(amount); // the debit is deducted
    } else return false;
  }
}

Co tam bylo nového

  • Klíčové slovo extends značí, že třída CheckedAccount je potomkem (subclass) třídy Account.

  • Konstrukce super.metoda(…​); značí, že je volána metoda předka, tedy třídy Account.

  • Kdyby se super nepoužilo, zavolala by se metoda debit třídy CheckedAccount a program by se zacyklil!

V konstruktoru potomka je vždy nutno zavolat konstruktor předka, protože se v něm inicializují vlastnosti dané třídy.
Konstruktor předka je nutno zavolat jako první, protože by se pak dali použít vlastnosti, které zatím nejsou nainicializované.

Repl.it demo k dědičnosti - bankovní účty

Namísto dědění lze použít skládání (kompozice)

Často se používá skládání (kompozice) objektů, kdy objekt nedědí, ale nese odkaz na jiný objekt.

public class CheckedAccount {

  private int minimalBalance;
  private Account account;

  public CheckedAccount(Person owner, int minBal, int initBal) {
    account = new Account(owner, initBal);
    ...
  }
  // account.debit(amount)
}

  • Kompozicí se zabývá navazující kurz PV168 Seminář Javy.

  • Problémy s hierarchiemi dědičnosti pomocí kompozice řeší některé návrhové vzory, např.

    • Bridge: Řešení exploze podtříd rozdělením problémové domény na abstrakci a implementaci

    • Decorator: Variantnost chování je přesunuta z podtříd do spolupráce několika malých objektů za běhu

Repl.it demo k dědičnosti - geometrické útvary

Základní principy OOP

  • Dědičnost umožňuje vztah X is Y (X je Y) mezi objekty.

    • Umožňuje rozšířit již existující třídu, tedy vytvořit její podtřídu (podtyp), která od svého rodiče zdědí jeho atributy a metody

    • Proč? Znovupoužití kódu.

  • Polymorfismus je schopnost objektu měnit chování počas běhu.

    • Object o = new String("String, but can be Object").

    • Na místo, kde je očekávána instance třídy Object, je možné dosadit instanci jakékoli její podtřídy. Odkazovaný objekt se chová podle toho, jaké třídy je instancí.

  • Zapouzdření je zabalení dat a metod do jedné komponenty (třídy), souvisí s viditelností objektů.

    • Cokoli, co nemusí být viditelné, nemá být viditelné.

    • Proč? Vede ke skrývání dat, informací.

Viditelnost

  • Použití tříd i jejich metod a atributů lze regulovat (uvedením tzv. modifikátoru přístupu).

  • Nastavením správné viditelnosti jsme schopni docílit zapouzdření.

  • Omezení viditelnosti je kontrolováno při překladu → není-li přístup povolen, nelze program přeložit.

  • Metody i atributy uvnitř třídy mohou mít viditelnost stejnou jako třída nebo nižší.

Typy viditelnosti / přístupu

Existují čtyři možnosti:

  • public = veřejný

  • protected = chráněný

  • modifikátor neuveden = říká se privátní v balíku (package-private)

  • private = soukromý

Tabulka viditelností

Table 1. Access Levels table
ModifierClassPackageSubclass (diff. package)World

public

Y

Y

Y

Y

protected

Y

Y

Y

N

no modifier

Y

Y

N

N

private

Y

N

N

N

  • např. atribut typu private je viditelný pouze v rámci dané třídy

Třídy nemohou být protected!

Použití typů viditelnosti v tomto kurzu

public

třídy/rozhraní, metody, konstanty

private

atributy, metody, konstanty

protected

pravděpobně nebudeme používat, výjimečně metody, atributy

package-private

pravděpobně nebudeme používat

Veřejný, public

  • Přístupné odevšad.

public class Account { ... }

  • U třídy Account lze např.

    • vytvořit objekt typu Account v metodě jiné třídy

    • deklarovat podtřídu třídy Account ve stejném i jiném balíku

  • ne všechny vlastnosti uvnitř Account musejí vždy být veřejné

  • veřejné bývají obvykle některé konstruktory a některé metody

  • veřejné jsou typicky metody předepsané implementovaným rozhraním

  • třídy deklarované jako veřejné musí být umístěné do souboru s totožným názvem: Account.java

Soukromý, private

  • Viditelné jen v rámci třídy.

public class Account {
   private String owner;
   ...
   public void add(Account another) {
     another.owner; // can be accessed!
     ...
   }
}

  • K atributu owner nelze přistoupit v podtřídě, pouze v dané třídě.

  • Pro zpřístupnění proměnné pro "vnější" potřeby je nutno použít gettery/settery.

  • Skrýváme konkrétní implementaci datové položky.

  • Např. metoda getAge() nemusí existovat jako proměnná, ale může se v případě volání spočítat.

Volbou private nic zásadně nepokazíme.

Soukromé třídy

Třídy mohou mít viditelnost private.

Proč by někdo chtěl privátní třídu?

public class SomeClass {
  private class InnerDataStructure { ... }
  // code using InnerDataStructure
}

  • Používá se u vnořených tříd (tříd uvnitř tříd).

  • Mimo rozsah předmětu, nebudeme používat!

Ve stejném souboru může být libovolný počet deklarací neveřejných tříd. Není to však hezké.

Lokální v balíku, package-private

  • Přístupné jen ze tříd stejného balíku, používá se málo.

  • Jsou-li podtřídy v jiném balíku, třída není přístupná!

package cz.some.pkg;

class Account {
// package-private class
// available only in cz.some.pkg
}

  • Svazuje viditelnost s organizací do balíků (ta se může měnit častěji než např. vztah nadtřída-podtřída).

  • Občasné využití, když nechceme mít konstruktor private nebo rozhraní public.

Chráněný, protected

  • Viditelnost protected , tj. přístupné jen z podtříd a tříd stejného balíku.

public class Account {
   // attribute can be protected (but it is better to have it private)
   protected float creditLimit;
}

  • U metod tam, kde se nutně očekává použití z podtříd nebo překrývání.

  • Vcelku často u konstruktorů — často se volá právě ze stejné (pod)třídy.

Shrnutí viditelnosti

Obvykle se řídíme následujícím:

metoda

  • obvykle public, je-li užitečná i mimo třídu či balík

  • protected je-li je vhodná k překrytí v případných podtřídách

  • jinak private

atribut

  • obvykle private

  • výjimečně protected, je-li potřeba přímý přístup v podtřídě

třída

  • obvykle public

  • výjimečně package-private nebo private

Polymorfismus

Obecně máme několik typů polymorfismu (Polymorfismus (Wikipedia)):

  • Ad-hoc polymorfismus

  • Polymorfismus přetěžování operátorů

  • Parametrický polymorfismus

  • Podtypový polymorfismus

Ad-hoc polymorfismus

  • objektům odvozeným z různých tříd volat tutéž metodu se stejným významem

  • v Javě realizovatelné pomocí rozhraní

  • např. třídy Dog i Car mohou implementovat rozhraní Registered

Polymorfismus přetěžování operátorů

  • provedení rozdílné operace v závislosti na typu operandů

  • například + se může chovat jinak na čísla, řetězce nebo matice

  • v Javě není možné definovat vlastní přetěžování operátorů

  • nicméně polymorfní operátory existují, typicky + (čísla, řetězce)

  • cond ? expr1 : expr2

  • ale například v C++ lze dodefinovat chování operátoru + tak, že bude sčítat matice

Parametrický polymorfismus

  • V Javě realizován parametrickými typy.

  • Například kolekce jako List nebo Set jsou realizovány jako generické typy (generics).

  • Tyto se dají typově parametrizovat a tak mít například seznam osob List<Person>.

Podtypový polymorfismus

  • také podtypový polymorfismus

  • například Employee, Manager nebo Student jsou všechno osoby Person a mají tedy jméno getName()

Nevhodně realizovaný polymorfismus

  • Metoda, která si poradí se vstupem různého typu

  • Nicméně má to jen nevýhody; lepší by bylo, kdyby každý typ měl svou nestatickou metodu getPerimeter

---
public static double getPerimeter(Shape shape) throws IllegalArgumentException {
    if (shape instanceof Rectangle r) {
        return 2 * r.length() + 2 * r.width();
    } else if (shape instanceof Circle c) {
        return 2 * c.radius() * Math.PI;
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Unrecognized shape");
    }
}
---

Polymorfismus pomocí vzorů ve switch

---
public static double getPerimeter(Shape shape) throws IllegalArgumentException {
    return switch (shape) {
        case Rectangle r -> 2 * r.length() + 2 * r.width();
        case Circle c    -> 2 * c.radius() * Math.PI;
        default          -> throw new IllegalArgumentException("Unrecognized shape");
    };
}
---

Polymorfismus pomocí vzorů ve switch

  • Varianta téhož s pomocí příkazu switch a nikoli výrazu:

    ---
public static double getPerimeter(Shape shape) throws IllegalArgumentException {
    switch (shape) {
        case Rectangle r -> return 2 * r.length() + 2 * r.width();
        case Circle c    -> return 2 * c.radius() * Math.PI;
        default          -> throw new IllegalArgumentException("Unrecognized shape");
    };
}
---

Typová bezpečnost vzorů ve switch

  • V obou variantách - výraz i příkaz switch se vzory - musí být vzory ve switch exhaustivní,

  • tzn. musí pokrývat všechny typy řídicího výrazu.

  • Jednoduše řešitelné pomocí default na konci.

Dobré praktiky vytváření objektů

  1. Consider static factory method instead of constructors

  2. Consider a builder instead of constructor with many parameters

  3. Enforce singleton by private constructors (or enums)

  4. Prevent instantiation by private constructor

  5. Prefer dependency injection over hardwiring dependencies

  6. Avoid unnecessary objects

  7. Eliminate obsolete object references

  8. Avoid finalizers and cleaners

Tovární metoda namísto konstruktoru

  • Consider static factory method instead of constructors "Java efektivně, Tip 1: Používejme statickou tovární ("výrobní") metodu namísto přímého volání konstruktoru (evt. s parametry)" — Josh Bloch

  • Takových metod může být více a mohou se jmenovat různě (výstižněji) - viz Person createMale()

  • Nemusí vrátit objekt za všech okolností, při všech možných voláních s různými parametry - někdy mohou vrátit null

  • Metoda může vrátit již existující instanci - to je klíčová výhoda, např. u singletonu nebo u skladiště (poolu) objektů - skladiště objektů šetří čas a výkon, singleton je bezpečný

Tovární metoda: variabilita vracených typů

  • Metoda nemusí vrátit objekt přesně stejného typu, jako je deklarován, může vrátit i objekt podtřídy, potomka - např. metoda static Person createEmployee(…​) vrátí objekt třídy Employee, jež je podtřídou Person

  • Dokonce se skutečný vrácený typ může lišit dle předaných parametrů: static Person createEmployee(boolean manager) může dle vrátit Manager nebo Employee

  • Tovární metoda někdy může vracet objekt třídy neznámé v době překladu, tzn. objekt pomocí reflexe dynamicky zavede - tato technika umožňuje modularitu a doplňování kódu a funkcionality dokonce za běhu

  • u statických továrních metod se držte běžného očekávaného pojmenování, například: newPerson, createPerson, Person.create, pro přístup k skladišti nebo singletonu třeba Person.getInstance()

Namísto složitého konstruktoru použijme vzor "Výrobce"

  • Consider a builder instead of constructor with many parameters

  • Někdy máme složitější objekty s mnoha atributy

  • Konstrukce pak obnáší volat konstruktor s mnoha parametry

  • Příklad new Person("Jan Novák", true, 22000), kde true značí, že jde o muže, a 22000 je plat.

  • V Javě jsou parametry poziční a nepojmenované (na rozdíl od novějšího Kotlinu např.), je pak problém vidět, co kde nastavujeme -

  • zejména když jsou parametry stejného typu - new Line(0.0, 0.0, 1.0, 2.0) znamená přesně co?

  • Pro tyto případy se namísto složitého konstruktoru hodí tzv. builder ("výrobce").

Příklad "výrobce"

public class PersonBuilder {
    private String name;
    //... male, salary
    public void setName(String name) {...}
    public void setGender(boolean male) {...}
    public void setSalary(double salary) {...}
    public Person getPerson() {
        // it can perform necessary checks
        // and refuse to create unless fulfilled
        return new Person(name, male, salary);
    }
}

Použití "výrobce"

PersonBuilder builder = new PersonBuilder();
builder.setName("Jan Novák");
builder.setGender(true);
builder.setSalary(22000.0);
// person can immediately be used
Person person = builder.getPerson();

Protipříklad - nepoužití "výrobce"

public class Person {
    private String name;
    //... male, salary
    public void setName(String name) {
        // set name here
    }
    public void setGender(boolean male) {...}
    public void setSalary(double salary) {...}
    public Person() {}
}

Bez použití "výrobce"

Person person = new Person();
// now the person is NOT complete
// it is dangerous to use, cannot be used
person.setName("Jan Novák");
person.setGender(true);
person.setSalary(22000.0);
// now it is OK

Privátní konstruktory

  • Ve výše uvedených tipech s tovární metodou i výrobcem jsme zamlčeli podstatnou věc:

  • uvedené mechanismy vytvoření objektu se daly obejít jeho přímou konstrukcí new Person(…​).

  • Aby toto nebylo možné, můžeme všechny konstruktory označit jako private

  • Pak zvenčí nelze instanci vytvořit pomocí new Person(…​), ale musí např. být statická tovární metoda Person.newInstance() nebo výrobce Builder builder = Person.builder().

Privátní nebo chráněné konstruktory?

  • Rozdíl mezi private a protected

  • Kdybychom konstruktory označili jako private, ale některé přesto ponechali protected, dovolíme tím dědění třídy, např. z Person můžeme podědit do Employee.

  • Kdyby úplně všechny byly private, máme smůlu a z Person nikdy nic nepodědíme.

  • Je to proto, že každá podtřída musí mít konstruktor, který jako první příkaz volá konstruktor předka - a ten kdyby byl soukromý, nebylo by možné.

Singletony

  • Jsou klasickým návrhovým vzorem popsaným jinde.

  • V souvislosti s konstrukcí platí, že objekt singletonu se konstruuje buďto předem nebo až je potřeba

  • Nesmí být zkonstruovatelný jinak, např. přímo přes new (konstruktorem)

  • Enforce singleton by private constructors (or enums)

  • Prevent instantiation by private constructor

Příklad singletonu

public class DataManager {
    private static DataManager manager;
    private DataManager() {
        //... initialize data manager
    }
    public static DataManager getInstance() {
        if(manager == null) manager = new DataManager();
        return manager;
    }
}

Prefer dependency injection over hardwiring dependencies

public

Avoid unnecessary objects

Eliminate obsolete object references

Avoid finalizers and cleaners

  • Finalizér, tzn. metoda finalize() vlastní všem objektům, může teoreticky být překryta a tím umožněn adekvátní "likvidační" postup při zániku objektu - sestávající obvykle z uvolnění systémových zdrojů - síťové sokety, spojení na databázi atd.

  • V Javě nicméně není zaručeno, že se finalizér skutečně zavolá - JVM jej nemusí volat, pokud nepotřebuje fyzicky uvolnit paměť obsazenou (již nepoužívaným) objektem.

  • I kdyby finalizér zavolán byl, zůstává problém s určením okamžiku, kdy je volán a v jakém pořadí jsou finalizéry na mrtvých objektech volány.

  • Celkově tedy na finalize() nespoléhat a nepoužívat je - zdroje uvolňovat explicitním zavoláním vhodné metody.

Vtip

Dědičnost. Nejlepší objektově-orientovaný způsob, jak se pohádat a naštvat ty před námi i po nás.

Přínosy dědičnosti

  • Je fajn, ušetříme psaní kódu i jeho objem (kód je tam jednou), omezí se redundance.

  • Někdy dokonce i předejdeme chybám tím, že chybu opravíme na jednom místě a OK, protože efekt se hned bez dalšího promítne do všech podtříd = je poděděn.

  • Můžeme využít polymorfismus, kdy jsme schopni jednotně obsloužit více typů objektů

  • například Employee, Manager nebo Student jsou všechno osoby Person a mají tedy jméno getName()

Hlavní omezení

  • Dědičnost je příklad silné (těsné) závislosti.

  • Změna v rodičovské třídě (nadtřídě) má silný vliv na funkci, případně i kompilovatelnosti podtříd.

  • Metodu, která se dá překrýt v podtřídě, nesmíme volat z konstruktoru!

(Ne)použití virtuálních metod v konstruktorech

  • Metodu, která se dá překrýt v podtřídě, nesmíme volat z konstruktoru!

  • Příklad "prémiový" bankovní účet, kde má být po vytvoření hned 1000 Kč.

