El Lenguaje de Programación JAVA

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1 El Lenguaje de Programación JAVA Introducción Java es un lenguaje de programación general orientado al manejo de objetos (OO). Fué creado en Sun Microsystems por un equipo de gente encabezado por James Gosling y se empezó a difundir a partir de Aunque se dió a conocer originalmente como un lenguaje para crear applets para aplicaciones en WEB, en realidad, se puede utilizar para cualquier tipo de aplicación. La sintaxis del lenguaje se parece a la de C o C++; sin embargo, es un lenguaje completamente nuevo. Una de sus caracteristicas mas importante es su independencia de plataforma. Al compilar un programa en Java, se genera un pseudocódigo llamado bytecode para una maquina virtual. Es decir, al contar con un interprete de este tipo de código para una computadora particular, cualquier programa compilado en Java corre sin ninguna modificación. Es posible también diseñar un chip para implementar este pseudocódigo directamente en hardware. Los diseñadores de Java también pusieron émfasis especial en la seguridad del lenguaje. Los apuntadores de C fueron eliminados ya que el mal uso de ellos puede hacer caer el sistema de cómputo. El interprete de Java también efectúa una revisión de los bytecodes generados para asegurar que fueron creados por un compilador correcto. Es imposible (en teoría), por lo tanto que un programa en Java haga una referencia ilegal en la memoria de la máquina. Dentro de las especificaciones de Java se incluyen una serie de bibliotecas de clases predefinidas para diversos usos como: AWT APPLET IO LANG UTIL NET JDBC etc. herramientas gráficas para crear applets para el Web manejo de archivos de entrada/salida objetos básicos utilerías de uso general clases para manipular URLs clases para conectarse a bases de datos SQL La cantidad de clases predefinidas aumenta en cada versión nueva de Java y por consecuente, el poder del lenguaje. Aunque Java tiene poco tiempo en el mercado, su aceptación ha sido poco menos que fenomenal. Miles de compañías de desarrollo de software lo han adoptado como estandar y se ve un crecimiento casi sin paralelo. En la medida que salgan bibliotecas con alcances en áreas como 3D y herramientas para agilizar el desarrollo de aplicaciones comerciales, Java tendrá un impacto aún mayor. 1

2 Clases y Objetos Java es un lenguaje orientado a objetos (OO). En esta terminología, un objeto es un modelo computacional de alguna cosa concreta o abstracta que el diseñador quiere modelar y manipular. Consiste en una colección de datos que representan el estado del objeto y un conjunto de funciones o métodos que este objeto puede invocar. Estos datos y métodos se ven encapsulados dentro de una caja negra (el objeto) para ser utilizados por otras partes del sistema. Una clase tiene la definición de los datos y métodos de un tipo de objeto y el objeto representa una instancia particular de la clase. Si definiéramos una clase llamado Persona, podríamos crear un objeto concreto Juan como instancia de Persona. Si se definiera un método en la clase Persona llamado efectuardepósito, este metodo sería invocado sobre el objeto Juan con la sintaxis: Juan.efectuarDepósito(importe, cuenta); Como un ejemplo, se podría imaginar una videocasetera (VCR) como una clase. Sus datos o estado consistirían en sus propiedades como marca, modelo, etc. así como sus estado - si está prendida o apagada, si se está tocando un casette, rebobinandose, etc. Sus métodos son las funciones de sus botones (prender/apagar, tocar, rebobinar, etc.). Al usuario de un objeto de esta clase (la videocasetera de la casa), no le importa mucho la manera en que estas funciones estan implementadas dentro del aparato; sino, que trabajen adecuadamente con sus casettes y su televisor. Es decir, los métodos deben cumplir ciertos estandares previamentos descritos y hasta allí. Incluso, la caja de la VCR tiene un mensaje de advertencia de no abrirse o se pierde la garantía. Algunos datos del objeto pueden verse por los usuarios y otros no; por lo general, los métodos de un objeto son utilizables por cualquiera (públicos) aunque se puede mantener algunos como privados; los datos de un objeto se suelen dar acceso a través de métodos definidos para ese próposito y generalmente son privados. Para el programador, la ventaja de este paradigma de objetos es poder diseñar ciertas clases con una semblanza al problema a resolver y aislar su mantenimiento a cada una por separada. El usuario del sistema también puede entender mejor un diseño presentado en términos de objetos dentro de su propio vocabulario así como las interacciones entre sí (métodos) que el diálogo tradicional con el analista. A veces cuesta trabajo modelar un sistema en términos de objetos ya que existen muchas maneras de hacerlo y cada tipo de diseño tiene consecuencias sobre la modularidad y facilidad de futuro mantenimiento. Por lo general, se debe pasar mas tiempo en la fase de diseño y menos tiempo en la implementación con la utilización de objetos. Otra caracteristica de un objeto es su extensibilidad. Una vez definida una clase (ej. Persona), se puede definir otra clase nueva que extiende a la anterior. Si nuestro modelo requiere trabajar con otra clase Policía, Policía puede extender a Persona para incluir datos adicionales (número de placa, rango, etc.) y modificar o agregar algunos de los métodos de Persona. Un método para dibujar una Persona podría sustituirse con otro método para dibujar la persona con un uniforme azul (Policía). A su vez, la clase Policía podría dar lugar a otras extensiones (ej. PolicíaMilitar) segun el dominio del problema a 2

