Java как центр архипелага
Авторы (С): Александр Таранов, Владимир Цишевский
Содержание.
4. Java - язык и технология
4.1. Язык Java
4.1.1. Объектная модель языка Java
4.1.2. Примитивные типы данных
4.1.3. Пакеты
4.1.4. Управляющие конструкции
4.1.5. Исключительные ситуации
4.1.6. Механизм потоков
4.2. Технология Java
4.2.1. Технологический цикл обработки Java-программ
4.2.2. Java-машина
4.2.3. Java и безопасность
4.2.4. Java WorkShop
4.3. Связь Java с окружением: оконный инструментарий
4.3.1. Общие положения
4.3.2. Из чего строится графический интерфейс (компоненты и контейнеры)
4.3.3. Как организовать интерфейс
4.3.4. События
4.3.5. Методы класса Component, связанные с обработкой событий
5. Joe - технология связывания Java-программ с объектными бизнес-приложениями
Когда говорят и пишут о Java, самой популярной фразой является "мир сошел с ума". Действительно, и скорость, и характер расп- ространения (так и хочется вспомнить лексикон недавнего прошло- го и сказать о "победном шествии") не имеют аналогов. При появ- лении альфа-версии продукта выстраивается очередь на его лицен- зирование.
Бета-версия становится инструментом реализации информационных систем крупных компаний. Акции компаний, имеющих прочные пози- ции в Интернет, растут, как на дрожжах. Все бросились реализо- вывать WWW-навигаторы с поддержкой Java и борются за право пе- редать их в бесплатное использование как можно большему числу клиентов. Идет сражение за долю будущего рынка, контуры которо- го пока только намечаются, сражение с применением средств, ко- торые с точки зрения "здравого бизнеса" иначе как дикими и наз- вать нельзя.
В чем причина всеобщего помешательства и что это за продукт, околдовавший мир? Попытаемся совсем коротко высказать некоторые соображения по первому вопросу, после чего перейдем на чисто технические рельсы и сосредоточимся на описании технологии и языка Java и ассоциированных продуктов.
Персональные компьютеры сделали информационные технологии частью массовой культуры. При миллионных тиражах даже единст- венный "компьютерный хит" способен принести очень большие день- ги. Авторы многих подобных хитов, помимо богатства, получают колоссальное влияние на людей, что по существу является источ- ником огромного дополнительного обогащения. И тем не менее, уже довольно длительная история развития персональных компьютеров не знала ничего, подобного феномену Java. Что изменилось в мире в последние годы, почему этот феномен стал возможен?
Изменился Интернет. Он стал доступен миллионам людей, далеких от технических проблем. Число пользователей Интернет по порядку величины уже не отличается от числа пользователей персональных компьютеров и продолжает взрывообразно расти. Одновременно Ин- тернет обеспечил такую скорость распространения новинок инфор- мационных технологий, которую не могли и никогда не смогут дать традиционные каналы сбыта. Время спрессовалось. В Интернете, опоздав буквально на день, компьютерная компания, даже крупная, рискует серьезно ослабить свои позиции сразу во всем мире.
Информационные перегрузки - характерная черта нашего времени. Созданы мощные механизмы, обеспечивающие производство огромного количества информации. Существенно меньше сделано для облегче- ния ее получения и использования.
Типичной является ситуация, когда инициатива принадлежит пос- тавщику, а не потребителю информации. Поставщик по определенно- му поводу создает информацию и направляет ее всем, кто, по его мнению, в ней нуждается
Так работают средства массовой информации, издательства, рек- ламные агентства. Так работает электронная почта. В большинстве случаев потребителю эта информация, может быть, и нужна, но не в данный момент, не сейчас. Потребитель вынужден архивировать полученную информацию. При этом в лучшем случае велика вероят- ность, что к моменту, когда информация действительно понадобит- ся, она потеряет актуальность. Обычно же у потребителя просто накапливаются горы мусора, в котором отыскать нечто нужное поч- ти невозможно.
Чтобы информация была актуальной для потребителя, она должна доставляться к нему по запросу - в точности тогда, когда в ней возникла необходимость. Кроме того, поставщик должен сохранять возможность управления информацией, он должен не только созда- вать ее, но и вовремя обновлять и уничтожать.
Централизованные компьютерные системы, доминировавшие еще 10 лет назад, позволяли пользователям сравнительно легко находить информацию в оперативном режиме, однако они затрудняли управле- ние информацией, поскольку ее источники, как правило, разнород- ны и территориально разнесены. Еще один важный недостаток цент- рализованных систем - их сложность и дороговизна.
Подавляющему большинству российских организаций они просто не по карману.
Сети персональных компьютеров существенно дешевле централизо- ванных систем, они оставляют за поставщиком необходимую свободу управления информацией, однако потребителям приходится искать необходимые данные на множестве машин, среди большого числа приложений.
Рядовому пользователю работать в такой разнородной прикладной среде крайне неудобно.
Способ разрешения указанных проблем, к которому прибегают веду- щие компании, состоит в построении информационной структуры ор- ганизации по образу и подобию Интернет, с Web-сервисом в ка- честве концептуальной основы .
Возможность хранения данных различных типов (текст, графика, аудио, видео) в сочетании с механизмами связывания информации, расположенной в разных узлах компьютерной сети, позволяют расс- редотачивать информацию в соответствии с естественным порядком ее создания и потребления, осуществлять единообразный доступ, отправляясь от небольшого числа известных "корней". Тем самым поставщик может эффективно готовить и контролировать информа- цию, а потребитель в состоянии без труда найти необходимые дан- ные именно тогда, когда они стали нужны.
Средства Web, помимо связывания распределенных данных, осу- ществляют еще одну очень важную функцию. Они позволяют рассмат- ривать информацию с нужной степенью детализации, что существен- но упрощает анализ больших объемов данных. Можно быстро отоб- рать самое интересное, а затем изучить выбранный материал во всех подробностях.
Таким образом, Web-серверы и Web-навигаторы могут и должны ис- пользоваться не только в "мировом масштабе". Web - это инфраст- руктурный сервис, необходимый каждой организации со сколько-ни- будь заметными информационными потоками.
В то же время, Web-сервису присущи и определенные недостатки, вытекающие из отсутствия состояний в HTTP-протоколе. Во-первых, клиент по существу лишен средств управления внешним представле- нием объектов на просматриваемой WWW-странице (единственное, что он может сделать, это сменить WWW-навигатор).
Во-вторых, Web-страницы статичны. При использовании протокола HTTP, на клиентскую систему передаются только пассивные данные, но не методы объектов. Из общих соображений очевидна ограничен- ность подобного подхода. Данный недостаток, разумеется, связан с первым. Объект сам должен знать, как себя показывать - точнее говоря, он должен это выяснить, проанализировав клиентское ок- ружение.
В-третьих, Web-сервис обладает весьма ограниченными интерактив- ными возможностями, которые сводятся к заполнению пользователем чисто текстовых форм с последующей отправкой на сервер. Такая форма общения вполне устраивала пользователей терминалов ЕС ЭВМ лет 15 назад. Сейчас ее явно недостаточно.
Java-технология позволяет устранить все отмеченные недостатки. Как именно - будет ясно из последующего изложения. В результате Web-сервис, и без того имевший огромную популярность, получил как бы новый импульс. Этот экспресс понесся вперед с удвоенной скоростью, увлекая за собой и Java.
В узком смысле слова Java - это объектно-ориентированный язык, напоминающий C++, но более простой для освоения и использова- ния. В более широком смысле Java - это целая технология прог- раммирования, изначально рассчитанная на интеграцию с Web-сер- висом, то есть на использование в сетевой среде, Поскольку Web- навигаторы существуют практически для всех аппаратно-программ- ных платформ, Java-среда должна быть как можно более мобильной, в идеале полностью независимой от платформы.
С целью решения перечисленных проблем были приняты, помимо ин- теграции с Web-навигатором, два других важнейших постулата.
- Была специфицирована виртуальная Java-машина, на которой должны выполняться (интерпретироваться) Java-программы. Опреде- лены архитектура, представление элементов данных и система ко- манд Java-машины. Исходные Java-тексты транслируются в коды этой машины. Тем самым, при появлении новой аппаратно-программ- ной платформы в портировании будет нуждаться только Java-маши- на; все программы, написанные на Java, пойдут без изменений.
