Безопасность и виртуальная Java-машина. Характерные особенности языка Java

В данном руководстве мы расскажем обо всём, что нужно знать перед началом изучения программирования на Java . Вы узнаете о возможностях платформы, её применении, а также о том, как правильно начать изучение Java .

Что такое язык программирования Java?

В 1991 году «Зелёная команда », подразделение Sun Microsystems , возглавляемое Джеймсом Гослингом , создала язык для программирования бытовых электронных устройств. На тот момент он назывался Oak («Дуб »). Почему «Дуб »? Просто потому, что за окном рабочего кабинета Гослинга росло это дерево.

«Зелёная команда » продемонстрировала использование Oak в интерактивном телевизоре. Но для цифрового кабельного телевидения тех лет эта технология была слишком передовой. Одновременно с этим набирал популярность интернет, для которого новый язык программирования подходил лучше всего.

Через некоторое время новый язык переименовали в Green , и уже после этого - в Java , в честь кофе с острова Ява. Поэтому на логотипе Java изображена кружка с кофе.

Во время разработки Java были популярны C/С++ , поэтому Гослинг сделал синтаксис языка похожим на C/C++ и реализовал для него принцип «написать один раз - запустить где угодно ». В 1995 году Sun Microsystems выпустили первую официальную версию Java . И одновременно с этим было объявлено, что Java войдёт в состав браузера Netscape Navigator .

В 2010 году компания Sun Microsystems вместе с языком программирования Java была приобретена корпорацией Oracle .

История версий Java

1. Июнь 1991 – старт проекта разработки языка программирования Java .
2. JDK 1.0 – Январь 1996 года.
3. JDK 1.1 – Февраль 1997 года.
4. J2SE 1.2 – Декабрь 1998 года.
5. J2SE 1.3 – Май 2000 года.
6. J2SE 1.4 – Февраль 2002 года.
7. J2SE 5.0 – Сентябрь 2004 года.
8. Java SE 6 – Декабрь 2006 года.
9. Java SE 7 – Июль 2011 года.
10. Java SE 8 – 18 марта 2014 года.
11. Java SE 9 – 21 сентября 2017 года.

Функции языка программирования Java

Java - межплатформенный язык

Код Java , написанный на одной платформе (то есть операционной системе ), можно запустить без изменений на других платформах.

Для запуска Java используется виртуальная машина Java (Java Virtual Machine, JVM ). JVM обрабатывает байтовый код, после чего процессор обрабатывает код, полученный от JVM . Все виртуальные машины работают аналогично, поэтому один и тот же код работает одинаково во всех операционных системах, что и делает Java межплатформенным языком программирования.

Объектно-ориентированный язык программирования

Существуют различные стили программирования, и один из самых популярных - объектно-ориентированное программирование. При таком подходе сложная проблема разбивается на более мелкие путём создания объектов. Благодаря чему код можно использовать повторно.

Объектно-ориентированные функции есть во многих языках программирования, включая Java , Python и C++ . Если вы серьёзно настроены освоить программирование, объектно-ориентированный подход стоит включить в план своего обучения.

Java работает быстро

Ранние версии языка программирования Java часто критиковали за медленную работу. Но сегодня ситуация кардинально поменялась. Новые версии JVM работают значительно быстрее, а интерпретирующие их процессоры становятся всё шустрее.

Сегодня Java - один из самых быстрых языков программирования. Хорошо оптимизированный Java-код работает почти так же быстро как низкоуровневые языки программирования, такие как C/C++ и намного быстрее, чем Python , PHP и т.д.

Java - безопасная платформа

Java представляет собой :

• безопасную платформу для разработки и запуска приложений;
• предоставляет средства для автоматического управления памятью, что снижает уязвимость кода;
• обеспечивает безопасную передачу данных.

Обширная базовая библиотека

Одна из причин широкого распространения Java - огромная стандартная библиотека. В ней можно найти сотни классов и методов из различных пакетов, облегчающих жизнь разработчикам. К примеру,

java.lang – это продвинутые функции для строк, массивов и т.д.

java.util – библиотека для работы со структурами данных, регулярными выражениями, датой и временем и т.д.

kava.io - библиотека для ввода/вывода файлов, обработки исключений и т.д.

Применение платформы Java

Перед обучением Java программированию с нуля , нужно знать, что на это платформе работает более 3 миллиардов устройств по всему миру. Для чего конкретно можно её применить:

1. Приложения для Android - для разработки Android-приложений язык программирования Java часто используется в сочетании с Android SDK (от английского software development kit - комплект разработки программного обеспечения ).
2. Веб-приложения - Java используется для создания сетевых приложений с помощью серверных программ, фреймворка Struts и JSP . Вот некоторые популярные веб-приложения, написанные на Java: Google.com , Facebook.com , eBay.com , LinkedIn.com .

Стоит отметить, что эти сайты не обязательно написаны исключительно на Java , и могут использовать и другие языки программирования.