---
public class PremiumAccount {
    private int balance;
    public PremiumAccount() {
        this.balance = 1000;
    }
}
---

Opakování

  • Vytvoření, naplnění a získání hodnot vypadá následovně:

int[] array = new int[2];
array[0] = 1;
array[1] = 4;
System.out.println("First element is: " + array[0]);

  • Deklarace: typ[] jméno = new typ [velikost];

  • typ může být i objektový: Person[] p = new Person[3];

Velikost pole

  • velikost pole je daná při jejím vytvoření a nelze ji měnit

  • V budoucnu budeme probírat kolekce (seznam, slovník), což je mocnější složený datový typ než pole

    • jejich počty prvků se mohou dynamicky měnit

Kopírování odkazu

  • Přiřazení proměnné objektového typu (což je i pole) vede pouze k duplikaci odkazu, nikoli celého odkazovaného objektu.

  • Modifikace pole přes jednu proměnnou se pak projeví i té druhé.

int[] array = new int[] {1, 4, 7};
int[] array2 = array;
array[1] = 100;
System.out.println(array[1]); // prints 100
System.out.println(array2[1]); // prints 100

Kopie pole

Pomocí Arrays.copyOf můžeme vytvořit kopii pole Kopie vznikne tak, že se vytvoří nové pole a do něj se nakopírují položky z původního pole.

int[] array = new int[] {1, 4, 7};
int[] array2 = Arrays.copyOf(array, array.length);
array[1] = 100;
System.out.println(array[1]); // prints 100
System.out.println(array2[1]); // prints 4

Metoda copyOf bere dva parametry — původní pole a počet prvků, kolik se má nakopírovat.

Kopie u objektů I

  • Obdobně to funguje i objektů.

Person[] people = new Person[] { new Person("Jan"), new Person("Adam")};
Person[] people2 = Arrays.copyOf(people, people.length);
people[1] = new Person("Pepa");
System.out.println(people[1].getName()); // prints Pepa
System.out.println(people2[1].getName()); // prints Adam

  • Co kdybychom změnili jenom jméno (atribut objektu)?

Kopie u objektů II

  • Do cílového pole se zduplikují jenom odkazy na objekty Person, nevytvoří se kopie objektů Person!

Person[] people = new Person[] { new Person("Jan"), new Person("Adam")};
Person[] people2 = Arrays.copyOf(people, people.length);
people[1].setName("Pepa"); // changes Adam to Pepa
System.out.println(people[1].getName()); // prints Pepa
System.out.println(people2[1].getName()); // prints Pepa

  • Jinými slovy, pole mají sice různý odkaz (šipku), ale na stejný objekt.

  • V předešlém příkladu jsme změnili odkaz na jiný objekt.

  • Teď jsme změnili obsah objektu, na který ukazují oba odkazy.

Pomocné metody pro kontrolu indexů do pole

  • Třída java.util.Objects nabízí pro práci s poli statické metody na kontrolu, zda index nebo rozmezí indexů se "vejde" do velikosti pole

public static int checkIndex(int index, int length)

public static int checkFromToIndex(int fromIndex, int toIndex, int length)

public static int checkFromIndexSize(int fromIndex, int size, int length)

Repl.it demo k polím

Třída Arrays

  • nabízí jen statické metody a proměnné, tzv. utility class

  • nelze od ní vytvářet instance

  • metody jsou implementovány pro všechny primitivní typy i objekty

    • pro jednoduchost použijeme pole typu long

Javadoc třídy Arrays

Metody třídy Arrays I

  • String toString(long[] a)

    • vrátí textovou reprezentaci

  • long[] copyOf(long[] original, int newLength)

    • nakopíruje pole original, vezme prvních newLength prvků

  • long[] copyOfRange(long[] original, int from, int to)

    • nakopíruje prvky from-to

    • nové pole vrátí

  • void fill(long[] a, long val)

    • naplní pole a hodnotami val

Metody třídy Arrays II

  • boolean equals(long[] a, long[] a2)

    • true jestli jsou pole stejná

  • int hashCode(long[] a)

    • haš pole

  • void sort(long[] a)

    • setřídí pole

  • …​ asList(…​)

    • z pole vytvoří kolekci (budou probírány později)

Příklad

long[] a1 = new long[] { 1L, 5L, 2L };
a1.toString(); // [J@4c75cab9
Arrays.toString(a1); // [1, 5, 2]

long[] a2 = Arrays.copyOf(a1, a1.length);
Arrays.equals(a1, a2); // true

Arrays.fill(a2, 3L); // [3, 3, 3]
Arrays.sort(a1); // [1, 2, 5]

Porovnávání a pořadí (uspořádání)

  • Obecně rozlišujeme, zda chceme zjišťovat shodnost (rovnost, ekvivalenci):

    • mezi dvěma primitivními hodnotami

    • mezi dvěma objekty

  • U primitivních hodnot jsou rovnost i pořadí určeny napevno a nelze je změnit.

  • U objektů lze porovnání i uspořádání programově určovat.

Rovnost primitivních hodnot

  • Rovnost primitivních hodnot zjišťujeme pomocí operátorů:

    • == (rovná se)

    • != (nerovná se)

  • U integrálních typů funguje bez potíží

  • U čísel floating-point (double, float) je třeba porovnávat s určitou tolerancí

  • U FP navíc existují hodnoty jako +0.0 vedle -0.0 a tyto by měly být rovny

1 == 1 // true
1 == 2 // false
1 != 2 // true

1.000001 == 1.000001 // true
1.000001 == 1.000002 // false
Math.abs(1.000001 - 1.000002) < 0.001 // true

Porovnávání metodami třídy Objects

  • java.util.Objects je poměrně nová utilitní třída (obsahující jen statické metody) od Javy 8

  • mimo jiné obsahuje metody Objects.equals(o1, o2) na porovnávání objektů

  • i ve variantě deep - hluboké porovnání - pro struktury

public static boolean equals(Object a, Object b)

public static boolean deepEquals(Object a, Object b)

Uspořádání primitivních hodnot

  • Uspořádání primitivních hodnot funguje pomocí operátorů <, ⇐, >=, >

  • U primitivních hodnot nelze koncept uspořádání ani rovnosti programově měnit.

Uspořádání není definováno na typu boolean, tj. neplatí false < true!
1.000001 <= 1.000002  // true

Jak chápat rovnost objektů

Identita objektů, ==

vrací true při rovnosti odkazů, tj. když oba odkazy ukazují na tentýž objekt

Rovnost obsahu, metoda equals

vrací true pri logické ekvivalenci objektů (musí být explicitně nadefinované)

Person pepa1 = new Person("Pepa");
Person pepa2 = new Person("Pepa");
Person pepa3 = pepa1;

pepa1 == pepa2; // false
pepa1 == pepa3; // true

Porovnávání objektů pomocí ==

  • Porovnáme-li dva objekty prostřednictvím operátoru == dostaneme rovnost jen v případě, jedná-li se o dva odkazy na tentýž objekt.

  • Jedná-li se o dva byť obsahově stejné objekty, ale existující samostatně, pak == vrátí false.

Objekty jsou identické = odkazy obsahují stejnou adresu objektu.

Porovnávání objektů dle obsahu

Rovnost obsahu, metoda equals:

  • Dva objekty jsou rovné (rovnocenné), mají-li stejný obsah.

  • Na zjištění rovnosti se použije metoda equals, kterou je potřeba překrýt.

  • Pro nadefinování rovnosti bude hlavička metody vždy vypadat následovně:

@Override
public boolean equals(Object o)

  • Parametrem je objekt typu Object.

  • Jestli parametr není objekt typu <class-name>, obvykle je potřeba vrátit false.

  • Pak se porovnají jednotlivé vlastnosti objektů a jestli jsou stejné, metoda vráti true.

Porovnávání objektů — komplexní číslo

Dvě komplexní čísla jsou stejná, když mají stejnou reálnou i imaginární část.

public class ComplexNumber {
  private int real, imag;

  public ComplexNumber(int r, int i) {
    real = r; imag = i;
  }
  @Override
  public boolean equals(Object o) {
    if (this.getClass() != o.getClass()) return false;

    ComplexNumber that = (ComplexNumber) o;
    return this.real == that.real
        && this.imag == that.imag;
  }
}

Porovnávání objektů — osoba I

Popis kódu na následujícím slajdu:

  • Dvě osoby budou stejné, když mají stejné jméno a rok narození.

  • Rovnost nemusí obsahovat porovnání všech atributů (porovnání age je zbytečné, když máme yearBorn).

  • String je objekt, proto pro porovnání musíme použít metodu equals.

  • Klíčové slovo instanceof říká "mohu pretypovat na daný typ".

Metoda equals musí být reflexivní, symetrická i tranzitivní (javadoc).

Porovnávání objektů — osoba II

public class Person {
  private String name;
  private int yearBorn, age;

  public Person(String n, int yB) {
    name = n; yearBorn = yB; age = currentYear - yB;
  }
  @Override
  public boolean equals(Object o) {
    if (!(o instanceof Person)) return false;

    Person that = (Person) o;
    return this.name.equals(that.name)
        && this.yearBorn == that.yearBorn;
  }
}

Technické zjednodušení instanceof

  • Počínaje Javou 14 lze využít tzv. instanceof pattern.

  • Odkaz na objekt se kromě běhové typové kontroly rovnou přiřadí do person.

if (o instanceof Person person) {
  return this.name.equals(person.name)
    && this.yearBorn == person.yearBorn;
} else {
  return false;
}

Porovnávání objektů — použití

ComplexNumber cn1 = new ComplexNumber(1, 7);
ComplexNumber cn2 = new ComplexNumber(1, 7);
ComplexNumber cn3 = new ComplexNumber(1, 42);
cn1.equals(cn2); // true
cn1.equals(cn3); // false

Person karel1 = new Person("Karel", 1993);
Person karel2 = new Person("Karel", 1993);

karel1.equals(karel2); // true

karel1.equals(cn1); // false
cn2.equals(karel2); // false

Chybějící equals

Co když zavolám metodu equals aniž bych ji přepsal?

Použije se původní metoda equals ve tříde Object:

public boolean equals(Object obj) {
  return (this == obj);
}

Původní equals funguje přísným způsobem — rovné jsou jen identické objekty.

Jak porovnat typ třídy

Je this.getClass() == o.getClass() stejné jako o instanceof Person?

  • Ne! Jestli třída Manager dědí od Person, pak:

manager.getClass() == person.getClass() // false
manager instanceof Person // true

  • Co tedy používat?

    • instanceof porušuje symetrii x.equals(y) == y.equals(x)

    • getClass porušuje tzv. Liskov substitution principle

  • Záleží tedy na konkrétní situaci.

Metoda hashCode

  • Při překrytí metody equals nastává dosud nezmíněný problém.

  • Jakmile překryjeme metodu equals, měli bychom současně překrýt i metodu hashCode.

  • Metoda hashCode je také ve třídě Object, tudíž ji obsahuje každá třída.

@Override
public int hashCode()

  • Metoda vrací celé číslo pro daný objekt tak, aby:

    • pro dva stejné (equals) objekty musí vždy vrátit stejnou hodnotu

    • jinak by metoda měla vracet _různé hodnoty (není to nezbytné a ani nemůže být vždy splněno)

    • složité třídy mají více různých objektů než je všech hodnot typu int

Příklad hashCode I

public class ComplexNumber {
  private int real;
  private int imag;

  ...

  @Override
  public boolean equals(Object o) { ... }

  @Override
  public int hashCode() {
    return 31*real + imag;
  }
}

Příklad hashCode II

public class Person {
  private String name;
  private int yearBorn, age;
  ...
  @Override
  public boolean equals(Object o) { ... }

  @Override
  public int hashCode() {
    int hash = name.hashCode();
    hash += 31*hash + yearBorn;
    return hash;
  }
}

Obecný hashCode

Nejlépe je vytvářet metodu následujícím způsobem (31 je prvočíslo):

  @Override
  public int hashCode() {
    int hash = attribute1;
    hash += 31 * hash + attribute2;
    hash += 31 * hash + attribute3;
    hash += 31 * hash + attribute4;
    return hash;
  }

A nebo ji generovat (pokud víte, co to dělá :-))

Proč hashCode

  • Metoda se používá v hašovacích tabulkách, využívá ji například množina HashSet.

  • Při zjištění, jestli se prvek X nachází v množině, metoda vypočítá její haš (hash).

  • Pak vezme všechny prvky se stejným hašem a zavolá equals (haš mohl být stejný náhodou).

  • Jestli má každý objekt unikátní haš, pak je tato operace konstantní.

  • Jestli má každý objekt stejný haš, pak je operace contains lineární!

Jestli se hashCode napíše špatně (nevrací pro stejné objekty stejný haš) nebo zapomene — množina nad danou třídou přestane fungovat!

Uspořádání objektů

  • Budeme probírat později

  • V Javě neexistuje přetěžování operátorů <, ⇐, >, >=

  • Třída musí implementovat rozhraní Comparable a její metodu compareTo

Repl.it demo k porovnávání primitivních hodnot a objektů

Motivace

  • Java disponuje rozhraními.

  • Pak máme třídu(y) implementující určité rozhraní.

  • Někdy je vhodné určité rozhraní implementovat pouze částečně:

    • Rozhraní = Specifikace

    • Abstraktní třída = Částečná implementace rozhraní (stačí mít hotové některé metody) a současně předek konkrétních tříd, tedy plných implementací

    • Neabstraktní třída = Úplná implementace rozhraní (musí mít hotové všechny metody)

Zápis abstraktní třídy

  • Abstraktní třída je označena klíčovým slovem abstract v hlavičce, např.:

public abstract class AbstractSearcher

  • Název začínající na Abstract není povinný ani nutný.

  • Abstraktní třída má obvykle alespoň jednu abstraktní metodu, deklarovanou např.:

public abstract int indexOf(double d);

  • Od abstraktní třídy nelze vytvořit instanci, (chybí implementace některých metod) nelze napsat např.:

Searcher ch = new AbstractSearcher(...);

Reálný příklad: rozhraní → abstraktní třída → neabstraktní třída

  • Searcher = rozhraní — specifikuje, co má prohledávač umět

  • AbstractSearcher = abstraktní třída — předek konkrétních plných implementací prohledávače

  • LinearSearcher = konkrétní třída — plná implementace prohledávače

Searcher

Searcher je rozhraní = specifikuje, co má prohledávač umět

public interface Searcher {
   // Set the array for later searching
   void setData(double[] a);
   // Check whether array contains d element
   boolean contains(double d);
   // Return the position of d in the array (or -1 if not found)
   int indexOf(double d);
}

AbstractSearcher

AbstractSearcher je abstraktní třída = předek konkrétních plných implementací prohledávače

// this class implements Searcher only partially
public abstract class AbstractSearcher implements Searcher {
   // array, its getters and setters are implemented
   private double[] array;
   public void setData(double[] a) { array = a; }
   public double[] getData() { return array; }
   // we can call indexOf now - it will be implemented leter
   public boolean contains(double d) {
      return indexOf(d) >= 0;
   }
   // finding the position of d is NOT implemented yet!
   public abstract int indexOf(double d);
}

LinearSearcher

LinearSearcher je konkrétní třída = plná implementace prohledávače, pomocí lineárního prohledání

public class LinearSearcher extends AbstractSearcher {
   // class has to implement all abstract methods
   public int indexOf(double d) {
      double[] data = getData();
      for(int i = 0; i < data.length; i++) {
         if(data[i] == d) {
            return i;
         }
      }
      return -1;
   }
}

Šablonové metody

  • Všimněte si, že ve třídě AbstractSearcher volá metoda contains abstraktní metodu indexOf, která na této úrovni ještě neexistuje.

  • Je to v pořádku, protože u kompletní třídy (viz LinearSearcher dále) již požadovaný kód musí být.

  • Jedná se o návrhový vzor Template Method (šablonová metoda), kdy kód třídy spoléhá na to, že kód lokální šablonové metody dodají až podtřídy.