- Определено, что при редактировании внешних связей Java-прог- раммы и при работе Web-навигатора прозрачным для пользователя образом может осуществляться поиск необходимых объектов не только на локальной машине, но и на других компьютерах, доступ- ных по сети (в частности, на WWW-сервере). Найденные объекты загружаются, а их методы выполняются затем на машине пользова- теля.
Несомненно, между двумя сформулированными положениями существу- ет тесная связь. В компилируемой среде трудно дистанцироваться от аппаратных особенностей компьютера, как трудно (хотя и мож- но) реализовать прозрачную динамическую загрузку по сети. С другой стороны, прием объектов извне требует повышенной осто- рожности при работе с ними, а, значит, и со всеми Java-програм- мами. Принимать необходимые меры безопасности проще всего в ин- терпретируемой, а не компилируемой среде. Вообще, мобильность, динамизм и безопасность - спутники интерпретатора, а не компи- лятора.
Принятые решения сделали Java-среду идеальным средством разра- ботки клиентских компонентов Web-систем. Особо отметим прозрач- ную для пользователя динамическую загрузку объектов по сети. Из этого вытекает такое важнейшее достоинство, как нулевая стои- мость администрирования клиентских систем, написанных на Java. Достаточно обновить версию объекта на сервере, после чего кли- ент автоматически получит именно ее, а не старый вариант. Без этого реальная работа с развитой сетевой инфраструктурой прак- тически невозможна. С другой стороны, при наличии динамической загрузки действительно возможно появление устройств класса Java-терминалов, изначально содержащих только WWW-навигатор, а все остальное (и программы, и данные) получающих по сети.
Здесь уместно отметить замечательную точность в выборе основных посылок проекта Java. Из минимума предположений вытекает макси- мум новых возможностей при сохранении практичности реализации.
В то же время, интеграция с WWW-навигатором и интерпретируемая природа Java-среды ставят вполне определенные рамки для реаль- ного использования Java-программ (хотя, конечно же, язык Java не менее универсален, чем, скажем, C++). Например, известно, что интерпретация, по сравнению с прямым выполнением, примерно на полтора порядка медленнее. Трудно сказать, насколько могут улучшить положение компиляция "на лету" и использование специа- лизированных Java-процессоров, но пока использование Java на серверной стороне представляется проблематичным.
Далее, хотя технология Интранет, основанная на использовании Web-сервиса в качестве информационной основы организации, явля- ется огромным шагом вперед, существуют и другие сервисы, как унаследованные, так и современные (например, реляционные СУБД), которые обязательно должны входить в состав корпоративной сис- темы. Если вся связь между клиентами и упомянутыми серверами будет осуществляться через сервер WWW, последний станет узким местом, а решения Интранет рискуют лишиться такого важнейшего достоинства, как масштабируемость. Значит, необходима прямая связь между клиентскими системами, написанными на языке Java, и произвольными сервисами .
Как реализовать такую связь?
В общем виде ответ очевиден - нужны средства для полноценной интеграции Java в распределенную объектную среду. На серверной стороне компания Sun Microsystems имеет соответствующую техно- логию - NEO (NEtworked Objects, сетевые объекты). Технология NEO удовлетворяет спецификациям CORBA (Common Object Request Broker Architecture), являющимся промышленным стандартом. При реализации корпоративных информационных систем с использованием NEO наиболее естественным представляется использование треху- ровневой архитектуры с серверами приложений, построенными на объектных принципах, на втором уровне и с базовыми и унаследо- ванными серверами на третьем уровне.
К сожелению, столь общий ответ никак не помогает осуществлять прямую связь между Java-клиентом и NEO-сервером. Конечно, можно воспользоваться стандартными средствами программирования в се- тевой среде (а Java допускает использование библиотек, написан- ных на C/C++, равно как и вставку машинных кодов), но если это было бы единственной возможностью, Java рисковала остаться на уровне "оживлялок" для MS-Windows. В конце марта 1996 года ком- пания SunSoft объявила о появлении нового продукта с именем Joe, как раз и предназначенного для существенного облегчения встраивания Java-клиентов в информационные системы Интранет, построенные в трехуровневой архитектуре с использованием среды NEO.
Таким образом, сложилась полная и изумительно красивая картина организации современных Интранет-систем. В данной статье мы уделим основное внимание технологии Java. Далее будет кратко рассмотрены возможности, предоставляемые системой Joe.
При описании языка Java будет предполагаться, что читатель, хо- тя бы в общих чертах, знаком с языком C++.
4.1.1. Объектная модель языка Java
Когда говорят об объектно-ориентированном языке программирова- ния, предполагают поддержку трех механизмов:
- инкапсуляция
- наследование
- полиморфизм.
Инкапсуляция и наследование в языке Java реализуются с помощью понятия класса.
4.1.1.1. Классы
Понятие класса в языках Java и C++ очень близки. Класс является шаблоном для создания объектов; он может содержать данные и ме- тоды. Приведем пример класса, описывающего точки в двумерном пространстве (здесь и далее номера строк используются для пос- ледующих пояснений и не являются частью Java-программ).
1 class Point extends Object { 2 private double x; 3 private double y;
4 Point (double x, double y) { 5 this.x = x; 6 this.y = y; 7 }
8 Point () { 9 this (0.0, 0.0); 10 }
11 public void setX (double x) { 12 this.x = x; 13 }
14 public void setY (double y) { 15 this.y = y; 16 } . . . 17 }
В языке Java нельзя отрывать определение метода (функции) от описания заголовка. Синтаксическая конструкция class полностью включает в себя всю информацию о классе. В частности, реализа- ции методов обязаны содержаться внутри этой конструкции.
Для обозначения наследования используется ключевое слово extends (строка 1). Класс Object - это корень дерева наследова- ния. В Java не бывает классов-"сирот": у всех классов, кроме Object, есть предшественник. Подробнее наследование и предопре- деленные классы будут рассмотрены далее.
Режимы доступа к элементам класса (private, protected, public) те же, что и в C++, за одним важным исключением. Если режим доступа опущен, предполагается, что соответствующий элемент доступен в пределах пакета (см. далее).
В строке 9 приведен пример явного вызова одного конструктора из другого.
Прочие приведенные выше строки не нуждаются в пояснениях кроме одной - отсутствующей. В языке Java не бывает деструкторов. Причина в том, что управление памятью автоматизировано (в фоно- вом режиме работает сборщик мусора). Для высвобождения прочих ресурсов, ассоциированных с объектом, служит специальный метод finalize. Этот метод вызывается сборщиком мусора в момент ути- лизации памяти, занимавшейся объектом.
Ключевое слово this (см., например, строки 5 и 9) используется для ссылки на самого себя. Аналогичную роль по отношению к ро- дительскому классу играет слово super:
1 class ThreePoint extends Point { 2 protected double z;
3 ThreePoint () { 4 super (); 5 z = 0.0; 6 }
7 ThreePoint (double x, double y, double z) { 8 super (x, y); 9 this.z = z; 10 } 11 }
В строках 4 и 8 вызываются конструкторы родительского класса.
Приведенные примеры показывают, что в языке Java, как и C++, методы могут быть перегруженными, то есть под одним именем мо- гут фигурировать разные методы с разным набором параметров.
Как и C++, с помщью ключевого слова static можно определить данные и методы, которые являются общими для всех объектов класса. (Отметим попутно, что функций, не принадлежащих какому- либо классу, в языке Java не бывает.) Следующий пример содержит фрагменты стандартного пакета java.lang.
1 public final 2 class Character extends Object {
3 public static final int MAX_RADIX = 36;
4 static char downCase[];
5 static { 6 char down[] = new char[256]; 7 for (int i = 0 ; i < 256 ; i++) { 8 down[i] = (char) i; 9 } 10 for (int lower = 'a' ; lower <= 'z' ; lower++) { 11 int upper = (lower + ('A' - 'a')); 12 down[upper] = (char)lower; 13 }
14 for (int lower = 0xE0; lower <= 0xFE; lower++) { 15 if (lower != 0xF7) { // multiply and divide 16 int upper = (lower + ('A' - 'a')); 17 down[upper] = (char)lower; 18 } 19 } 20 downCase = down; 21 }
22 public static boolean isLowerCase(char ch) { 23 return (upCase[ch] != ch); 24 }
25 }
Прокомментируем этот пример с точки зрения отличий Java от C++.
Строки с 5 по 21 представляют собой инициализацию статических данных класса, которая осуществляется в момент загрузки класса в Java-машину. По сути этот код играет роль конструктора класса Character.
В строках 1 и 3 встречается ключевое слово final. В строке 1 это слово обозначает запрет на наследование от класса Character. В строке 3 его смысл аналогичен описателю const в C++.