3 resolver. La redefinición de métodos de clases extendidas se llama override al método. En la definición de una clase, se puede agregar mas de un método con el mismo nombre pero con diferentes tipos de argumentos o valor. Esta posibilidad se llama overload o sobrecargar el método. Una clase, por ejemplo, podría definir un método suma para objetos de tipo Real y otra suma para objetos de tipo Vector. Diferentes clases también pueden contener definiciones para métodos con el mismo nombre. El uso del mismo nombre en diferentes clases para funciones parecidas requiere menos memoria por parte del programador especialmente en sistemas grandes. Dos métodos (definidos para clases distintos) que tienen el mismo nombre, el mismo número de argumentos del mismo tipo y que devuelven el mismo tipo de valor se dice que tienen la misma firma (signature). En los lenguajes orientados a objetos (OOL), se pueden definir más de un método con el mismo nombre siempre y cuando cuentan con firmas distintas. Una interfase consiste en un conjunto de métodos con una firma establecida. Dos o más clases pueden implementar a una interfase si proporcionan métodos definidos con las mismas firmas. El proceso de diseño basado en objetos puede proporcionar muchos beneficios al analista y también al usuario del sistema; sin embargo, efecuar un buen diseño no es facil. Requiere varias iteraciones ya que los primeros intentos casi nunca producen el diseño deseado (aún cuando se realize por expertos). Una propiedad importante buscada en el proceso de diseño es que los objetos sean reutilizables. Para lograr este próposito, se trata de definir los métodos básicos requeridos o interfase sin preocuparse por la implementación que eventualmente lleguen a tener. Para apoyar este proceso, los diferentes lenguajes orientados a objetos incluyendo Java proporcionan la posibilidad de definir una clase abstracta. Una clase abstracta cuenta con la declaración de datos y métodos esenciales para este tipo de clase, pero no todos los métodos requieren tener una implementación. Una clase abstracta, por lo tanto, se define como una base para extenderse a clases concretas ya que ella no puede instanciarse directamente. El proceso de diseño emplea la clase abstracta con el entendimiento que las variables de este tipo serán asignadas a objetos que pertenecen a clases concretas que la extienden. Llegar a pensar en la concepción de un diseño en estos términos es dificil y requiere tiempo; sin embargo, en la literatura de diseño basado en objetos, existen muchas técnicas para ayudar con este proceso. Una de las técnicas mas sencilla consiste primeramente en describir el problema en castellano de manera concisa. Con esta descripción, se extrae una lista de los sustantivos utilizados, eliminandolos que no tienen relevancia al problema así como los sinonimos. Esta lista forma un conjunto de los posibles objetos requeridos. Después se extrae otra lista de los verbos que sería un primer conjunto de los métodos. Los verbos usualmente involucran dos o mas sustantivos que permite establecer un diagrama de relaciones entre las clases. Incluso, existe una metodología formulada por Grady Booch ( Object- Oriented Analysis and Design with Applications ) orientada a estos diagramas a nivel de la estructura de las clases así como el dinamismo de los objetos que intervienen. El siguiente paso consiste en iterar e refinar el diseño preliminar para descubrir las jerarquías de las clases, componentes (objetos de mas complejidad) y módulos. El proceso termina con la definicion de las clases y métodos pero no especifica los algoritmos o implementación de éstos. 3