1. Разработка программного обеспечения – на Java написаны такие программы как Eclipse , OpenOffice , Vuze , MATLAB и многие другие.
2. Обработка Big Data – для обработки «больших данных » можно воспользоваться фреймворком Hadoop , написанным на Java .
3. Трейдинговые системы – используя платформу Oracle Extreme Java Trading Platform , можно писать программы для трейдинга.
4. Встраиваемые устройства – на основе технологии Java Embedded от Oracle сегодня работают миллиарды устройств, таких как телевизоры, SIM-карты , проигрыватели Blu-ray и т.д.

Также программирование на Java используется для разработки игр, научных приложений (к примеру, для обработки естественного языка ) и во многих других областях.

Терминология Java, которую следует знать

Java – это набор технологий (язык программирования и компьютерная платформа ), предназначенных для создания и запуска программного обеспечения. Однако термином Java часто обозначают и сам язык программирования.

Язык программирования Java – межплатформенный объектно-ориентированный язык программирования общего назначения, обладающий широкими возможностями.

Java 9 – последняя на момент написания данной статьи версия Java .

Java EE , Java Me и Java SE – эти названия обозначают Java Enterprise Edition , Micro Edition и Standard Edition , соответственно.

Java EE нацелена на приложения, запускаемые на серверах. Java ME создана для ограниченных по мощности устройств, таких как встраиваемые устройства. Java SE - стандартное издание Java для написания обычных программ.

Если вы новичок в Java-программировании , рекомендуем начать с Java SE .

JVM — Java Virtual Machine («виртуальная машина Java ») - это программа, позволяющая компьютеру запускать программы, написанные на Java .

JRE – Java Runtime Environment («среда выполнения Java ») включает в себя JVM , соответствующие библиотеки и другие компоненты, необходимые для запуска программ. Но в JRE нет компилятора, отладчика и других средств разработки.

JDK – Java Development Kit (комплект Java разработчика ) содержит JRE и другие инструменты разработки, такие как компиляторы, отладчики и т.д.

Как запустить Java на своей операционной системе

Как запустить Java на Mac OS

Вот что нужно сделать для Java программирование с нуля и установки платформы на Mac OS X или macOS :

1. Скачайте свежую версию Java (JDK ) со страницы загрузки Java SE .
2. Дважды кликните по скачанному DMG-файлу и следуйте инструкциям программы-установщика.
3. Для верификации установки откройте терминал и введите следующую команду:

javac –version

Если Java установлена верно, на экран будет выведена версия программы (например, javac 1.8.0_60 ).

Следующим шагом будет установка IDE (интегрированной среды разработки ) для написания и запуска Java-кода . Мы установим бесплатную версию IntelliJ IDEA и запустим на ней Java . Вот что нужно для этого сделать:

1. Перейдите на страницу загрузки IntelliJ и скачайте бесплатную версию Community Edition .

1. Откройте скачанный DMG-файл и следуйте инструкциям по установке. Для быстрого доступа можно переместить IntelliJ IDEA в папку «Программы ».
2. Откройте IntelliJ IDEA . Выберите опцию «Don ’ t import settings » («Не импортировать настройки ») и нажмите «Ok » . После этого примите политику приватности Jetbrains , нажав на кнопку «Accept » .
3. Теперь можно настроить интерфейс под себя. Также можно пропустить этот шаг и оставить всё по умолчанию. Если не уверены, просто пропускайте этот шаг, нажав кнопку «Skip All and Set Defaults » («Пропустить всё и установить настройки по умолчанию »).

1. Программа покажет вам страницу приветствия. Нажмите на кнопку «Create New Project » («Создать новый проект »).
2. В следующем окне выберите «Java » в левой панели и нажмите «New » вверху окна программы для выбора «JDK » . Здесь надо выбрать место, куда установили JDK , после чего нажать Next .

1. У вас будет вариант создать проект из шаблона («Create project from template » ). Игнорируем его и нажимаем кнопку «Next » .
2. На следующем шаге установки языка программирования Java введите имя проекта и нажмите кнопку «Finish » .
3. В левой панели вы увидите свой проект. Если панели не видно, перейдите в меню Views > Tool Windows > Project .
4. Зайдите в Hello > New > Java и задайте имя класса. Мы назвали его First .

1. Для запуска только что написанной программы, зайдите в Run > Run… Нажмите на First (то есть имя созданного нами файла

Как запустить Java на Linux

Для запуска примеров из уроков программирования с нуля Java на Linux понадобится JAVA SE Development Kit (JDK ) и IDE для разработки своих проектов. Следуйте инструкции шаг за шагом, чтобы начать работу с Java .

Установите Java

1. Откройте терминал и наберите следующую команду для установки Java:
   

   sudo add-apt-repository ppa:webupd8team/java

   
   

   sudo apt update; sudo apt install oracle-java8-installer

1. Примите лицензионное соглашение и условия использования, нажав «OK » и «Yes » , соответственно.
2. Вы установили Java . Чтобы проверить, что установка прошла без ошибок, введите в терминале следующую команду:

java –version

Если выводится текущая версия, установка прошла успешно. Если же нет, сверьтесь со страничкой помощи Oracle .

