Введение в Java и объектно-ориентированное программирование

Предварительные знания

Студент должен понимать:

• переменные и типы данных;

• условия;

• циклы;

• функции;

• массивы;

• базовые принципы алгоритмизации.

Знание Java не требуется. Предполагается, что студенты ранее работали с Go и знакомы с C и Python.

Цель работы

Познакомиться с платформой Java и средствами разработки, научиться создавать, компилировать и запускать простые Java-программы, освоить базовый синтаксис Java на основе уже имеющегося опыта программирования на (Go, C, если есть такой опыт) и Python, а также практически увидеть различия между процедурным и объектно-ориентированным подходами.

После выполнения работы студент должен понимать:

• назначение JVM, JDK и JRE;

• что представляет собой Java bytecode;

• этапы компиляции и выполнения Java-программы;

• смысл принципа Write Once, Run Anywhere;

• структуру простой программы на Java;

• основные типы данных, переменные, операторы, условия, циклы, массивы и методы;

• различия процедурного и объектно-ориентированного подходов;

• смысл принципов ООП: абстракции, инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

1. Подготовка среды разработки

Для выполнения работы необходимо установить:

1. JDK — Java Development Kit.

2. IDE для Java, рекомендуется Visual Studio Code или IntelliJ IDEA Community Edition .

3. Терминал операционной системы.

Версию JDK могут отличаться, лучше поставить свежую. 

После установки открыть терминал и выполнить:

java -version

javac -version

В отчёт записать полученные версии.

Контрольный вопрос

Объясните, почему после установки JDK доступны две разные команды:

java
javac

Необходимо выяснить назначение каждой из них.

Краткие теоретические сведения

 JDK, JRE и JVM

Упрощённая учебная схема выглядит следующим образом:

JDK — Java Development Kit
│
├── инструменты разработки
│   ├── javac — компилятор
│   ├── javap — просмотр структуры и байт-кода классов
│   ├── jar   — создание JAR-архивов
│   └── другие инструменты
│
└── среда выполнения
    ├── JVM
    └── стандартные библиотеки Java

JVM — Java Virtual Machine

JVM — виртуальная машина, которая загружает и выполняет Java-байт-код. Для разных операционных систем и процессорных архитектур существуют разные реализации JVM.

JRE — Java Runtime Environment

JRE — среда, необходимая для выполнения Java-программ:

• JVM;

• стандартные библиотеки;

• средства запуска приложения.

Исторически JRE распространялась отдельно. В современных версиях Java студенту следует устанавливать именно JDK, поскольку отдельная JRE больше не является основным способом распространения Java со стороны OpenJDK и Oracle. JDK включает инструменты как для разработки, так и для выполнения программы.

JDK — Java Development Kit

JDK — полный комплект разработчика. Он содержит компилятор, средства запуска, отладки, анализа и упаковки приложений.

2. Первая программа без IDE

Создайте папку:

lab01

В ней создайте файл:

Main.java

со следующим содержимым:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, Java!");
    }
}

Скомпилируйте программу:

javac Main.java

После выполнения команды изучите содержимое каталога.

Должен появиться новый файл:

Main.class

Запустите программу:

java Main

Получите:

Hello, Java!

Задание 2.1

Ответьте письменно:

1. Какой файл содержит исходный код?

2. Какой файл появился после компиляции?

3. Почему для запуска используется:

java Main

а не

java Main.class

4. Является ли файл Main.class машинным кодом конкретного процессора?

5. Какую роль при запуске выполняет JVM?

3. Цепочка выполнения Java-программы

На основании выполненного эксперимента заполните схему:

Main.java
    ↓
____________
    ↓
Main.class
    ↓
____________
    ↓
выполнение программы

Необходимо самостоятельно определить, что находится в пропусках.

В отчёте представить итоговую схему примерно следующего уровня:

исходный код Java
        ↓
компилятор
        ↓
байт-код
        ↓
JVM
        ↓
выполнение на конкретной системе

После этого ответить на вопрос:

Почему один и тот же .class-файл в общем случае может выполняться и в Windows, и в Linux, и в macOS?

На основании ответа сформулировать своими словами смысл:

Write Once, Run Anywhere.

4. Создание проекта в IntelliJ IDEA или Visual Studio Code

Создайте новый Java-проект.

Название проекта:

JavaLab01

Создайте класс:

Main

Запустите его средствами IDE.

Проверьте, что выбран правильный JDK.

В отчёт добавить скриншот, на котором одновременно видны:

• окно IDE;

• исходный код;

• результат выполнения программы;

• используемая версия JDK.