Repl.it demo k abstraktním třídám

Struktura a zavádění javových programů

  • struktura (třídy, balíky, moduly)

  • zavádění (classloaders)

  • další zdroje (resources)

  • reflexe

Struktura a organizace programů

  • Javový program sestává z alespoň jedné třídy s alespoň jednou metodou

  • Má-li být spustitelný z příkazové řádky, pak s metodou main

  • Ve spoustě nasazení - webové aplikace, aplikační kontejnery - není main třeba

  • Třídy se obvykle sdružují do balíků - deklarace package xx.yy.zz

  • Nově od Java 9 jsou balíky - přinejmenším v Core API - sdruženy do modulů (Modules)

  • Moduly kromě tříd samotných mohou obsahovat další zdroje (resources) a obsahují popisovač (module descriptor file)

  • Cílem je lepší znovupoužitelnost a potřeba u rozsáhlých programů lépe organizovat kód

Účel modulů

  • zabalit celou aplikaci nebo API jako samostatný modul

  • umožnit sledování a zajištění závislostí mezi moduly

  • napodobit "dohnat" to, co už jazyky jako JavaScript nebo Python mají

  • technicky jde o soubor JAR s celým modulem, tzn. popisovačem, třídami, příp. dalšími zdroji

  • dříve bylo třeba umísťovat zdroje do kořenové úrovně projektu a ručně je spravovat

  • nyní lze na jemnější úrovni modulů - podle toho, který zdroj je kde potřeba

Popisovač modulu

Název

název modulu (pojmenování modulů podobně jako u balíků, tj. tečky jsou povoleny, pomlčky nikoli; časté je pojmenování ve stylu projektu (my.module) nebo ve stylu Reverse-DNS jako u balíků (com.baeldung.mymodule)

Závislosti

seznam dalších modulů, na kterých tento modul závisí

Veřejné balíky

seznam všech balíků, které chceme mít přístupné mimo modul (ve výchozím nastavení jsou všechny balíky soukromé)

Nabízené služby

můžeme poskytovat implementace služeb (services), které mohou být využívány jinými moduly

Využívané služby

seznam služeb využívaných tímto modulem

Povolení pro reflexi

explicitně povoluje ostatním třídám používat reflexi pro přístup k soukromým (private) prvkům balíku (ve výchozím nastavení jsou všechny třídy nepřístupné pro reflexi)

Hlavní deklarace v popisovači

Export z modulu

  • veřejné balíky, viditelné zvnějšku

    module com.jenkov.mymodule {
    exports com.jenkov.mymodule;
    exports com.jenkov.mymodule.util;
}

  • je třeba exportovat skutečně jaždý balík, který chceme zviditelnit ven - tzn. i ten …​util

Závislost na modulech

  • závislost na ostatních balících

    module com.jenkov.mymodule {
    requires com.jenkov.mymodule;
    requires com.jenkov.mymodule.util;
}

  • cyklické závislosti nejsou přípustné: module.a závisí na module.b, který závisí na module.a

Balíky ve více modulech

  • NE, jeden balík smí být současně exportován v max jednom modulu

  • v jedné aplikaci se nesmí potkat balík exportovaný současně dvěma moduly, dvěma cestami

  • a to ani v případě, že by ve skutečnosti jedna třída byla vždy jen v jednom modulu

Nepovolený export

Ani uvedené dva exporty nejsou možné:

module cz.muni.fi.pb162.mod1 {
    exports cz.muni.fi.pb162.bank;
}

  • balík cz.muni.fi.pb162.bank v tomto modulu obsahuje jen třídu Bank

...
module cz.muni.fi.pb162.mod2 {
    exports cz.muni.fi.pb162.bank;
}

  • balík cz.muni.fi.pb162.bank v tomto modulu obsahuje jen třídu Account

Práce s moduly

  • kompilace: javac -d out --module-source-path src/main/java --module com.jenkov.mymodule

  • spuštění aplikace v modulu: java --module-path out --module com.jenkov.mymodule/com.jenkov.mymodule.Main

  • vytvoření JAR archívu s modulem: jar -c --file=out-jar/com-jenkov-mymodule.jar -C out/com.jenkov.mymodule . (-c create, --file soubor s výsledným JAR, -C change directory změna adresáře před sbalením JARu)

  • spuštění z JAR: java --module-path out-jar -m com.jenkov.mymodule/com.jenkov.mymodule.Main

  • spuštění hlavní třídy (Main-Class) z JAR: java -jar out-jar/com-jenkov-javafx.jar

Balení aplikací se závislostmi

  • Moduly umožňují pohodlně vytvořit spustitelný JAR se všemi závislostmi bez ručního jednotlivého "přibalování"

  • Nástroj jlink

  • jlink --module-path "out;C:\Program Files\Java\jdk-9.0.4\jmods" --add-modules com.jenkov.mymodule --output out-standalone

    --module-path

    složka jmods obsahuje standardní Core API moduly a out je složka s našimi předkompilovanými moduly

    --add-modules

    které moduly se mají do aplikace sbalit, v tomto případě com.jenkov.mymodule

    --output

    cílová složka pro umístění JAR s aplikací

  • Spuštění výsledného JAR: java --module com.jenkov.mymodule/com.jenkov.mymodule.Main

Kontejnery (dynamické datové struktury)

Co jsou kontejnery, kolekce (collections)?

  • dynamické datové struktury vhodné k ukládání proměnného počtu objektů (přesněji odkazů na objekty)

  • jsou automaticky ukládané v operační paměti (ne na disk)

Proč je používat?

  • pro uchování proměnného počtu objektů (počet prvků se může měnit — zvyšovat, snižovat)

  • oproti polím nabízejí efektivnější algoritmy přístupu k prvkům

Kvalitní seznámení s kontejnery najdete na stránkach Oracle

Základní kategorie

Základní kategorie jsou dány tím, které rozhraní daný kontejner implementuje:

Seznam (List<E>)

lineární struktura, každý prvek má svůj číselný index (pozici)

Množina (Set<E>)

struktura bez duplicitních hodnot a (obecně) bez uspořádání

Mapa, slovník, asociativní pole (Map<K,V>)

struktura uchovávající dvojice (klíč→hodnota), rychlý přístup přes klíč

Vlastní implementace se dá vytvořit implementováním zmíněných rozhraní.

Typové parametry

  • v Javě byly dříve kontejnery koncipovány jako beztypové

  • teď mají typové parametry ve špičatých závorkách (např. Set<Person>)

  • určují, jaký typ položek se do kontejneru smí dostat

List objects; // without type, old!
List<String> strings; // with type String
Kontejnery bez typů nepoužívat! (Vždy používejte špičaté závorky.)

Hierarchie kolekcí

Třídy jsou součástí Java Core API (balík java.util).

Hierarchie kolekcí

Collection

  • Mezi třídy typu rozhraní Collection patří:

    • rozhraní List, Set,…​ (ne však Map!)

    • konkrétní implementace ArrayList, LinkedList, HashSet,…​

  • Vytvoření prázdné kolekce:

List<String> listOfStrings = new ArrayList<>();
Collection<String> collection = new HashSet<>();
List<String> listWithValues = List.of("so", "cool");

Metody Collection I

Kolekce prvků typu E (tj. Collection<E>) má následující metody:

  • boolean add(E e)

    • přidá prvek e do kolekce

    • true jestli se skutečne přidal (využití u množin)

  • int size()

    • vrátí počet prvků v kolekci

  • boolean isEmpty()

    • true jestli je kolekce prázdná (velikost je 0)

Příklad metod Collection I

Collection<String> set = new HashSet<>();
set.add("Pacman"); // true
set.add("Pacman"); // false
set.toString(); //  ["Pacman"]

set.size(); // 1
set.isEmpty(); // false

Metody Collection II

  • void clear()

    • odstraní všechny prvky z kolekce

  • boolean contains(Object o)

    • true jestli se o nachází v kolekci

    • na test rovnosti se použije equals

  • boolean remove(Object o)

    • odstraní prvek z kolekce

    • true jestli byl prvek odstraněn

Příklad metod Collection II

List<String> list = List.of("Hello", "world");
list.toString(); //  ["Hello", "world"]

list.contains("Hello"); // true
list.remove("Hello");   // true

list.toString(); //  ["world"]
list.contains("Hello"); // false

list.clear();
list.toString(); //  []

Metody Collection III

  • Iterator<E> iterator()

    • vrací něco, co se dá iterovat (procházet for-each cyklem)

  • Jedná se o použití návrhového vzoru Iterator:

    • Kolekce nenabízí přímo metody pro procházení. Místo toho vrací objekt (iterátor), který umožňuje danou kolekci procházet jednotným způsobem bez ohledu na to, jak je kolekce uvnitř implementovaná.

    • Je možná i varianta, kdy procházení je umožněno jak specifickými metodami, tak iterátorem. Příkladem je List, který nabízí metodu get(int i) pro přímé procházení i obecný iterátor z důvodu kompatibility s ostatními kolekcemi.

Metody Collection IV

  • T[] toArray(T[] a)

    • vrátí pole typu T

    • konverze kolekce na pole

    • použití:

Collection<String> c = List.of("a", "b", "c");
String[] stringArray = c.toArray(new String[0]);
// stringArray contains "a", "b", "c" elements

Metody Collection V

  • boolean containsAll(Collection<?> c)

    • true jestli kolekce obsahuje všechny prvky z c

Metody vracející true, když byla kolekce změněna:

  • boolean addAll(Collection<E> c)

    • přidá do kolekce všechny prvky z c

  • boolean removeAll(Collection<?> c)

    • udělá rozdíl kolekcí (this - c)

  • boolean retainAll(Collection<?> c)

    • udělá průnik kolekcí

Výraz Collection<?> reprezentuje kolekci jakéhokoliv typu.

Příklad metod Collection V

Collection<String> c1 = List.of("A", "A", "B");
Collection<String> c2 = Set.of("A", "B", "C");
c1.containsAll(c2); // false
c2.containsAll(c1); // true

c1.retainAll(c2); // true
// c1 ["A", "B"]

c1.removeAll(c2); // true
// c1 []

c1.addAll(c2); // true
// c1 ["A", "B", "C"]

Repl.it demo ke kontejnerům

Potomci Collection

Podívejme se na potomky třídy Collection, konkrétně:

  • rozhraní List, implementace:

    • ArrayList

    • LinkedList

  • rozhraní Set, implementace:

    • HashSet

Seznam, List

  • něco jako dynamické pole

  • každý uložený prvek má svou pozici — číselný index

  • index je celočíselný, nezáporný, typu int

  • možnost procházení seznamu dopředně i zpětně

  • lze pracovat i s podseznamy:

List<E> subList(int fromIndex, int toIndex)

Implementace seznamu — ArrayList

  • nejpoužívanější implementace seznamu

  • využívá pole pro uchování prvků

  • při zvětšování/zmenšování se vytváří nové pole a prvky se musejí přesouvat (gif)

  • rychlý přístup k prvkům dle indexu

  • pomalé operace přidávání a odebírání prvků blíže k začátku seznamu (pole, v němž je seznam, se musí realokovat)

Javadoc třídy ArrayList

Implementace seznamu — LinkedList

  • druhá nejpoužívanější implementace seznamu

  • využívá zřetězený seznam pro uchování prvků

  • pomalejší operace přístupu k prvkům dle indexu "uvnitř" seznamu

  • rychlejší operace přidávání a odebírání prvků na začátku a na konci, resp. blízko nich

Javadoc třídy LinkedList

ArrayList vs. LinkedList

ArrayList vs. LinkedList

Kontejnery ukladají pouze jeden typ, v tomto případě String.

Výkonnostní porovnání seznamů

  • Operace nad ArrayList vs LinkedList

    add 100000 elements                       | 12 ms     | 8 ms
remove all elements from last to first    | 5 ms      | 9 ms
add 100000 elements at 0th position       | **1025 ms**   | 18 ms
remove all elements from 0th position     | **1014 ms**   | 10 ms
add 100000 elements at random position    | 483 ms    | **34504 ms**
remove all elements from random position  | 462 ms    | **36867 ms**

Konstruktory seznamů

  • ArrayList()

    • vytvoří prázdný seznam (s kapacitou 10 prvků)

  • ArrayList(int initialCapacity)

    • vytvoří prázdný seznam s danou kapacitou

  • ArrayList(Collection<? extends E> c)

    • vytvoří seznam a naplní ho prvky kolekce c

Kapacita reprezentuje interní kapacitu, neznamená to počet null prvků v nové kolekci!

Vytváření kolekcí

Statické "factory" metody:

  • List.of(elem1, elem2, …​)

    • vytvoří seznam a naplní ho danými prvky

    • vrátí nemodifikovatelnou kolekci

  • analogicky Set.of, Map.of

  • jestli chceme kolekci modifikovatelnou, musíme vytvořit novou:

List<String> modifiableList = new ArrayList<>(List.of("Y", "N"));
Jelikož v množině nejsou duplicity, Set.of si hlídá, abychom prvek nepřidali vícekrát: proto selže například Set.of("foo", "bar", "baz", "foo");

Na zamyšlení

  • Jak udělám se seznamu typu List kolekci Collection?

// change the type, it is its superclass
Collection<Long> collection = list;

  • Jak udělám z kolekce Collection seznam List ?

// create new list
List<Long> l = new ArrayList<>(collection);

Metody rozhraní List I

Rozhraní List dědí od Collection.

Kromě metod v Collection obsahuje další metody:

  • E get(int index)

    • vrátí prvek na daném indexu

    • IndexOutOfBoundsException je-li mimo rozsah

  • E set(int index, E element)

    • nahradí prvek s indexem index prvkem element

    • vrátí předešlý prvek

Metody rozhraní List II

  • void add(int index, E element)

    • přidá prvek na daný index (prvky za ním posune)

  • E remove(int index)

    • odstraní prvek na daném indexu (prvky za ním posune)

    • vrátí odstraněný prvek

  • int indexOf(Object o)

    • vrátí index prvního výskytu o

    • jestli kolekce prvek neobsahuje, vrátí -1

  • int lastIndexOf(Object o) pro index posledního výskytu

Příklad použití seznamu

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("A");
list.add("C");
list.add(1, "B");
// ["A", "B", "C"]

list.get(2); // "C"
list.set(1, "D"); // "B"
list.indexOf("D"); // 1

Množina, Set

  • odpovídá matematické představě množiny

  • prvek lze do množiny vložit nejvýš jedenkrát

  • při porovnávání rozhoduje rovnost podle výsledku volání equals

  • umožňuje rychlé dotazování na přítomnost prvku

  • provádí rychle atomické operace (se složitostí O(1), O(log(n))):

    • vkládání prvku — add

    • odebírání prvku — remove

    • dotaz na přítomnost prvku — contains

Množiny jsou primárně bez pořadí, bez uspořádání, existuje však i množina s uspořádáním.

Equals & hashCode — opakování

Equals

zjistí, jestli jsou objekty logicky stejné (porovnání atributů).

HashCode

vrací pro logicky stejné objekty stejné číslo, haš.

Hash

je falešné ID — pro různé objekty může hashCode vracet stejný haš.

Implementace množiny — HashSet

  • Ukladá objekty do hašovací tabulky podle haše

  • Ideálně konstantní operace (tj. sub-logaritmická složitost)

  • Když má více prvků stejný haš, existuje více způsobů řešení

  • Pro (ne úplně ideální) hashCode x + y vypadá tabulka následovně:

    haš  | objekt
0    | [0,0]
1    | [1,0]
2    |
3    | [2,1]
Javadoc třídy HashSet

HashSet pod lupou

  • boolean contains(Object o)

    • vypočte haš tázaného prvku o

    • v tabulce najde objekt uložený pod stejným hašem

    • objekt porovná s o pomocí equals

  • Co když mají všechny objekty stejný haš?

    • Množinové operace budou velmi, velmi pomalé.

  • Co když porušíme kontrakt metody hashCode (pro stejné objekty vrátí různá čísla)?

    • Množina přestane fungovat jako množina, bude obsahovat duplicity!

Další implmentací množiny je LinkedHashSet = Hash Table + Linked List

Další lineární struktury

zásobník

třída Stack, struktura LIFO

fronta

třída Queue, struktura FIFO

  • fronta může být také prioritní — PriorityQueue

oboustranná fronta

třída Deque (čteme "deck")

  • slučuje vlastnosti zásobníku a fronty

  • nabízí operace příslušné oběma typům

Starší typy kontejnerů

  • Existují tyto starší typy kontejnerů (za → uvádíme náhradu):

    • Hashtable → HashMap, HashSet (podle účelu)

    • Vector → List

    • Stack → List nebo lépe Queue či Deque

Kontejnery a primitivní typy

  • Kontejnery ukládájí pouze odkazy na objekty, neukládají primitivní typy.

  • Proto používame jejich objektové protějšky — Integer, Char, Boolean, Double…​

  • Java automaticky dělá tzv. autoboxing — konverzi primitivního typu na objekt

  • Pro zpětnou konverzi se analogicky dělá tzv. unboxing

List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(new Integer(1));
list.add(1); // autoboxing
int primitiveType = list.get(0); // unboxing

Procházení kolekcí

Základní typy:

for-each cyklus

  • jednoduché, intuitivní

  • nepoužitelné pro modifikace samotné kolekce

iterátory

  • náročnější, užitečnější

  • modifikace povolena

lambda výrazy s forEach

  • strašidelné

For-each cyklus I

  • Je rozšířenou syntaxí cyklu for.

  • Umožňuje procházení kolekcí i polí.

List<Integer> numbers = List.of(1, 1, 2, 3, 5);
for(Integer i: list) {
   System.out.println(i);
}

For-each cyklus II

  • For-each neumožňuje modifikace kolekce.

  • Jestli kolekci změníme, nemůžeme pokračovat v iterování — dojde k vyhození ConcurrentModificationException.