Установка IntelliJ IDEA

1. Перейдите на .

1. Скачайте бесплатную версию Community Edition , нажав кнопку «Загрузить ».
2. После скачивания смените в терминале директорию на директорию загрузок и извлеките tar-файл Java в папку /opt следующей командой:

sudo tar xf .tar.gz -C /opt/

1. После распаковки поменяйте директорию на папку bin программы IntelliJ IDEA :
   

   cd /opt//bin

2. Для запуска IDE вводим следующую команду:
3. Выбираем «Don ’ t import settings » («Не импортировать настройки ») и нажимаем «OK » . После этого принимаем политику приватности Jetbrains , нажав на кнопку «Accept » .
4. Теперь для прохождения курсов программирования Java можно настроить интерфейс под себя. Создайте ярлык на рабочем столе для быстрого доступа к программе. После этого для запуска IDE нажимаем «Next » на всех следующих этапах.
5. Программа покажет страницу приветствия. Нажмите «Create New Project » («Создать новый проект »).
6. В следующем окне выберите «Java » в левой панели и убедитесь, что в строке Project SDK выбрана Java . Если нет, то выберите местоположение, куда установили JDK: /usr/lib/jvm/java-8-oracle.

1. Два раза нажимаем «Next » и создаём проект.
2. На следующем шаге введите имя проекта и нажмите кнопку «Finish » . Теперь в левой панели вы увидите свой проект. Если этой панели не видно, перейдите в меню Views > Tool Windows > Project .
3. Добавьте новый класс Java . Выберите src на левой панели правой кнопкой и зайдите в New > Java Class . Задайте имя класса. В имени класса не должно быть пробелов.

1. Напишите Java-код и сохраните проект.
2. Для запуска программы, зайдите в Run > Run … Нажмите на HelloWorld (название проекта ) - программа скомпилирует файл и запустит его.

Как запустить Java на Windows (XP, 7, 8 и 10)

Для освоения Java основ программирования и запуска платформы на Windows потребуется JAVA SE Development Kit (JDK) и IDE для разработки проектов. Следуйте пошаговой инструкции, приведенной ниже:

Установка Java

• Перейдите на страницу загрузки Java Standard Edition Development Kit .

1. В разделе Java SE Development Kit вверху таблицы нажмите «Accept License agreement» («Принять лицензионное соглашение »). Затем кликните по ссылке Windows (x64) , если у вас 64-битная операционная система или Windows (x86) , если у вас 32-битная ОС .

1. После скачивания запустите установочный файл и следуйте инструкциям, которые будут появляться на экране. Нажмите «Next ». Выберите все функции, нажав «This feature will be installed on local hard drive » и скопируйте место установки (оно выделено жёлтым ) в «Блокнот », после чего снова нажмите «Next ».

1. В процессе установки появится запрос об установке JRE . Нажмите «Next » , а затем «Finish » для завершения установки.
2. Теперь необходимо отредактировать переменную PATH . Перейдите в Панель управления > Система и безопасность > Система . В левой панели выберите «Дополнительные параметры системы».

1. Нажмите «Переменные среды» . В разделе «Системные переменные» найдите переменную PATH и в следующем окне нажмите «Изменить» .

1. Выберите весь текст в поле «Значение переменной» и скопируйте его в отдельный текстовый файл. Так будет легче его отредактировать и проверить на наличие ошибок. Посмотрите, есть ли в скопированном тексте строка: C : ProgramData Oracle Java javapath ; . Если да, то можно переходить к следующему шагу. Если нет, то вставьте скопированное ранее место установки в начало переменной и добавьте в конце строки bin вот так: C : Program Files (x 86) Java jdk 1.8.0_112 bin ; Обратите внимание, что ваша версия JDK (jdk 1.8.0_112 ) может отличаться. Скопируйте значение переменной и вставьте его в окошко PATH .

1. Нажмите «ОК », чтобы сохранить внесенные изменения.
2. Чтобы проверить, правильно ли установлена платформа для введения в программирование Java , откройте командную строку , набрав cmd в строке поиска Windows или через команду «Выполнить… » (Windows — R ). Введите команду java -version . Если отображается текущая версия Java , значит, установка прошла успешно. Если нет, сверьтесь со страничкой помощи Oracle .

Установка IntelliJ IDEA

1. Перейдите на страницу загрузки IntelliJ IDEA .
2. Скачайте бесплатную версию Community Edition , нажав «Загрузить ».

1. После загрузки запустите файл установки и следуйте инструкциям, которые будут появляться на экране. Затем создайте ярлык на рабочем столе для 64-битной версии и добавьте ассоциации с расширением .java . Нажмите «Next » и продолжайте установку.

1. После установки откройте IntelliJ IDEA , нажав на значок на рабочем столе.
2. Выберите «Don ’ t import settings » («Не импортировать настройки ») и нажмите «OK ». После этого принимаем политику приватности Jetbrains, нажав «Accept ».
3. Теперь можно настроить интерфейс под себя. Также можно пропустить этот шаг и оставить всё по умолчанию, нажав кнопку «Skip All and Set Defaults ».
4. Программа покажет страницу приветствия. Нажмите «Create New Project » («Создать новый проект »).