4 Java: El Lenguaje Java puede manejar datos de dos tipos básicos, datos primitivos y objetos. En este momento, existen ocho tipos de datos primitivos, que son: boolean (true o false) char Unicode 1.1 (16 bits) byte entero de 8 bits con signo short entero de 16 bits con signo int entero de 32 bits con signo long entero de 64 bits con signo float punto flotante de 32 bits (IEEE ) double punto flotante de 64 bits (IEEE ) Las operaciones aritméticas sobre enteros se realiza en base a complemento a 2. Todos los demas datos son objetos y provienen de instancias de clases definidas. Es importante señalar que el tipo char o character así como las cuerdas de tipo String son de 16 bits con el estandar UNICODE y permite codificar caracteres utilizados en la mayoría de los paises del mundo. Aún cuando se escribe un programa en ASCII, el programa es convertido a UNICODE antes de su compilación. Un programa en Java consiste en una lista de definiciones de clases de la siguiente manera: class Nombre1 { <definición de datos> <definición de métodos> class Nombre2 { <datos> <métodos> etc. La definición de datos consiste de una lista de declaraciones de variables especificando su tipo de dato respectivo. Como ejemplo: int i, j, k; boolean b1 = false; double d[] = new double[20]; Thread thread1, thread2; // Thread es una clase predefinida de Java En estos ejemplos, se ve que una variable puede tener un valor inicial (como b1 o d) o ser un arreglo de datos como d. Al poner // en una línea significa que todo el resto de la línea 4

5 es comentario y es ignorado por el compilador. Siguiendo la sintaxis de C, otra forma de indicar texto comentario es con el uso de los símbolos /* y */. Es decir, al encontrar la combinación de caracteres /* en un programa de Java (o C), todos los demás caracteres encontrados son ignorados como comentario hasta encontrar a la combinación */. Los métodos son una lista de declaraciones de funciones especificando el tipo de valor que devuelve la función, el nombre de la función, su lista de argumentos y el código que debe ejecutar. Como ejemplo: int cuadrado(int n) { return n*n; Aquí, el método "cuadrado" devuelve un valor de tipo entero que es el cuadrado de su argumento de tipo entero. A una función que no devuelve un valor, se le declara el tipo de valor void. Por lo tanto, todo método debe tener su declaración de tipo. El ejemplo de un programa en Java mas sencillo que se suele utilizar es un programa que imprime "Hola, Mundo" en la pantalla; este programa en Java tomaría esta forma: class Hola { public static void main(string[] args) { System.out.println("Hola, Mundo"); Este programa estaría guardado en un archivo llamado Hola.java; se compilaría con el comando: C> javac Hola.java [ $ javac Hola.java en ambiente Unix] El compilador javac dejaría un archivo Hola.class y se ejecutaría con el comando: java Hola que imprimiría Hola, Mundo en la pantalla. El método println es un mëtodo predefinido del objeto System.out. Java, como C, ejecuta el método main que debe estar definido dentro de la clase invocada por el interprete java con el comando java Hola. Como se ve en el ejemplo, el método main tiene un argumento (args) que debe estar declarado como un arreglo de cuerdas (String[]). 5