Подобное создание и запуск проекта непосредственно предусмотрено практическими заданиями РПД.

5. Быстрый вход в синтаксис Java

Студенты уже знакомы с Go, C и Python, поэтому синтаксис Java предлагается изучать не отдельно по каждой конструкции, а через небольшую программу.

Необходимо написать консольную программу расчёта суммы покупки.

Пользователь вводит:

Название товара
Цена
Количество

Программа должна вычислить:

Стоимость = Цена × Количество

Если стоимость превышает 5000, применяется скидка 10%.

Пример:

Введите название товара:
Ноутбук

Введите цену:
70000

Введите количество:
2

Товар: Ноутбук
Количество: 2
Стоимость без скидки: 140000.0
Скидка: 14000.0
Итого: 126000.0

Для ввода использовать:

Scanner

Пример создания объекта:

Scanner scanner = new Scanner(System.in);

6. Что необходимо использовать в программе

В программе должны присутствовать:

Переменные разных типов

int
double
boolean
String

Например:

int count;
double price;
String productName;
boolean hasDiscount;

Арифметические операторы

+
-
*
/

Оператор сравнения

Например:

total > 5000

Условная конструкция

if
else

7. Циклы

Измените программу таким образом, чтобы пользователь мог обработать несколько товаров.

В начале пользователь вводит количество товаров:

Сколько товаров необходимо ввести?
3

После этого используется цикл.

Например:

for (int i = 0; i < count; i++) {
    ...
}

Программа должна вычислить общую стоимость всей покупки.

8. Массивы

Создайте массив:

double[] prices;

Сохраните в нём цены пяти товаров.

Найдите:

• сумму цен;

• минимальную цену;

• максимальную цену;

• среднюю цену.

Запрещается использовать готовые функции поиска минимума и максимума.

9. Методы

Вынесите вычисление скидки из метода main().

Создайте метод:

static double calculateDiscount(double amount)

Правила:

до 5 000       → 0 %
5 000–10 000   → 5 %
более 10 000   → 10 %

Пример вызова:

double discount = calculateDiscount(total);

10. Сравнение со знакомыми языками

Заполните небольшую таблицу самостоятельно.

Здесь не требуется писать длинные определения. Цель — обнаружить, что базовые алгоритмические конструкции студенту уже знакомы, изменяется прежде всего синтаксис и модель организации программы.

11. Процедурный подход

Рассмотрим задачу обработки финансовых операций.

Каждая операция имеет сумму.

В процедурном варианте можно написать:

public class Main {

    static double calculateCommission(double amount, int type) {
        if (type == 1) {
            return amount * 0.02;
        }

        if (type == 2) {
            return amount * 0.01;
        }

        return 0;
    }

    public static void main(String[] args) {
        double amount = 10000;

        System.out.println(
                calculateCommission(amount, 1)
        );
    }
}

Здесь:

1 — операция по банковской карте
2 — операция через СБП

Задание

Ответьте:

1. Где находятся данные?

2. Где находится логика работы с данными?

3. Что произойдёт с методом calculateCommission(), если появятся ещё 10 видов операций?

4. Почему использование чисел 1, 2, 3 для обозначения типов операций неудобно?

12. Первый объектно-ориентированный вариант

Теперь та же предметная область описывается объектами.

Студентам не требуется пока уметь самостоятельно проектировать такую иерархию. На этом этапе необходимо понять идею.

Создайте файл:

Transaction.java

public abstract class Transaction {

    private double amount;

    public Transaction(double amount) {
        this.amount = amount;
    }

    public double getAmount() {
        return amount;
    }

    public abstract double calculateCommission();
}

Создайте:

CardTransaction.java

public class CardTransaction extends Transaction {

    public CardTransaction(double amount) {
        super(amount);
    }

    @Override
    public double calculateCommission() {
        return getAmount() * 0.02;
    }
}

Создайте:

SbpTransaction.java

public class SbpTransaction extends Transaction {

    public SbpTransaction(double amount) {
        super(amount);
    }

    @Override
    public double calculateCommission() {
        return getAmount() * 0.01;
    }
}

И измените Main:

public class Main {

    public static void main(String[] args) {

        Transaction[] transactions = {
                new CardTransaction(10000),
                new SbpTransaction(10000)
        };

        for (Transaction transaction : transactions) {
            System.out.println(
                    transaction.calculateCommission()
            );
        }
    }
}

Запустите программу.

13. Найдите четыре принципа ООП

На основании предыдущего примера необходимо определить, где проявляется каждый принцип.