Если слово final использовано в заголовке метода, то данный ме- тод не может быть переопределен в классах-наследниках.
Как и в C++, в языке Java классы могут быть абстрактными, то есть не до конца конкретизированными. Это означает, что в клас- се описаны методы, определения которых отсутствуют. Такие мето- ды (как и сам класс) должны снабжаться описателем abstract. Абстрактные методы должны конкретизироваться в производных классах.
В языке Java имеется предопределенная иерархия классов, содер- жащихся в пакете java.lang. В этой иерархии несколько особняком стоит класс Class. Програм- мист не может создать объект класса Class (правда, существуют и другие классы с этим свойством). Ссылки на объкт класса Class можно получить с помощью метода getClass, определенного для об- ъектов класса Object.
Объекты класса Class используются для получения во время выпол- нение информации о "классовых" свойствах объекта. К объектам класса Class, помимо прочих, применимы следующие методы:
1 public native String getName(); 2 public native Class getSuperclass(); 3 public static native Class forName(String className) throws ClassNotFoundException;
Метод forName позволяет получить ссылку на класс по его имени. Описатель native свидетельствует о том, что метод реализуется средствами, внешними по отношению к Java-системе (например, пи- шется на языке C).
4.1.1.2. Наследование
Модель наследования в языке Java существенно отличается от мо- дели C++. Во-первых, в Java нет множественного наследования. Во-вторых, в языке предусмотрены средства для запрета дальней- шего наследования (ключевое слово final перед определением класса). В-третьих, в языке Java присутствует новое по отноше- нию к C++ понятие интерфейса.
Интерфейс представляет собой набор описаний методов. Пример:
public interface Verbose { public void drawOn (Graphics g); public void printOn (OutputStream os); }
public class Star extends Polygon implements Verbose { public void drawOn (Graphics g) { // Конкретная реализация отрисовки } public void printOn (OutputStream os) { // Конкретная реализация печати } }
public class Text extends StringBuffer implements Verbose { public void drawOn (Graphics g) { // Конкретная реализация отрисовки } public void printOn (OutputStream os) { // Конкретная реализация печати } }
public class Blackboard extends Canvas { public void drawVerbose (Verbose d) { Graphics g = getGraphics (); d.drawOn (g); } }
Интерфейс Verbose содержит два метода. Первый предназначен для рисования в графическом контексте, второй - для распечатки в выходной поток.
Класс Star предствляет собой подкласс многоугольников (Polygon). Помимо прочего, мы хотим рисовать объекты этого класса на доске (Blackboard) и выводить их описание в файл.
Для объектов класса Text мы хотим иметь возможность начертать текст на доске и выводить его в файл.
Класс Blackboard - наследник класса Canvas, специально предназ- наченного для рисования. Как мы видим, этот класс с помощью единственного метода справляется с рисованием объектов, не име- ющих общего предка (кроме класса Object).
Таким образом, с помощью интерфейсов можно компенсировать от- сутствие множественного наследования. В контексте наследования интерфейс можно рассматривать как абстрактный класс, не содер- жащий данных.
4.1.1.3. Жизненный цикл объекта
Объекты создаются с помощью оператора new. Инициализация объек- та производится с помощью соответствующего конструктора. Эти операции разделить нельзя - за new следует конструктор. Пример.
Point myPoint = new Point ();
Других способов создания объектов (кроме оператора new) язык Java не предоставляет.
Объект существует до тех пор, пока на него есть ссылки (то есть пока он прямо или косвенно доступен хотя бы из одной перемен- ной). В языке отсутствуют явные средства удаления объектов. После того, как объект стал недоступен, он оказывается кандида- том для утилизации сборщиком мусора.
Объект может стать недоступным, если хранившей его переменной присвоено новое значение или если эта переменная перестала быть доступной (произошел выход из блока). Пример.
Point p = new Point (100.0, 100.0); . . . p = new Point (1.0, 1.0); // На точку с координатами (100, 100) ссылок больше нет
{ String s = new String ("Local string"); System.out.println (s); } // На строку "Local string" ссылок больше нет
В момент утилизации объекта сборщиком мусора будет вызван метод finalize. Из-за того, что сборщик мусора работает в фоновом ре- жиме, вызов finalize является асинхронным.
4.1.2. Примитивные типы данных
В языке Java существует набор встроенных типов данных, которые не являются объектами. Их не так много.
Представление чисел в языке Java фиксировано и, тем самым, не зависит от аппаратной платформы.
- целые числа: - - byte - 8 бит, - - short - 16 бит, - - int - 32 бита, - - long - 64 бита. Все числа со знаком, спецификатор unsigned в языке отсутствует.
- числа с плавающей точкой: - - float - 32 бита, - - double - 64 бита. Представление должно соответствовать стандарту IEEE 754.
- char Значение типа char есть 16-разрядное число без знака (диапазон 0-65535). Кодировка соответствует стандарту Unicode. В резуль- тате с самого начала закладывается здоровая основа для решения проблемы локализации Java-программ.
- boolean Содержит значения true и false, которые не могут быть преобра- зованы в другой тип.
В языке Java, разумеется, присутствуют массивы. Эти массивы ти- пизированы. Декларация
Point myPoints[];
описывает переменную myPoints как массив объектов типа Point. Завести массив определенного размера можно с помощью инструкции вида
myPoints = new Point[10];
Значения элементов массива при этом устанавливаются равными специальной величине null.
Размер массива может быть получен во время выполнения програм- мы:
howMany = myPoints.length;
Других структурных типов (не являющихся объектами) в языке Java нет, то есть нет структур, объединений и т.п. Нет в Java и ука- зателей.
Отметим, что строки символов являются объектами типа String (текстовые константы) или StringBuffer (изменяемые строки). Пример,
String hello = "Hello world!";
Классы в языке Java объединяются в пакеты. Все классы, входящие в один пакет, являются дружественными по отношению друг к дру- гу, то есть имеют взаимный доступ к переменным и методам, если противное не оговорено явно посредством спецификаторов private или protected.
Пакеты разграничивают пространства имен. "Просто глобальных" имен в языке Java не бывает.
Пакет оформляется с помощью синтаксической конструкции вида
package my_packages.pack1:
Инструкция package должна стоять первой в файле с исходным Java-текстом. Она действует до конца файла.
Пакеты могут импортироваться другими пакетами посредством инст- рукции import. Примеры,
import java.util; import java.util.HashTable; import java.util.*;
Первая инструкция import позволяет обращаться к классам пакета util следующим образом:
util.Vector util.HashTable . . .
Вторая инструкция импортирует лишь класс HashTable, позволяя в дальнейшем обращаться к этому классу по короткому имени, без префикса util.
Третья инструкция import позволяет обращаться по коротким име- нам ко всем классам пакета util.
4.1.4. Управляющие конструкции
Управляющие конструкции языка Java вполне традиционны, за иск- лючением средств выхода из вложенных блоков (в частности, из вложенных циклов). Пример.
test: for (int i = 0; i < 10; i++) { for (int j = 0; j < 10; j++) { if (i > 3) { break test; } } }
Для передачи управления можно применять как конструкцию break, так и continue (переход к следующей итерации цикла).
Инструкция goto в языке Java отсутствует.
4.1.5. Исключительные ситуации
Для обработки исключительных ситуаций, возникающих во время вы- полнения программы, в языке Java используется конструкция try/ catch/finally. Блок try содержит инструкции, выполнение может привести к возникновению исключительных ситуаций. Следующие за ним один или несколько блоков catch предназначены для обработки исключительных ситуаций. Наконец, блок finally содержит инст- рукции, которые будут выполнены независимо от возникновения исключительной ситуации в блоке try. При выходе из try-части посредством инструкций передачи управления (break, return и т.п.) блок finally также будет выполнен.
Для передачи информации об исключительной ситуации используются объекты классов - наследников класса Throwable. Например, класс ArrayIndexOutOfBoundsException отвечает за контроль выхода ин- дексов за границы массивов, класс OutOfMemoryException - за ре- акцию на исчерпание свободной памяти, класс ClassCastException - за ошибки при преобразовании типов, класс InterruptedException - за обработку прерывания текущего потока и т.д. Компонентой всех этих классов является поле типа String, в которое помещается текст сообщения об ошибке. Метод getMessage возвращает этот текст.
В подобных объектах может содержаться и дополнительная информа- ция. Например, объекты класса InterruptedIOException содержат поле, в которое заносится число байт, переданных до возникнове- ния исключительной ситуации.