6 Constantes En Java, no existe la construcción #define de C. Constantes son definidos como variables con los atributos final static. Como ejemplo: class Matemáticas { final static double PI = ; final static int TRES = 3; El modificador final significa que el valor de la variable no puede modificarse y el modificador static significa que la variable está asociada a la clase en sí y no a cada objeto o instancia de la clase. Ejemplo de una Lista Ligada Par definir una clase para representar una lista ligada de objetos podríamos definir una clase Lista como: class Lista { private Object cosa; private Lista cola; public Object valor() { return cosa; public Lista proxíma() { if (lista!= null) return(cola); else return null; public void ponvalor(object x) { cosa = x; public void poncola(lista lista) { cola = lista; // fin de clase Lista En esta definición, la clase Lista contiene dos datos: un objeto llamado cosa y un objeto de tipo Lista llamado cola. Estos datos tienen el atributo private que no permite otros objetos acceso directo a ellos sino a través de los cuatro métodos publicos valor, próxima, ponvalor y poncola. Para probar esta clase, podríamos definir otra clase Prueba: public class Prueba { public static void main(string[] args) { Lista lista = new Lista(), temp; lista.ponvalor("a"); 6

7 lista.poncola(temp = new Lista()); temp.ponvalor("b"); temp.poncola(temp = new Lista()); temp.ponvalor("c"); temp = lista; while (temp!= null) { System.out.println(temp.valor()); temp = temp.próxima(); // fin de main // fin de Prueba Se puede poner Prueba y Lista en un solo archivo Prueba.java o en archivos separados. Al compilarse, javac genera dos archivos Prueba.class y Lista.class. Al correr la clase Prueba con el comando : java Prueba el resultado son tres líneas dse impresión: A B C Dentro de la clase Prueba, la variable lista es asignada un valor inicial con la construcción new Lista(). Esta construcción asigna memoria para los datos cosa y cola y lista es asignado a la dirección (o referencia) de este objeto nuevo; cosa y cola inicialmente tienen el valor inicial null. Posteriormente, la variable temp es asignada a dos objetos nuevos de tipo Lista y se insertan en la lista al final. En la utilización de este tipo de lista ligada, es posible que algunos objetos creados quedan aislados; es decir sin que ninguna variable hace referencia a ellos. Para este problema, Java cuenta con un recolector de basura (Garbage Collector) que devuelve esta memoria al interprete para reutilizarse posteriormente. Esta función no existe en C y es necesario devolver objetos no requeridos a la memoria por un un proceso llamado free. Constructores En la definición de una clase, se puede incorporar uno o mas métodos con el mismo nombre de la clase llamados constructores. Estos constructores pueden tener diferentes tipos de argumentos y son usualmente utilizados para asignar valores iniciales a algunos datos del objeto en proceso de creación. Utilizando el ejemplo de la lista ligada, podemos agregar un constructor: class Lista { private Object cosa; private Lista cola; Lista(Object c, Lista p) { 7

8 cosa = c; cola = p; public Object valor() { return cosa; public Lista proxíma() { if (lista!= null) return(cola); else return null; public void ponvalor(object x) { cosa = x; public void poncola(lista lista) { cola = lista; // fin de clase Lista La clase Prueba se simplifica como sigue: public class Prueba { public static void main(string[] args) { Lista lista = new Lista("A", new Lista("B", new Lista("C", null))), temp; temp = lista; while (temp!= null) { System.out.println(temp.valor()); temp = temp.próxima(); // fin de Prueba Se nota que el constructor Lista no debe especificar ningún tipo de valor, (tampoco void). Si hay mas de un constructor para una clase, cada uno debe tener un número diferente de argumentos o bién que exista una diferencia en los tipos de argumentos. De otra manera, Java no podría saber cual constructor a invocar. El Objeto String Para el manejo de cuerdas de caracteres, Java provee una clase predefinida llamada String. Como ejemplo, podríamos definir una cuerda s como: String s = "abc"; Esta declaración define s como una variable de tipo (o clase) String con un valor inicial de tres caracteres (Unicode) abc. Las comillas "" delimitan los caracteres del contenido. La clase String es de uso tan común que Java provee angunas reglas básicas de sintaxis para su manipulación. Normalmente, para crear un objeto de una clase, se requiere emplear la construcción "new". En el ejemplo anterior, se ve que basta utilizar la cuerda entre comillas. Otra diferencia en la sintaxis de objetos de tipo String ocurre con el 8

