В 1995 году появились сразу два языка программирования, имеющие в настоящее время огромное значение –Java, разработанный в корпорации Sun, и JavaScript, разработанный в небольшой фирме Netscape Communication, получившей к тому времени известность благодаря разработке браузера Netscape Navigator.
Java создавался как универсальный язык, предназначенный для прикладного программирования в неоднородных компьютерных сетях как со стороны клиентского компьютера, так и со стороны сервера. В том числе – для использования на тонких аппаратных клиентах (устройствах малой вычислительной мощности с крайне ограниченными ресурсами). При этом скомпилированные программы Java работают только под управлением виртуальной Java-машины, поэтому они называются приложениями Java. Синтаксис операторов Java практически полностью совпадает с синтаксисом языка C, но, в отличие от C++, Java не является расширением C – это совершенно независимый язык, со своими собственными синтаксическими правилами. Он является гораздо более сильно типизированным по сравнению с C и C++, то есть вносит гораздо больше ограничений на действия с переменными и величинами разных типов. Например, в C/C++ нет разницы между целочисленными числовыми, булевскими и символьными величинами, а также адресами в памяти. То есть, например, можно умножить символ на булевское значение, из которого вычтено целое число, и разделить результат на адрес! В Java введён вполне разумный запрет на почти все действия такого рода.
Язык JavaScript создавался как узкоспециализированный прикладной язык программирования HTML-страниц, расширяющий возможности HTML, и в полной мере отвечает этим потребностям до сих пор. Следует подчеркнуть, что язык JavaScript не имеет никакого отношения к Java. Включение слова “Java” в название JavaScript являлось рекламным трюком фирмы Netscape Communication. Он также C-образен, но, в отличие от Java, является интерпретируемым. Основное назначение JavaScript – программное управление элементами WWW-документов. Языки HTML и XML позволяют задавать статический, неизменный внешний вид документов, и с их помощью невозможно запрограммировать реакцию на действия пользователя. JavaScript позволяет ввести элементы программирования в поведение документа. Программы, написанные на JavaScript, встраиваются в документы в виде исходных кодов (сценариев) и имеют небольшой размер. Для упрощения работы с динамически формируемыми документами JavaScript имеет свободную типизацию – переменные меняют тип по результату присваивания. Поэтому программы, написанные на JavaScript, гораздо менее надёжны, чем написанные на C/C++, не говоря уж про Java.
Java, JavaScript и C++ являются объектно-ориентированными языками программирования, и все они имеют C-образный синтаксис операторов. Но как объектные модели, так и базовые конструкции этих языков (за исключением синтаксиса операторов), в этих языках принципиально различны. Ни один из них не является версией или упрощением другого – это совсем разные языки, предназначенные для разных целей. Итак, Java- универсальный язык прикладного программирования, JavaScript – узкоспециализированный язык программирования HTML-документов, C++ - универсальный язык системного программирования.
В 2000 году в корпорации Microsoft была разработана платформа .Net (читается “дотнет”, DotNet– в переводе с английского “точка Net” ). Она стала альтернативой платформе Java и во многом повторяла её идеи. Основное различие заключалось в том, что для этой платформы можно использовать произвольное количество языков программирования, а не один. Причём классы .Net оказываются совместимы как в целях наследования, так и по исполняемому коду независимо от языка, используемого для их создания. Важнейшим языком .Net стал Java-образный язык C# (читается “Си шарп”). Фактически, C# унаследовал от Java большинство особенностей - динамическую объектную модель, сборку “мусора”, основные синтаксические конструкции. Хотя и является вполне самостоятельным языком программирования, имеющим много привлекательных черт. В частности, компонентные модели Java и C# принципиально отличаются.