Следующий фрагмент программы распечатывает сообщения из массива messages. При этом мы не пытаемся выяснить размер этого масси- ва, а просто полагаемся на механизм обработки исключительных ситуаций. (Конечно, мы не советуем писать программы в таком стиле).
try { for (int i = 0; i < 100; i++) { System.out.println (messages[i]); } }
catch (ArrayOutOfBoundException e) { System.out.println ("No more messages"); } catch (Exception e) { System.out.println ("Unexpected exception"); System.out.println (e.getMessage()); }
finally { System.out.println ("Work done"); }
Искобчительные ситуации могут возбуждаться программно при помо- щи инструкций вида
throw new MyException ("Something's wrong");
Спецификации языка Java подразделяют исключительные ситуации на две категории. К первой категории (класс Error) относятся ситу- ации, на которые программа не обязана реагировать (это заведомо сделает Java-машина). Ко второй категории (класс Exception) от- носятся ситуации, которые программа должна обрабатывать обяза- тельно. Если при выполнении метода может возникать исключитель- ная ситуация второго типа, он должен либо обрабатывать ее сам с помощью конструкции try/catch/finally, либо в его определении должна фигурировать конструкция
throws Exception1, Exception2, ...
Пример.
class Foo extends Object { . . . public void readFromFile (String fn) throws InvalidFormatException { FileInputStream fis; try { fis = new FileInputStream (fn); // Читаем данные из файла. . . . // Если файл имеет неправильный формат, // вожбуждаем исключительную ситуацию: throw new InvalidFormatException ("Wrong format"); . . . } catch (FileNotFoundException e) { // Предпринимаем соответствующие действия } finaly { if (fis != null ) fis.close(); // всегда закрываем файл, если он был открыт } } . . . }
В этом примере в методе readFromFile могут возникнуть две искл- чительные ситуации. Первая связана с тем, что нужный файл не- доступен. Эта ситуация обработывается внутри метода readFromFile. Вторая исключительная ситуация может вознкнуть, если файл имеет неправильный формат. Эта ситуация передается для обработки наверх.
Механизм потоков - обязательная черта современных операционных сред. За счет потоков обеспечивается масштабируемость программ- ных систем, оптимальное использование аппаратных ресурсов, вы- сокая скорость отклика на запросы пользователей. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в языке Java механизм потоков представлен с самого начала и в полном объеме.
В языке Java потоки представлены посредством класса Thread, ин- терфейса Runnable, спецификатора метода synchronized и методов класса Object wait и notify.
4.1.6.1. Класс Thread и интерфейс Runnable
Поток (thread) представляет собой отдельный поток управления в пределах процесса. Таким образом, у каждого потока есть начало, последовательность действий, текущее состояние и конец.
Поток запускается с помощью вызова метода start() класса Thread. Последовательность действий, выполняемых в рамках пото- ка, задается в методе run(). Подчеркнем, что метод run() ис- пользуется только для задания помледовательности действий; явно вызывать его не только не нужно, но и просто вредно.
Поток заканчивается либо при завершении выполнения метода run(), либо с помощью явных вызовов методов класса Thread stop() или destroy(). Возобновить работу завершенного потока невозможно.
Для временной приостановки работы потока с последующим возоб- новлением служат методы suspend(), sleep() и yeild().
Обычно поток, приостановленный с помощью метода suspend, возоб- новляет работу посредством метода resume().
Вызов метода sleep() приводит к приостановке потока на заданное число миллисекунд.
Вызов метода yeild() означает добровольную уступку процессора другому потоку; первоначальный поток остается готовым к выпол- нению.
Java-потоки обладают приоритетами. В спецификациях оговаривает- ся, что Java-машина реализует вытесняющую многопотоковость. Это означает, что поток с большим приоритетом может прервать выпол- нение менее приоритетного потока. Однако, спецификации не тре- буют наличия разделения времени. Это значит, что для передачи управления потоку с тем же приоритетом, вообще говоря, требуют- ся явные действия со стороны первоначального потока - вызов ме- тодов suspend(), sleep() или yeild().
Следующий пример содержит фрагмент одного из многочисленных ва- риантов решения задачи "производитель/потребитель". Он заимст- вован из письма, которое написал Mark Tillotson в группу сете- вых новостей comp.lang.java.
class my_producer extends Thread { int items_to_do ; my_buffer the_buffer ;
my_producer (my_buffer buf, int count) { super() ; the_buffer = buf ; items_to_do = count ; }
public void run () { while (items_to_do > 0) { System.out.println ("producer to_do = " + items_to_do) ; Integer item = new Integer (items_to_do*items_to_do) ; the_buffer.insert (item) ; items_to_do-- ; } System.out.println ("producer exiting") ; } }
Данный производитель помещает в буфер квадраты целых чисел.
В приведенном простом примере класс my_producer является нас- ледником класса Thread, что делает его потоком с последователь- ностью действий, заданной методом run(). В реальных программах, как правило, объект должен наследовать у какого-либо предшест- венника содержательные свойства, а возможность паралелльного выполнения ему предоставляется интерфейсом Runnable. Этот ин- терфейс содержит единственный метод - run(). Пример.
1 class SomethingToRun extends BaseRunner implements Runnable { 2 private Thread aThread; 3 public void run () { // выполняемые действия . . . 4 }
5 SomethingToRun () { 6 aThread = new Thread (this); 7 aTread.start (); 8 } 9 }
В строке 6 создается новый поток. Аргументом конструктора явля- ется обект класса SomethingToRun, а, значит, последовательность выполняемых действий потока будет определяться методом run() этого класса. Вызов метода start() в строке 7 ставит поток в очередь готовых для выполнения.
4.1.6.2. Средства синхронизации потоков
Как и во всякой многопроцессной или многопотоковой среде, в Java существует проблема синхронизации доступа к разделяемым ресурсам. Примером такого ресурса является буфер в задаче "про- изводитель/потребитель".
Для опытных программистов отметим, что модель синхронизации, принятая в языке Java, опирается на концепцию монитора, предло- женную в 70-е годы Бринк-Хансеном.
В Java-программах можно выделять критические интервалы, которые обозначаются ключевым словом synchronized. Если критическим ин- тервалом является метод, спецификатор synchronized помещается в его (метода) заголовок. Для превращения произвольной инструкции (обычно это блок) в критический интервал служит конструкция
synchronized (выражение) инструкция;
где результатом выражения должен быть объект или массив.
Выполнение критического интервала начинается только после полу- чения потоком монопольного доступа к соответствующему объекту. До наступления этого момента поток блокируется.
Вызов wait() внутри критического интервала приводит к тому, что текущий поток уступает монопольное право на критический интер- вал и приостанавливается до тех пор, пока из какого-либо друго- го потока не будет сделан вызов notify() или notifyAll(). Хоро- шей иллюстрацией использования средств синхронизации потоков является упоминавшаяся выше программа Марка Тиллотсона.
class my_buffer { Object [] vec = new Object [8] ; int ip = 0 ; int ep = 0 ;
synchronized void insert (Object item) { do { if (ip-ep < 8) { vec [(ip++) & 7] = item ; if (ip-ep == 1) notify () ; // Уведомить, если буфер был пуст return ; } try wait () ; catch (InterruptedException e) ; } while (true) ; }
synchronized Object extract () { do { if (ip > ep) { Object result = vec [(ep++) & 7] ; if (ip-ep == 7) notify(); // Уведомить, если буфер был полон return result ; } try wait () ; catch (InterruptedException e) ; } while (true) ; } }
class my_producer extends Thread { int items_to_do ; my_buffer the_buffer ;
my_producer (my_buffer buf, int count) { super() ; the_buffer = buf ; items_to_do = count ; }
public void run () { while (items_to_do > 0) { System.out.println ("producer to_do = " + items_to_do) ; Integer item = new Integer (items_to_do*items_to_do) ; the_buffer.insert (item) ; items_to_do-- ; } System.out.println ("Производитель заканчивает работу") ; } }
class my_consumer extends Thread { int items_to_do ; my_buffer the_buffer ;
my_consumer (my_buffer buf, int count) { super() ; the_buffer = buf ; items_to_do = count ; }
public void run () { while (items_to_do > 0) { System.out.println ("consumer to_do = " + items_to_do) ; Object item = the_buffer.extract () ; System.out.println ("consumer got " + item) ; items_to_do-- ; } System.out.println ("Потребитель заканчивает работу") ; synchronized (this){ notify () ; // Посылаем уведомление о завершении работы // (см. con.wait() в main()) } } }
public class threaded3 { public static void main (String [] args) throws InterruptedException { my_buffer the_buffer = new my_buffer () ; my_producer prod = new my_producer (the_buffer, 40) ; my_consumer con = new my_consumer (the_buffer, 40) ;
Thread.currentThread().setPriority (5) ; prod.setPriority (4) ; // Производитель получает более высокий приоритет con.setPriority (3) ; // по сравнению с потребителем
prod.start() ; con.start() ; synchronized (con) { con.wait() ; // Ждем уведомления от производителя об окончании // его работы } System.out.println ("Производитель и потребитель закончили работу") ; } }
Приведенная программа написана в очень хорошем, понятном стиле. Мы прокомментируем лишь один момент. В методах insert() и extract() класса my_buffer вызов wait() содержится внутри бес- конечного цикла. Дело в том, что вызов notify() относится к об- ъекту в целом. "Разбуженный" объект должен проанализировать свое состояние и решить, что делать дальше. Так, если "заснул" метод insert(), то после возобновления работы необходимо прове- рить, что буфер уже не полон и добавление нового элемента стало возможным. Если это не так, метод insert() заснет вновь.
