Java: introduzione al linguaggio e alla tecnologia
Java in questo momento è una parola molto di moda e praticamente anche i non addetti ai lavori ormai ne hanno sentito parlare. Se invece andiamo a chiedere precisamente di cosa si tratti, non è detto che si riesca ad avere con altrettanta facilità una risposta chiara ed esauriente: infatti oltre ad una mancanza di informazioni precise, nellambiente informatico circolano una serie di notizie più o meno vere che cercano di denigrare Java o di esaltarne le qualità oltre misura.
In questa sessione cercheremo di analizzare in maniera obiettiva le effettive potenzialità di Java, al fine di permettere una comprensione chiara e completa degli argomenti di base. Al termine del Worklab, dovrebbero essere stati acquisiti inoltre certi elementi basilari di pratica che permettano di iniziare a sviluppare semplici applicazioni Java.
Java... Cosè?
Molto sinteticamente possiamo dire che con la parola Java si può indicare sia un linguaggio ad oggetti, sia una tecnologia basata su macchina virtuale che interpreta le istruzioni di tale linguaggio appositamente compilato.
Anche se le due cose possono sembrare profondamente differenti fra loro, esse sono strettamente legate, e danno luogo a quella che a volte viene detta tecnologia Java.
Breve storia di Java
Nel 1988 in Sun viene fatto partire un progetto per un nuovo sistema di interfaccia grafica, denominato News, basato su un concetto nuovo per lepoca: maggiore astrazione rispetto allhardware sottostante, sia in termini di riferimenti alle risorse, sia dal punto di vista logico (la visualizzazione Postcript aveva proprio questo scopo).
Nonostante le enormi risorse messe a disposizione, Sun procede lentamente nel progetto che diviene una esperienza isolata contrapposta a quello che in quel momento veniva fatto dagli altri colossi mondiali. A prescindere dai risultati del lavoro, questa esperienza servì per far maturare nella testa di personaggi come Gosling, Naugthon e Joy, limportanza della necessità di un soluzione nuova al problema dellastrazione dallhardware sottostante e della portabilità.
Dalle difficoltà di News e della sua gestione, in Sun si decise verso il 1990 di far partire un progetto gestito indipendentemente da un gruppo esterno. La filosofia principale era la massima autonomia dalle scelte politiche e tecnologiche di Sun. Non ci si sarebbe appoggiati a nessuna piattaforma in particolare, ma anzi dopo aver ipotizzato lutilizzazione della piattaforma PC si pensò alla realizzazione di un hardware specifico, che fosse fortemente orientato alla grafica.
Il progetto si sarebbe rivolto al mercato di largo consumo, avrebbe dovuto avere una interfaccia grafica irresistibile ma al tempo stesso originale. La prima mossa fu quella di realizzare un computer portatile basato su qualcosa di simile alla tecnologia Sun dellepoca. Il kernel del S.O. era un derivato del SunOs riadattato in modo che potesse girare su un sistema molto più piccolo. Nacque il progetto Green, predecessore di Java.
Nel 1992 viene presentato il prototipo, Star 7, una specie di supporto per applicazioni di largo consumo, come cercapersone o guide per programmi televisivi. Prende forma il padre di Java, un linguaggio ad oggetti multimediale e con una spiccata capacità per la gestione delle comunicazioni, unitamente ad una astrazione dal basso nuova per lepoca. Il linguaggio venne denominato OAK.
Il prototipo hw realizzato doveva essere un surrogato di un elettrodomestico di diffusione di massa. Purtroppo questo settore era troppo concorrenziale e non pronto a digerire la diffusione di una macchina tecnologicamente così avanzata.
A causa dei fallimenti in tale direzione, unitamente agli enormi sviluppi del mercato del PC, nel 1994 si comprese che proprio il PC era lelettrodomestico di largo consumo che si cercava. Viene abbandonata lidea di realizzare una piattaforma hw dedicata.