  • Odstranění prvku a vyskočení z cyklu však funguje:

Set<String> set = Set.of("Donald Trump", "Barrack Obama");
for(String s: set) {
  if (s.equals("Donald Trump")) {
    set.remove(s);
    break;
  }
}

Iterátory

  • Sekvenční procházení prvků kolekce v neurčeném pořadí nebo uspořádání (u uspořádaných kolekcí)

  • Každý iterátor musí implementovat velmi jednoduché rozhraní Iterator<E>

  • Běžné použití pomocí while:

Set<Integer> set = Set.of(1, 2, 3);
Iterator<Integer> iterator = set.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
  Integer element = iterator.next();
  ...
}

Metody iterátorů

  • E next()

    • vrátí následující prvek

    • NoSuchElementException jestli iterace nemá žádné zbývající prvky

  • boolean hasNext()

    • true jestli iterace obsahuje nějaký prvek

  • void remove()

    • odstraní prvek z kolekce

    • maximálně jednou mezi jednotlivými voláními next()

Iterátor — příklad

Pro procházení iterátoru se dá použít i for cyklus:

Set<String> set = Set.of("Donald Trump", "Barrack Obama", "Hillary Clinton");

for (Iterator<String> iter = set.iterator(); iter.hasNext();) {
  String element = iter.next();
  if (!element.equals("Barrack Obama")) iter.remove();
}
Roli iterátoru plnil dříve výčet (Enumeration) — nepoužívat.

Repl.it demo k iterátorům (a komparátorům z příští přednášky)

Kontejnery kontejnerů

  • Kromě kontejnerů obsahujících již koncové hodnoty, jsou často používané i kontejnery obsahující další kontejnery:

  • Například List<Set<Integer>> bude obsahovat seznam množin celých čísel, tedy třeba [{1, 4, -2}, {0}, {-1, 3}].

  • Nebo mapa, která studentům přiřazuje seznam známek Map<Student, List<Integer>>.

Repl.it demo ke kontejnerům kontejnerů

Map

Asociativní pole, mapa, slovník

  • ukládá dvojici klíč — hodnota

  • umožnuje rychlé vyhledání hodnoty podle klíče

  • klíče v mapě jsou vždy unikátní

  • mapa je kontejner — dynamická datová struktura

  • mapa rozhodně není Collection<E>

  • implementuje rozhraní Map<K,V>

    • K = objektový typ klíče, V = objektový typ hodnoty

    • např. mapa ID a osob — Map<Long, Person>

Příklad Map

Následující mapa ukládá značky aut (klíče) a počty kusů (hodnoty):

Map<String, Integer> vehicles = new HashMap<>();
vehicles.put("BMW", 2);
vehicles.put("Audi", 4);
vehicles.put("Opel", 1);

vehicles.get("BMW"); // 2

Metody Map I

  • int size() — velikost mapy

  • void clear() — vyprázdní mapu

  • boolean isEmpty() — true, když je mapa prázdná

  • boolean containsKey(Object key) — dotaz na přítomnost klíče

  • boolean containsValue(Object value) — dotaz na přítomnost hodnoty

  • V remove(Object key) — odstraní klíč, vrací hodnotu (nebo null)

  • V replace(K key, V value) — nahradí existující klíč hodnotou

K = objektový typ klíče (key)

V = objektový typ hodnoty (value)

Metody Map II

  • V put(K key, V value)

    • vloží dvojici klíč — hodnota do mapy

    • jestli daný klíč už existuje, hodnota je přepsána

    • vrací přepsanou hodnotu nebo null

  • V putIfAbsent(K key, V value)

    • vloží dvojici pouze v případe, že klíč zatím v mapě neexistuje

  • V get(Object key)

    • výběr hodnoty odpovídající zadanému klíči

    • jestli klíč neexistuje, vrací null

  • V getOrDefault(Object key, V defaultValue)

    • vrací hodnotu daného klíče nebo defaultní hodnotu

Metody Map III

  • Set<K> keySet()

    • vrací množinu všech klíčů

    • Proč množina? Každý klíč je v mapě maximálně jednou

  • Collection<V> values()

    • vrací kolekci všech hodnot (může obsahovat duplicity)

  • Set<Map.Entry<K,V>> entrySet()

    • vrací množinu typu Map.Entry pro iteraci kolekce

    • obsahuje metody getKey(), getValue()

Pro vkládání mapy do mapy existuje putAll.

Příklad iterace mapy

Map<Integer, String> map = Map.ofEntries(
  entry(1, "a"),
  entry(2, "b")
  );

for (Map.Entry<Integer, String> entry : map.entrySet()) {
  System.out.println("key: " + entry.getKey());
  System.out.println("value: " + entry.getValue());
}

Implementace mapy — HashMap

  • HashMap je implementována pomocí hašovací tabulky

  • haš je zahašovaný klíč, hodnota tabulky je dvojice (klíč, hodnota)

  • Složitost základních operací

    • v praxi závisí na kvalitě hašovací funkce (metody hashCode) na ukládáných objektech

    • teoreticky se blíží složitosti konstantní

Kolekce HashSet je implementována pomocí HashMap — klíč je prvek, hodnota je "dummy object".
Javadoc třídy HashMap

Úvod

Motivace

  • chceme prvky v kolekci uspořádané, ale nechceme to dělat "ručně"

  • v kolekci typu String chceme jména od K po M

Implementace

  • uspořádání dáné třídy musí být definováno ve třídě

Rozhraní Comparable<T>

  • rozhraní slouží k definování přirozeného (defaultního) uspořádání třídy

  • třída implementuje rozhraní ⇒ objekty jsou vzájemně uspořádatelné

  • použití zejména u uspořádaných kontejnerů

  • předepisuje jedinou metodu int compareTo(T o)

  • T = typ objektu, název třídy

Javadoc třídy Comparable<T>

Metoda compareTo

int compareTo(T that)
// used as e1.compareTo(e2)

  • metoda porovná 2 objekty — this (e1) a that (e2)

  • vrací celé číslo, pro které platí:

    • číslo je záporné, když e1 < e2

    • číslo je kladné, když e1 > e2

    • 0, když nezáleží na pořadí

  • na samotném čísle nezáleží, je v pořádku používat pouze hodnoty -1, 0, 1

Implementace Comparable<E>

public class Point implements Comparable<Point> {
  private int x;
  // ascending order
  public int compareTo(Point that) {
    return this.x - that.x;
  }
}
...
new Point(1).compareTo(new Point(4)); // -3
Existuje i beztypové rozhraní Comparable, to ale nebudeme používat!

Comparable jako příklad funkcionálního rozhraní

  • Comparable<T> je hezký typický příklad tzv. funkcionálního rozhraní (functional interface) - má jedinou metodu compareTo a lze použít například jako predikát pro filtrování objektů v proudech.

compareTo vs. equals

  • chování compareTo by mělo být konzistentní s equals

  • pro rovné objekty by compareTo mělo vrátit 0

  • není to však nutnost

    • např. třída BigDecimal pro přesné hodnoty podmínku porušuje

    • pro stejné hodnoty s rozdílnou přesností — např. 4.0 a 4.00

  • compareTo na rozdíl od equals nemusí vstupní objekt přetypovávat a může vyhazovat výjimku

Více uspořádání

Co kdybychom chtěli více typů uspořádání, nebo alternativu k přirozenému uspořádání?

Nemůžeme nadefinovat stejnou metodu víckrát.

  • rozhraní Comparator<T> slouží k definování uspořádání zvnějšku — pomocí objektu jiné třídy

  • předepisuje jedinou metodu int compare(T o1, T o2)

  • uspořádání funguje nad objekty typu T

  • návratová hodnota compare funguje stejně jako u compareTo

  • funguje jako alternativa pro další uspořádání

Příklad komparátoru

Třída String má definované přirozené uspořádání lexikograficky.

Definujme lexikografický komparátor, který ignoruje velikost písmen:

public class IgnoreCaseComparator implements Comparator<String> {
  public int compare(String o1, String o2) {
    return o1.toLowerCase().compareTo(o2.toLowerCase());
  }
}
...
new IgnoreCaseComparator().compare("HI", "hi"); // 0

Skutečné použití

  • metody pro uspořádání programátor v kódu obvykle nepoužívá

  • namísto toho používá uspořádané kolekce, kdy prvky v kolekci jsou řazeny automaticky

  • je nutno definovat přirozené uspořádání nebo použít komparátor, aby kolekce věděla, podle jakých pravidel prvky seřadit

  • komparátor se nastavuje při vytváření uspořádané kolekce nebo mapy (viz dále)

  • Jedná se o použití návrhové vzoru Strategy:

    • Komparátor implementuje strategii třídění na daném typu objektů. Přitom můžeme mít víc strategií (víc způsobů třídění).

    • Uspořádaná kolekce nebo mapa pak představuje Context ve vzoru, kdy říkáme, jaká strategie třídění se má v daném případě použít.

Hierarchie rozhraní kolekcí

Budeme se zabývat rozhraními SortedSet a SortedMap.

Hierarchie kolekcí

SortedSet, SortedMap

SortedSet

  • rozhraní pro uspořádané množiny

  • všechny vkládané prvky musí implementovat rozhraní Comparable (nebo použít komparátor)

  • implementace TreeSet

SortedMap

  • rozhraní pro uspořádané mapy

  • všechny vkládané klíče musí implementovat rozhraní Comparable (nebo použít komparátor)

  • implementace TreeMap

Konstruktory TreeSet

  • TreeSet()

    • vytvoří prázdnou množinu

    • prvky jsou uspořádány podle přirozeného uspořádání

  • TreeSet(Collection<? extends E> c)

    • vytvoří množinu s prvky kolekce c

    • prvky jsou uspořádány podle přirozeného uspořádání

  • TreeSet(Comparator<? super E> comparator)

    • vytvoří prázdnou množinu

    • prvky jsou uspořádány podle komparátoru

  • TreeSet(SortedSet<E> s)

    • vytvoří množinu s prvky i uspořádáním podle s

Příklad TreeSet I

Definice přirozeného uspořádání:

public class Point implements Comparable<Point> {
  ...
  public int compareTo(Point that) {
    return this.x - that.x;
  }
}

Příklad TreeSet II

Použití:

SortedSet<Point> set = new TreeSet<>();
set.add(new Point(3));
set.add(new Point(3));
set.add(new Point(-1));
set.add(new Point(0));
System.out.println(set);
// prints -1, 0, 3

Jiný příklad TreeSet

Třída String má definované přirozené uspořádání lexikograficky.

SortedSet<String> set = new TreeSet<>();
set.add("Bobik");
set.add("ALIK");
set.add("Alik");
System.out.println(set); // [ALIK, Alik, Bobik]

SortedSet<String> set2 = new TreeSet<>(new IgnoreCaseComparator());
set2.addAll(set);
System.out.println(set2); // [ALIK, Bobik]
TreeSet pro porovnávání prvků používá compareTo / compare, proto má druhá množina pouze 2 prvky!

TreeSet pod lupou

  • implementována jako červeno-černý vyvážený vyhledávací strom

    • ⇒ operace add, remove, contains jsou v O(log n)

  • hodnoty jsou uspořádané

    • prvky jsou procházeny v přesně definovaném pořadí

Javadoc třídy TreeSet

TreeMap

  • množina klíčů je de facto TreeSet

  • hodnoty nejsou uspořádány

  • uspořádání lze ovlivnit stejně jako u uspořádané množiny

  • implementace stromu a složitost operací je stejná

Javadoc třídy TreeMap

Příklad TreeMap

Klíče jsou unikátní a uspořádané, hodnoty nikoliv.

SortedMap<String, Integer> population = new TreeMap<>();
population.put("Brno", -1);
population.put("Brno", 500_000);
population.put("Bratislava", 500_000);

System.out.println(population);
// {Bratislava=500000, Brno=500000}

Repl.it demo k uspořádaným množinám a mapám

Pomocná třída Collections

  • Java Core API v balíku java.util nabízí třídu Collections

  • nabízí jen statické metody a proměnné (tzv. utility class), nelze od ní vytvářet instance

  • nabízí škálu užitečných metod pro práci s kontejnery

Javadoc třídy Collections

Souběžný přístup

  • moderní kontejnery nejsou synchronizované

  • jinak řečeno, nepřipouštějí souběžný přístup z více vláken

  • standardní (nesynchronizovaný) kontejner lze však zabalit

  • synchronizedSet, synchronizedList, synchronizedCollection, …​

  • metoda vrátí novou synchonizovanou kolekci

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> syncedList = Collections.synchronizedList(list);

Získání nemodifikovatelných kontejnerů

  • kontejnery jsou standardně modifikovatelné (read/write)

  • nemodifikovatelné kontejnery se používají při vracení hodnot z metod

  • unmodifiableSet, unmodifiableList, unmodifiableCollection, …​

  • metoda vrátí novou nemodifikovatelnou kolekci

Set<String> set = Set.of("Donald Trump", "Barrack Obama", "Hillary Clinton");
return Collections.unmodifiableSet(set);
Getter na kolekci je vždy nemodifikovatelný!

Návrhový vzor Proxy

  • Při vytváření nemodifikovatelné kolekce se nikam nic nekopíruje. Původní kolekci se pouze předřadí objekt (kolekce), který nemodifikační metody přeposílá původní kolekci, zatímco modifikační metody selhávají s výjimkou

  • Jedná se použití návrhového vzoru Proxy:

    • Původní i nový objekt jsou stejného typu (v našem případě Collection).

    • Nový objekt na pozadí komunikuje s původním objektem.

Prázdné kontejnery

  • třída obsahuje konstanty EMPTY_SET, EMPTY_LIST, EMPTY_MAP

  • metody emptyList(), emptyMap(), emptyIterator(), …​

  • preferujeme metody, protože konstanty postrádají typ, tj. chybí jim typová kontrola

  • vrácené kolekce jsou nemodifikovatelné

  • šetříme vytváření nové kolekce

Collections.<String>emptyList();

Metody v Collections I

  • Collections.binarySearch

    • binární vyhledávání v kontejneru

  • Collections.reverseOrder, rotate

    • obrácení, rotace pořadí prvků

  • Collections.swap

    • prohazování prvků

  • Collections.shuffle

    • náhodné zamíchání prvků

Metody v Collections II

  • Collections.sort

    • uspořádání (přirozené, anebo pomocí komparátoru)

  • Collections.min, max

    • minimální, maximální prvek (s definovaným uspořádaním)

  • Collections.nCopies

    • vytvoří kolekci n stejných prvků

  • Collections.frequency

    • kardinalita dotazovaného prvku v dané kolekci

Srovnání implementací kolekcí

  • ArrayList — na bázi pole

    • rychlý přímý přístup (přes index)

  • LinkedList — na bázi lineárního zřetězeného seznamu

    • rychlý sekvenční přístup (přes iterátor)

  • HashMap, HashSet — na bázi hašovacích tabulek

    • rychlejší, ale neuspořádané

    • lze získat iterátor procházející klíče uspořádaně

  • TreeMap, TreeSet — na bázi vyhledávacích stromů

    • pomalejší, ale uspořádané

  • LinkedHashSet, LinkedHashMap — spojení výhod obou

Kontejnery a jejich rozhraní

  • Set (množina)

    • HashSet (založena na hašovací tabulce)

    • TreeSet (černobílý strom)

    • LinkedHashSet (zřetězené záznamy v hašovací tabulce)

  • List (seznam)

    • ArrayList (implementován pomocí pole)

    • LinkedList (implementován pomocí zřetězeného seznamu)

  • Deque (fronta - obousměrná)

    • ArrayDeque (fronta pomocí pole)

    • LinkedList (fronta pomocí zřetězeného seznamu)

  • Map (asociativní pole/mapa)

    • HashMap (založena na hašovací tabulce)

    • TreeMap (černobílý strom)

    • LinkedHashMap (zřetězené záznamy v hašovací tabulce)

Kontejnery a výjimky

Při práci s kontejnery může vzniknout řada výjimek.

Některé z nich i s příklady:

  • IllegalStateException

    • vícenásobné volání remove() bez volání next() v iterátoru

  • UnsupportedOperationException

    • modifikace nemodifikovatelné kolekce

  • ConcurrentModificationException

    • iterovaný prvek (for-each cyklem) byl odstraněn

Většina výjimek je běhových (runtime), tudíž není nutné je řešit. (Samozřejmě je ale třeba psát kód tak, aby nevznikaly. :))

Nepovinné metody

  • funkcionalita kontejnerů je předepsána rozhraním

  • některé metody rozhraní jsou nepovinné — třídy jej nemusí implementovat

    • např. add, clear, remove

    • metoda existuje, ale nelze ji použít, protože volání vyhodí výjimku UnsupportedOperationException

  • Důvod?

    • např. nehodí se implementovat zápisové operace, když kontejnery budou read-only (unmodifiable)

O co jde?