1. В следующем окне выберите «Java » в левой панели и нажмите «New » в верхней части окна программы для выбора JDK . Здесь надо выбрать местоположение, куда установили JDK во время установки Java , после чего нажать «Next ».
2. IntelliJ IDEA найдёт JDK и распознает его. Никакие другие опции отмечать не нужно, просто нажмите «Next » .
3. На следующем экране введите имя проекта: HelloWorld и нажмите «Finish ». Если программа скажет, что директории не существует, нажмите «ОК ». Если вы не видите левой панели, перейдите в меню Views > Tool Windows > Project .
4. Чтобы задать имя класса, выберите в левой панели папку src. Кликните по ней правой кнопкой мыши, зайдите в New > Java и задайте имя класса. В имени класса не должно быть пробелов.

1. Напишите код и сохраните проект Java урока программирования .
2. Для запуска программы, зайдите в меню Run > Run … Нажмите на HelloWorld - программа скомпилирует файл и запустит его.

Ваша первая программа на Java

Чтобы познакомить пользователей с новым языком программирования, используют программу Hello World («Привет, мир! »). Это простая программа, которая выводит на экран слова Hello, World ! В этом разделе мы научим вас писать данную программу на Java , используя IntelliJ IDEA .

1. Откройте IntelliJ IDEA .
2. Перейдите в File > New > Project… > Java (в левой панели навигации ).
3. Задайте имя проекта (Project Name ) из курса программирования J a va . Мы назовём его Hello World и нажмём «Finish ».
4. Теперь нужно создать новый класс Java .
5. Выберите папку src в левой панели, после чего перейдите в меню File > New > Java Class и задайте имя нового класса- HelloWorld .
6. Скопируйте следующий код в файл HelloWorld.java и сохраните его.

public class HelloWorld { public static void main(String args) {

// prints "Hello, World!"

System.out.println("Hello, World!");

1. Нажмите кнопку запуска (Run ). Если всё в порядке, вы увидите на экране надпись Hello, World !

Как выучить Java?

Официальная документация Java

Oracle , компания, владеющая Java , публикует качественные уроки. Официальная документация освещает все функции Java и регулярно обновляется.

Примечание: единственный минус - официальная документация Java не всегда написана самым простым языком.

Если вы действительно хотите научиться программированию на Java , купите хорошую книгу. Конечно, 1000 страниц не прочитать за один день. Но хороший учебник поможет вам научиться программированию.

Java: Полное руководство (10-е издание)

Отличная книга для тех, кто только начинает изучать Java . Последнее издание включает все функции релиза Java 8 .

В книге описано всё, что нужно знать о программировании на Java , включая синтаксис, ключевые слова и фундаментальные основы программирования, а также библиотеку API Java , апплеты Java и многое другое.

Философия Java (4-е издание)

Если вы переходите на Java с другого языка программирования, эта книга для вас. Если же вы начинаете с нуля, лучше всего читать её вместе с другой.

Java 8. Карманный справочник: Скорая помощь Java-программистам

Эта книга содержит понятные ответы на вопросы, возникающие при обучении J ava программированию с нуля . Она кратко рассказывает обо всех основных концепциях Java (включая Java 9 ). Не хотите листать сотни страниц в поисках нужной строчки? Купите эту книгу.

Вместо заключения

Если начнёте изучать Java , не ошибётесь - это перспективный язык программирования, полный самых разнообразных возможностей.

Перед тем, как приступить к изучению Java , воспользуйтесь несколькими советами:

• Не читайте обучающие статьи и примеры как роман. Единственный способ стать хорошим программистом - писать много кода.
• Если переходите с другого языка программирования (скажем , C# ), не надо писать код в стиле C# .
• Найдите онлайн-сообщества, посвященные Java . Когда научитесь писать простые программы на Java , найдите популярные сайты и форумы, посвященные Java . Пробуйте решать проблемы, возникающие у других программистов. Это отличный способ расширить собственные знания. К тому же, если у вас возникнет загвоздка, вы будете знать, где можно попросить помощи.

Надеемся, эта статья подтолкнёт вас к изучению Java и поможет начать работу над первыми программами.

Перевод статьи “Learn Java Programming. The Definitive Guide ” был подготовлен дружной командой проекта

Мы поговорим о базовом синтаксисе Java для начинающих. Синтаксис языка программирования - это набор правил, которые определяют, как пишется и интерпретируется…

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский государственный технический университет

Институт радиоэлектроники и информационных технологий

Кафедра «Информатика и системы управления»

Методы и средства защиты компьютерной информации

«Система безопасности Java»

Нижний Новгород, 2007

1. Принцип работы Java

2. Защита Java-аплетов

3. Модель безопасности JDK1.2

4. Криптографическая архитектура Java

5. Объектная организация механизмов безопасности

Список используемой литературы

1. Принцип работы Java

В основе технологии Java лежит клиент-серверная модель, а Java-программа состоит из нескольких блоков, каждый из которых выполняет определенную часть общей задачи. На стороне клиента присутствуют только те блоки, которые необходимы в данный момент. Причем наиболее часто используемые блоки хранятся в кэше на жестком диске или в оперативной памяти компьютера пользователя. Поскольку блок загружается с сервера, то и управлять такой системой можно с сервера, т. е. централизованно. Это также гарантирует, что пользователь всегда будет использовать самую последнюю версию программы.