Java стал первым универсальным C-образным языком прикладного программирования, что обеспечило лёгкость перехода на этот язык большого числа программистов, знакомых с C и C++. А наличие средств строгой проверки типов, ориентация на работу с компьютерными сетями, переносимость на уровне исполняемого кода и поддержка платформонезависимого графического интерфейса, а также запрет прямого обращения к аппаратуре обеспечили выполнение большинства требований, предъявлявшихся к языку прикладного программирования. Чем больше становятся быстродействие и объём памяти компьютеров, тем больше потребность в разделении прикладного и системного программного обеспечения. Соответственно, для прикладных программ исчезает необходимость напрямую обращаться к памяти и другим аппаратным устройствам компьютера. Поэтому среди прикладных программ с каждым годом растёт доля программного обеспечения, написанного на Java и языках .Net. Но как по числу программистов, так и по числу устройств, использующих соответствующие платформы, Java в настоящее время лидирует с большим отрывом.
1.2. Виртуальная Java-машина, байт-код, JIT-компиляция. Категории программ, написанных на языке Java
Первоначально слово “программа” означало последовательность инструкций процессора для решения какой-либо задачи. Эти инструкции являлись машинными кодами, и разницы между исходным и исполняемым кодом программы не было. Разница появилась, когда программы стали писать на языках программирования. При этом программой стали называть как текст, содержащийся в файле с исходным кодом, так и исполняемый файл.
Для устранения неоднозначности термина “программа”, исполняемый код программы принято называть приложением (application). Термин “приложение” – сокращение от фразы “приложение операционной системы”. Он означает, что исполняемый код программы может работать только под управлением соответствующей операционной системы. Работа под управлением операционной системы позволяет избежать зависимости программы от устройства конкретного варианта аппаратуры на компьютере, где она должна выполняться. Например, как автору программы, так и пользователю совершенно безразлично, как устроено устройство, с которого считывается информация – будет ли это жёсткий диск с одной, двумя или шестнадцатью считывающих головок. Или это будет CD-привод, DVD-привод или ещё какой-либо другой тип носителя. Но переносимость обычных приложений ограничивается одним типом операционных систем. Например, приложение MS Windows® не будет работать под Linux, и наоборот. Программы, написанные на языке Java, выполняются под управлением специальной программы -виртуальной Java-машины, и поэтому обладают переносимостью на любую операционную систему, где имеется соответствующая Java-машина. Благодаря этому они являются не приложениями какой-либо операционной системы, а приложениями Java.
Программы, написанные на языке Java, представляют из себя наборы классов и сохраняются в текстовых файлах с расширением .java. (Про то, что такое классы, будет рассказано несколько позже). При компиляции текст программы переводится (транслируются) в двоичные файлы с расширением .class. Такие файлы содержат байт-код - инструкции для абстрактного Java-процессора в виде байтовых последовательностей команд этого процессора и данных к ним. Для того, чтобы байт-код был выполнен на каком-либо компьютере, он должен быть переведён в инструкции для соответствующего процессора. Именно этим и занимается Java-машина. Первоначально байт-код всегда интерпретировался: каждый раз, как встречалась какая-либо инструкция Java-процессора, она переводилась в последовательность инструкций процессора компьютера. Естественно, это значительно замедляло работу приложений Java.
В настоящее время используется более сложная схема, называемая JIT-компиляцией (Jast-In-Time) – компиляцией “по ходу дела”, “налету”. Когда какая-либо инструкция (или набор инструкций) Java-процессора выполняется в первый раз, происходит компиляция соответствующего ей байт-кода с сохранением скомпилированного кода в специальном буфере. При последующем вызове той же инструкции вместо её интерпретации происходит вызов из буфера скомпилированного кода. Поэтому интерпретация происходит только при первом вызове инструкции.
Сложные оптимизирующие JIT-компиляторы действуют ещё изощрённей. Поскольку обычно компиляция инструкции идёт гораздо дольше по сравнению с интерпретацией этой инструкции, время её выполнения в первый раз при наличии JIT-компиляции может заметно отличаться в худшую сторону по сравнению с чистой интерпретацией. Поэтому бывает выгоднее сначала запустить процесс интерпретации, а параллельно ему в фоновом режиме компилировать инструкцию. Только после окончания процесса компиляции при последующих вызовах инструкции будет исполняться её скомпилированный код. – До этого все её вызовы будут интерпретироваться. Разработанная Sun виртуальная машина HotSpot осуществляет JIT-компиляцию только тех участков байт-кода, которые критичны к времени выполнения программы. При этом по ходу работы программы происходит оптимизация скомпилированного кода.