Il progetto si affaccia ad internet: per battere la concorrenza e le avversità politiche, il linguaggio e la piattaforma (sorgenti compresi) viene rilasciato free su internet. Siamo verso I primi del 1995, nasce il progetto live OAK. In questa fase si focalizza lattenzione sulla parte del linguaggio.
Nel 1996 nasce Java come linguaggio slegato dalla piattaforma e fortemente progettato per internet. Il gruppo di lavoro indipendente da Java ormai si è completamente disciolto, e come ultima cosa realizza una semplice applicazione, ed un ambiente in grado di interpretare lhtml. Nasce la prima applet (Duke che saluta) ed il primo ambiente in grado di gestirla (il padre di HotJava).
Java: il linguaggio
Analizzando Java semplicemente dal punto di vista del linguaggio possiamo individuare alcune caratteristiche fondamentali: la prima e più importante è che il codice bytecode, senza necessità di ricompilazioni, è eseguibile su ogni tipo di piattaforma hardware-software che metta a disposizione una macchina virtuale Java.
Dato che ormai le VM sono disponibili per ogni tipo di sistema operativo e per ogni tipo di hardware, il bytecode è di fatto il primo esempio di portabilità reale e totale.
Java è un linguaggio ad oggetti puro, nel senso che non è possibile programmare non OO in parte o del tutto (come invece accade ad esempio col C++).
La gestione della memoria, per motivi di sicurezza e di semplicità di programmazione, viene fatta in automatico dalla VM per mezzo di un efficiente (ma non sempre) Garbage Collector.
Una delle caratteristiche fondamentali di Java è che esso mette a disposizione un meccanismo di multithreading, col quale è possibile, allinterno della stessa applicazione, eseguire contemporaneamente più task.
La VM inoltre implementa un sistema di caricamento delle classi automatico, che permette di caricare le classi (nel caso di applicazioni internet, di scaricare dalla rete) solo al momento delleffettiva necessità, in maniera molto simile a quanto avviene con le DLL.
Il linguaggio Java infine è stato progettato con il preciso obiettivo di garantire la massima sicurezza (dellapplicazione ma anche del client su cui viene mandato in esecuzione), e la massima semplicità dimplementazione e di debug (che diviene molto meno necessario rispetto ad altri linguaggi).
Anche lapprendimento è molto più semplice: sono stati eliminati certi costrutti complessi, che oltre a pregiudicare in certi casi la correttezza formale del programma, ne rendeva difficile la comprensione. Il fatto che la sintassi sia molto simile a quella del C++ rende il passaggio a Java meno indolore, e sicuramente non così difficile come lapprendimento di un linguaggio nuovo.
La mancanza dei puntatori rende molto più sicuro il codice e meno facile linsorgere di bug insidiosi. Il livello di astrazione dato dallintroduzione di uno strato di software aggiuntivo svincola dal doversi preoccupare delle problematiche tipiche della piattaforma sottostante.
Java e il WWW
Anche se Java è un linguaggio per tutte le stagioni, è sicuramente vero che la maggior parte delle sue caratteristiche si adattano, o meglio, sono particolarmente indicate per la programmazione per la rete. Una delle modalità per utilizzare applicazioni Java in rete (ma non lunica) è quella di far eseguire i programmi direttamente al browser che contiene al suo interno una macchina virtuale.
Prima di vedere come funzioni tale meccanismo, vediamo cosa accadeva prima dellintroduzione di Java. In tale situazione, nel momento in cui il browser si trovava a dover gestire un documento non direttamente interpretabile, esso doveva far riferimento ad una applicazione esterna o utilizzare un plug-in preventivamente installato. In ogni caso non si trattava di una vera e propria esecuzione diretta di codice, ma solo una specie di forward di codice alle applicazioni interessate. E ovvio che in tale situazione non era possibile dar vita ad una vera e propria programmazione distribuita che sia interattiva.