Основной компонент этой технологии - виртуальный Java-процессор, который представляет собой среду для исполнения Java-команд, или так называемых байт-кодов. Любая Java-программа должна соответствовать спецификации виртуального Java-процессора, которая полностью определяет систему команд Java, типы данных, обрабатываемых Java-процессором, и его регистры.

Кроме виртуального процессора, технология Java включает в себя (в качестве необязательного элемента) объектно-ориентированный язык программирования, построенный на основе языка C++, к которому добавили новые механизмы для обеспечения безопасности и распределенных вычислений.

Особенностью Java являются аплеты. Аплет - это небольшая программка, в которой должно быть определено несколько обязательных функций. Аплет загружается по сети и может выполняться на Web-браузере, который поддерживает язык Java. Именно эта часть Java-технологии предназначена для использования во всемирной сети Internet, и поэтому защита должна распространяться как на сам аплет, так и на клиента сети, который использует этот аплет.

2. Защита Java -аплетов

Наиболее уязвимыми с точки зрения безопасности компонентом Java-технологии являются аплеты, поскольку их может использовать любой клиент. Именно поэтому для аплетов предусмотрены самые жесткие методы защиты. Хотя различные браузеры и программы просмотра аплетов могут по-разному защищать информацию пользователя от нападения, но в общем случае аплету должно быть запрещено следующее:

· проверять существование и параметры определенного файла;

· осуществлять доступ по сети к удаленному компьютеру;

· получать список сетевых сеансов связи, которые устанавливает локальный компьютер с другими компьютерами;

· получать сведения о пользователе или его домашней директории;

· выходить из интерпретатора Java;

Эти правила обеспечивают следующие компоненты Java-технологии.

· Собственно виртуальный Java-процессор, который постоянно контролирует свое состояние.

· Загрузчик аплетов и Java-программ, который контролирует загружаемые коды.

· Диспетчер безопасности (Secu-rityManager), контролирующий и блокирующий опасные действия аплетов.

В классе SecurityManager перечислены методы, которые используются системой для контроля действий аплета в зависимости от характеристик окружающей среды

Функция загрузчика - верификация байт-кодов, т. е. проверка правильности полученного элемента Java-программы и его целостности. В процессе верификации выясняется следующее:

· соответствует ли версия полученного блока версиям остальных элементов системы;

· соответствует ли программа спецификации конкретного виртуального Java-процессора;

Целями такой проверки являются выявление неправильного использования косвенной адресации, которое может привести к нарушению в работе виртуального процессора, и проверка целостности аплета.

Защитные механизмы этой технологии очень хорошо продуманы, но их реализация еще далека от совершенства. Поэтому далее приведен небольшой список возможных "нападений".

Блокировка сервиса

В результате этого частично или полностью блокируется работа пользователя и даже может быть выведен из строя браузер. Вот далеко не полный список возможных вариантов такого "нападения":

· заполнение всей свободной памяти;

· захват важных системных классов.

"Тайные" каналы

Эти каналы позволяют получать информацию даже через систему защиты (брандмауэры). Существование "тайных" каналов в браузере делает его очень опасным. В качестве "тайного" канала можно использовать следующие действия аплетов:

· посылку почты через SMTP-порт сервера (причем почта посылается от имени пользователя, который работает с аплетом);

· запрос на поиск по несуществующему URL-адресу, в котором в качестве параметров передаются необходимые "взломщику" данные;

· попытку доступа по несуществующему адресу (последовательность директорий может содержать необходимые данные).

Информация, известная аплетам

С помощью этой информации можно получить некоторые сведения, которые впоследствии могут быть им использованы для "взлома". Эту информацию можно передавать даже через брандмауэры по тайным каналам, которые описаны выше. Аплетам обычно известна следующая системная информация:

· системное время;

· название и версия операционной системы;

· архитектура процессора.

Установить баланс между возможностями загружаемых аплетов и защитой клиентской системы довольно сложно. Предлагаемые решения невозможно сделать независимыми от конкретной платформы, что противоречит требованию абсолютной переносимости Java-программ.

3. Модель безопасности JDK 1.2

В Java-технологии предусмотрен целый ряд защитных рубежей, которые можно разделить на три группы:

· надежность языка;

· контроль при получении и загрузке программ;

· контроль при выполнении программ.

Java обеспечивает безопасность за счет средств статического и динамического контроля. Еще одно Java -- автоматическое управление памятью, исключающее появление "висячих" указателей.