  • Java byla navržena jako čistě objektový jazyk.

  • Lambda výrazy do tohoto jazyka přináší prvky funkcionálního programování.

  • Jak mohou tyto dva různé světy koexistovat?

  • Proč a jak je funkcionální syntaxe integrována do objektového API Javy?

Motivační příklad

Založeno na Java Tutorial

  • Předpokládejme, že chceme vytvořit sociální síť. Administrátorům chceme umožnit provádění různých akcí jako například zasílání zpráv těm uživatelům sociální sítě, kteří splňují nějaká kritéria.

  • Předpokládejme, že uživatelé jsou reprezentování následující třídou:

public class Person {
    public enum Sex {
        MALE, FEMALE
    }
    private String name;
    private LocalDate birthday;
    private Sex gender;
    private String emailAddress;

    public int getAge() {
        // ...
    }
    public void printPerson() {
        // ...
    }
}

  • Dále předpokládejme, že jsou uživatelé sociální sítě uložení v seznamu List<Person>.

Krok 1: Primitivní řešení

  • Základní implementace vyhledávání lidí podle kritéria může vypadat následovně:

public static void printPersonsOlderThan(List<Person> roster, int age) {
    for (Person p : roster) {
        if (p.getAge() >= age) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

  • Q: Co když chceme přidat další operaci, např. výpis lidí mladších než nějaký věk?

  • A: Musí se přidat nová metoda, nebo se existující metoda musí pojmout víc obecněji.

Krok 2: Zobecněné vyhledávání

public static void printPersonsWithinAgeRange(List<Person> roster, int low, int high) {
    for (Person p : roster) {
        if (low <= p.getAge() && p.getAge() < high) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

  • Q: Co když chceme vypisovat uživatele specifického pohlaví, nebo dokonce kombinace věk a pohlaví?

  • Q: Co když se rozhodneme změnit třídu Person a přidat do ní atributy, např. vzájemné vztahy nebo geografická lokace?

  • A: Přestože je tato metoda obecnější než předchozí printPersonsOlderThan, snaha vytvořit specifickou metodu pro každý možný vyhledávací dotaz je neudržitelná.

  • Řešení: Oddělit kód, který specifikuje vyhledávací kritéria, od samotného vyhledávání.

Jména metod musí být výstižná a popisná. Proto byla metoda přejmenována.

Krok 3: Použití vlastního rozhraní [1/2]

  • Definujeme rozhraní pro vyhledávací a vytvoříme implementaci:

interface CheckPerson {
    boolean test(Person p);
}

class CheckPersonEligibleForSelectiveService implements CheckPerson {
    public boolean test(Person p) {
        return p.gender == Person.Sex.MALE &&
            p.getAge() >= 18 &&
            p.getAge() <= 25;
    }
}
Ve stejnou chvíli můžeme mít definováno několik vyhledávacích kritérií (tříd implementujících rozhraní).

Krok 3: Použití vlastního rozhraní [2/2]

  • Vyhledávací metoda se změní následovně:

public static void printPersons(List<Person> roster, CheckPerson tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

  • A volá se takto:

    List<Person> roster = ...
printPersons(roster, new CheckPersonEligibleForSelectiveService());

  • Q: Je nutné definovat CheckPersonEligibleForSelectiveService ve speciální třídě?

  • A: Není. Můžeme použít anonymní třídy a redukovat tak kód.

Krok 4: Použití anonymní třídy

interface CheckPerson {
    boolean test(Person p);
}

public static void printPersons(List<Person> roster, CheckPerson tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

List<Person> roster = ...
printPersons(
    roster,
    new CheckPerson() {
        public boolean test(Person p) {
            return p.getGender() == Person.Sex.MALE
                && p.getAge() >= 18
                && p.getAge() <= 25;
        }
    }
);

  • Všimněte si, že CheckPerson je funkcionální - obsahuje jedinou metodu. Proto je ale název metody nepodstatný.

  • Q: Mohli bychom název metody nějak vynechat?

  • A: Ano, pokud použijeme lambda výraz, který se dá chápat jako definice anonymní metody implementující nějaké funkcionální rozhraní.

Krok 5: Použití lambda výrazu

interface CheckPerson {
    boolean test(Person p);
}

public static void printPersons(List<Person> roster, CheckPerson tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

List<Person> roster = ...
printPersons(
    roster,
    (Person p) -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
        && p.getAge() >= 18
        && p.getAge() <= 25
);

  • Levá část (před šipkou) obsahuje vstupní parametry, pravá strana pak kód případně výstupní hodnotu.

  • Všimněte si, že rozhraní CheckPerson se teď v kódu objevuje pouze typ argumentu v metodě printPerson(). Ale název typu (ani metody, jak už víme) není důležitý.

  • Q: Mohli bychom vynechat z kódu i typ CheckPerson?

  • A: Ano. Java nabízí pro takové případy vlastní generická předdefinovaná rozhraní.

Krok 6: Použití existujících funkcionálních rozhraní [1/3]

  • Zamysleme se nad původní definicí našeho rozhraní:

interface CheckPerson {
    boolean test(Person p);
}

  • Jeho význam můžeme zobecnit pomocí generických typů podobně, jako je tomu u rozhraní java.util.functions.Predicate:

interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);
}

Krok 6: Použití existujících funkcionálních rozhraní [2/3]

  • CheckPerson tedy již nadále nepotřebujeme. Můžeme místo něj použít Predicate<T>:

public static void printPersons(List<Person> roster, Predicate<Person> tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}
List<Person> roster = ...
printPersons(
    roster,
    (Person p) -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
        && p.getAge() >= 18
        && p.getAge() <= 25
);

Krok 6: Použití existujících funkcionálních rozhraní [3/3]

  • Zamysleme se nad rozhraním Predicate<T> a jeho použitím ještě jednou:

interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);
}
...
(Person p) -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
    && p.getAge() >= 18
    && p.getAge() <= 25
...

  • Všimněte si, že rozhraní Predicate používá typ T pouze na zjištění typu vstupního argumentu metody. Jenže typ objektu, který metodě posíláme, může být (a je) rozpoznán za běhu. Takže tato informace je v podstatě nedůležitá.

  • Q: Mohli bychom deklaraci typu při volání vynechat?

  • A: Ano. Následující fragment kódu je rovněž správně. Že T odpovídá Person zjistí Java interpret za běhu.

p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
    && p.getAge() >= 18
    && p.getAge() <= 25

Jaká máme funkcionální rozhraní v Javě?

  • Rozhraní v java.util.function package, například

    Predicate<T>

    s jednou metodou boolean test(T t),

    Supplier<T>

    s jednou metodou void get(T t),

    Consumer<T>

    s jednou metodou void accept(T t).

  • Další rozhraní, která sice mohou definovat více metod, ale jen jedna zni je nestatická, například

    • Comparator<T> z java.util,

    • Iterable<T> z java.lang.

Příklad použití dalších funkcionálních rozhraní

  • Naše současná implementace vyhledávací metody vypisuje informace o osobách splňujících predikát:

public static void printPersons(List<Person> roster, Predicate<Person> tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

  • Co když ale s osobami, které splňují predikát daný parametrem tester, chceme dělat něco jiného, než jen vypisovat informace o nich?

Funkcionální rozhraní Consumer

  • Funkcionální rozhraní Consumer<T> s metodou void accept(T t) nabízí obecnou operaci na zpracování objektu.

  • Jako implementaci rozhraní Consumer<T> lze použít jakýkoliv kód, který na daném objektu něco vykoná, ale nic nevrací.

  • Velmi často se prostě zavolá bezparametrická metoda definovaná na daném objektu, v našem případě p.printPerson().

public static void processPersons(
    List<Person> roster,
    Predicate<Person> tester,
    Consumer<Person> block)
{
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            block.accept(p);
        }
    }
}
processPersons(
     roster,
     p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
         && p.getAge() >= 18
         && p.getAge() <= 25,
     p -> p.printPerson()
);

Funkcionální rozhraní Function

  • Co když nám nestačí zpracovat původní objekty Person, ale rádi bychom z nich vytáhli nějaké informace, například e-mail, a teprve tyto informace zpracovali?

  • K tomu potřebuje rozhraní, které by vracelo nějakou hodnotu.

  • Funkcionální rozhraní Function<T,R> nabízí metodu R apply(T t), která slouží k "transformaci" dat typu T na data typu R.

public static void processPersons(
    List<Person> roster,
    Predicate<Person> tester,
    Function<Person, String> mapper,
    Consumer<String> block)
{
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            String data = mapper.apply(p);
            block.accept(data);
        }
    }
}
processPersons(
    roster,
    p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
        && p.getAge() >= 18
        && p.getAge() <= 25,
    p -> p.getEmailAddress(),
    email -> System.out.println(email)
);

Extenzivní využití generických typů [1/2]

  • Metoda processPersons sice pracuje pouze se dvěma typy (Person and String), ale její smysl se dá zobecnit takto: procházej objekty, vyber, které splňují predikát, vezmi z nich nějaká data, a tato data zpracuj.

  • Tohoto zobecnění lze dosáhnout zobecněním typů za použití generik:

public static <X, Y> void processElements(
    Iterable<X> source,
    Predicate<X> tester,
    Function <X, Y> mapper,
    Consumer<Y> block)
{
    for (X p : source) {
        if (tester.test(p)) {
            Y data = mapper.apply(p);
            block.accept(data);
        }
    }
}

Extenzivní využití generických typů [2/2]

  • Vypsání e-mailových adres lidí pak lze vypsat stejně jako předtím:

processElements(roster,
    p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
        && p.getAge() >= 18
        && p.getAge() <= 25,
    p -> p.getEmailAddress(),
    email -> System.out.println(email)
);

  • Co se ale změnilo je to, že lze takto zpracovat i jiné třídy/objekty, než jen Person!

Datové proudy (streams)

  • Rozhraní java.util.stream.Stream<T> používá nastíněné principy a nabízí jednoduché metody, které mohou být použité pro proudové zpracování dat. Náš kód lze přepsat takto:

roster.stream()
    .filter(
        p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
            && p.getAge() >= 18
            && p.getAge() <= 25)
    .map(p -> p.getEmailAddress())
    .forEach(email -> System.out.println(email));

Principy proudového zpracování dat

  • Java Core API nabízí jednoduchá funkcionální rozhraní vhodná pro proudové zpracování dat.

  • Díky generickým typům jsou tato rozhraní jsou nezávislá na tom, jaká data jsou v proudu uložena.

  • Rozhraní Stream poskytuje metody, které využívají funkcionální rozhraní pro definici jednoduchých operací nad proudovými daty. Operace je aplikována na všechny objekty proudu.

  • Většina těchto metod vrací "výsledný" proud jako výstupní hodnotu, takže lze operace snadno řetězit.

  • Vývojáři mohou využít anonymní třídy pro snadnou definici proudových operací (implementaci požadovaných rozhraní). Protože se ale jedná o funkcionální rozhraní, lze navíc použít kompaktní zápis pomocí lambda výrazů.

  • Resumé: Vývojáři mohou implementovat proudově-orientované zpracování dat s použitím přístupu podobného funkcionálním jazykům.

Kolekce typu Stream

Nyní, když známe pozadí lambda výrazů a jejich souvislost s funkcionálními rozhraními v Java Core API, zaměříme na jejich použití pro proudové zpracování dat zajišťované rozhraním java.util.stream.Stream.

  • Stream homogenní lineární struktura prvků (např. seznam)

  • Rozhraní Stream<T> obsahuje dva typy operací:

    • intermediate operations ("přechodné") — transformuje proud do dalšího proudu

    • terminal operation ("terminální", "koncová") — vyprodukuje výsledek nebo má vedlejší účinek

  • jedná se o "lazy collections" — prvky se vyhodnotí, až když se zavolá terminální operace a použije se její výsledek

Neplést jsi se vstupně/výstupními proudy (java.io.InputStream/OutputStream)

Motivační příklad

List<String> list = List.of("MUNI", "VUT", "X");
int count = list.stream()
                .filter(s -> s.length() > 1)
                .mapToInt(s -> s.length())
                .sum();
// count is 7

  • kolekci tranformujeme na proud

  • použijeme pouze řetězce větší než 1

  • transformujeme řetězec na přirozené číslo (délka řetězce)

  • zavoláme terminální operaci, která čísla sečte

Vytvoření Stream

Stream obvykle vytváříme z prvků kolekce, pole, nebo vyjmenováním.

Stream<String> stringStream;

List<String> names = new ArrayList<>();
stringStream = names.stream();

String[] names = new String[] { "A", "B" };
stringStream = Stream.of(names);

stringStream = Stream.of("C", "D", "E");

Odkazy na metody

Lambda výraz, který pouze volá metodu, se dá zkrátit vytvořením odkazu na (danou) metodu.

  • Zjištění délky řetězce s → s.length():

String::length

  • Vypsání prvků s → System.out.println(s):

System.out::println

Příklad použití Stream

List<String> names = ...
names.stream()
     .map(String::toUpperCase)
     .forEach(System.out::println);

  1. nejdříve vytvoří ze seznamu proud

  2. pak každý řetězec převede pomocí toUpperCase (průběžná operace)

  3. na závěr každý takto převedený řetězec vypíše (terminální operace)

Odpovídá sekvenční iteraci:

for(String name : names) {
   System.out.println(name.toUpperCase());
}

Přechodné metody třídy Stream I

Přechodné metody vrací proud, na který aplikují omezení:

  • Stream<T> distinct()

    • bez duplicit (podle equals)

  • Stream<T> limit(long maxSize)

    • proud obsahuje maximálně maxSize prvků

  • Stream<T> skip(long n)

    • zahodí prvních n prvků

  • Stream<T> sorted()

    • uspořádá podle přirozeného uspořádání

Přechodné metody třídy Stream II

  • Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate)

    • Predicate = lambda výraz s jedním parametrem, vrací booolean

    • zahodí prvky, které nesplňují predicate

  • <R> Stream<R> map(Function<? super T,? extends R> mapper)

    • mapper je funkce, která bere prvky typu T a vrací prvky typu R

    • může vracet stejný typ, např. map(String::toUpperCase)

  • existují mapovací funkce mapToInt, mapToLong, mapToDouble

    • vracejí speciální IntStream, ..

    • obsahuje další funkce — např. average()

Terminální metody třídy Stream I

Terminální anebo ukončovací metody.

  • long count()

    • vrací počet prvků proudu

  • boolean allMatch(Predicate<? super T> predicate)

    • vrací true, když všechny prvky splňují daný predikát

  • boolean anyMatch(Predicate<? super T> predicate)

    • vrací true, když alespoň jeden prvek splňuje daný predikát

  • void forEach(Consumer<? super T> action)

    • aplikuje action na každý prvek proudu

    • např. forEach(System.out::println)

Terminální metody třídy Stream II

  • <A> A[] toArray(IntFunction<A[]> generator)

    • vytvoří pole daného typu a naplní jej prvky z proudu

    • String[] stringArray = streamString.toArray(String[]::new);

  • <R,A> R collect(Collector<? super T,A,R> collector)

    • vytvoří kolekci daného typu a naplní jej prvky z proudu

    • Collectors je třída obsahující pouze statické metody

    • použití:

stream.collect(Collectors.toList());
stream.collect(Collectors.toCollection(TreeSet::new));

Příklad

int[] numbers = IntStream.range(0, 10) // 0 to 9
  .skip(2) // omit first 2 elements
  .limit(5) // take only first 5
  .map(x -> 2 * x) // double the values
  .toArray(); // make an array [4, 6, 8, 10, 12]

List<String> newList = list.stream()
  .distinct() // unique values
  .sorted() // ascending order
  .collect(Collectors.toList());

Set<String> set = Stream.of("an", "a", "the")
  .filter(s -> s.startsWith("a"))
  .collect(Collectors.toCollection(TreeSet::new));
  // [a, an]

Možný výsledek Optional

  • Optional<T> findFirst()

    • vrátí první prvek

  • Optional<T> findAny()

    • vrátí nějaký prvek

  • Optional<T> max/min(Comparator<? super T> comparator)

    • vrátí maximální/minimální prvek

V jazyce Haskell má Optional název Maybe.

Použití Optional

Optional<T> má metody:

  • boolean isPresent() — true, jestli obsahuje hodnotu

  • T get() — vrátí hodnotu, jestli neexistuje, vyhodí výjimku

  • T orElse(T other) — jestli hodnota neexistuje, vrátí other

int result = List.of(1, 2, 3)
  .stream()
  .filter(num -> num > 4)
  .findAny()
  .orElse(0);
// result is 0

Paralelní a sekvenční proud

List<Integer> integerList = List.of(1, 2, 3, 4, 5);
integerList.parallelStream()
           .forEach(i -> System.out.print(i + " "));
// 3 5 4 2 1
List<Integer> integerList = List.of(1, 2, 3, 4, 5);
integerList.stream()
           .forEach(i -> System.out.print(i + " "));
// 1 2 3 4 5

Konverze na proud — příklad I

Jak konvertovat následující kód na proud?