Lintroduzione di Java ha cambiato notevolmente le cose: infatti adesso il browser è in grado, per mezzo di una VM integrata, di eseguire direttamente le applicazioni inserite in pagine html, che ha scaricato preventivamente dalla rete. Questo tipo di applicazione viene detta applet, e vedremo in seguito cosa essa sia. Per il momento possiamo dire che si tratta di una normale applicazione Java tarata per essere scaricata dalla rete e per essere eseguita allinterno di un browser. Per poter permettere il download e lesecuzione automatica, una applet deve essere inserita in una pagina html per mezzo del tag \<applet\>
La rete diviene quindi un canale di comunicazione da cui prelevare il software, ed il browser, un client che esegue un programma in locale. Attualmente tutti i browser più famosi incorporano una macchina virtuale e sono in grado di eseguire applet.
La programmazione distribuita ed il Network Computing
Ovviamente la modalità applet non è lunica possibile, ma in ogni caso la possibilità di eseguire applicazioni attraverso la rete, da vita ad un nuovo modo di intendere la programmazione: non più Personal Computer (PC) ma Network Computer (NC).
Contrariamente ad un semplice PC collegato in rete, un NC non scarica solo i dati su cui deve eseguire certe operazioni, ma anche le applicazioni per gestire tali dati: da un NC, oltre a scaricare un certo documento, si scarica anche lapplicazione per poter manipolare quel documento.
A partire dal sistema operativo (tranne eventualmente un mini loader che risiede in locale per le operazioni di caricamento) fino alla più banale delle applicazioni, tutto viene da fuori per essere eseguito in locale. Anche se lavvento del network computing è ancora una cosa del futuro, apre effettivamente un modo nuovo di intendere linformatica.
Vediamo quali sono le caratteristiche fondamentali di un NC: come prima cosa esso può e deve essere una macchina semplice dalle potenzialità ridotte. In linea di principio è sufficiente che esso sia in grado di mandare in esecuzione una VM. Essendo tutti i dati (applicazioni e dati reali) provenienti dallesterno, non è necessario nessun supporto di memorizzazione locale; eventualmente può essere utile un sistema di back-up o di cache locale, che renda il lavoro più veloce.
La dipendenza dal tipo di hardware sottostante, aspetto oggigiorno di fondamentale importanza, diverrà sempre più secondaria, dato che la presenza di una macchina virtuale permetterà al software di ultimo livello (quello utente o di sistema) di poter girare indifferentemente su ogni piattaforma per la quale sia disponibile una VM. Da questo punto di vista è importante notare che un qualsiasi processore può ospitare una macchina virtuale ed il set di API che formano il sistema operativo.
Sun da questo punto di vista ha provveduto a rilasciare tre processori appositamente pensati per lesecuzione di codice Java: PicoJava, MicroJava, ed UltraJava. Al momento è disponibile solo il primo, il meno potente, destinato al settore dei piccoli dispositivi elettronici (telefoni cellulari, elettrodomestici, etc.).
La definizione di un set completo di api per la VM permette di dar vita in maniera quasi banale ad un sistema operativo in Java e per Java: JavaOs.
Software Renting
Il meccanismo di download, non solo dei dati, ma anche del software necessario per manipolarli, permette di ipotizzare un nuovo modo di intendere il software e la sua distribuzione di massa. Infatti, se oggi per poter utilizzare un certo applicativo è necessario comprare la licenza dutilizzo e il supporto per linstallazione (floppy disk, CDRom, network download o altro), in un futuro dominato dai NC potrebbe essere sufficiente pagare per la licenza dutilizzazione e scaricare di volta in volta il software voluto. Questo meccanismo, se da un lato permette di avere sempre lultima versione del software voluto, dallaltro permette di pagare solo quando necessario, e per il tempo voluto, dando luogo ad una specie noleggio del software.
Al momento attuale i NC sono al centro di discussioni che vedono contrapposti ai fautori dellavvento di Java coloro che invece ritengono che la tecnologia attuale possa soddisfare le necessità della comunità informatica mondiale. Lalleanza Microsoft-Intel è quella che ovviamente ha maggiore interesse affinché il NC di Java non si diffonda, per questo versioni alleggerite di Windows eseguite su PC a basso costo dovrebbero contrapporsi alla soluzione Java. Le discussioni fra le due fazioni a volte vertono su aspetti del tutto futili, appellandosi alle definizioni dellavversario per sostenere la bontà del proprio progetto.