Контроль при получении и загрузке программ носит в Java многоступенчатый характер. Во-первых, программные компоненты могут снабжаться электронной подписью, что позволяет контролировать их целостность и аутентичность. Во-вторых, верификатор байт-кодов, кроме общей проверки формата поступившей информации, пытается убедиться в отсутствии следующих некорректных действий:

· подделка указателей (например, получение указателя как результат выполнения арифметической операции);

· нарушение прав доступа к компонентам классов;

· вызов методов объектов с недопустимым набором параметров;

· недопустимое преобразование типов;

· переполнение или исчерпание стека.

Контроль при выполнении программ можно разделить на два уровня. На нижнем уровне виртуальная Java-машина не допускает выходов за границы массивов и аналогичных некорректных действий. На верхнем уровне менеджер безопасности выполняет содержательные проверки правомерности доступа, реализуя тем самым выбранную политику безопасности.

Если продолжить деление на группы и уровни, то полезно выделить следующие два аспекта Java-безопасности:

· защита Java-окружения времени выполнения и ресурсов аппаратно-программной платформы от вредоносного программного обеспечения;

· разграничение доступа субъектов к ресурсам прикладного уровня.

Основная цель мер безопасности в Java -- обеспечить защиту Java-окружения от вредоносных программ. Для достижения этой цели была предложена концепция "песочницы" (sandbox ) -- замкнутой среды, в которой выполняются потенциально ненадежные программы. Таковыми считались аплеты, поступившие по сети. Весь "родной" код (то есть программы, располагающиеся на локальном компьютере) считался абсолютно надежным и ему было доступно все, что доступно виртуальной Java-машине.

В число ограничений, налагаемых "песочницей", входит запрет на доступ к локальной файловой системе, на сетевое взаимодействие со всеми хостами, кроме источника аплета (хост, с которого аплет был получен) и т.д. При таких ограничениях безопасность в общем и целом обеспечивается, но возможности для работы у аплетов почти не остается.

Чтобы как-то справиться с этой проблемой, ввели понятие электронной подписи, которую ставит распространитель аплета. Java-машина в соответствии со своей политикой безопасности делит распространителей и, соответственно, их аплеты на две категории -- надежные и ненадежные. Надежные аплеты были приравнены в правах к "родному" коду.

Оформились три основных понятия:

· источник программы;

· право и множество прав;

· политика безопасности.

Источник программы определяется парой (универсальный локатор ресурсов -- URL, распространители программы). URL может указывать на файл в локальной файловой системе или же на ресурс удаленной системы.

Право -- это абстрактное понятие, за которым, как обычно в Java, стоят классы и объекты. В большинстве случаев право определяется двумя цепочками символов -- именем ресурса и действием. Например, в качестве ресурса может выступать файл, а в качестве действия -- чтение.

Политика безопасности задает соответствие между источником и правами поступивших из него программ. "Родные" программы не имеют каких-либо привилегий в плане безопасности и политика по отношению к ним может быть любой.

По сути имеется традиционный для современных операционных систем и систем управления базами данных механизм прав доступа со следующими особенностями:

· Субъектом доступа является не пользователь, а источник программы. Впрочем, формально можно считать, что во время исполнения программы ее источник становится;

· Нет понятия владельца ресурса, который (владелец) мог бы менять права; последние задаются исключительно политикой безопасности.

Модель безопасности в JDK 1.2

4. Криптографическая архитектура Java

Без криптографии невозможны надежная аутентификация, контроль целостности и сохранение конфиденциальности.

Криптографическая архитектура Java (Java Cryptography Architecture, JCA) разработана для предоставления следующих сервисов:

· постановка/проверка электронной подписи;

· вычисление хэш-функции;

· генерация пар ключей открытый/секретный;

· создание сертификатов, подтверждающих аутентичность открытых ключей;

· хранение ключей, а также сертификатов надежных партнеров;

· преобразование ключей из представления со скрытой структурой в общепонятное представление и наоборот;

· генерация параметров криптографических алгоритмов;

· генерация (псевдо)случайных чисел;

· симметричное шифрование;

· выработка общего ключевого материала.

Кроме того, криптографическая архитектура должна удовлетворять следующим технологическим требованиям:

· обеспечивать независимость от алгоритмов и их реализаций;

· обеспечивать взаимную совместимость реализаций;

· обеспечивать расширяемость набора алгоритмов и их реализаций.

Каждый сервис может обеспечиваться несколькими алгоритмами, каждый из которых, в свою очередь, может иметь несколько реализаций. Например, для вычисления хэш-функции предназначены алгоритмы MD5/SHA-1 (равно как и российский ГОСТ "Функция хэширования"), для выработки и проверки электронной подписи -- алгоритмы RSA/DSA, российский ГОСТ "Процедуры выработки и проверки электронной цифровой подписи" и т.д.