Set<Person> owners = new HashSet<>();
for (Car c : cars) {
  owners.add(c.getOwner());
}

Hint x → x.getOwner() se dá zkrátit na Car::getOwner.

Set<Person> owners = cars.stream()
          .map(Car::getOwner)
          .collect(Collectors.toSet());

Konverze na proud — příklad II

Jak konvertovat následující kód na proud?

Set<Person> owners = new HashSet<>();
for (Car c : cars) {
  if (c.hasExpiredTicket()) owners.add(c.getOwner());
}
Set<Person> owners =
cars.stream()
    .filter(c -> c.hasExpiredTicket())
    .map(Car::getOwner)
    .collect(Collectors.toSet());

Další zdroje

Generické typy, typové parametry

  • Generické typy = něco obecně použitelného , zobecnění

  • Třídy v Javě mají společného předka, třídu Object (každý objekt je instancí třídy Object).

  • Potřebujeme-li pracovat s nějakými objekty, o kterých neznáme typ, můžeme využít společného předka a pracovat s ním.

  • To umožňuje snadnou implementaci kolekcí, ale například i využití reflexe.

Vtip

Generics

Deklarace seznamu bez a s generiky

// no generics (obsolete)
public interface List { ... }
// generic type E
public interface List<E> { ... }

  • do špičatých závorek umístíme symbol — seznam bude obsahovat prvky E (předem neznámého) typu

  • je doporučováno používat velké, jednopísmenné deklarace

  • písmeno vystihuje použití — T je type, E je element

  • E nahradíme jakoukoliv třídou nebo rozhraním

Jednoduché využití v metodách

E get1(int index);
Object get2(int index);

  • get1 vrací pouze objekty, které jsou typu E — je vyžadován speciální typ

  • get2 vrací libovolný objekt, tj. musíme pak přetypovávat

boolean add(E o);

  • přidává do seznamu prvky typu E

Výhody generik

List numbers1 = new ArrayList();
numbers1.add(1);
numbers1.add(new Object()); // allowed, unwanted
Integer n = (Integer) numbers1.get(0);

List<Integer> numbers2 = new ArrayList<>();
numbers2.add(1);
numbers2.add(new Object()); // won't compile!
n = numbers2.get(0);

  • do seznamu numbers1 lze vložit libovolný objekt

  • při získávání objektů se spoléháme na to, že se jedná o číslo

  • do numbers2 nelze obecný objekt vložit, je nutné vložit číslo

Motivace

  • Chceme seznam různých typů seznamů, tak jej vytvoříme následovně:

List<List<Object>> listOfDifferentLists;

  • Máme problém — seznam čísel není seznamem objektů:

List<Number> numbers = new ArrayList<Number>();
List<Object> general = numbers; // won't compile!
List<? super Number> general2 = numbers; // solution
Do seznamu, který obsahuje nejvýše čísla lze vkládat pouze objekty, které jsou alespoň čísly.

Žolíci (wildcards) I

Generika poskytují nástroj zvaný žolík (wildcard) , který se zapisuje jako <?>.

List<Number> numbers = new ArrayList<Number>();
List<?> general = numbers; // OK
general.add("Not a number"); // won't compile!

  • List<?> říká, že jde o seznam neznámých prvků.

  • Jelikož nevíme, jaké prvky v seznamu jsou, nemůžeme do něj ani žádné prvky přidávat.

  • Jedinou výjimkou je žádný prvek null, který lze přidat kamkoliv.

Abstraktní třída Number reprezentuje numerické primitivní typy (int, long, double, …​)

Žolíci (wildcards) II

  • Ze seznamu neznámých objektů můžeme prvky číst.

  • Každý prvek je alespoň instancí třídy Object:

public static void printList(List<?> list) {
  for (Object e : list) {
    System.out.println(e);
  }
}

Žolíci a polymorfismus I

Nasledující metoda dělá sumu ze seznamu čísel:

public static double sum(List<Number> numbers) {
  double result = 0;
  for (Number e : numbers) {
    result += e.doubleValue();
  }
  return result;
}
...
List<Number> numbers = List.of(1,2,3);
sum(numbers); // it works
List<Integer> integers = List.of(1,2,3);
sum(integers); // won't compile!

Žolíci a polymorfismus II

  • Integer je Number a přesto seznam List<Integer> nelze použít!

  • Nechceme List<Number>, řešením je seznam neznámých prvků, které jsou nejvýše čísly.

public static double sum(List<? extends Number> numbers) { ... }

  • Toto použití žolíku má uplatnění i v rozhraní List<E>, např. v metodě addAll:

boolean addAll(Collection<? extends E> c);

  • Uvědomte si následující — žolík je zkratka pro neznámý prvek rozšiřující Object.

Žolíci a dědičnost

Další použití žolíků:

  • Parametrem metody je instance třídy, která je v hierarchii mezi třídou specifikovanou naším obecným prvkem E a třídou Object.

  • Například chceme setřídit množinu celých čísel.

  • Existuje třídění podle:

    • hodnoty metody hashCode() — na úrovni třídy Object

    • čísla — na úrovni třídy Number

    • celého čísla — na úrovni třídy Integer

  • Konstruktor stromové setříděné mapy:

public TreeSet(Comparator<? super E> c);

Žolíci a více typů

  • Deklarace obecného rozhraní setříděné mapy:

public interface SortedMap<K,V> extends Map<K,V> { ... }

  • Je-li třeba použít více nezávislých obecných typů, zapíšeme je do zobáčků jako seznam hodnot oddělených čárkou.

  • K je key, V je value.

  • Je možné použít i žolíků, viz následující příklad konstruktorů stromové mapy:

public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m);
public TreeMap(SortedMap<K, ? extends V> m);

Generické metody

  • Pro používání generik a žolíků v metodách platí stále stejná pravidla.

  • Generická metoda = metoda parametrizována alespoň jedním obecným typem.

  • Obecný typ nějakým způsobem váže typy proměnných a/nebo návratové hodnoty metody.

  • Příklad statické metody, která přenese prvky z pole do seznamu (pole i seznam musí mít stejný typ):

static <T> void arrayToList(T[] array, List<T> list) {
  for (T o : array)  list.add(o);
}

  • Ve skutečnosti nemusí být seznam list téhož typu — stačí, aby jeho typ byl nadtřídou typu pole array.

  • Např. Integer[] array a List<Number> list

    • prvky z pole do seznamu se dají kopírovat (i když typy nejsou stejné!), protože Integer je Number

Generics metody vs. wildcards

  • Chceme, aby typ u generické metody spojoval parametry nebo parametr a návratovou hodnotu.

  • Ne úplně správné (funkční) použití generické metody:

static <T, S extends T> void copy(List<T> destination, List<S> source);

  • Lepší zápis, T spojuje dva parametry metody a přebytečné S je nahrazené žolíkem:

static <T> void copy(List<T> destination, List<? extends T> source);
Metody jsou public, viditelnost je vynechána kvůli lepší přehlednosti.

Pole

  • Pro pole nelze použít parametrizovanou třídu.

  • Při vkládání prvků do pole runtime systém kontroluje pouze typ vkládaného prvku.

  • Do pole řetězců bychom pak mohli vložit pole čísel a pod.

// generic array creation error
public <T> T[] returnArray() {
  return new T[10];
}

  • Jde však použít třídu s žolíkem, který není vázaný:

List<?>[] pole = new List<?>[10];

Vícenásobná vazba generik I

  • Uvažujme následující metodu, která vyhledává maximální prvek kolekce.

static Object max(Collection<T> c);

  • Prvky kolekce musí implementovat rozhraní Comparable, což není syntaxí vůbec podchyceno.

    • Zavolání této metody proto může vyvolat výjimku ClassCastException!

  • Chceme, aby prvky kolekce implementovali rozhraní Comparable.

static <T extends Comparable<? super T>> T max(Collection<T> c);
// if generics are removed
static Comparable max(Collection c); // does not return Object!

Vícenásobná vazba generik II

  • Signatura metody se změnila — má vracet Object, ale vrací Comparable!

    • Metoda musí vracet Object kvůli zpětné kompatibilitě.

  • Využijeme tedy vícenásobnou vazbu:

static <T extends Object & Comparable<? super T>> T max (Collection<T> c);

  • Po výmazu má metoda správnou signaturu, protože v úvahu se bere první zmíněná třída.

  • Obecně lze použít více vazeb, například když je obecný prvek implementací více rozhraní.

Závěr

  • Generiky mají i další využití, například u reflexe.

  • Tohle však již překračuje rámec začátečnického seznamování s Javou.

  • Slidy vychází z materiálů

    • Javy firmy Sun

    • Generics in the Java Programming Language od Gilada Brachy

Vtip

09 NPE

Výjimky

  • Výjimky jsou mechanizmem umožňujícím reagovat na nestandardní (tj. chybové) běhové chování programu, které může mít různé příčiny:

    • chyba okolí: uživatele, systému

    • vnitřní chyba programu: tedy programátora.

  • Proč výjimky?

    • Mechanizmus, jak psát robustní, spolehlivé programy odolné proti chybám "okolí" i chybám v samotném programu.

Výjimky v Javě fungují podobně jako v dalších objektových jazycích (C++, Python).

Vytvoření výjimky

  • Výjimka, Exception je objektem třídy (nebo podtřídy) java.lang.Exception.

  • Existují 2 základní konstruktory:

ConstructorDescription

NullPointerException​()

Constructs a NullPointerException with no detail message.

NullPointerException​(String s)

Constructs a NullPointerException with the specified detail message.

Preferujeme konstruktor se zprávou.

Vyhození výjimky

Objekt výjimky je vyhozen:

  1. automaticky běhovým systémem Javy, nastane-li nějaká běhová chyba — např. dělení nulou

  2. samotným programem použitím klíčového slova throw, zdetekuje-li nějaký chybový stav, na nějž je třeba reagovat

    • např. do metody je předán špatný argument

if (x <= 0) {
  throw new IllegalArgumentException("x was expected to be positive");
}

Co se stane s vyhozenou výjimkou?

Vyhozený objekt výjimky je buďto:

  1. Zachycen v rámci metody, kde výjimka vznikla (v bloku catch).

  2. Výjimka propadne do nadřazené (volající) metody, kde je buďto v bloku catch zachycena nebo opět propadne atd.

    • Výjimka tedy "putuje programem" tak dlouho, než je zachycena.

    • Pokud není nikde zachycena, program skončí s hlášením o výjimce.

Jak reagovat na výjimku

  • Jestli výjimku nezachytíme, způsobí pád programu.

  • Proto existuje mechanismus try-catch bloku, který umožňuje reagovat na vyhození výjimky.

    try

    blok vymezující místo, kde může výjimka vzniknout

    catch

    blok, který se vykoná, nastane-li výjimka odpovídajícího typu

Try & catch

09 try catch

Příklad zachycení výjimky I

  • Blok catch výjimku zachytí.

  • Vyhození výjimky programátorem, výjimka je zachycena v catch bloku:

try {
  throw new NullPointerException();
} catch(NullPointerException e) {
   System.out.println("NPE was thrown and I caught it");
}

Příklad zachycení výjimky II

  • Vyhození výjimky chybou programu (a její zachytění):

int[] array = new int[] { 16, 25 };
try {
   int x = array[2];
} catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
   System.err.println("Only index 0 or 1 can be used");
}

Try a catch pod lupou

  • Jak funguje try blok?

    • vykonává se příkaz za příkazen

    • jestli dojde k vyhození výjimky, další kód v try se přeskočí a kontroluje se catch blok

    • jestli nedojde k vyhození výjimky, kód se vykoná a bloky s catch se ignorují

  • Jak funguje catch blok?

    • syntax je catch(ExceptionType variableName) { …​ }

    • jestli se typ výjimky zhoduje anebo je nadtřídou, vykoná se kód catch bloku

    • jestli se typ výjimky nezhoduje, výjimka není zachycena

    • catch bloků může být víc, pak se prochází postupně

    • vždy se vykoná maximálně jeden catch blok

Příklad více catch bloky

try {
   String s = null;
   s.toString(); // NPE exception is thrown
   s = "This will be skipped";
} catch(IllegalArgumentException iae) {
   System.err.println("This will not be called");
} catch(NullPointerException npe) {
   System.err.println("THIS WILL BE CALLED");
} catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
   System.err.println("This entire block will be skipped");
}

Proměnná v catch

  • Catch blok kromě typu výjimky obsahuje i proměnnou, která se dá použít v rámci bloku:

try {
   new Long("xyz");
} catch (NumberFormatException e) {
   System.err.println(e.getMessage());
}

Sloučení catch bloků

try {
   Person p = new Person(null);
} catch(NullPointerException e) {
   System.err.println("Invalid name.");
} catch(IllegalArgumentException e) {
   System.err.println("Invalid name.");
}

Operátor | sloučí stejné catch bloky:

try { ... }
  catch(NullPointerException | IllegalArgumentException e) {
   System.err.println("Invalid name.");
}

Reakce na výjimku — možnosti

Jak můžeme na vyhozenou výjimku reagovat?

Napravit příčiny vzniku chybového stavu

  • opakovat akci (např. znovu nechat načíst vstup)

  • poskytnout náhradu za chybný vstup (např. implicitní hodnotu)

Operaci neprovést

  • sdělit chybu výše tím, že výjimku propustíme z metody (propadne z ní)

Oracle Java Tutorials: Lesson: Handling Errors with Exceptions

Kaskády bloků catch

  • Pokud catch řetězíme, musíme respektovat, že výjimka bude zachycena nejbližším příhodným catch.

  • Překladač si ohlídá, že kód neobsahuje nedosažitelné catch-bloky, např:

try {
  ...
} catch (Exception e) {
  ...
} catch (IllegalArgumentException e) {
  // won't compile, unreachable code
}
Výjimka z podtřídy (speciálnější) musí být zachycována dříve než výjimka obecnější.

Výjimky — jak ne I

try {
  ...
} catch ( Exception e ) {
  ...
}

Problém: Zachytávame všechny výjimky, některé výjimky ale vždy chceme propouštět.

Řešení: Použít v catch speciálnější typ třídy.

Výjimky — jak ne II

try {
  ...
} catch ( NullPointerException e ) {
}

Problém: Prázdny catch blok — nedozvíme se, že výjimka byla vyhozena.

Řešení: Logovat, vypsat na chybový výstup nebo použít e.printStackTrace();

Výjimky — jak ne III

try {
  throw new NoSuchMethodException();
} catch ( NoSuchMethodException e ) {
  throw e;
}

Problém: Kód zachytí a následně vyhodí stejnou výjimku.

Řešení: Blok catch smazat — je zbytečný.

Repl.it demo k výjimkám - základy

Blok finally

  • Blok finally obvykle následuje po blocích catch.

  • Zavolá se vždy, tj.

    • když je výjimka zachycena blokem catch

    • když je výjimka propuštěna do volající metody

    • když výjimka nenastane

Používá se typicky pro uvolnění (systémových) zdrojů, např. uzavření souborů.

Příklad na finally

  • Zavírání vstupu (IO bude probíráno později):

InputStream is = null;
try {
  // trying to read from the file
  is = new FileInputStream("data.bin");
} catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
} finally {
   if (is != null) is.close();
}

Blok finally bez catch

  • Dokonce existuje možnost try-finally

    • pro případy typu "potřebuji zavřít soubor jestli se výjimka vyhodí anebo ne"

InputStream is = null;
try {
  // trying to read from the file
  is = new FileInputStream("data.bin");
} finally {
  if (is != null) is.close();
}

Na zamyšlení

  • Příkaz return udělá okamžitý návrat z metody.

  • Blok finally se vždy vykoná.

  • Co vrátí následující kód?

try {
  return 5;
} finally {
  return 4;
}

Řešení: Obsah finally se vykoná skutečně vždy.

Hierarchie výjimek I

Hierarchie výjimek

Hierarchie výjimek II

Throwable — obecná třída pro vyhazovatelné objekty, dělí se na:

  • Error — chyby způsobené prostředím

    • OutOfMemoryError, StackOverFlowError

    • je téměř nemožné se z nich zotavit

    • překladač o nich neví

  • Exception — chyby způsobené aplikací

    • ClassCastException, NullPointerException, IOException

    • je možné se z nich zotavit

    • překladač neví jenom o podtřídě RuntimeException

Hlídané & nehlídané výjimky

Existují 2 typy výjimek (Exception):

  • běhové (nehlídané), unchecked:

    • dědí od třídy RuntimeException

    • NullPointerException, IllegalArgumentException

    • netřeba je definovat v hlavičkách metody

    • reprezentují chyby v programu

  • hlídané, checked:

    • dědí přímo od třídy Exception

    • IOException, NoSuchMethodException

    • je nutno definovat v hlavičkách metody použitím throws

    • reprezentují chybový stav (zlý vstup, chybějíci soubor)

Metody propouštějící výjimku I

  • Výjimky, které nejsou zachyceny pomocí catch mohou z metody propadnout výše.