1. Абстракция

Ответьте:

Что общего мы выделили у всех финансовых операций?

Найдите в программе класс, который описывает общую идею операции, не определяя конкретный способ вычисления комиссии.

2. Инкапсуляция

Рассмотрите:

private double amount;

Ответьте:

• почему поле сделано private;

• почему другой класс не работает непосредственно с этим полем;

• через какой метод можно получить его значение.

3. Наследование

Найдите конструкции:

extends Transaction

Ответьте:

Какие свойства и поведение классы CardTransaction и SbpTransaction получают от Transaction?

4. Полиморфизм

Обратите внимание:

Transaction[] transactions

В одном массиве находятся объекты разных классов.

При выполнении:

transaction.calculateCommission();

для разных объектов выполняются разные реализации одного метода.

Ответьте:

Почему для CardTransaction вызывается одна версия calculateCommission(), а для SbpTransaction — другая, хотя переменная имеет тип Transaction?

14. Небольшое самостоятельное изменение

Добавьте новый вид операции:

CashTransaction

Комиссия:

0 %

Требования:

1. Создать новый класс.

2. Наследовать его от Transaction.

3. Реализовать calculateCommission().

4. Добавить объект нового класса в массив:

Transaction[] transactions

Важный вопрос

После добавления CashTransaction потребовалось ли изменять цикл:

for (Transaction transaction : transactions) {
    System.out.println(transaction.calculateCommission());
}

Если нет — объясните, какое свойство ООП позволило этого добиться.

15. JVM, JDK и JRE

По результатам работы составьте схему связи понятий:

JDK
JRE
JVM

И заполните таблицу.

Дополнительно объясните назначение:

javac
java

Здесь важно добиться не заученного определения, а понимания цепочки:

разработчик
    ↓
JDK
    ↓
javac
    ↓
bytecode
    ↓
JVM
    ↓
выполнение

Именно знание синтаксиса Java, основ стандартной библиотеки и принципов работы с JDK/IDE входит в результаты обучения по ПКН-2 данной дисциплины.

16. Контрольные вопросы

При защите студент должен ответить на вопросы.

1. Чем процедурный подход отличается от объектно-ориентированного?

2. Что такое объект?

3. Что такое класс?

4. Что означает абстракция?

5. Что означает инкапсуляция?

6. Что означает наследование?

7. Что означает полиморфизм?

8. Что представляет собой JVM?

9. Для чего нужен JDK?

10. Что понимается под JRE?

11. Чем javac отличается от java?

12. Что представляет собой Java bytecode?

13. Почему Java обычно не компилируется непосредственно в инструкции конкретного процессора?

14. Как выполняется программа после запуска команды java Main?

15. Что означает принцип Write Once, Run Anywhere?

16. Почему наличие JVM позволяет запускать один байт-код на разных операционных системах?

17. Что находится в файле .java?

18. Что находится в файле .class?

19. Для чего нужен метод:

public static void main(String[] args)

20. Какие базовые типы Java использовались в работе?

21. Чем метод в Java похож на функцию в C, Go или Python?

22. Что делает ключевое слово new?

23. Для чего используется private?

24. Что делает extends?

25. Что означает аннотация @Override в рассмотренном примере?

17. Что должно быть представлено преподавателю

Студент предоставляет:

1. Проект JavaLab01.

2. Исходный код выполненных заданий.

3. Скриншот проверки:

java -version
javac -version

4. Скриншот программы, запущенной из IntelliJ IDEA или VS Code

5. Результат выполнения процедурной версии.

6. Результат выполнения объектно-ориентированной версии.

7. Реализованный CashTransaction.

8. Краткий отчёт.

18. Структура отчёта

1. Титульный лист

2. Цель работы

3. Используемое программное обеспечение

Указать:

ОС:
IDE:
версия JDK:

4. Ход выполнения

Кратко показать:

установка среды;
первая программа;
компиляция;
запуск;
базовый синтаксис;
процедурная реализация;
ООП-реализация.

5. Схема выполнения Java-программы

.java → javac → .class → JVM → выполнение

6. Реализованный код

Не обязательно помещать в отчёт весь проект — достаточно ключевых фрагментов.

7. Ответы на вопросы

Обязательно раскрыть:

• JVM;

• JDK;

• JRE;

• bytecode;

• WORA;

• процедурный подход;

• ООП;

• абстракцию;

• инкапсуляцию;

• наследование;

• полиморфизм.

8. Вывод

Примерная постановка:

В ходе лабораторной работы были установлены и настроены средства разработки Java, изучен процесс компиляции исходного кода в байт-код и его исполнения JVM, рассмотрены основные элементы синтаксиса Java и проведено сравнение процедурного и объектно-ориентированного подходов.

