Objektorientierung

Die Grundidee der objektorientierten Programmierung ist, Daten und zugehörige Funktionen möglichst eng in einem sogenannten Objekt zusammenzufassen und nach außen hin zu kapseln (Abstraktion). Die Absicht dahinter ist, große Softwareprojekte einfacher zu verwalten und die Qualität der Software zu erhöhen. Ein weiteres Ziel der Objektorientierung ist ein hoher Grad der Wiederverwendbarkeit von Softwaremodulen.

Ein neuer Aspekt von Java gegenüber den objektorientierten Programmiersprachen C++ und Smalltalk ist die explizite Unterscheidung zwischen Schnittstellen und Klassen, die durch entsprechende Schlüsselwörter interface und class ausgedrückt wird. Java unterstützt kein Erben von mehreren unabhängigen Basisklassen (sogenannte „Mehrfachvererbung“ wie in C++ oder Eiffel), wohl aber das Implementieren einer beliebigen Zahl von Schnittstellen, womit sich viele der entsprechenden Probleme ebenfalls lösen lassen. Dabei werden Methodensignaturen und Standardimplementierungen von Methoden an die abgeleiteten Klassen weitergegeben, jedoch keine Attribute.

Java ist nicht vollständig objektorientiert, da die Grunddatentypen (int, boolean usw.) keine Objekte sind (siehe auch unter Java-Syntax). Sie werden allerdings ab Java 5 bei Bedarf automatisch und für den Programmierer transparent mittels Autoboxing in die entsprechenden Objekttypen und umgekehrt umgewandelt.

/**
 * Diese Klasse ist eine allgemeine Klasse für jedes beliebige Tier und bietet
 * Methoden an, die alle Tiere gemeinsam haben.
 */
public class Tier {
	/**
	 * Diese Methode lässt das Tier kommunizieren. Die Unterklassen dieser
	 * Klasse können diese Methode überschreiben und eine passende
	 * Implementierung für das jeweilige Tier anbieten.
	 */
	public void kommuniziere() {
	    // Wird von allen Unterklassen verwendet, die diese Methode nicht überschreiben.
	    System.out.println("Tier sagt nichts.");
	}
}

/**
 * Deklariert die Klasse "Hund" als Unterklasse der Klasse "Tier".
 * Die Klasse "Hund" erbt damit die Felder und Methoden der Klasse "Tier".
 */
class Hund extends Tier {
	/**
	 * Diese Methode ist in der Oberklasse "Tier" implementiert. Sie wird
	 * in dieser Klasse überschrieben und für die Tierart "Hund" angepasst.
	 */
	@Override
	public void kommuniziere() {
		// Ruft die Implementierung dieser Methode in der Oberklasse "Tier" auf.
		super.kommuniziere();
		// Gibt einen Text in der Konsole aus.
		System.out.println("Hund sagt: 'Wuff Wuff'");
	}
}

/**
 * Deklariert die Klasse "Katze" als Unterklasse der Klasse "Tier".
 * Die Klasse "Katze" erbt damit die Felder und Methoden der Klasse "Tier".
 */
class Katze extends Tier {
	/**
	 * Diese Methode ist in der Oberklasse "Tier" implementiert. Sie wird
	 * in dieser Klasse überschrieben und für die Tierart "Katze" angepasst.
	 */
	@Override
	public void kommuniziere() {
		// Ruft die Implementierung dieser Methode in der Oberklasse "Tier" auf.
		super.kommuniziere();
		// Gibt einen Text auf der Konsole aus.
		System.out.println("Katze sagt: 'Miau'");
	}
}

class Main {
	/**
	 * Methode die beim Programmstart aufgerufen wird.
	 */
	public static void main(String[] args) {
		// Deklariert eine Variable für Instanzen der Klassen "Hund" und "Katze"
		Tier tier;

		// Erstellt eine Instanz der Klasse "Hund" und speichert die Instanz in
		// der Variable "tier"
		tier = new Hund();
		// Ruft die Methode Hund.kommuniziere() auf
		tier.kommuniziere();

