1    Einführung

Mehr als eine Programmiersprache. Das mag wie schlechte Fernsehwerbung klingen, ist aber keineswegs übertrieben, denn zur Plattform Java gehören eine Reihe von Komponenten, von denen die Programmiersprache nur eine ist. In diesem Kapitel lernen Sie die Bausteine kennen, aus denen die Plattform zusammengesetzt ist, sowie eine Entwicklungsumgebung, mit der Sie auf der Plattform schnell und einfach Java programmieren.

Warum diese Sprache? Das ist wohl die Frage, die jede Einführung in eine Programmiersprache so schnell wie möglich beantworten sollte. Schließlich wollen Sie wissen, ob Sie im Begriff sind, auf das richtige Pferd zu setzen.

Programmiersprachen gibt es viele. Deren Liste in der englischsprachigen Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_programming_languages) hat im Februar 2020 mehr als 600 Einträge. Selbst wenn 90 % davon keine nennenswerte Verbreitung (mehr) haben, bleiben mehr Sprachen übrig, als man im Leben lernen möchte, manche davon mit einer längeren Geschichte als Java, andere jünger und angeblich angesagter als Java. Warum also Java?

Java ist die meistgenutzte Programmiersprache weltweit (Quelle: http://www.tiobe. com/tiobe-index, März 2020), und es gibt sehr gute Gründe für diese Popularität. Viele davon sind natürlich Vorteile der Sprache Java selbst und der Java-Plattform – dazu gleich mehr –, aber der vielleicht wichtigste Grund ist ein externer: Java hat eine unerreichte Breite von Anwendungsgebieten. Es kommt in kritischen Geschäftsanwendungen ebenso zum Einsatz wie in Googles mobilem Betriebssystem Android. Java ist eine beliebte Sprache für serverseitige Programmierung im World Wide Web wie auch für Desktopanwendungen. In Java geschriebene Programme laufen auf fast jedem Computer, egal, ob dieser mit Linux, Windows oder Mac OS betrieben wird – und im Gegensatz zu anderen Programmiersprachen gibt es dabei nur eine Programmversion, nicht eine für jedes unterstützte System, denn Java-Programme sind plattformunabhängig.

Neben dem breiten Einsatzgebiet hat die Sprache Java, wie oben bereits erwähnt, auch »innere« Werte, die überzeugen. Oder besser: Zur Plattform Java gehört mehr als nur die Sprache.

1.1    Was ist Java?

Die Programmiersprache Java, um die es in diesem Buch hauptsächlich gehen soll, ist nur ein Bestandteil der Java-Plattform. Zur Plattform gehören neben der Sprache die Laufzeitumgebung, das Programm, das Java-Programme ausführt, und eine umfangreiche Klassenbibliothek, die in jeder Java-Installation ohne weiteren Installationsaufwand zur Verfügung steht. Betrachten wir die einzelnen Teile der Java-Plattform etwas näher.

1.1.1    Java – die Sprache

Das Hauptmerkmal der Programmiersprache Java besteht darin, dass sie objektorientiert ist. Das ist heute nichts Besonderes mehr, fast alle neueren Programmiersprachen folgen diesem Paradigma. Aber als Java entstand, im letzten Jahrtausend, fand gerade der Umbruch von prozeduraler zu objektorientierter Programmierung statt. Objektorientierung bedeutet in wenigen Worten, dass zusammengehörige Daten und Operationen in einer Datenstruktur zusammengefasst werden. Objektorientierung werde ich in Kapitel 5, »Klassen und Objekte«, und Kapitel 6, »Objektorientierung«, eingehend beleuchten.

Viele Details der Sprache hat Java vom prozeduralen C und dessen objektorientierter Erweiterung C++ geerbt. Für Java wurde aber vieles vereinfacht, und häufige Fehlerquellen wurden entschärft – allen voran das Speichermanagement, für das in C und C++ der Entwickler selbst verantwortlich ist. Das Resultat ist eine Sprache mit einer sehr einfachen und einheitlichen Syntax ohne Ausnahmen und Sonderfälle. Dieser Mangel an »syntaktischem Zucker« wird gerne kritisiert, weil Java-Code dadurch eher etwas länger ist als Code in anderen Sprachen. Andererseits ist es dadurch einfacher, Java-Code zu lesen, da man im Vergleich zu diesen anderen Sprachen nur eine kleine Menge an Sprachkonstrukten kennen muss, um ihn zu verstehen.