Программный интерфейс сервисов построен так, чтобы отразить их функциональность в алгоритмически-независимой форме. Для обозначения реализаций используется понятие поставщика криптографических услуг -- пакета или группы пакетов, содержащих реализацию. Приложение имеет возможность выбирать алгоритмы и поставщиков услуг из числа доступных.

Два последних элемента в списке сервисов (симметричное шифрование и выработка общего ключевого материала) подвержены экспортным ограничениям США, поэтому они, в отличие от остальных перечисленных сервисов, оформлены как расширение (Java Cryptography Extension, JCE), являющееся отдельным продуктом.

Иерархия криптографических сервисов, алгоритмов и реализаций

5. Объектная орга низация механизмов безопасности

java аплет защита криптографический

Механизмы безопасности в JDK 1.2 оформлены в виде четырех основных пакетов и трех пакетов расширения. Вот некоторые из них

· java.security -- содержит интерфейсы и классы, составляющие каркас механизмов безопасности. Сюда входят рассмотренные выше средства разграничения доступа, а также криптографические средства, такие как выработка электронной подписи, вычисление хэш-функции и т.п.

· java.security.interfaces -- средства генерации RSA- и DSA-ключей.

· javax.crypto -- интерфейс и классы для симметричного шифрования.

Наиболее важные с концептуальной точки зрения интерфейсы и классы сосредоточены в пакете java.security .

Политика безопасности

Политика безопасности в устанавливает соответствие между источниками программ и их правами доступа. В Java-машине в каждый момент времени она представлена одним объектом класса, являющегося преемником абстрактного класса Policy . Методы класса Policy позволяют получить/установить текущую политику, а также выяснить права доступа, ассоциированные с заданным источником программ.

Проверка прав доступа

Для контроля прав доступа можно пользоваться двумя средствами:

· встроенным менеджером безопасности, получившим название AccessController ;

· динамически изменяемым менеджером безопасности -- SecurityManager .

Класс AccessController предоставляет единый метод для проверки заданного права в текущем контексте -- checkPermission.

Криптографические интерфейсы и классы

Объектная организация криптографической подсистемы Java естественным образом отражает описанную выше криптографическую. Каждому сервису соответствует абстрактный класс, описывающий его (сервиса) программный интерфейс, а также класс, описывающий программный интерфейс поставщика сервиса. Важными являются классы Provider и Security . В первом собраны общие методы поставщиков криптографических услуг, во втором -- методы управления поставщиками и параметрами алгоритмов.

Список используемой литературы

1. http://www.jetinfo.ru/1998/11-12/1/article1.11-12.19981237.html

2. http://vestnik.sci.pfu.edu.ru/archiv-cs/articles-cs/2004-3-1/pdf/kulyabov-2004.pdf

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Java

4. http://infocity.kiev.ua/hack/content/hack081.phtml

5. http://citforum.uar.net/security/web/java_seq.shtml

6. http://www.htc-cs.ru/press/tribune/java.html

7. http://www.ccc.ru/magazine/depot/00_11/print.html?web3.htm

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Архитектура Java и Java RMI, их основные свойства, базовая система и элементы. Безопасность и виртуальная Java-машина. Интерфейс Java API. Пример использования приложения RMI. Работа с программой "Calculator". Универсальность, портативность платформ.

курсовая работа , добавлен 03.12.2013


Понятие и функциональные особенности Java Card как версии Java-платформы для устройств с крайне ограниченными вычислительными ресурсами, оценка ее возможностей и необходимых ресурсов. Анализ степени безопасности платформы, взаимодействие компонентов.

презентация , добавлен 19.05.2014


Сетевые возможности языков программирования. Преимущества использования Java-апплетов. Классы, входящие в состав библиотеки java.awt. Создание пользовательского интерфейса. Сокетное соединение с сервером. Графика в Java. Значения составляющих цвета.

курсовая работа , добавлен 10.11.2014


История создания языка Java. Основные принципы объектно-ориентированного программирования. Структура, особенности синтаксиса и примеры прикладных возможностей использования языка Java, его преимущества. Перспективы работы программистом на языке Java.

курсовая работа , добавлен 14.12.2012


Основа пользовательского интерфейса. Возможности пакетов java.awt.geom, java.awt, классов java.awt.Graphics и java.awt.Graphics2D. Основные графические примитивы и работа с потоками. Листинг программы и составление композиции аффинных преобразований.

методичка , добавлен 30.06.2009


Архитектура уровня команд платформы Java, формат файла класса Java. Компилятор ассемблероподобного языка, позволяющий создавать файлы классов, корректно обрабатываемые реальной JVM, поддерживающий все команды байт-кода Java и важнейшие возможности JVM.

курсовая работа , добавлен 17.09.2008


Кратка историческая справка развития языка Java. Анализ предметной области. Java platform, enterprise and standart edition. Апплеты, сервлеты, gui-приложения. Розработка программного кода, консольное приложение. Результаты работы апплета, сервлета.

курсовая работа , добавлен 23.12.2015


Преимущество использования программ, написанных на Java, требования к ним и настройки на клиентском ПК. Развертывание и последующее "автоматическое" обновление версий GUI клиента с помощью использования технологии Java Web Start в среде Windows.