		// Erstellt eine Instanz der Klasse "Katze" und speichert die Instanz in
		// der Variable "tier"
		tier = new Katze();
		// Ruft die Methode Katze.kommuniziere() auf
		tier.kommuniziere();
	}
}

Tier sagt nichts.
Hund sagt: 'Wuff Wuff'
Tier sagt nichts.
Katze sagt: 'Miau'

Reflexion

Java bietet eine Reflexion-API als Bestandteil der Laufzeitumgebung. Damit ist es möglich, zur Laufzeit auf Klassen und Methoden zuzugreifen, deren Existenz oder genaue Ausprägung zur Zeit der Programmerstellung nicht bekannt war. Häufig wird diese Technik im Zusammenhang mit dem Entwurfsmuster Fabrikmethode (Factory Method) angewandt.

Annotationen

Mit Java 5 hat Sun die Programmiersprache um Annotationen erweitert. Annotationen erlauben die Notation von Metadaten und ermöglichen bis zu einem gewissen Grad benutzerdefinierte Spracherweiterungen. Sinn der Annotationen ist unter anderem die automatische Erzeugung von Code und anderen in der Software-Entwicklung wichtigen Dokumenten für wiederkehrende Muster anhand möglichst kurzer Hinweise im Quelltext. Bislang wurden in Java dafür ausschließlich Javadoc-Kommentare mit speziellen JavaDoc-Tags verwendet, die von Doclets wie zum Beispiel dem XDoclet ausgewertet wurden.

Annotationen können auch in den kompilierten Class-Dateien enthalten sein. Der Quelltext wird also für ihre Verwendung nicht benötigt. Insbesondere sind die Annotationen auch über die Reflection-API zugänglich. So können sie zum Beispiel zur Erweiterung des Bean-Konzeptes verwendet werden.

Modulare Ausführung auf fernen Computern

Java bietet die Möglichkeit, Klassen zu schreiben, die in unterschiedlichen Ausführungsumgebungen ablaufen. Beispielsweise lassen sich Applets in Webbrowsern, die Java unterstützen, ausführen. Das Sicherheitskonzept von Java kann dazu eingesetzt werden, dass unbekannte Klassen dabei keinen Schaden anrichten können, was vor allem bei Applets wichtig ist (siehe auch Sandbox). Beispiele für in entsprechenden Ausführungsumgebungen ausführbare Java-Module sind Applets, Servlets, Portlets, MIDlets, Xlets, Translets, und Enterprise JavaBeans.

Entstehung

Herkunft und Entwicklung der Programmiersprache Java sowie mit ihr verwandter Technik sind im Artikel Java-Technologie beschrieben, sowie wann welche Version veröffentlicht wurde.

Oracle und JCP

Neben Oracle kümmert sich eine Vielzahl von Einzelpersonen, kleiner und großer Unternehmen, wie Apple, IBM, Hewlett-Packard und Siemens beim Java Community Process (JCP) unter anderem um die Weiterentwicklung der Java-Sprachspezifikation. Der JCP wurde 1998 von Sun Microsystems ins Leben gerufen.

Java als freie Software

Sun hatte zugesichert, sein JDK unter der GNU General Public License zu veröffentlichen; mit der Übernahme durch Oracle wurde auch die offene Lizenzierung übernommen. Am 13. November 2006 wurden bereits mit dem Compiler javac und der Hotspot Virtual Machine erste Teile als Open Source veröffentlicht. Zudem wurde mit OpenJDK eine Community-Seite eröffnet, mit deren Hilfe die Entwicklung koordiniert werden soll. Am 8. Mai 2007 folgten dann große Teile des „Java-SE“-Quellcodes zum Erstellen eines JDK. Eine Ausnahme stellte solcher Code dar, für den Sun nicht die nötigen Rechte besaß, um ihn freizugeben. Dieser liegt somit nur in kompilierter Form vor. Ebenfalls kündigte Sun an, dass Entwicklungen auf Grundlage des OpenJDK das „Java Compatible“-Logo führen dürfen, wenn sie nach dem „Java Compatibility Kit“ (JCK) zertifiziert sind.