Java ist andererseits eine lebendige Sprache, die mit neuen Versionen gezielt weiterentwickelt wird, um für bestimmte Fälle ebendiesen Zucker doch zu bieten. In Version 8 von Java waren das zum Beispiel die Lambda-Ausdrücke (siehe Kapitel 11), in Java 14 wird es voraussichtlich die neue Variante der Entscheidung mit switch sein (siehe Kapitel 18). Dabei handelt es sich jeweils um neue Sprachkonstrukte, die die syntaktische Einfachheit der Sprache nicht zerstört, sondern an vielen Stellen klareren, verständlicheren Code möglich macht. Ihre Einführung sind ein gutes Beispiel dafür, dass die Entwickler der Sprache Java auf die Wünsche ihrer Community eingehen, dabei aber keine überstürzten Entscheidungen treffen – eine gute Kombination für langfristige Stabilität.

1.1.2    Java – die Laufzeitumgebung

Traditionell fallen Programmiersprachen in eine von zwei Gruppen: kompilierte und interpretierte Sprachen. Bei kompilierten Sprachen, wie zum Beispiel C, wird der Programmcode einmal von einem Compiler in Maschinencode umgewandelt. Dieser ist dann ohne weitere Werkzeuge ausführbar, aber nur auf einem Computer mit der Architektur und dem Betriebssystem, für die bzw. für das das Programm kompiliert wurde.

Im Gegensatz dazu benötigen interpretierte Sprachen wie Python oder Ruby ein zusätzliches Programm, den Interpreter, um ausgeführt werden zu können. Die Übersetzung des Programmcodes in Maschinencode findet erst genau in dem Moment statt, in dem das Programm ausgeführt wird. Wer ein solches Programm nutzen möchte, muss den passenden Interpreter auf seinem Computer installieren. Dadurch sind Programme in interpretierten Sprachen auf jedem System ausführbar, für das der Interpreter für diese Sprache vorhanden ist. Interpretierte Sprachen stehen aber im Ruf, langsamer zu sein als kompilierte Sprachen, da das Programm zur Laufzeit noch vom Interpreter analysiert und in Maschinencode übersetzt werden muss.

Java beschreitet einen Mittelweg zwischen diesen beiden Ansätzen: Java-Code wird mit dem Java-Compiler javac kompiliert, dessen Ausgabe ist aber nicht Maschinencode, sondern ein Zwischenformat, der sog. Java-Bytecode (siehe Abbildung 1.1).

Abbildung 1.1    Vom Java-Code zur Ausführung

Man braucht, um ein Java-Programm auszuführen, immer noch einen Interpreter, aber die Umsetzung des Bytecodes in Maschinencode ist für den Computer weniger aufwendig als die Analyse des für Menschen lesbaren Programmcodes. Der beschriebene Performance-Nachteil wird dadurch abgeschwächt. Java-Programme stehen teils in dem Ruf, sie seien langsamer als Programme in anderen Sprachen, die zu Maschinencode kompiliert werden. Dieser Ruf ist jedoch nicht mehr gerechtfertigt, ein Performance-Unterschied ist im Allgemeinen nicht feststellbar.

Der Interpreter, oft auch als Java Virtual Machine (JVM) bezeichnet, ist ein Bestandteil der Java-Laufzeitumgebung (Java Runtime Environment, JRE), aber die Laufzeitumgebung kann mehr. Sie übernimmt auch das gesamte Speichermanagement eines Java-Programms. C++-Entwickler müssen sich selbst darum kümmern, für alle ihre Objekte Speicher zu reservieren, und vor allem auch darum, ihn später wieder freizugeben. Fehler dabei führen zu sogenannten Speicherlecks, also zu Fehlern, bei denen Speicher zwar immer wieder reserviert, aber nicht freigegeben wird, so dass das Programm irgendwann mangels Speicher abstürzt. In Java muss man sich darüber kaum Gedanken machen, die Speicherfreigabe übernimmt der Garbage Collector. Er erkennt Objekte, die vom Programm nicht mehr benötigt werden, und gibt ihren Speicher automatisch frei – Speicherlecks sind dadurch zwar nicht komplett ausgeschlossen, aber fast. Details zum Garbage Collector finden Sie in Kapitel 18, »Hinter den Kulissen«.

Zur Laufzeitumgebung gehört außerdem der Java-Compiler HotSpot, der kritische Teile des Bytecodes zur Laufzeit in »echten« Maschinencode kompiliert und Java-Programmen so noch einen Performance-Schub gibt.

Implementierungen des Java Runtime Environments gibt es für alle verbreiteten Betriebssysteme, manchmal sogar mehrere. Die Implementierung der Laufzeitumgebung ist die des Java-Herstellers Oracle (ursprünglich Sun Microsystems, die aber im Jahre 2010 von Oracle übernommen wurden), aber daneben gibt es weitere, allen voran das Open-Source-Projekt OpenJDK. Da das Verhalten der Laufzeitumgebung streng standardisiert ist, lassen sich Programme fast immer problemlos mit einer beliebigen Laufzeitumgebung ausführen. Es gibt zwar Ausnahmefälle, in denen sich Programme in verschiedenen Laufzeitumgebungen unterschiedlich verhalten, aber sie sind erfreulich selten.