9 método concatenación formar una cuerda nueva que consiste en los caracteres de la primera cuerda seguido por los caracteres de la segunda. La clase String contiene un método concat para éste próposito. Es decir, el código: String s = "abc", q = "def"; s = s.concat(q); deja como resultado en s la cuerda abcdef. Aquí, cabe notar que el objeto "abc", originalmente asignado a la variable s se pierde después de la concatenacíon y su espacio será reutilizado a través de una colección de basura. Extendiendo (sobrecargando) el significado del operador '+', Java permite hacer esta misma operación como: s = s + q; // concatena la cuerda s y q. A su vez, cada objeto en Java cuenta con una operación o método tostring para convertir el objeto en una representación de cuerda (este método frequentemente se redefine). El código: String s = "x"; s = s + 5; produce como resultado la cuerda x5 como valor de s. Al definir una clase Persona: class Persona { String nombre; Persona(String n) { nombre = n; String tostring() { return nombre; Persona p = new Persona("Pedro"); el código: String s = "Juan " + p; dejaría en s la cuerda "Juan Pedro" invocando de manera automática el método tostring a la variable p. La clase String cuenta con varios métodos de utilización frequente como length(), substring(m, n) y charat(n). Si s es una variable de tipo String, entonces: 9

10 s.length() devuelve la longitud de la cuerda (int). s.substring(1, 3) devuelve como valor una cuersa nueva que consiste en los caracteres de s de la posición 1 al 3 (donde la primera posición de s tiene índice 0). s.charat(n) devuelve el caractér de s en la posición n. Arreglos Para poder manejar un grupo de objetos o datos a través de índices, Java ofrece la construcción de array o arreglo. Para definir un arreglo n10 de 10 enteros de tipo int, se emplea la declaración: int n10[] = new int[10]; En esta declaración, la variable n10 tiene el tipo (objeto) de un arreglo de enteros (int) y es asignado a un arreglo nuevo de valores de tipo entero originalmente puestos en cero. En cambio, la declaración: int a[]; indica que la variable a es un objeto ("arreglo de enteros") originalmente puesto en null para asignarse posteriormente como: a = new int[300]; Para asignar o cambiar el valor de un elemento de un arreglo, se hace referencia a a través de corchetes como: a[7] = 25; a[i + 1] = b[j] + 3; Cada arreglo definido cuenta con un campo predefinido llamado length que devuelve la longitud del arreglo; int a[] = new int[45]; System.out.println(a.length); imprime el valor 45 a la pantalla.. Se puede declarar arreglos de mas de una dimensión. Para contar con un arreglo de dos dimensiones de enteros, se puede declarar: byte b[][] = new byte[4][5]; 10