Zuvor wurde der Quelltext von Java unter anderem bei jedem JDK mitgeliefert und ermöglichte so zwar Einsicht, er durfte aber nicht beliebig modifiziert werden. Deswegen gibt es neben den offiziellen JCP auch diverse unabhängige Vereinigungen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, ein unter eine freie Open-Source-Lizenz gestelltes Java bereitzustellen. Die bekanntesten dieser Projekte waren Apache Harmony, Kaffe und das GNU-Classpath-Projekt. Gegenwärtig gibt es neben OpenJDK noch eine weitere große Implementierung, die aktuelle Java Releases veröffentlicht, Eclipse OpenJ9. Diese JVM-Implementierung wurde von IBM an die Eclipse Foundation übergeben. OpenJ9 steht mehrfachlizenziert unter EPL 2.0, Apache 2.0 und GNU 2.0 with Classpath Exception.

JavaScript

Java darf nicht mit der Skriptsprache JavaScript verwechselt werden. JavaScript wurde von Netscape Communications entwickelt, hieß früher LiveScript und wurde im Zuge einer Kooperation zwischen Netscape und Sun Microsystems in JavaScript umbenannt.

JavaScript ist eine dynamisch typisierte, objektbasierte, aber, bis ECMAScript 2015, klassenlose Skriptsprache mit einer ähnlichen Syntax wie C, Perl oder Java, unterscheidet sich jedoch in vielerlei Hinsicht von Java. Trotz der Ähnlichkeit der Namen der beiden Programmiersprachen unterscheidet sich Java stärker von JavaScript als zum Beispiel von C++ oder C#. JavaScript wurde ursprünglich vornehmlich in HTML-Seiten zur eingebetteten Programmierung verwendet, um interaktive Webapplikationen zu ermöglichen. Mittlerweile wird JavaScript auf der Laufzeitumgebung Node.js zunehmend auch für Server-Applikationen genutzt.

Smalltalk

Smalltalk ist eine der ältesten objektorientierten Programmiersprachen überhaupt. Java erbt von Smalltalk die grundsätzliche Konzeption eines Klassenbaumes, in den alle Klassen eingehängt werden. Dabei stammen alle Klassen entweder direkt oder indirekt von der Klasse java.lang.Object ab. Außerdem wurden die Konzepte der automatischen Speicherbereinigung (garbage collector) und der virtuellen Maschine übernommen sowie eine Vielzahl weiterer Merkmale der Sprache Smalltalk.

Smalltalk kennt jedoch keine primitiven Datentypen wie zum Beispiel int – selbst eine einfache Zahl ist ein Objekt. Dieses Konzept wurde nicht nach Java übernommen, primitive Datentypen werden aber ab Java 5 mittels Autoboxing bei Bedarf in die entsprechenden Objekttypen und umgekehrt umgewandelt.

C++

Java lehnt seine Syntax an die der Programmiersprache C++ an. Im Gegensatz zu C++ fanden jedoch Mehrfachvererbung oder Zeigerarithmetik keinen Einzug. Klassen können nur eine Superklasse haben (Einfachvererbung), aber eine beliebige Anzahl von Interfaces implementieren. Interfaces entsprechen abstrakten Klassen in C++, die keine Attribute oder konkrete Methoden besitzen, werden allerdings konzeptionell anders als die auch in Java möglichen abstrakten Klassen verwendet. Die interne Speicherverwaltung wird dem Java-Entwickler weitgehend abgenommen; dies erledigt die automatische Speicherbereinigung. Allerdings garantiert auch dieser Mechanismus nicht den vollständigen Ausschluss von Speicherlecks. Letztlich muss der Programmierer dafür sorgen, dass nicht mehr verwendete Objekte von keinem laufenden Thread mehr referenziert werden. Einander referenzierende Objekte, die von keinem Thread aus mehr über Referenzen erreichbar sind, werden ebenfalls freigegeben, wobei es dem Garbage Collector (GC) obliegt, wann und ob überhaupt diese Objekte freigegeben werden. Jede Objektklasse besitzt zusätzlich eine Methode namens finalize(), die vom Garbage Collector aufgerufen werden kann, um zusätzliche „Aufräumarbeiten“ durchzuführen. Es gibt jedoch keine Garantie, wann und ob dies geschieht. Sie ist daher nicht mit einem Destruktor aus C++ vergleichbar.