4.2.1. Технологический цикл обработки Java-программ
В принципе, технологический цикл подготовки, трансляции, редак- тирования внешних связей, тестирования, отладки и выполнения Java-программ тот же, что и для других интерпретируемых языков программирования, но с одним существенным отличием - при редак- тировании внешних связей требуемые компоненты могут доставлять- ся по сети (рис. xxx).
Рис. xxx. Технологический цикл Java-программы
Важно отметить, однако, что Java-программы могут представать как бы в двух ипостасях - как самостоятельное приложение и как аплет, то есть совокупность объектов, выполняющихся в среде WWW-навигатора.
С точки зрения программиста, аплет и приложение отличаются в первую очередь точками входа и жизненным циклом.
Приложение в качестве точки входа имеет метод
public static void main (String args[]);
этот метод должен быть определен в том public-классе, который содержится в файле, выполняемом виртуальной Java-машиной. В параметр args передается массив строк - параметров командной строки.
Пример: программа, печатающая свои аргументы
public class myTop { public static void main (String args[]){ int argc = args.length;
for (int i = 0; i < argc; i++) System.out.println (argc[i]); } }
Аплет выполняется в контексте навигатора и его жизненный цикл определяется следующими методами класса Applet:
public void init () вызывается навигатором при загрузка аплета; public void start (); вызывается навигатором при показе страницы; public void stop (); вызывается навигатором, когда тот уходит с Web-страницы; public void destroy (); этот метод предназначен для освобожденя ресурсов; аналог деструктора, но не вызывается автоматически; всегда вызывает stop(); всегда вызывается при выходе из навигатора и при перезагрузке аплета.
Простейший аплет выглядит так:
1 import java.awt.Graphics; 2 import java.applet.Applet;
3 class SimpleApplet extends Applet { 4 public void paint (Graphics g) { 5 g.drawString ("Hello world!", 10, 10); 6 } 7 }
Метод public void paint (Graphics g) (строки 4-6) определяет, как аплет перерисовывает себя в тот момент, когда оконный ме- неджер посылает WWW-навигатору запрос на перерисовку.
Включение аплета в WWW-страницу производится следующим образом. В языке HTML 2.0 предусмотрены специальные конструкции
Поскольку WWW-навигаторы игнорируют неизвестные конструкции, в навигаторе, не поддерживающем Java, будет виден текст
Если вы видите этот текст, то ваш навигатор не поддерживает Java
Опросить значения, передаваемые с помощью конструкции , можно следующим образом:
public void init () { String fontname = getParameter ("name"); String fontSizestring = getParameter ("size"); int theSize = Int.parseInt (fontSizeString); . . . }
Java-компилятор переводит транслирует исходные тексты Java- программ в коды Java-машины. Вообще говоря, Java-машина являет- ся виртуальной в том смысле, что она не существует в виде ре- альных микросхем и других устройств, а представляет собой прог- раммный эмулятор, выполняющийся на какой-либо традиционной ап- паратной платформе. Вероятно, уже в ближайшее время следует ожидать появления и все более широкого распространения и прямых аппаратных реализаций Java-машины.
Идея языковых процессоров, разумеется, не нова. Известны попыт- ки внедрить так называемый P-код в качестве стандарта на ре- зультат работы Паскаль-компиляторов; в свое время много писали о языке и машине Форт; была выполнена аппаратная реализация ре- фал-машины, и список этот можно продолжать и продолжать.
В контексте проекта Java спецификация виртуальной машины явля- ется частью комплекса мер, направленных на стандартизацию Java- среды и на обеспечение ее независимости от аппаратно-программ- ной платформы. Кроме того, следует учитывать ту специфическую среду, в которой должны готовиться и работать Java-программы. Если Web-страница содержит Java-аплеты, эти аплеты будут пере- даваться по сети. Значит, весьма желательно, чтобы Java-код был как можно более компактным; в противном случае время загрузки страницы рискует стать раздражающе большим. Соответственно, ар- хитектура и система команд Java-машины проектировались таким образом, чтобы всячески способствовать компактификации кода. С другой стороны, формат команд Java-машины довольно прост (обыч- но команды не имеют операндов и занимают один байт), поэтому возможна ее (машины) эффективная эмуляция. По этой причине программы, подготовленные для выполнения на Java-машине, часто называют байт-кодами.
Мы опишем архитектуру Java-машины довольно кратко. Последующее изложение опирается на версию спецификаций 1.0.
4.2.2.1. Типы данных, поддерживаемые Java-машиной
Java-машина поддерживает следующие стандартные типы данных:
- byte - однобайтные целые цисла в двоичном дополнительном коде;
- short - двухбайтные целые числа;
- int - четырехбайтные целые числа;
- long - восьмибайтные целые числа;
- float - четырехбайтные вещественные числа в формате IEEE-754;
- double - восьмибайтные вещественные числа;
- char - двухбайтные беззнаковые символы в кодировке Unicode.
Поскольку Java-компилятор в состоянии проверить типы данных во время трансляции, при выполнении нет нужды ассоциировать допол- нительную информацию со значениями стандартных типов. Вместо этого генерируются команды, рассчитанные на обработку данных определенных типов. Например, для сложения целых чисел будет сгенерирована команда iadd, а для сложения вещественных чисел двойной точности - команда dadd.
Значения типа boolean представляются однобайтными целыми числа- ми и обрабатываются посредством соответствующих команд.
Имеется еще два стандартных типа данных:
- object - четырехбайтная ссылка на объект (массивы трактуются как объекты);
- returnAddress - четырехбайтный адрес возврата из метода.
Спецификации Java-машины не описывают внутренней структуры об- ъектов. В реализации Sun Microsystems значение типа object ука- зывает на описатель, хранящий две ссылки - на таблицу методов и на данные объекта. Возможны и другие представления.
Java-машина является 32-разрядной. Более длинные значения (long, double) представляются как пара четырехбайтных величин. Не оговоривается, в каком порядке располагаются элементы пары; более того, верификатор байт-кодов обязан выявлять и отвергать программы, пытающиеся "вручную" составлять длинные значения.
4.2.2.2. Регистры
В Java-машине должны поддерживаться следующие регистры:
- pc - счетчик команд; указывает на код операции для команды, которая будет выполняться следующей.
- vars - базовый регистр для доступа к локальным переменным те- кущего метода.
- optop - указатель на вершину стека операндов. Java-машина яв- ляется стековой, поэтому основная часть команд берет операнды из стека и туда же помещает результат.
- frame - указатель на структуру, содержащую окружение времени выполнения.
В свою очередь, окружение времени выполнения используется для реализации трех целей: динамической загрузки, возврата из мето- дов и обработки исключительных ситуаций.
Для обеспечения динамической загрузки, окружение времени выпол- нения содержит ссылки на таблицу сивмолов текущего метода и те- кущего класса. Перед началом выполнения метода выполняется ре- дактирование его внешних связей (настройка ссылок на внешние методы и внешние данные). Подобная поздняя настройка ссылок де- лает сгенерированный код устойчивым по отношению к изменениям во внешних классах.
Для обеспечения нормального возврата из методов выполняется восстановление регистрового окружения вызывающего метода.
Для обработки исключительных ситуаций Java-машина выполняет проход по стеку вызова методов и отыскивает самую внутреннюю конструкцию catch, обрабатывающую случившееся событие.