Текст вывода студент формулирует самостоятельно.

То есть логика первой ЛР части 1 получается:

Установили Java
        ↓
увидели java и javac
        ↓
.java → .class
        ↓
поняли JVM и bytecode
        ↓
быстро перенесли знакомые
if / for / массивы / функции
на синтаксис Java
        ↓
решили задачу процедурно
        ↓
увидели ту же задачу в ООП
        ↓
нашли в реальном коде
абстракцию
инкапсуляцию
наследование
полиморфизм

Лабораторная работа № 1 Часть 2

Синтаксис Java

В предыдущих дисциплинах вы уже работали с программированием на Go, C и Python. Поэтому конструкции последовательного выполнения, ветвления, циклов и функций повторно подробно не изучаются.

Задача данного этапа — научиться выражать уже знакомые алгоритмические конструкции средствами Java.

Краткий ориентир

Необходимо обратить внимание на отличия Java от уже известных языков, а не заучивать знакомые алгоритмы заново.

Практическое задание «Обработка платежей»

Необходимо написать консольную программу обработки нескольких платежных операций.

Для каждой операции задаются:

• сумма;

• способ оплаты.

Используются три способа оплаты:

1 — банковская карта
2 — СБП
3 — наличные

Комиссия определяется следующим образом:

Программа должна запросить количество операций N, после чего обработать N платежей.

Пример работы

Количество платежей: 3

Платеж 1
Сумма: 10000
Способ оплаты: 1

Платеж 2
Сумма: 2500
Способ оплаты: 2

Платеж 3
Сумма: 5000
Способ оплаты: 3

Общая сумма платежей: 17500.00
Общая комиссия: 225.00
Средняя сумма платежа: 5833.33

Требования к процедурной реализации

На первом этапе задача должна быть решена без создания собственной объектной модели платежей.

В программе необходимо использовать:

• int;

• double;

• boolean;

• String;

• арифметические операции;

• операторы сравнения;

• if/else или switch;

• цикл;

• массив;

• отдельный метод;

• консольный ввод/вывод.

Например, вычисление комиссии должно быть вынесено в отдельный метод:

static double calculateCommission(double amount, int paymentType) {
    // реализация студента
}

Для хранения введенных сумм использовать массив:

double[] amounts;

Программа должна дополнительно определить:

• максимальный платеж;

• минимальный платеж;

• средний платеж;

• общую сумму платежей;

• общую сумму комиссии.

Если пользователь ввел сумму <= 0, операция считается некорректной.

Анализ процедурного решения

После выполнения программы ответьте:

1. Где в программе хранятся данные платежа?

2. Где находится логика вычисления комиссии?

3. Что определяет число 1, 2 или 3?

4. Что придется изменить, если появится четвертый вид платежа?

5. Что придется изменить, если появится десять видов платежей?

6. Какие части программы начнут разрастаться по мере появления новых типов операций?

Сделайте вывод о том, вокруг чего организована процедурная программа:

вокруг последовательностей операций или вокруг объектов предметной области?

объект в Java

До перехода к полной ООП-модели рассмотрите простейший класс:

public class Payment {

    private double amount;

    public Payment(double amount) {
        this.amount = amount;
    }

    public double getAmount() {
        return amount;
    }
}

В main() создайте объект:

Payment payment = new Payment(10000);

и получите его сумму:

System.out.println(payment.getAmount());

Ответьте

1. Что здесь является классом?

2. Что является объектом?

3. Что делает оператор new?

4. Что представляет собой поле amount?

5. Почему поле и значение переменной — не одно и то же понятие?

6. Что делает конструктор?

7. Для чего нужен метод getAmount()?

Переход от процедурного решения к ООП

Теперь необходимо рассмотреть тот же пример с платежами в объектно-ориентированной форме.

Использовать следующую структуру:

Payment
 ├── CardPayment
 ├── SbpPayment
 └── CashPayment

Базовый класс:

public abstract class Payment {

    private final double amount;

    public Payment(double amount) {
        this.amount = amount;
    }

    public double getAmount() {
        return amount;
    }

    public abstract double calculateCommission();
}

Класс оплаты банковской картой:

public class CardPayment extends Payment {

    public CardPayment(double amount) {
        super(amount);
    }

    @Override
    public double calculateCommission() {
        return getAmount() * 0.02;
    }
}

Класс оплаты через СБП студент реализует самостоятельно:

public class SbpPayment extends Payment {

    // TODO
}

Класс оплаты наличными студент также реализует самостоятельно:

public class CashPayment extends Payment {

    // TODO
}

Полиморфная обработка платежей

Создайте массив:

Payment[] payments = {
        new CardPayment(10000),
        new SbpPayment(2500),
        new CashPayment(5000)
};

Обработайте все объекты одним циклом:

for (Payment payment : payments) {
    System.out.println(
            payment.calculateCommission()
    );
}

Запустите программу и убедитесь, что для объектов разных классов вызываются разные реализации метода calculateCommission().