Neben Mehrfachvererbung und Speicherarithmetik wurden bei der Entwicklung von Java noch weitere Konstrukte der Sprache C++ bewusst weggelassen:

Im Gegensatz zu C++ ist es in Java nicht möglich, Operatoren (zum Beispiel arithmetische Operatoren wie + und -, logische Operatoren wie && und ||, oder den Index-Operator []) zu überladen, das heißt in einem bestimmten Kontext mit neuer Bedeutung zu versehen. Dies sorgt einerseits für eine Vereinfachung der Sprache an sich und verhindert, dass Quellcodes mit Operatoren, die mit schwer nachvollziehbarer Semantik überladen werden, unleserlich gemacht werden. Andererseits würden benutzerdefinierte Typen mit überladenen Operatoren in C++ eher wie eingebaute Typen erscheinen können – vor allem numerischer Code wäre so mitunter einfacher nachzuvollziehen. Die Sprachdefinition von Java definiert jedoch typabhängiges Verhalten der Operatoren + (Addition bei arithmetischen Operanden, andernfalls zur Verkettung von Zeichenketten „string concatenation“) sowie &, | und ^ (logisch für boolean und bitweise für arithmetische Operanden). Das lässt diese Operatoren zumindest wie teilweise überladene Operatoren erscheinen.

Das C++-Konstrukt der Templates, die es erlauben, Algorithmen oder sogar ganze Klassen unabhängig von den darin verwendeten Datentypen zu definieren, wurde in Java nicht übernommen. Ab Version 5 unterstützt Java aber sogenannte Generics, die zwar keinerlei Metaprogrammierung erlauben, aber ähnlich wie C++-Templates typsichere Container und ähnliches ermöglichen.

In Java wurde das Schlüsselwort const reserviert, hat aber keine Funktion. Die Alternative zu const (und Präprozessor-Direktiven) ist final. Im Gegensatz zu const wird final in einer Methodensignatur nicht vererbt und hat somit nur im aktuellen Scope Gültigkeit. Den final-Modifikator kann eine Klasse (die dadurch nicht mehr abgeleitet werden kann), ein Attribut (dessen Wert so nur einmal gesetzt werden kann) oder eine Methode (die dadurch unüberschreibbar wird) besitzen.

C# (.NET)

Die .NET-Plattform von Microsoft kann als Konkurrenzprodukt zu Java gesehen werden. Mit der Spezifikation von C# hat Microsoft im Rahmen seiner .NET-Strategie versucht, den Spagat zwischen der Schaffung einer neuen Sprache und der leichten Integration bestehender Komponenten zu schaffen.

Konzeptionelle Unterschiede zu Java bestehen insbesondere in der Umsetzung von Callback-Mechanismen. In .NET ist hierzu die Unterstützung von Delegaten (englisch delegates) implementiert, einem Konzept, das mit Funktionszeigern vergleichbar ist. In Java kann dies über Methodenreferenzen oder Lambdaausdrücke erreicht werden.

Des Weiteren unterstützen .NET-Sprachen sogenannte Attribute (attributes), die es erlauben, die Funktionalität der Sprache über Metadaten im Code zu erweitern (eine ähnliche Funktionalität wurde in Form der oben beschriebenen Annotations in Java 5.0 übernommen). C# enthält auch Bestandteile der Sprache Visual Basic, zum Beispiel Eigenschaften (properties), sowie Konzepte aus C++.

In .NET ist es ebenso wie in Java möglich, Ausnahmen (exceptions) zu einer Methode zu deklarieren. In Java können Ausnahmen so deklariert werden, dass sie auch verarbeitet werden müssen (Checked Exception).

Windows Systembefehle (Win-ABI-Aufrufe) können in .NET über platform invoke oder mittels C++/CLI aufgerufen werden. Das ist in Java nicht möglich, es besteht mit dem Java Native Interface aber die Möglichkeit, C- und C++-Code per DLL direkt zu referenzieren und außerhalb der Java Virtual Machine ausführen zu lassen.