В принципе окружение времени выполнения может содержать допол- нительную информацию, необходимую, например, для отладки, но в спецификациях Java-машины это оставлено на усмотрение авторов реализации.
4.2.2.3. Сбор мусора
Для создания объектов во время выполнения выделяется область динамической памяти. Язык Java рассчитан на то, что эту область обслуживает сборщик мусора, поскольку в языке нет средств для освобождения памяти. Как именно работает сборщик мусора, опре- деляется реализацией Java-машины.
4.2.2.4. Система команд Java-машины
Команда Java-машины состоит из однобайтного кода операции, за которым следуют операнды (если таковые имеются). Можно выделить следующие группы команд:
- команды загрузки констант и переменных в стек операндов. Для каждого типа данных имеются свои команды загрузки. Например, команда с кодом операции dload и операндом, задающим смещение, загружает в стек из локальной переменной вещественное число двойной точности, а команда aload делает то же для ссылки на объект.
- команды запоминания данных из стека в локальных переменных.
- команды управления массивами. Например, команда newarray с операндом, задающим тип элементов, извлекает из стека требуемый размер массива, создает его и помещает в стек ссылку на массив. Отметим, что для создания массивов с элементами-объектами служит другая команда, anewarray. За счет подобной специализации достигается эффективность интерпретации Java-программ.
- команды работы со стеком. К этой группе относятся команды, которые удаляют, дублируют, меняют местами верхние элементы стека операндов, а также выполняют другие, более сложные манипуляции со стеком.
- арифметические команды. Операнды извлекаются из стека; туда же помещается результат.
- логические команды (сдвиг, и, или, исключающее или).
- команды преобразования к другому типу.
- команды передачи управления. Например, в команде jsr (переход на подпрограмму) операндом служит относительный адрес перехода; адрес команды, следующей за jsr, помещается на вершину стека операндов. Имеются команды для реализации переключателей.
- команды возврата из функции. Для возврата результатов разных типов используются команды с разными кодами операции. Кроме того, имеется команда breakpoint, которая останавливает нормальный ход выполнения и передает управление обработчику этого события.
- команды манипулирования с полями объектов (установить/прочитать обычное/статическое поле).
- команды вызова методов. Их четыре. Команда invokevirtual вызывает (виртуальный) метод на основе анализа информации времени выполнения. Команда invokenonvirtual осуществляет вызов на основе информации времени компиляции - например, вызов метода родительского класса. Команда invokestatic вызывает статический метод класса. Наконец, команда invokeinterface вызывает метод, представленный интерфейсом. Выполнение всех перечисленных команд связано не только с передачей управления, но и с анализом разного рода таблиц.
- команда возбуждения исключительной ситуации - athrow.
- прочие объектные операции (создать объект, проверить тип объекта).
- команды сихронизации (войти в критический интервал, выйти из него).
Мы видим, что не существует семантического разрыва между языком Java и Java-машиной. Как уже отмечалось, это важно для компактности скомпилированных Java-программ и для обеспечения высокой скорости трансляции.
Концепция загрузки объектов по сети прозрачным для пользователя образом столь же привлекательна, сколь и опасна. Если не предпринимать никаких мер и не накладывать никаких ограничений на возможности Java-аплетов, вход на любую Web-страницу может привести к непредсказуемым последствиям. К счастью, разработчики языка Java с самого начала уделяли самое пристальное внимание вопросам информациионной безопасности.
Из языка удалены многие потенциально опасные возможности, такие как оператор goto или тип данных "указатель". Интерпретируемый характер выполнения позволяет не допустить выхода за границы массива, обращения по пустой ссылке и т.п. В свое время за подобную осторожность выступал автор языка Паскаль Никлаус Вирт, отмечавший, что при традиционном подходе программист напоминает моряка, который носит спасательный круг только на суше.
Мы, однако, не будем подробно останавливаться на "обычной" безопасности и уделим основное внимание выполнению потенциально враждебных аплетов. Смежный вопрос - проверка подлинности аплетов, снабженных электронной подписью, видимо, будет решен в последующих версиях Java-систем.
Прежде всего, аплетам, загруженным по сети, запрещены чтения и запись файлов из локальной файловой системы, а также выполнение сетевых соединений со всеми хостами, кроме того, с которого был получен аплет. Кроме того, таким аплетам не разрешается запускать программы на клиентской системе (говоря языком ОС UNIX, для них недоступны системные вызовы fork и exec), им запрещено загружать новые библиотеки и вызывать программы, внешние по отношению к Java-машине.
На самом деле, перечисленные ограничения не являются частью спецификации Java-системы и могут выполняться с большей или меньшей аккуратностью. Так, в Netscape Navigator 2.0 чтение и запись локальных файлов действительно полностью запрещены. В тоже время, среда разработки JDK 1.0 компании Sun Microsystems допускает задание списка каталогов, с которыми аплеты могут работать.
Более точно, вне разрешенного списка каталогов аплет не может:
- проверять существование файлов;
- читать/писать/переименовывать файлы;
- создавать каталоги;
- проверять атрибуты файла - тип, время последней модификации, размер.
Чтобы в JDK сделать каталог доступным для аплета, следует поместить в файл ~/.hotjava/properties строки вида
acl.read=/home/welcome acl.write=/tmp
Перед началом работы аплетов они проверяются верификатором байт-кодов. Верификатор убеждается, что загруженный аплет соот ветствует спецификациям, заданным при компиляции вызывающей программы, что не нарушен формат скомпилированного файла, что нет переполнения или исчерпания стека, нет некорректных преобразований типов, неправильных действий с регистрами и т.п. Все эти проверки верификатор осуществляет на основе анализа потоков данных. Особенно тщательно проверяются конструкции finally обработчиков исключительных ситуаций.
Следует отметить, что верный выбор баланса между возможностями загружаемых аплетов и безопасностью клиентской системы является очень тонким вопросом. Ряд компаний, например, Argus System Group, предлагают реализовать на клиентской системе усиленные меры безопасности, чтобы успешно отражать угрозы со стороны враждебных аплетов без ограничения свободы действий для "благонадежных" программ. К сожалению, предлагаемые решения зависят от операционной платформы, что противоречит требованию абсолютной переносимости Java-программ. Можно предположить, что информационная безопасность еще долгое время будет оставаться одним из самых сложным и спорных вопросов, касающихся проекта Java.
В конце марта 1996 года компания Sun Microsystems объявила о выпуске версии 1.0 среды разработки Java WorkShop. У этой среды есть два замечательных свойства: она полностью написана на языке Java и имеет интерфейс, выдержанный в Web-стиле.
Следует отметить, что гипертекстовый интерфейс является, пожалуй, наиболее естественным для инструментальных сред. Более того, неявно он давно используется, например, при переходе во включаемый файл или в место ошибки. Принципиально важно, что теперь гипертекст стал явной концептуальной основой.
Java WorkShop содержит полный набор инструментов, необходимых для проектирования, разработки, тестирования, отладки и сопровождения программ. В его состав входят:
- Менеджер проектов - инструмент организации информации, составляющей проект, а также средство спецификации окружения для проекта.
- Построитель - инструмент построения результирующих программ проекта. Построитель ведает перекомпиляцией файлов после внесения изменений, выдачей гипертекстового списка сообщений об ошибках и т.п.
- Публикатор - инструмент поддержки коллективной работы над проектами. Позволяет организовать хранилище проектов, предоставлять Web-страницы проектов для использования другими программистами, осуществлять доступ к проектам коллег, задавать права доступа к проектам.
- Просмотрщик аплетов - средство контролируемого выполнения Java-программ.
- Просмотрщик исходных текстов - инструмент изучения программ с учетом их объектной структуры.
- Редактор исходных текстов. Редактор интегрирован с другими компонентами Java WorkShop, а также с популярными системами управления версиями.
- Отладчик. Помимо традиционных возможностей, отладчик Java WorkShop позволяет контролировать состояние нескольких потоков выполнения, что необходимо для развитых Java-программ.
- Справочная подсистема.
Java WorkShop может работать как на платформе SPARC/Solaris и Intel/Solaris, так и под Microsoft Windows 95/NT. Каких-то особых требований к аппаратуре Java WorkShop не предъявляет. Достаточно 45 Мб дискового пространства, 32 (для Solaris) или 16 (для Windows) Мб оперативной памяти.
Замечательно, как в правильно спроектированной системе различные компоненты не просто идеально подходят друг к другу но и усиливают мощь друг друга.