A parte questi particolari, e a parte le definizioni NC, NetPC, Thinclient, FatClient e quanto altro verrà introdotto nel prossimo futuro, il concetto di Zero Administration Computer (ZAC) sta attraendo lattenzione di tutti.
Sviluppo di applicazioni Java
Il problema delle performance è allo stato attuale il tallone di Achille del codice Java: dato che si deve utilizzare uno strato di software interpretato, una applicazione Java non è sempre competitiva, dal punto di vista dellefficienza, con una scritta in C.
Questa osservazione è meno vera nel caso si prendano in esame applicazioni distribuite o fortemente orientate alluso della rete. La semplicità con cui Java si adatta a questo mondo permette di costruire applicazioni Net-oriented, che per mezzo di soluzioni distribuite o multi-layer possono scavalcare la cronica mancanza di larghezza di banda tipica di Internet.
Questi trucchi permetttono di dar vita a soluzioni che, benché scritte con il lento Java e quindi meno veloci di equivalenti scritte in C/C++, richiedono un tempo di sviluppo e di manutenzione minore.
In ogni caso tecniche di compilazioni al volo (JIT compiling) permettono di ottenere codice di poco più lento di un compilato vero (80-90%).
Le considerazioni sulla velocità in ogni caso perdono la loro importanza se si prende in considerazione quelli che sono gli obiettivi principali di Java, e cioè portabilità, sicurezza, robustezza.
JDK
Sun, oltre ad aver definito questo nuovo linguaggio e la tecnologia ad esso connessa, ha creato un set completo di API ed una serie di tool per lo sviluppo di applicazioni Java. Il tutto, liberamente scaricabile da internet, è contenuto nel Java Development Kit (JDK), che si evolve nel tempo a seconda delle innovazioni introdotte: al momento lultima versione è la 1.1.
Le innumerevoli classi contenute nel JDK coprono tutte le casistiche di programmazione (dalla grafica alla gestione del multithreading, alla programmazione per la rete, alla manipolazione infine di basi di dati).
Le classi sono raggruppate in package secondo una organizzazione molto precisa. Ecco i package di base più importanti:
java.lang le classi di base per poter sviluppare una applicazione minima.
java.util: una serie di classi di pubblica utilità, dalla gestione delle funzioni matematiche, alle stringhe a strutture complesse (vettori, tabelle hash...)
java.io: supporto per lI/O.
java.net: supporto per la programmazione di rete.
java.awt: mette a disposizione un set fondamentale di oggetti grafici per la creazione di GUI. I vari widget sono un subset di quelli utilizzati nelle varie piattaforme
Applet Java
Si è detto che un programma Java può essere inserito in una pagina html e scaricato dinamicamente dalla rete. Il meccanismo, si ricorda, è del tutto automatico e a carico del classloader del browser. Chiunque si sia imbattuto in una pagina web Java-powered si sarà reso conto che in effetti non si ha la minima impressione di avere che fare con tale linguaggio.
Per poter inserire un programma in una pagina ipertestuale, si deve creare una applet. Essa è un qualcosa di molto simile ad una normale applicazione, ma in cui il ruolo di start-up code non viene svolto dal main(), ma da un metodo apposito detto init(). In questa parte del programma si ha linizializzazione di tutte le variabili del programma e viene lanciato lesecuzione del programma. Anche se non è una prerogativa indispensabile, normalmente una applet, essendo inserita in una pagina html, viene fornita di uninterfaccia grafica in modo da poterla controllare completamente in fase di esecuzione.