11 y asignar un valor: b [2][3] = (byte) 3; El arreglo b[][] es en realidad un arreglo de una dimensión cuyos objetos o elementos son arreglos del tipo b[]. Arreglos de Constantes Para definir un arreglo de constantes, se espefican los valores entre corchetes como: int sieteprimos[] p7 = {1, 2, 3, 5, 7, 11, 13; La matríz a: a se puede definir como: int[][] a = {{1, 3, 5, {8, 2, -1; Campos y Métodos Estáticos (static) En la definición de un campo o método de una clase, se le puede atribuir el atributo static. En este caso, el dato o método se refiere a la clase en sí más que a una instancia (objeto) particular de la clase. Como ejemplo, si definiéramos una clase Sun para representar a las computadoras fabricadas por Sun Microsystems, se figuran dos datos importantes: el número de serie de cada computadora fabricada (objeto) y el último número de serie asignado (clase). El número de serie de la computadora sería un dato normal (posiblemente de tipo int) pero el último número de serie asignado es una propiedad de la clase en sí y no de un objeto (computadora) especial. La definición de la clase Sun tendría dos campos: public class Sun { static int últimoserie; int númeroserie; El dato últimoserie no forma parte de un objeto de tipo Sun sino de la clase Sun. El constructor de Sun problemente tenga código del tipo: Sun() { númeroserie = ++últimoserie; que asignaría al dato númeroserie el último número de serie asignado más uno al númeroserie del nuevo objeto y este valor quedaría en la variable númeroserie de 11

12 la clase Sun. Se puede obtener el valor últimoserie en cualquier lado haciendo referencia al dato: int nserie = Sun.últimoSerie; Cabe mencionar que, al crear un nuevo objeto de tipo Sun, este objeto no tiene el valor últimoserie en su estructura de datos aunque los métodos de Sun pueden tener acceso a el sin necesidad de anteponer Sun. De igual manera, se puede definir métodos estáticos en la declaración de una clase. Estos métodos pertenecen a la clase y no pueden tener acceso a las variables normales (no estáticas) de un objeto o instancia. Un ejemplo ya visto de un método estático es la función main de la clase Prueba (de una lista ligada). Al invocar java Prueba, Java invoca a Prueba.main(args) sin necesidad de crear un objeto concreto de tipo Prueba. La clase Math, predefinida en Java, cuenta con constantes (final static) PI y E así como varios métodos estáticos como sqrt, sin, cos, exp, tan, etc., que se invocan con la referencia a la clase: double x = Math.cos(.341), y = Math.tan(Math.PI / 6.); Java provee una manera de inicializar a las variables estáticas de una clase. Al incluir la proposición: static { p1; pn; en la definición de una clase, esta proposición ejecuta las proposiciones p1,, pn para asignar valores a algunas de las variables estatícas de la clase. Por ejemplo, si una clase Euler requeriera contener un arreglo de las potencias de e ( ), se podría inicializar este arreglo como: public class Euler { final static int ne = 30; // ne es una constante de acuerdo a la necesidades static double[] pe = new double[ne]; static { pe[0] = 1.; for (int i = 1; i < ne; i++) pe[i] = pe[i 1] * Math.E; // otras variables y métodos // end Euler Métodos, Proposiciones y Expresiones 12

13 Para formalizar mejor la sintaxis de Java, se ha visto que un programa de Java consiste en un conjunto de declaraciones de clases. Cada clase, a su vez, consiste en un conjunto de declaraciones de variables y métodos. Aunque no importa el orden de las declaraciones, por mejor legibilidad y estandarización, la convención es declarar primeramente las variables y después los métodos. La declaración de una variable consiste en la espeficación del tipo de variable, con algunos artributos (static, final, public, etc.), sequido por una lista de variables (de este tipo) con una inicialización opcional para cada una que consiste de <variable> = <expresión>. Si la variable no lleva una inicialización, su valor inicial se le asigna null, false, o 0 dependiendo del tipo. La declaración de un método consiste en la especificación de su tipo de valor, su nombre, una lista de argumentos sequido por '{', un conjunto de proposiciones finalizado por un caracter ''. La excepción es la declaración de un constructor que no lleva ni tipo de valor ni modificadores (un constructor siempre devuelve el tipo de valor de su clase por definición). La lista de argumentos de un método consiste en un '(', cero o mas declaracaciones de variables locales, separadas con ',' y al final un ')'. La finalidad de una expresión es devolver un valor y la finalidad de una proposición es realizar una acción. Sin embargo, al devolver un valor, se puede realizar muchas acciones y al realizar una acción, se pueden evaluar a muchas expresiones. 13

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