4.3. Связь Java с окружением: оконный инструментарий
Одно из важных достоинств Java состоит в том, что это не только язык, но и стандартизованная объектно-ориентированная среда выполнения. Любопытно проследить, как в рамках Java решаются традиционные программистские проблемы. Мы остановимся на оконном графическом интерфейсе.
Вместе с различными приятными (главным образом для пользователя) свойствами, оконный интерфейс привносит и довольно неприятные (для разработчика) проблемы. Одна из них - это переносимость приложений между разными платформами. Переносимость является проблемой и без графического интерфейса, однако наличие такового делает ее многократно сложнее.
Дело в том, что каждая оконная среда - это сложный мир, со своими законами, набором строительных блоков и приемов программирования. Motif не похож на MS-Windows и оконную систему Macintosh. По-разному представляются примитивные элементы интерфейса, по-разному обрабатываются внешние события, по-разному происходит рисование на экране и т.д.
Вместе с тем, по своей сути оконная среда - просто идеальное поле деятельности для объектного программирования. Даже человеку, неискушенному в объектно-ориентированных методах проектирования, ясно, что такие вещи, как кнопки, текстовые поля, меню, вполне заслуживают названия объектов, как бы это слово ни понималось. Иначе говоря, вполне понятно, что такое "кнопка вообще", "список вообще" и т.д.
Все это дает основания надеяться, что с помощью объектно-ориентированного подхода можно получить по-настоящему высокоуровневую и переносимую оконную среду, основанную на абстрактных типах данных.
Данная особенность оконных сред проявилась, в частности, в появлении довольно большого количества различных классовых библиотек, "обертывающих" оригинальные оконные системы. В качестве примеров можно привести MFC, OWL, Zink и многие другие.
Вот и среди стандартных Java-библиотек присутствует AWT или Abstract Windowing Toolkit - абстрактный оконный инструментарий.
AWT является системой классов для поддержки программирования в оконной среде. Его "абстрактность" проявляется в том, что все, зависящее от конкретной платформы, хорошо локализовано и спрятано. В AWT реализованы такие простые и понятные вещи, как кнопки, меню, поля ввода; простые и понятные средства организации интерфейса - контейнеры, панели, менеджеры геометрии.
Все зависимости от платформы содержатся в ветви, обозначенной как Peer.
Далее мы рассмотрим некоторые особенности AWT, не претендуя на полноту изложения. Наша цель - дать общее ппредставление о технологии программирования графического оконного интерфейса в среде Java.
4.3.2. Из чего строится графический интерфейс (компоненты и контейнеры)
Если посмотреть на любое оконное приложение, то легко увидеть, что интерфейсная часть состоит из объектов, объединенных в группы. В AWT объекты называются компонентами (на самом деле они все являются наследниками класса Component), а группы объектов реализованы с помощью так называемых контейнеров. Отметим, что любой контейнер - это тоже компонента, поэтому группы объектов могут быть вложены друг в друга. Как обычно, меню стоят особняком.
К числу примитивных компонент относятся:
- Button - Checkbox - Label - List - ScrollBar - TextArea - TextField
Основные контейнеры:
- Dialog - FileDialog - Frame - Panel - Window
Взаимодействие интерфейсных компонент с пользователем реализовано с помощью аппарата событий, о котором будет рассказано ниже.
4.3.3. Как организовать интерфейс
Мы уже отмечали, что интерфейс состоит из компонент, помещенных в контейнеры. Однако, остается открытым вопрос о том, как размещать компоненты друг относительно друга внутри контейнера. Наивный подход (принятый, тем не менее, во многих системах) заключается в задании относительных координат компонент в контейнере. Вариации этого подхода состоят, как правило, в возможности задавать различные единицы длины (пикселы, тысячные дюйма, "диалоговые единицы"). Недостатком подобной модели размещения компонент является то, что при переводе приложения на другую платформу и даже на другой компьютер, внешний вид приложения меняется плохо предсказуемо.
AWT старается решить данную проблему следующим образом. Если нельзя избежать изменений внешнего вида приложений при запуске их на разных платформах, надо постараться хотя бы сделать эти изменения предсказуемыми и в некотором смысле естественными. Для проведения этой программы в жизнь используются объекты под общим названием Layout (расположение). Layout управляет тем, как компоненты будут располагаться внутри контейнера, следуя определенным принципам или рецептам. Всего в AWT имеется 5 предопределенных расположений:
- BorderLayout - CardLayout - FlowLayout - GridLayout - GridBagLayout
Расположения являются прямыми наследниками класса Object и все реализуют протокол LayoutManager.
Объект типа LayoutManager содержится в классе Container. В классе Container определены 3 метода add, предназначенные для добавления новых компонент в контейнер. Куда именно будет добавлена компонента с помощью метода add, зависит от конкретного типа LayoutManager данного контейнера. Для задания LayoutManager есть метод setLayout.
Рассмотрим кратко, как работают приведенные выше схемы размещения.
4.3.3.1. BorderLayout
BorderLayout делит прямоугольный контайнер на 5 прямоугольных областей: север, юг, запад, восток и центр:
Компонента добавляется в соответствующую область с помощью метода
add (string, component);
Пример.
setLayout (new BorderLayout());
buttonN = new Button ("one");
add ("North", buttonN);
// ... добавление остальных кнопок
4.3.3.2. CardLayout
Контейнер состоит из нескольких плоскостей. В каждый момент наверху только одна плоскость. Таким образом, CardLayout представляет собой как бы блокнот со многими страницами. Cтраницы помечаются с помощью строк.
Метод добавления компонент к контейнеру:
add (string, component);
где string - имя "страницы", а component - добавляемая компонента. Как правило, эти компоненты сами будут контейнерами (страница блокнота врядли будет состоять из одной большой кнопки):
setLayout (new CardLayout ());
add ("one", create (new FlowLayout ()));
add ("two", create (new BorderLayout ()));
add ("three", create (new GridLayout (2, 2)));
add ("four", create (new BorderLayout (10, 10)));
add ("five", create (new FlowLayout (FlowLayout.LEFT, 10, 10)));
add ("six", create (new GridLayout (2, 2, 10, 10)));
4.3.3.3. FlowLayout
FlowLayout реализует модель построчного заполнения контейнера. После заполнения одной строки начинается следующая. При изменении размеров контейнера происходит перераспределение компонент по строкам.
setLayout (new FlowLayout ());
add (new Button ("OK"));
add (new Button ("Cancel"));
add (new Button ("Resume"));
Новые компоненты добавляются в контейнер с помощью метода
add (component).
Ряды компонент могут быть выравнены вправо, влево, или центрированы.
4.3.3.4. GridLayout
Контейнер разбивается на клетки. Для этого задается число строк и столбцов. При добавлении новых компонент, клетки заполняются по строкам. Возможность делать пропуски отсутствует.
Новые компоненты добавляются в контейнер с помощью метода
add (component)
Пример.
setLayout (new GridLayout (2, 3)); // 2 строки, 3 столбца
add (new Button ("1"));
add (new Button ("2"));
add (new Button ("3"));
add (new Button ("I"));
add (new Button ("II"));
4.3.3.5. GridBagLayout
GridBagLayout позволяет разделить контейнер на неравные прямоугольные области. Это достигается с помощью объединения соседних клеток в клетки большего размера. Кроме того, GridBagLayout позволяет заполнять решетку с пропусками. Конкретный алгоритм заполнения определяется объектом класса GridBagConstraints.
В объектах этого класса имеется более 10 параметров, определяющих размещение следующей компоненты. Программа, использующая GridBagConstraints, может выглядеть следующим образом:
GridBagLayout gridbag = new GridBagLayout (); GridBagConstraints c = new GridBagConstraints (); setLayout (gridbag);
// Устанавливаем характеристики
c.fill = GridBagConstraints.BOTH;
c.weightx = 1.0;
. . .
Button button1 = new Button ("1");
gridbag.setConstraints (button1, c);
add (button1);
. . .
// здесь можно изменить некоторые установки
// объекте класса GridBagConstraints,
// например
// c.fill = GridBagConstraints.NONE;
Button buttonX= new Button ("X");
gridbag.setConstraints (buttonX, c);
add (buttonX);
В AWT, как и в других оконных средах, события как программные объекты соответствуют внешним событиям. Типичный пример - нажатие на кнопку, в результате чего в AWT происходит событие ACTION_EVENT.
Таким образом, интерактивная часть программ в AWT соответствует модели программы, управляемой событиями. Другими словами, приложения или аплеты должны отслеживать события и обрабатывать их.