  • Tyhle výjimky jsou indikovány v hlavičce metody pomocí throws:

    public void someMethod() throws IOException {
   ...
}

  • Pokud hlídaná výjimka nikde v těle nemůže vzniknout, překladač ohlási chybu.

// Will not compile
public void someMethod1() throws IOException { }

Metody propouštějící výjimku II

Pokud throws u hlídaných výjimek chybí, program se nezkompiluje:

// Ok
public void someMethod1() {
  throw new NullPointerException("Unchecked exception");
}
// Will not compile
public void someMethod1() {
  throw new IOException("Checked exception");
}
Pozor na rozdíl mezi throw a throws

Příklad s propouštěnou výjimkou

public static void main(String[] args) {
  try {
    openFile(args[0]);
    System.out.println("File opened successfully");
  } catch (IOException ioe) {
    System.err.println("Cannot open file");
  }
}
private static void openFile(String filename) throws IOException {
  System.out.println("Trying to open file " + filename);
  FileReader r = new FileReader(filename);
  // success, now do further things
}

Stručné shrnutí

  • u hlídaných výjimek musí být throws

  • u nehlídaných výjimek může být throws

// throws is not neccessary
public void someMethod1() throws NullPointerException {
  throw new NullPointerException("Unchecked exception");
}
// throws is neccessary
public void someMethod2() throws IOException {
  throw new IOException("Checked exception");
}

Vytváření vlastních výjimek

  • Třídy výjimek si můžeme definovat sami.

  • Bývá zvykem končit názvy tříd výjimek na Exception:

500

Konstruktory výjimek

Ideální je definovat 4 konstruktory:

ConstructorDescription

IllegalArgumentException()

Constructs an IllegalArgumentException with no detail message.

IllegalArgumentException(String s)

Constructs an IllegalArgumentException with the specified detail message.

IllegalArgumentException(String message, Throwable cause)

Constructs a new exception with the specified detail message and cause.

IllegalArgumentException(Throwable cause)

Constructs a new exception with the specified cause and …​

Příklad vlastní výjimky

  • Vytvoření hlídané výjimky (nehlídaná dědí od RuntimeException):

public class MyException extends Exception {
  public MyException(String s) {
    super(s);
  }
  public MyException(Throwable cause) {
    super(cause);
  }
  ...
}
U výjimek stejně jako u jiných tříd můžeme mít atributy, konstruktory, atd.

Použití vlastní výjimky I

  • Použití konstruktoru se String message:

public void someMethod(Thing badThing) throws MyException {
  if (badThing.happened()) {
    throw new MyException("Bad thing happened.");
  }
}

Použití vlastní výjimky II

  • Konstruktor s Throwable se použivá na obalování výjimek (i errorů).

  • Výhodou je, že při volání someMethod() nemusíme řešit všechny možné typy výjimek:

public void someMethod() throws MyException {
  try {
    doStuff();
  } catch (IOException | IllegalArgumentException e) {
    throw new MyException(e);
  }
}
public void doStuff() throws IOException, IllegalArgumentException {
  ...
}

  • Výjimky se dají zachytávat a řetězit:

try {
  int[] array = new int[1];
  a[4] = 0;
  System.out.println("Never comes to here");
} catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
  System.out.println("ArrayIndexOutOfBoundsException has been thrown, continue in code");
  // Puts chain of previous exception
  throw new MyException("Exception occured", e);
} finally {
  System.out.println("This always happens");
}

Repl.it demo k vlastním výjimkám

Závislosti mezi objekty

Vložení závislostí

  • Dependency Injection (DI) je postup, kdy deklarativním způsobem (přímo uvnitř javového kódu nebo vnějším popisovačem, např. XML) označíme, kde je očekáváno na začátku životního cyklu objektu vložení odkazu na objekt, na němž náš závisí - tedy vložení závislosti.

Příklad bez DI

  • Příklad použití závislosti:

  • objekt manažeru dat závisí na objektu databáze = potřebuje ho pro svou činnost (metodu getData);

  • objekt databáze se do něj dostane už při konstrukci = na začátku životního cyklu manažeru;

  • objekt database může nebo nemusí (časteji) být po dobu života manažeru vyměněn.

  • Výhodné je, když je Database rozhraní - může být implementováno různými třídami.

public class DataManager {
    private Database database;
    public DataManager(Database db) { this.database = db; }
    public Data getData() { return database.getData(); }
}

Variantně bez DI

  • Nastavení závislosti metodou set

  • Nevýhodou je, že mezi konstrukcí a nastavením závislosti je objekt manažeru očividně nepoužitelný.

public class DataManager {
    private Database database;
    public DataManager() { }
    public void setDatabase(Database db) { this.database = db; }
    public Data getData() { return database.getData(); }
}

Životní cyklus bez DI

  • Nastavení závislosti musíme provést sami.

  • Nejdříve vytvoř prvý objekt - databáze, poté druhý objekt (manažer dat) a propoj závislost.

public static void main(String[] args) {
    // database is hardwired here - only MyDatabase is used & no other
    Database db = new MyDatabase(...);
    DataManager manager = new DataManager();
    manager.setDatabase(db);
    // now the manager is ready to give data
    Data data = manager.getData();
}

EJ: Tip XXX: Prefer dependency injection over hardwiring dependencies

  • Existují nástroje, které zvnejšku zajistí, že do objektu je přidán vhodný objekt závislosti.

  • Například do manažeru dat je přidána správná databáze = vhodný objekt implementující rozhraní Database.

  • Vnější vložení závislosti je posláním rámců (kontejnerů) pro vkládání závislostí, dependency injection frameworks.

  • Velmi jednoduchý rámec pro DI je Google Guice

  • Populární je Spring Framework, ale ten je významně obsáhlejší a kvůli samotnému DI je kanónem na vrabce.

Příklad s Guice

public class RealBillingService implements BillingService {
  private final CreditCardProcessor processor;
  private final TransactionLog transactionLog;

  @Inject
  public RealBillingService(CreditCardProcessor processor,
      TransactionLog transactionLog) {
    this.processor = processor;
    this.transactionLog = transactionLog;
  }

  public Receipt chargeOrder(PizzaOrder order, CreditCard creditCard) {
    try {
      ChargeResult result = processor.charge(creditCard, order.getAmount());
      transactionLog.logChargeResult(result);

      return result.wasSuccessful()
          ? Receipt.forSuccessfulCharge(order.getAmount())
          : Receipt.forDeclinedCharge(result.getDeclineMessage());
     } catch (UnreachableException e) {
      transactionLog.logConnectException(e);
      return Receipt.forSystemFailure(e.getMessage());
    }
  }
}

Konfigurace DI v Guice

  • Náš Module musí implementovat rozhraní Guice Module

  • V konfiguraci přiřadíme každému rozhraní (vlevo) třídu (vpravo), kterou v jeho roli budeme používat.

public class BillingModule extends AbstractModule {
  @Override
  protected void configure() {
    bind(TransactionLog.class).to(DatabaseTransactionLog.class);
    bind(CreditCardProcessor.class).to(PaypalCreditCardProcessor.class);
    bind(BillingService.class).to(RealBillingService.class);
  }
}

Vlastní "sdrátování" DI v Guice

public static void main(String[] args) {
    Injector injector = Guice.createInjector(new BillingModule());
    BillingService billingService = injector.getInstance(BillingService.class);
    ... // the TransactionLog and CreditCardProcessor follow
  }

Avoid unnecessary objects

Eliminate obsolete object references

Avoid finalizers and cleaners

  • Finalizér, tzn. metoda finalize() vlastní všem objektům, může teoreticky být překryta a tím umožněn adekvátní "likvidační" postup při zániku objektu - sestávající obvykle z uvolnění systémových zdrojů - síťové sokety, spojení na databázi atd.

  • V Javě nicméně není zaručeno, že se finalizér skutečně zavolá - JVM jej nemusí volat, pokud nepotřebuje fyzicky uvolnit paměť obsazenou (již nepoužívaným) objektem.

  • I kdyby finalizér zavolán byl, zůstává problém s určením okamžiku, kdy je volán a v jakém pořadí jsou finalizéry na mrtvých objektech volány.

  • Celkově tedy na finalize() nespoléhat a nepoužívat je - zdroje uvolňovat explicitním zavoláním vhodné metody.

Vnořené, vnitřní a anonymní třídy

Vnořené

definované uvnitř jiné třídy jako její prvek - podobně jako metody nebo atributy

Lokální

definované uvnitř metody podobně jako lokální proměnná

Vnitřní

jako vnořené, ale potřebují ke své instanciaci objekt vnější třídy, v níž jsou definovány Inner inner = outer.new Inner()

Anonymní

vnitřní, ovšem nepojmenované, pojmenuje si je překladač sám stylem Person$1

Vnořená třída

  • definované uvnitř jiné třídy jako její prvek - podobně jako metody nebo atributy

  • je uvozené klíčovým slovem static, pak se jedná o statickou vnořenou třídu

  • chybí-li static, jedná se o nestatickou vnořenou třídu označovanou jako vnitřní třída (inner class) viz dále

Statická vnořená třída

  • Použití statické vnořené třídy je dobrá praktika - zapouzdření.

  • Lze ji mít jako private, pak není vidět zvenčí.

  • Přesto je použitelná v rámci atributů metod obklopující vnější třídy.

  • I opačně - statická vnořená třída může používat i privátní metody a atributy své vnější třídy.

Příklad statické vnořené

public class Enclosing {
    private static int x = 1;
    public static class StaticNested {
        private void run() { ...}
    }
    public void test() {
        // StaticNested is of course visibile here -
        // even if it were private
        StaticNested nested = new StaticNested();
        nested.run();
    }
}
class Another {
    public void test() {
        // works since both Enclosing & StaticNested are visible here
        Enclosing.StaticNested nested = new Enclosing.StaticNested();
        nested.run();
    }
}
blíže viz Java Nested Classes

Příklad statické vnořené Map.Entry

public class MapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        for(Map.Entry<String, String> entry: map.entries()) {
            // do something for each (key, value) pair:
            // entry.getKey(), entry.getValue()
            // or entry.setValue(...)
        }
    }
}
blíže viz Interface Map.Entry<K,V>

Vnitřní

  • Vnitřní = nestatická vnořená třída

  • Objekt takové třídy potřebuje ke své instanciaci objekt své vnější třídy.

  • Inner inner = outer.new Inner()

Příklad vnitřní

public class KarelGame {
    // will be visible from Karel, too
    private static enum Heading { LEFT, RIGHT }
    private int[] field = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 };
    // this Karel is bound to a KarelGame
    private Karel karel = new Karel();
    // inner class
    public class Karel {
        private int position = 0;
        public void put() {
            // the field in KarelGame is accessible from Karel's method
            // even though it is private
            if(field[position] < MAX_ITEMS) field[position]++;

Anonymní

  • vnitřní, ovšem nepojmenované

  • na jednom místě se definuje a zároveň i jednou použije (instanciuje)

  • většinou jako implementace rozhraní nebo abstraktní třídy

Příklad anonymní

Koncepce vstupně/výstupních operací v Javě

  • V/V operace jsou založeny na vstupně/výstupních proudech (streams).

  • Tím pádem je možno značnou část logiky programu psát nezávisle na tom, o který konkrétní typ V/V zařízení jde.

  • Současně s tím jsou díky tomu V/V operace plně platformově nezávislé.

Table 2. Vstupně/výstupní proudy

typ dat

vstupní

výstupní

binární

InputStream

OutputStream

znakové

Reader

Writer

Vstupy a výstupy v Javě

Zdroj: http://www.tutorialspoint.com/java/

Třídy vstupně/výstupních proudů

Je toho příliš mnoho?

streams-joke

API proudů

  • Téměř vše ze vstupních/výstupních tříd a rozhraní je v balíku java.io.

  • Počínaje Java 1.4 se rozvíjí alternativní balík java.nio (New I/O), zde se ale budeme věnovat klasickým I/O z balíku java.io.

  • Blíže viz dokumentace API balíků java.io, java.nio.

Skládání vstupně/výstupních proudů

Proudy jsou koncipovány jako "stavebnice" — lze je spojovat za sebe a tím přidávat vlastnosti:

// casual input stream
InputStream is = System.in;
// bis enhances stream with buffering option
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is);
Neplést si streamy (proudy dat) s lambda streamy!

Návrhový vzor Decorator

  • Jedná se o použití návrhové vzoru Decorator:

    • "Nízkoúrovňové" třídy (např. FileReader) odpovídají třídě ConcreteComponent ze vzoru a poskytují základní funkcionalitu.

    • "Obalující" třídy, jejichž konstruktor vyžaduje již existující proud (např. BuferedReader) jsou dekorátory, které se "předsadí" před původní objekt a poskytují dodatečné metody. Na pozadí přitom komunikují s původním objektem.

    • Klientský kód může komunikovat jak s dekorátorem, tak přímo s původním objektem.

Stručné shrnutí

Closable

bytes closable

characters closable

lines closable

Input

InputStream

InputStreamReader

BufferedReader

Output

OutputStream

OutputStreamWriter

BufferedWriter

Základem znakových vstupních proudů je abstraktní třída Reader (pro výstupní Writer).

Konverze binárního proudu na znakový

  • Ze vstupního binárního proudu InputStream (čili každého) je možné vytvořit znakový Reader.

  • Ale pozor. Jedná se dvě různé hierarchie. Nelze tedy například vytvořit binární proud a konvertovat ho na buffered reader:

FileInputStream is = new FileInputStream("file.txt");
BufferedReader reader = new BufferedReader(is); // Syntax error - incompatible type of is

Konverze binárního proudu na znakový (pokr.)

Musí se použít k tomu určená třída InputStreamReader (obdobně pro výstupní proudy OutputStreamWriter).

// binary input stream
InputStream is = ...
// character stream, decoding uses standard charset
Reader reader = new InputStreamReader(is);
// charsets are defined in java.nio package
Charset charset = java.nio.Charset.forName("ISO-8859-2");
// character stream, decoding uses ISO-8859-2 charset
Reader reader2 = new InputStreamReader(is, charset);

  • Podporované názvy znakových sad naleznete na webu IANA Charsets .

Na zjištění, jestli je možné z čtenáře číst, se používa metoda reader.ready().

  • InputStreamReader (i OutputStreamWriter) implementuje návrhový vzor Bridge:

    • Hierarchie tříd InputStream představuje implementaci čtení binárních dat ze vstupních proudů.

    • InputStreamReader pak převádí tato binární data do abstrakce textových dat.

Konverze znakového proudu na "buffered"

InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is);
// takes another Reader and makes it bufferable
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
// BufferedReader supports read by line
String firstLine = br.readLine();
String secondLine = br.readLine();

Znakové výstupní proudy

  • Jedná se o protějšky k vstupním proudům, názvy jsou konstruovány analogicky (např. FileReader → FileWriter).

  • Místo generických metod read mají write(…​).

OutputStream os = System.out;
os.write("Hello World!");
// we have to use generic newline separator
os.write(System.lineSeparator());

// bw has special method for that
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(os));
bw.newline();

Zavírání proudů a souborů

  • Soubory zavíráme vždy.

  • Proudy nezavíráme.

  • Když zavřeme System.out, metoda println pak přestane vypisovat text.

Povinné zavírání proudů

  • Při otevření souboru (a konverzi na proud) se musíme postarat o dodatečné uzavření souboru.

  • Před Java 7 se to muselo dělat blokem finally:

public String readFirstLine(String path) throws IOException {
  BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(path));
  try {
     return br.readLine();
  } finally {
     if (br != null) br.close();
  }
}

Nově sa dá použít tzv. try-with-resources:

public String readFirstLine(String path) throws IOException {
  try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(path))) {
    return br.readLine();
  }
}

Více proudů

Pomocí try-with-resources lze ošetřit i více proudů současně — zavřou se pak všechny.

try (
     ZipFile zf = new ZipFile(zipFileName);
     BufferedWriter writer = new BufferedWriter(outputFilePath, charset)
    ) {
    ...
}
Obecně lze do hlavičky try-with-resources dát nejen proud, ale cokoli, co implementuje java.io.Closeable.

Repl.it demo k vstupům a výstupům

Výpis textu PrintStream a PrintWriter

PrintStream

je typ proudu standardního výstupu System.out (a chybového System.err).

  • Vytváří se z binárního proudu, lze jím přenášet i binární data.

  • Většina operací nevyhazuje výjimky, čímž uspoří neustálé hlídání (try-catch).

  • Na chybu se lze zeptat pomocí checkError().

PrintWriter

pro znaková data

  • Vytváří se ze znakového proudu, lze specifikovat kódování.