Una applet è una applicazione a tutti gli effetti, che viene eseguita dalla macchina virtuale del browser. Non ha particolari limitazioni rispetto ad una normale applicazione, se non quelle imposte per motivi di sicurezza dal security manager della macchina virtuale del browser. Sotto queste condizioni una applet non può accedere in nessun modo al file system della macchina locale, non può scrivere sul server da cui proviene e non può accedere ad host diversi da quelli di provenienza.
In genere queste restrizioni, che possono sembrare vincolanti una qualsiasi attività della applet, sono risolte utilizzando strutture client server o 3-Tier, che permettono una avanzata gestione delle risorse distribuite.
In ogni caso modificando la politica restrittiva del security manager è possibile allentare le restrizioni imposte, ottenendo applicazioni più potenti ma anche più pericolose. Esistono tecniche di certificazione delle applet che permettono al browser di identificare lapplet come fidata e di abbassare la guardia quando sono mandate in esecuzione.
Si tenga presente che il problema dei vincoli legati alla sicurezza è di fondamentale importanza per creare un sistema di NC sicuro ed affidabile.
Tool del JDK
Come accennato precedentemente il Java Development Kit mette a disposizione, oltre alle librerie di base contenute nei vari packages, una serie di programmi per sviluppare e testate le proprie applicazioni Java. Vediamo brevemente di cosa si dispone:
Il comando javac manda in esecuzione il compilatore di bytecode. Deve essere invocato passando come argomento I nomi dei file da compilare. Come in ogni altro suo simile è possibile, tramite degli switch appositi, specificare le varie opzioni di compilazione, come ad esempio linclusione delle informazioni per debug, o la directory dove sono incluse le librerie. La versione javac_g permette di compilare in modo da facilitare leventuale debugging, che si effettua con il comando jdb. Questo tool è molto scomodo da utilizzare, non tanto per il fatto che si debba lanciarlo da riga di comando, ma per la difficoltà dei comandi e delle istruzioni da eseguire. Come disse Brian Ritchie il migliore debugging si effettua con delle printf ben messe. In questo caso tale affermazione è quanto mai veritiera.
Ogni applicazione compilata può essere mandata in esecuzione dallinterprete eseguibile per mezzo del comando java.. Nel caso di una applet si deve utilizzare lapposito visualizzatore (appletviewer) al quale si deve passare il nome del file html nel quale è inserita lapplet. Questo tool non fa altro che mandare in esecuzione linterprete sulla classe AppletViewer.
E possibile generare automaticamente un file di documentazione in formato html a partire dai commenti inseriti allinterno del codice Java. Ogni riga di commento inserita fra /\\ e \\/ viene ignorata dal compilatore ma non dal tool javadoc, che genera il file html. Nel commento del codice è quindi possibile inserire tag html come \<B\> o \<I\> per migliorare laspetto finale del documento. Caratteristica interessante è la possibilità di inserire tag non html (nel formato @\<XXX\>) che vengono interpretati dal javadoc per eseguire operazioni particolari. Ad esempio @\<see\> genera un link ad altre classi.
Il tool javah che permette di creare file header .h per far interagire classi java con codice C.
Infine il javap che esegue un disassemblamento del bytecode restituendo il sorgente java .
La prima applicazione
Come ultima cosa, al termine del worklab vediamo come di generare una semplice applicazione Java. Senza troppa originalità implementeremo il classico «Hello Word» sia come applicazione che come applet.
public class Salve {
public static void main(String\[\] args){
System.out.println(«Ciao mondo»);
}
}
come si può notare la struttura di questo mini programma è molto simile ad un equivalente scritto in C.
Per stampare nella finestra di shell, si esegue una semplice chiamata alla println che fa parte del pacchetto out e di System.
Il nome del file dovrebbe, in teoria, essere lo stesso della classe, ed è per questo che si dovrebbero avere per ogni classe java un file corrispondente.
Prima di passare alla fase di compilazione si devono definire le due variabili dambiente PATH e CLASSPATH: la prima deve puntare fra le altre cose alla directory java\bin, mentre il CLASSPATH deve indicare dove si trova il file classes.zip che contiene le librerie di sistema.