Четыре принципа ООП

Используя разработанную программу, заполните таблицу.

Абстракция

Найдите класс, представляющий общую идею платежа независимо от конкретного способа оплаты.

Ответьте:

Какие характеристики всех платежей были оставлены существенными, а какие детали конкретных способов оплаты скрыты?

Инкапсуляция

Рассмотрите:

private final double amount;

Ответьте:

• почему поле не открыто для непосредственного изменения;

• каким способом другой код получает сумму платежа;

• какое преимущество это дает.

Наследование

Рассмотрите:

extends Payment

Ответьте:

• какие классы являются потомками;

• что они получают от базового класса;

• что каждый из них добавляет или изменяет.

Полиморфизм

Рассмотрите:

Payment payment

и вызов:

payment.calculateCommission();

Объясните, почему одна и та же команда приводит к различному вычислению комиссии для объектов разных классов.

 Эксперимент на расширяемость

Добавьте новый вид платежа:

CryptoPayment

Для учебного примера комиссия составляет:

1,5 %

Добавьте объект нового класса в массив Payment[].

Ограничение

После создания CryptoPayment запрещается изменять цикл:

for (Payment payment : payments) {
    System.out.println(payment.calculateCommission());
}

Ответьте

Почему программа продолжила работать с новым типом объекта, хотя основной цикл не был изменен?

Какой принцип ООП это демонстрирует?

Сравните количество изменений:

Процедурный вариант

добавили новый тип платежа
        ↓
изменяем условие/switch

Объектно-ориентированный вариант

добавили новый тип платежа
        ↓
добавляем новый класс

Роль IDE и средств сборки

Кратко ответьте:

1. Для чего программисту IDE, если Java-программу можно написать в текстовом редакторе и скомпилировать командой javac?

2. Какие операции IDE выполняет автоматически?

3. Для чего в крупных Java-проектах применяются Maven или Gradle?

4. Чем IDE отличается от JDK?

5. Можно ли написать Java-программу без IntelliJ IDEA?

6. Можно ли полноценно разрабатывать Java-программы без JDK?

Контрольные вопросы к защите

Студент должен уметь без использования конспекта ответить на следующие вопросы:

1. Что такое Java?

2. Чем Java как язык отличается от Java как платформы?

3. Что такое JDK?

4. Что такое JRE?

5. Что такое JVM?

6. Как связаны JDK, JRE и JVM?

7. Для чего используется javac?

8. Для чего используется java?

9. Что находится в .java-файле?

10. Что находится в .class-файле?

11. Что такое Java bytecode?

12. Как выполняется Java-приложение?

13. Для чего нужна JVM?

14. Что означает Write Once, Run Anywhere?

15. За счет чего реализован принцип WORA?

16. В чем отличие процедурного программирования от ООП?

17. Что такое класс?

18. Что такое объект?

19. Что означает абстракция?

20. Что означает инкапсуляция?

21. Что означает наследование?

22. Что означает полиморфизм?

23. Где каждый из четырех принципов ООП проявляется в выполненном задании?

24. Для чего используется new?

25. Какова точка входа Java-программы?

26. Для чего нужен метод main?

27. Чем метод Java похож на функцию в C, Go или Python?

28. Какие базовые типы Java были использованы в лабораторной работе?

29. Какие управляющие конструкции Java были использованы?

30. Что пришлось изменить при добавлении нового типа платежа в процедурном варианте и в объектно-ориентированном варианте?

Эти вопросы непосредственно закрывают перечень вопросов первой темы РПД.

Студенты прошли на данный момент маршрут:

установка Java
        ↓
JDK и IDE
        ↓
.java
        ↓
javac
        ↓
.class / bytecode
        ↓
JVM
        ↓
запуск программы
        ↓
типы и переменные
        ↓
if / switch
        ↓
циклы
        ↓
массивы
        ↓
методы
        ↓
процедурное решение
        ↓
класс и объект
        ↓
объектное решение
        ↓
абстракция
инкапсуляция
наследование
полиморфизм
        ↓
WORA