Рассмотрим подробнее, как это происходит в AWT. Каждый оконный интерфейс можно рассматривать как набор (возможно, вложенных друг в друга) компонент. Когда происходит событие, связанное с каким-то элементом интерфейса (например, кнопкой), то вызывается метод handleEvent. По умолчанию этот метод ничего не делает, а просто передает событие наверх, то есть тому объекту, в котором содержится инициатор события (например, объемлющему окну). Таким образом, если событие никто не перехватывает, оно достигает фрейма (если это приложение) или аплета.
Этот базовай механизм обработки событий при наивном применении навязывает программисту одну из двух моделей обработки событий.
- Во-первых, можно позволить всем событиям всплывать до самого верха и уже на уровне фрейма писать метод, который занимается разбором и обработкой событий.
- Во-вторых, можно создать множество специализированных классов, в каждом из которых переопределен метод handleEvent.
Оба этих крайних подхода небезупречны. Первый способствует написанию монолитных программ, второй приводит к очень большому числу классов.
В реальной жизни используется компромиссная идеология - handleEvent переопределяется для составных объектов, объединяющих несколько элементов интерфейса и отвечающих за ясно определенную часть работы приложения (например, разного рода диалоги).
Кроме того, возможны и другие модели обработки событий, направленные на лучшее отделенин логики программы от ее интерфейса. В качестве одного из примеров реализации альтернативной модели можно указать пакет "The Command Class for AWT objects", который написал Jan Newmarch, jan@ise.canberra.edu.au.
4.3.5. Методы класса Component, связанные с обработкой событий
Ниже перечислены методы класса Component, связанные с обработкой событий.
- postEvent(). Этот метод, как правило, вызывается автоматически при наступлении соответствующего события.
- Обрабатываются события при помощи метода handleEvent(). По умолчанию этот метод, в зависимости от типа события, вызывает один из специализированных обработчиков событий, таких как
- - action() - - keyUp() - - mouseDown() - - gotFocus()
и т.д.
Метод handleEvent() может быть переопределен. В этом случае, как правило, вся обработка соответствующего события будет происходить именно в этом методе, однако, если handleEvent() возвращает false, то вызывается handleEvent() для контейнера, содержащего данную компоненту.
События в AWT представляются с помощью объектов класса Event, в котором определены следующие переменные:
public Object target; // инициатор события public long when; // время, когда событие произошло public int id; // тип события(KEY_PRESS, MOUSE_DOWN...) public int x; // координаты public int y; // курсора public int key; // код клавиши public int modifiers;// код модификатора (control, shift ...) public Object arg; // вспомогательные данные public Event evt; // поле для соединения событий в списки
Приведем типичный пример обработки событий, когда все они обрабатываются на верхнем уровне (в данном случае на уровне аплета).
class MyApplet extends Applet {
. . .
public boolean action( Event evt, Object arg) {
. . .
if ((ev.target instanceof Button) && arg.equals ("OK")) {
// Выполнить соответствующие действия
. . .
return true;
} else {
// Другие случаи
. . .
}
. . .
return false;
}
. . .
}
В этом примере, если инициатор события имеет тип Button с именем "OK", то выполняются соответствующие действия и возвращается значение true, то есть событие дальше не передается.
Другой способ обработать событие заключается в создании специализированной компоненты. Пример.
class OKButton extends Button {
. . .
public boolean action (Event e, Object arg) {
// Выполнить соответствующие действия
. . .
return true;
}
}
Мы видим, насколько глубоко продумана в проекте Java связь с операционным окружением. Удалось достичь удачного сочетания богатства возможностей с переносимостью.
5. Joe - технология связывания Java-программ с объектными бизнес-приложениями
Выше, в разделе "Java, Joe и NEO", мы писали о том, что новый продукт компании SunSoft - Joe - призван осуществлять связь между клиентскими компонентами, написанными на языке Java, и объектными серверами приложений, созданными в среде NEO. При этом Joe берет на себя все (или почти все) технические проблемы, связанные с работой в распределенной объектной среде, обеспечивая в то же время для Java-программ полноценное взаимодействие с произвольными объектными сервисами.
В предыдущих выпусках Jet Info была опубликована шутливая "Эволюция программиста". Мы добавим к ней еще два раздела. Первый из приводимых ниже примеров написан на языке Java и можеи использоваться в составе обычных, локально работающих аплетов.
1 import java.awt.Font; 2 import java.awt.Color;
3 public class JAVAhello extends java.applet.Applet {
4 Font f = new Font ("TimesRoman", Font.BOLD, 36);
5 public void init () {
6 resize (150, 25);
7 }
8 public void paint (Graphics g) {
9 g.setFont (f);
10 g.setColor (Color.blue);
11 g.drawString ("Hello, World!", 50, 25);
12 }
13 }
Теперь модифицируем программу для Joe, чтобы обеспечить возможность работы в среде клиент/сервер.
1 import sunw.services.*; 2 import java.awt.Graphics; 3 import java.awt.Font; 4 import java.awt.Color;
5 public class JOEhello extends sunw.services.JOEApplet {
6 sunw.corba.ObjectRef obj;
7 Hello.HelloWorldRef hiThere;
8 Font f = new Font("TimesRoman", Font.BOLD, 36);
9 public void init () {
10 super.init ();
11 resize (150, 25);
12 obj = find ("HelloWorldServer");
13 hiThere = Hello.HelloWorldStub.narrow (obj);
14 }
15 public void paint (Graphics g) {
16 g.setFont (f);
17 g.setColor (Color.red);
// Получим строку из удаленного объекта, реализованного на C++,
// и выведем ее.
18 g.drawString (hiThere.sayHello (), 50, 25);
19 }
20 }
Поясним смысл новых строк, появившихся во втором варианте программы.
В строке 1 импортируется описание предоставляемых объектных сервисов.
В строке 5 объявляется, что класс Hello будет наследником JOEApplet.
В строке 6 декларируется обобщенная (не типизированная) ссылка на NEO-объект. Она будет использована для сохранения результата поиска объекта по имени.
В строке 7 описана типизированная ссылка на NEO-объект, которая будет использоваться для манипулирования удаленным объектом (в частности, для вызова методов) средствами языка Java.
В строке 12 мы получаем от службы имен NEO ссылку на нужный нам серверный объект.
В строке 13 выполняется операция приведения обобщенной ссылки к типизированному виду.
Наконец, в строке 18 выполняется вызов метода удаленного объекта, написанного, вообще говоря, не на языке Java (например, на C++). Впрочем, вид этого оператора не зависит ни от удаленности, ни от языка реализации объекта.
Процесс разработки программ в среде Joe довольно прост. Он состоит из следующих этапов:
- Трансляция интерфейса к NEO-объектам, написанного на языке IDL (Interface Definition Language), в класс на язык Java. Этот этап поддержан входящим в состав Joe компилятором IDL - Java. Результат трансляции содержит суррогатные методы, которые во взаимодействии с брокером объектов обеспечивают взаимодействие с удаленными объектами, не отличающееся от локального случая. В свою очередь, брокер объектов, входящий в состав Joe, прозрач- ным для клиентской стороны образом загружается в WWW-навигатор вместе с Java-аплетами.
- Написание клиентского кода на языке Java с использованием сгенерированного интерфейса и средств Joe для взаимодействия с удаленными объектами.
Дальше Java-программа компилируется и выполняется обычным образом.
Подчеркнем, что описанная объектная среда обеспечивает полноценное, двустороннее взаимодействие между клиентом и сервером. В частности, удаленные серверные объекты могут вызывать методы в объектах-клиентах. Для обеспечения этой возможности в составе Joe имеется транслятор Java-классов в IDL-интерфейсы.
Интранет и Java - вот два ключевых слова, символизирующих современный этап развития информационных технологий. Интранет позволяет пересмотреть подход к пользованию информационными ресурсами, что в огромной степени увеличивает производительность труда отдельных работников и компаний в целом. Кроме того, технология Интранет позволяет добиться невиданной ранее масштабируемости - от локальной сети до Интернет.
Java снимает ограничения Web-сервиса, делая последний интерактивным и объектно-ориентированным. Java вводит новый - абсолютный - стандарт на переносимость программного обеспечения. Примечательно, что беспрецедентные по своей мощи возможности вводятся при полном сохранении информационной безопасности.
В сочетании с продуктами Sun Microsystems - Joe и NEO - Java обеспечивает распространение концепции Интранет на произвольные сервисы, что открывает реальную возможность создания корпоративных информационных систем нового поколения.