Scala

Scala ist eine Programmiersprache, die objektorientierte und funktionale Paradigmen vereint und wie Java auf der Java Virtual Machine ausgeführt werden kann.

Im Gegensatz zu Java, und ähnlich wie C#, ist das Typsystem vereinheitlicht und umfasst Referenz- und Werttypen. Benutzer können weitere Typen definieren – in Java sind die verfügbaren Werttypen auf die fest vordefinierten primitiven Typen (int, long, …) beschränkt.

Scala verwendet statt Schnittstellen (interface) sogenannte Traits (traits), die wiederverwendbare Methodenimplementierungen enthalten können. Weitere Funktionalität, die nicht in Java enthalten ist, umfasst unter anderem Typen und Funktionen höherer Ordnung, Pattern Matching und frei wählbare Methoden- und Klassennamen.

Wie in C# gibt es keine checked exceptions. Allerdings können Methoden mit einer @throws-Annotation versehen werden. Scala entfernt unter anderem das Konzept statischer Methoden und Klassen (ersetzt durch companion objects), Raw Types, die Notwendigkeit von Getter- und Settermethoden und die unsichere Varianz von Arrays.

Die Varianz generischer Typen muss nicht wie in Java bei der Nutzung erfolgen (use-site variance), sondern kann direkt bei der Deklaration angegeben werden (declaration-site variance).

Kotlin

Kotlin ist eine plattformübergreifende, statisch typisierte Programmiersprache, die in Bytecode für die Java Virtual Machine (JVM) übersetzt wird, aber auch in JavaScript-Quellcode oder (mittels LLVM) in Maschinencode umgewandelt werden kann.

Anders als in Java wird bei Kotlin der Datentyp einer Variable nicht vor dem Variablennamen, sondern danach, abgetrennt durch einen Doppelpunkt, notiert. Allerdings unterstützt Kotlin auch Typinferenz, sodass der Typ oft auch weggelassen werden kann, wenn er aus dem Zusammenhang klar ist. Als Anweisungsende genügt der Zeilenumbruch, optional kann jedoch auch ein Semikolon verwendet werden. Zusätzlich zu Klassen und Methoden (in Kotlin: member functions) aus der objektorientierten Programmierung unterstützt Kotlin prozedurale Programmierung unter Verwendung von Funktionen sowie bestimmte Aspekte der funktionalen Programmierung. Als Einstiegspunkt dient wie bei C u. ä. eine main-Funktion.

Kotlin lässt sich außerdem zur Entwicklung von Android-Apps verwenden und wird dafür seit 2017 offiziell von Google unterstützt. Seit Mai 2019 ist Kotlin die von Google bevorzugte Sprache für Android-Appentwicklung.

Java-Webanwendungen

Java-Webanwendungen sind Java-Programme, die auf einem Webserver geladen und gestartet werden und beim Benutzer in einem Webbrowser ablaufen bzw. dargestellt werden. Üblicherweise läuft ein Teil der Webanwendung auf dem Server (die Geschäftslogik und Persistenz) und ein anderer Teil am Webbrowser (die Logik der grafischen Benutzeroberfläche). Der Serverteil wird üblicherweise vollständig in Java geschrieben, der Browserteil üblicherweise in HTML und JavaScript. Es ist jedoch auch möglich, Java-Webanwendungen inklusive GUI-Logik vollständig in Java zu schreiben (siehe z. B. Google Web Toolkit oder die Remote Application Platform). Bekannte Beispiele für Java-Webanwendungen sind Twitter, Jira, Jenkins oder Gmail (das nicht vollständig, aber zu großen Teilen in Java geschrieben ist).

Java-Desktop-Anwendungen

Unter Desktop-Anwendungen oder Applikationen werden normale Desktop-Programme zusammengefasst. Sowohl Internet-Kommunikationsprogramme als auch Spiele oder Office-Anwendungen, die auf einem normalen PC laufen, werden so genannt. Bekannte Beispiele für Java-Desktop-Anwendungen sind die integrierte Entwicklungsumgebung Eclipse, das Filesharing-Programm Vuze oder das Computerspiel Minecraft.