A questo punto per mezzo del comando
javac Salve.java
si ottiene il bytecode relativo interpretabile per mezzo
java Salve
A questo punto vediamo come si può ottenere qualcosa di simile con una applet. Il testo da visualizzare verrà in questo caso passato come parametro esterno alla applet tramite il tag html.
import
java.applet.*;
import
java.awt.*;
public
class
Salve
extends
Applet {
String
text;
public
void
init() {
super
.init();
text =
new
String(getParameter(
"text"
));
}
public
void
paint (Graphics g) {
g.drawString(text,50,50);
}
}
Nellordine si possono notare le seguenti parti
- Per creare una applet si deve necessariamente implementare la classe Applet.
- Non è necessario definire un main(): lapplet parte automaticamente dopo aver lanciato il metodo init dove si mettono tutte le istruzioni di inizializzazione della applicazione.
- Il testo da stampare viene prelevato dallesterno come parametro della applet, per mezzo di getParameter(). Si veda avanti come deve essere strutturato tale file.
- La stringa non viene stampata ma disegnata nel metodo Paint per mezzo di una chiamata a drawString().
Il file html deve essere così definito
<APPLET code="Salve.class" width=450 height=120> </APPLET>
Lapplet viene inserita e offerta al browser per mezzo del tag \<APPLET\>. Il keyword code specifica il nome del codice .class contenente lapplet. Nel caso di più file class, esso deve riferire a quello contente la classe principale (quella che deriva da applet).
Per passare un parametro allapplet si utilizza il tag PARAM seguito da NAME più il nome del parametro e da VALUE più il nome del parametro.
Prima di concludere è bene affrontare un esempio un poco più complesso che ci permetta di comprendere le effettive potenzialità del linguaggio. Si è pensato di utilizzare una applet che mettesse in mostra le possibilità di avere una applicazione dotata di interfaccia grafica inserita in un browser.
E tralasciato il caso delle applicazioni che sono sostanzialmente simili alle applet.
Rispetto al caso precedente si noti la presenza della sezione di inizializzazione degli oggetti grafici (oggetti anche nel senso di OOP) e la loro successiva aggiunta al pannello principale per la visualizzazione.
Dopo aver creato gli oggetti e visualizzati, laltra sezione importante è quella relativa alla gestione degli eventi, che sono intercettati dalla handleEvent().
Ecco il codice dellesempio
import
java.awt.*;
import
java.applet.*;
public
class
MyApplet
extends
Applet {
java.awt.TextField textField1;
java.awt.Checkbox checkbox1;
java.awt.Button button1;
java.awt.Label label1;
publicvoid
init() {
super
.init();
setLayout(null);
addNotify();
resize(453,358);
textField1 =
new
java.awt.TextField();
textField1.reshape(12,48,312,36);
add(textField1);
checkbox1 =
new
java.awt.Checkbox(
"Rosso"
);
checkbox1.reshape(12,12,132,24);
Font f= new Font(
"TimesRoman"
,
Font.BOLD, 24);
checkbox1.setFont(f);
add(checkbox1);
button1 =
new
java.awt.Button(
"Vuota"
);
button1.reshape(336,48,84,36);
add(button1);
label1 = new java.awt.Label(
"text"
,Label.CENTER);
label1.setFont(new Font(
"Courier"
,Font.BOLD,
35));
label1.reshape(24,120,351,113);
add(label1);
}
publicboolean
handleEvent(Event event) {
if
(event.target==textField1){
if
(checkbox1.getState())
label1.setForeground(
new
Color(255,0,0));
else
label1.setForeground(new Color(0,0,0));
label1.setText(textField1.getText());
}
if
(event.target==button1){
textField1.setText(
""
);
label1.setText(textField1.getText());
}
return
super
.handleEvent(event);
}
}
Questo secondo esempio è costituito da una serie di componenti grafici elementari molto semplici per mezzo dei quali è possibile inserire del testo e visualizzarlo successivamente; è anche possibile cambiare il colore del testo.