Příklad s nastavením kódování:

PrintWriter writer = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(output, "UTF-8"));

Načítání vstupů (například z klávesnice)

  • Třída java.io.Scanner - pro čtení z obecného proudu (ale i stdin)

  • Nebo třída java.io.Console - přímo vždy z konzoly

Čtení z konzoly je typické pro aplikace spouštěné z příkazové řádky a není tudíž vždy možné - např. když spouštíme na serveru, v cloudu…​

Repl.it demo ke třídě Scanner

Repl.it demo ke třídě Console

Serializace objektů I

Postupy ukládání a rekonstrukce objektů:

serializace

postup, jak z objektu vytvořit sekvenci bajtů perzistentně uložitelnou na paměťové médium (disk) a později restaurovatelnou do podoby výchozího javového objektu.

deserializace

je právě zpětná rekonstrukce objektu

Aby objekt bylo možno serializovat, musí implementovat prázdné rozhraní java.io.Serializable.

Serializace objektů II

  • Proměnné objektu, které nemají být serializovány, musí být označeny modifikátorem, klíčovým slovem, transient.

  • Pokud požadujeme "speciální chování" při (de)serializaci, musí objekt definovat metody:

private void writeObject(ObjectOutputStream stream) throws IOException

private void readObject(ObjectInputStream stream) throws IOException, ClassNotFoundException

ObjectInputStream je proud na čtení serializovaných objektů.

Návrhový vzor Memento

  • (De)serializace souvisí návrhovým vzorem Memento:

    • Vzor umožňuje odložit si aktuální stav objektu a později ho obnovit.

    • (De)serializace v Javě tak může sloužit ke snadné implementaci tohoto vzoru.

Odkazy

Java Oracle Tutorial — essential Java I/O

Hlavní balíky V/V operací

  • Základní věci jsou v balících java.io, java.nio.file.

  • Základem je třída java.io.File

Práce se soubory přes objekty File

  • Objekt třídy File je de facto nositelem jména souboru, jakási "brána" k fyzickým souborům na disku.

  • Nejde tedy o datovou strukturu nesoucí např. obsah souboru.

  • Používá se jak pro soubory, tak adresáře, linky i soubory identifikované UNC jmény

  • Je plně platformově nezávislé.

Odlišnosti systémů souborů

Na odstínění odlišností jednotlivých systémů souborů lze použít vlastností (uvádíme jejich hodnoty pro JVM pod systémem MS Windows):

File.separatorChar

\\ jako char

File.separator

totéž jako String

File.pathSeparatorChar

: jako char

File.pathSeparator

totéž jako String

System.getProperty("user.dir")

adresář uživatele, pod jehož UID je proces JVM spuštěn

Vytvoření objektu File

Pro vytvoření objektu třídy File konstruktorem (NEJEDNÁ SE PŘÍMÉ VYTVOŘENÍ SOUBORU NA DISKU!) máme několik možností:

new File(String _filename_)

zpřístupní v aktuálním adresáři soubor s názvem filename

new File(File _baseDir_, String _filename_)

zpřístupní v adresáři baseDir soubor s názvem filename

new File(String _baseDirName_, String _filename_)

zpřístupní v adresáři se jménem baseDirName soubor s názvem filename

new File(URL _url_)

zpřístupní soubor se souborovým (file:) URL url

Existence a povaha souboru

boolean exists()

vrátí true, právě když zpřístupněný soubor (nebo adresář) existuje

boolean isFile()

test, zda jde o soubor a nikoli adresář

boolean isDirectory()

test, zda jde o adresář

Přístupová práva k souboru

boolean canRead()

mám právo čtení souboru?

boolean canWrite()

mám právo zápisu souboru?

Vytvoření souboru/adresáře

boolean createNewFile()

zkusí vytvořit soubor soubor a vrací true, právě když se podaří vytvořit.

boolean mkdir()

obdobně pro adresář

boolean mkdirs()

navíc si umí dotvořit i příp. neexistující adresáře na cestě

Vytvoření dočasného souboru

static File createTempFile(String _prefix_, String _suffix_)

Vytvoření dočasného (temporary) souboru — skutečně fyzicky vytvoří dočasný soubor ve standardním, pro to určeném, adresáři (např. c:/temp) s uvedeným prefixem a sufixem názvu

static File createTempFile(String _prefix_, String _suffix_, File _directory_)

dtto, ale vytvoří dočasný soubor v zadaném adr. directory

Smazání, přejmenování

boolean delete()

zrušení souboru nebo adresáře

boolean renameTo(File _dest_)

přejmenuje soubor nebo adresář (neumí přesun souboru/adresáře)

Další vlastnosti

long length()

délka (velikost) souboru v bajtech

long lastModified()

čas poslední modifikace v ms od začátku éry — tj. ve stejných jednotkách a škále jako systémový čas vracený System.currentTimeMillis().

String getName()

jen jméno souboru (tj. poslední část cesty)

String getPath()

celá cesta k souboru i se jménem

String getAbsolutePath()

absolutní cesta k souboru i se jménem

String getParent()

adresář, v němž je soubor nebo adresář obsažen

Práce s adresáři

  • Klíčem je opět třída File, použitelná i pro adresáře

  • Jak např. získat (filtrovaný) seznam souborů v adresáři?

  • Pomocí metody File[] listFiles(FileFilter ff) nebo podobné File[] listFiles(FilenameFilter fnf).

  • FileFilter je rozhraní s jedinou metodou boolean accept(File pathname)

  • obdobně FilenameFilter

  • Viz Popis API java.io.FilenameFilter.

Rozšíření práce se soubory

  • Balík java.nio

  • Třída java.nio.file.Path

  • Mnoho praktických tříd a metod, v nových verzích Javy:

    • pohotové čtení textů ze souboru,

    • navštěvování souborů v adresáři, ** spousta dalších možností

Balík java.nio

  • Třída Path jako nová a mocnější reprezentace cesty k souboru

  • Pomocná třída Paths

  • Pomocná třída Files pro pokročilejší manipulaci se soubory

Path

  • Nástupce File, konceptuálně zhruba totéž, ale s více možnostmi

  • Instance jsou nemodifikovatelné a vláknově bezpečné.

  • Podporuje více systémů souborů na jednom počítači

  • Nabízí metody jako getFileName, getParent, getRoot a subpath.

  • Objekt Path je porovnatelný, iterovatelný a sledovatelný (Comparable<Path>, Iterable<Path>, Watchable).

  • Zejména sledovatelnost je novou vlastností, umožňuje reagovat na změny v systému souborů (např. v adresáři).

Zajímavé metody Path

  • Kompletní dokumentace Path API

  • Užitečné metody:

    resolve

    umožňuje vyhodnotit danou cestu vůči jiné (např. relativní cestu vůči aktuálnímu adresáři)

    relativize

    naopak relativizuje, vytvoří relativní z absolutní, když zadáme výchozí adresář.

    startsWith, endWith

    podobně jako u řetězců, ale funguje na úseky cesty.

Files

  • Typická "utility class", třída nabízející statické metody.

  • Týkají se souborových systémů, souborů, adresářů atd.

  • Nabízí metody pro:

    • kopírování

    • mazání

    • procházení (traverzace) systému souborů

    • přístup k metadatům souborů (čas, práva, uživatel)

    • přímé vytváření proudů (např. newBufferedReader)

  • Další v tutoriálu Oracle File Operations

  • Kompletní dokumentace Files API

Repl.it demo ke třídě Path

Kódování znaků a národní prostředí

Locale

národní prostředí, zahrnuje abecedu, kódování, zápis času/data, měny a národní jazyk

Charset

množina dostupných znaků, které program (typicky v řetězcích) může využít

Encoding

kódování znaků na vnějších zařízeních

Volba kódování

  • U mnoha (většiny) I/O operací a proudů lze při vytvoření navolit, které kódování se předpokládá nebo chce.

  • Nebo ponechat kódování výchozí (system-default) převzaté ze systému, kde aplikace (JVM) běží.

Implicitní kódování

  • V některých případech je výchozí kódování nastaveno napevno bez ohledu na systémová nastavení.

  • Některé metody JDK neumožňují zadání znakové sady a vždy předpokládají "výchozí" znakovou sadu UTF-8 pouze pro danou metodu a bez ohledu na lokalizaci nebo konfiguraci systému.

  • Většina moderních systémů má UTF-8 stejně jako výchozí.

  • Např. metody utilitní třídy Files vytvořené kvůli jednoduchosti použití:

    • Files.newBufferedReader(Path),

    • Files.newBufferedWriter(Path, OpenOption…​),

    • Files.readAllLines(Path),

    • Files.write(Path, Iterable, OpenOption…​) či

    • Files.lines(Path).

Řešení: implicitně UTF-8

  • Od Javy 18 je UTF-8 výchozí znakovou sadu standardních rozhraní API Javy:

    Díky této změně se budou rozhraní API závislá na výchozí znakové sadě chovat konzistentně ve všech implementacích, operačních systémech, místních jazycích a konfiguracích.
-- https://openjdk.org/jeps/400

Zjištění kódování [1/2]

out.println("Default Locale:   " + Locale.getDefault());
out.println("Default Charset:  " + Charset.defaultCharset());
out.println("file.encoding;    " + System.getProperty("file.encoding"));
out.println("sun.jnu.encoding: " + System.getProperty("sun.jnu.encoding"));
out.println("Default Encoding: " + getEncoding());
Výše uvedený kód bude fungovat, deklarujeme-li na začátku import objektu out: import static java.lang.System.out;

Zjištění kódování [2/2]

Vypíše se:

Default Locale:   cs_CZ
Default Charset:  UTF-8
file.encoding;    UTF-8
sun.jnu.encoding: UTF-8
Default Encoding: UTF8

Soubory vlastností, property files

  • Textové soubory formátu: řádek = záznam

  • Každý záznam má podobu: klíč=hodnota

  • Jsou to texty, je jen na nás, jak hodnotu interpretujeme.

iconSize=24
iconImg=myico.png
iconTitle=My icon

Příklad použití

import java.util.Properties;
...
Properties iconProps = new Properties();
iconProps.loadFromXML(new FileInputStream("iconProps.properties"));
int size = Integer.parseInt(iconProps.getProperty("iconSize"));
10 Java Properties Best Practices

Konfigurace aplikace pomocí Properties ?

  • Chceme Properties pro nastavení/konfiguraci aplikace?

  • Možná jsou lepší alternativou java.util.prefs:

  • java.util.prefs.Preferences

  • Podobný princip jako "systémové registry" ve Windows nebo soubory .rc v Linuxu

  • Konfigurace specifická pro celý systém (=všechny uživatele dané aplikace)

  • Konfigurace specifická pro jednoho uživatele dané aplikace

Kódování souborů vlastností

  • V předchozích verzích se pro načítání balíčků prostředků vlastností používalo kódování ISO-8859-1 (=ISO Latin 1).

  • Je OK pro západní abecedy.

  • Již pro evropské východní nevyhovuje, pro asijské vůbec.

Soubory vlastností UTF-8 od Java 9

  • V Javě SE 9 se soubory vlastností načítají v kódování UTF-8.

  • UTF-8 je mnohem pohodlnější způsob reprezentace nelatinkových znaků.

  • Načítač umí dokonce rozpoznat, kdy jsou v souboru .properties non-UTF-8 znaky, čili jedná se o starý formát ISO-Latin-1. Pak to načte opakovaně správně.

Kompatibilita

  • Většina stávajících souborů vlastností by neměla být ovlivněna

  • UTF-8 a ISO-8859-1 mají stejné kódování pro znaky ASCII.

  • Lidsky čitelné ne-ASCII kódování ISO-8859-1 není platné UTF-8.

  • Pokud je zjištěna neplatná posloupnost bajtů UTF-8, běhové prostředí Javy automaticky znovu načte soubor v kódování ISO-8859-1.

Pokud se vyskytne problém, zvažte následující možnosti:

  • Převeďte soubor vlastností do kódování UTF-8.

  • Zadejte systémovou vlastnost runtime pro kódování souboru vlastností, jako v tomto příkladu:

    java.util.PropertyResourceBundle.encoding=ISO-8859-1
blíže na Java 9 Internationalization

Vtip

Jar

Nástroj JAR

  • Javové programy se distribuují k uživateli různými způsoby.

  • Ať už je způsob jakýkoli, většinou se však kód pro účel šíření balí pomocí nástroje jar (Java ARchiver).

  • Distribucí nemyslíme použití nástroje typu "InstallShield"…​, ale spíše něčeho podobného tar / ZIP.

  • Java na sbalení množiny souborů zdrojových i přeložených (.class) a dalších nabízí nástroj jar .

  • Sbalením vznikne soubor (archív) .jar formátově podobný ZIP u (obvykle je to ZIP formát), ale nemusí být komprimován.

  • Kromě souborů obsahuje i metainformace (tzv. MANIFEST)

  • Součástí archívu nejsou jen .class soubory, ale i další zdroje, např. obrázky, soubory s národními variantami řetězců (resouce bundles), zdrojové texty programu, dokumentace …​

Spuštění jar

  • Spuštění: jar {ctxu} [vfm0M] [jar-file] [manifest-file] [-C dir] files

    • c - vytvoří archív

    • t - vypíše obsah archívu

    • x - extrahuje archív

    • u - aktualizuje obsah archívu

  • Volby:

    • v - verbose

    • 0 - soubory nekomprimuje

    • f - pracuje se se souborem, ne se "stdio"

    • m - přibalí metainformace z manifest-file

  • Parametr files uvádí, které soubory se sbalí, mohou být i nejavové (např. dokumentace API nebo datové soubory)

jar - příklad

  • Vezměme následující zdrojový text třídy JarDemo v balíku tomp.ucebnice.jar, tj. v adresáři c:\tomp\pb162\java\tomp\ucebnice\jar

  • Vytvoříme archív se všemi soubory z podadresáře tomp/ucebnice/jar (s volbou c - create, v - verbose, f - do souboru):

  • jar cvf jardemo tomp/ucebnice/jar

  • Vzniklý .jar soubor lze prohlédnout/rozbalit také běžným nástrojem typu unzip, gunzip, WinZip, PowerArchiver nebo souborovým managerem.

  • Tento archív rozbalíme v adresáři /temp následujícím způsobem:

  • jar xvf jardemo

Rozšíření .jar archívů

  • Formáty vycházející z JAR:

    • webové aplikace → .war

    • enterprise (EJB) aplikace → .ear

  • Liší se podrobnějším předepsáním adresářové struktury a dalšími povinnými metainformacemi.

Tvorba spustitelných archívů

  • Vytvoříme jar s manifestem obsahujícím tento řádek: Main-Class: NázevSpouštěnéTřídy

  • poté zadáme: java -jar NázevJARu.jar

  • a spustí se metoda main třídy NázevSpouštěnéTřídy.

Spuštění archívu - příklad

  • Spuštění aplikace zabalené ve spustitelném archívu je snadné:

    java -jar jardemo.jar

  • a spustí se metoda main třídy tomp.ucebnice.jar.JarDemo:

Další příklad spuštění jar

  • jar tfv svet.jar | more

  • vypíše po obrazovkách obsah (listing) archívu svet.jar

Co dál studovat?

Na tento základní kurz PB162 navazují na úrovni Bc. studia:

PV168 Seminář z programování v jazyce Java (jarní semestr)

  • Náplní je zvládnutí Javy umožňující vývoj jednodušších praktických aplikací:

    • tvorba grafického uživatelského rozhraní

    • obsluha databází

    • základy webových aplikací

  • V průběhu semestru se pracuje na uceleném projektu formou párového programování plus některých individuálních úloh.

  • Učí kolektiv zkušených cvičících pod vedením Tomáše Pitnera, Luďka Bártka, Petra Adámka a Martina Kuby.

PB138 Moderní značkovací jazyky (jarní semestr)

  • Náplní jsou XML a související technologie

  • Prvky týmového vývoje (projekty, využití služeb hostování projektů, jako je GitHub).

  • Učí kolektiv zkušených cvičících pod vedením Luďka Bártka a Tomáše Pitnera.

Pokročilé předměty

Na Seminář z Javy navazují na FI i pokročilejší kurzy:

PA165 Vývoj programových systémů v jazyce Java (podzimní semestr)

  • Pokročilý předmět spíše magisterského určení, předpokládá znalosti/zkušenosti z oblasti databází, částečně sítí a distribuovaných systémů a také Javy zhruba v rozsahu PB162 a PV168.

  • Náplní je zvládnutí netriviálních, převážně klient/server aplikací na platformě JavaEE.

  • Přednáší a cvičí P. Adámek, T. Pitner, B. Rossi, M. Kuba, F. Nguyen, M. Kotala, J. Uhlíř, J. Čecháček.

Webové a mobilní aplikace

Problematice webových a mobilních aplikací se na FI věnují např.