Java-Applets

Java-Applets sind Java-Anwendungen, die normalerweise in einem Webbrowser ausgeführt werden. Sie sind üblicherweise auf einen durch ein spezielles HTML-Tag definierten Bereich einer Webseite beschränkt. Voraussetzung für die Ausführung von Java-Applets ist ein Java-fähiger Browser. Diese Anwendungsform wird seit Java 11 nicht mehr unterstützt, nachdem sie bereits in Java 9 als „veraltet“ gekennzeichnet wurde.

Apps

Apps sind kleinere Applikationen für mobile Geräte wie Handys, Smartphones, PDAs oder Tablets. Sie laufen üblicherweise auf speziellen, für die Ausführung von Java-Anwendungen auf mobilen Geräten optimierten Java-Plattformen wie Java ME.

Apps für das Android-Betriebssystem von Google werden in der hier beschriebenen Sprache Java programmiert, basieren aber auf einer abweichenden Klassenbibliotheks-API.

Bytecode-Compiler

Im Normalfall übersetzt der Java-Compiler die Programme in einen nicht direkt ausführbaren Bytecode (Dateiendung „.class“), den die Java Runtime Environment (JRE) später ausführt. Die aktuelle HotSpot-Technologie kompiliert den Bytecode zur Laufzeit in nativen Prozessorcode und optimiert diesen abhängig von der verwendeten Plattform. Diese Optimierung findet dabei nach und nach statt, sodass der Effekt auftritt, dass Programmteile nach mehrmaliger Abarbeitung schneller werden. Andererseits führt diese Technik, die ein Nachfolger der Just-in-time-Kompilierung ist, dazu, dass Java-Bytecode theoretisch genauso schnell wie native, kompilierte Programme ausgeführt werden könnte.

Die HotSpot-Technik ist seit der JRE Version 1.3 verfügbar und wurde seitdem stetig weiter verbessert.

Beispiele für Bytecode-Compiler sind javac (Teil des JDK) und war Jikes (eingestellt, Funktionsumfang bis Java SE 5) von IBM.

Native Compiler

Es existieren auch Compiler für Java, die Java-Quelltexte oder Java-Bytecode in „normalen“ Maschinencode übersetzen können, sogenannte Ahead-of-time-Compiler. Nativ kompilierte Programme haben den Vorteil, keine JavaVM mehr zu benötigen, aber auch den Nachteil, nicht mehr plattformunabhängig zu sein.

Beispiele für native Java Compiler waren Excelsior JET (eingestellt, bis Java SE 7), sowie GNU Compiler for Java (GCJ, eingestellt, bis J2SE 5.0) wie MinGW, Cygwin oder JavaNativeCompiler (JNC).

Wrapper

Als weitere Möglichkeit kann das Java-Programm in ein anderes Programm „eingepackt“ (englisch to wrap) werden; diese äußere Hülle dient dann als Ersatz für ein Java-Archiv. Sie sucht selbständig nach einer installierten Java-Laufzeitumgebung, um das eigentliche Programm zu starten, und informiert den Benutzer darüber, wo er eine Laufzeitumgebung herunterladen kann, sofern noch keine installiert ist. Es ist also immer noch eine Laufzeitumgebung nötig, um das Programm starten zu können, aber der Anwender erhält eine verständliche Fehlermeldung, die ihm weiterhilft.

Java Web Start ist ein etwas eleganterer und standardisierter Ansatz für diese Lösung – er ermöglicht die einfache Aktivierung von Anwendungen mit einem einzigen Mausklick und garantiert, dass immer die neueste Version der Anwendung ausgeführt wird. Dadurch werden komplizierte Installations- oder Aktualisierungsprozeduren automatisiert.

Beispiele für Java-Wrapper sind JSmooth oder Launch4J. JBuilder von Borland und NSIS sind ebenfalls in der Lage, einen Wrapper für Windows zu erstellen.