реферат , добавлен 16.05.2011


Создание языка программирования с помощью приложения "Java". История названия и эмблемы Java. Обзор многообразия современных текстовых редакторов. Обработка строки. Методы в классе String. Java: задачи по обработке текста. Примеры программирования.

курсовая работа , добавлен 19.07.2014


Расширяемый язык разметки XML. Описание типа документа DTD. Значение XML и платформы Java. Обзор стандартных анализаторов DOM и SAX. Технология Java Servlet, Java Server Pages (JSP), JavaBeans. Общая функциональность программного продукта. Модель данных.

Данный раздел состоит из шести частей. Обсуждаются вопросы безопасности распределенных вычислений в целом и рассматривается проблема защиты, связанная с исполняемым кодом. Предлагается шесть этапов для построения работоспособного и гибкого механизма безопасности. Также рассматривается реализация механизмов защиты в архитектуре языка Java. Как и во всякой новой технологии, имеются открытые вопросы, касающиеся безопасности в Java и до сих пор обсуждаемые в Сети и других форумах.

В данном разделе анализируется концепция безопасности в общем контексте взаимодействия в сети Web и реализация защиты посредством исполняемого кода.

Сначала рассмотрим двойственность вопроса безопасности в отношении сети Web и эволюцию сети Web как среды в контексте этой двойственности. Затем можно начинать описание проблемы защиты в контексте исполняемого кода.

Программа, полученная из сети, должна вызывать определенное доверие со стороны пользователя. Ей предоставляются некоторые ресурсы компьютера, иначе она не сможет выполнять никаких полезных действий. Однако эту программу писал некто, не имеющий никаких формальных обязательств перед пользователем. Если этот некто -- хакер, то полученный исполняемый код может быть потенциально опасной программой с теми же возможностями, что и локальная программа.

Должен ли пользователь полностью изолировать внешнюю программу от ресурсов компьютера? Конечно же, нет. В подобном случае исполняемый код не смог бы сделать ничего полезного. Более полное и эффективное решение проблемы безопасности можно разбить на шесть этапов:

1. Предугадать любые потенциально опасные действия и методы вторжения.

2. Свести любые опасные действия к минимальному набору простейших операций.

3. Построить среду программирования и компьютерный язык, явно запрещающие минимальный набор опасных операций, и, следовательно, любые злонамеренные действия.

4. Доказать логически или, если возможно, показать как очевидное тот факт, что язык и среда действительно защищены против методов преднамеренного вторжения.

5. Реализовать язык и разрешить исполняемым программам пользоваться только этим утвержденным безопасным языком.

Сценарии внешней атаки можно разбить на следующие группы (список не полный):

· Повреждение или нарушение целостности данных и/или состояния выполняемой программы;

· Сбор или копирование конфиденциальной информации;

· Блокирование ресурсов, вследствие которого они становятся недоступными для законных пользователей и программ;

· Захват ресурсов и их использование внешней неавторизованной программой;

· Создание нефатальных ситуаций, снижающих производительность, особенно в устройствах вывода;

· Присвоение прав доступа и использование их или компьютера клиента для вторжения в другие элементы сети.

В табл. 1.1 перечислены потенциально уязвимые ресурсы, а также типы воздействия, которые могут быть использованы по отношению к ним. В хорошей стратегии защиты каждому ресурсу назначается коэффициент риска и разрабатываются методы доступа к ним со стороны внешних исполняемых программ.

Таблица1.1 Потенциально уязвимые объекты и типы воздействие

Вместо того чтобы рассматривать все возможные способы вмешательства, схема защиты в языке Java определяет уязвимые объекты основных потенциально опасных операций, что очень близко к описанному выше подходу.

Говоря конкретно, схема защиты языка Java рассматривает следующие уязвимые объекты:

· Память;

· ОС/состояние программ;

· Файловая система клиента;

· При этом учитываются следующие типы вмешательств, перечисленные в табл. 1.1;

· Нарушение целостности программ в клиентской машине. Обычно вызывается вирусами, которые записывают себя в память и разрушают определенные файлы при возникновении некоторого события или по достижении некоторой даты;

· Блокировка/изменение прав пользования ресурсами клиентской машины. Обычно вызывается вирусами;

· Перехват информации в клиентской машине. К примеру, легко выполняется при помощи команды UNIX SENDMAIL;

· Захват полномочий клиентской машины. Достигается подменой IP- адресов. Этот тип компьютерной атаки был придуман Кевином Митни- ком (Kevin Mitnick), когда тот "взломал" один из личных компьютеров эксперта по системам защиты Сутумо Шимура (Tsutumo Shimura). Весь этот инцидент подробно описан в бестселлере "Разборки", написанной для "New York Times" Сутумо Шимурой.

Первый уровень безопасности в Java -- это архитектура самого языка, синтаксические и семантические конструкции языка. Далее структура языка Java рассматривается с точки зрения безопасности.

Java -- полноценный объектно-ориентированный язык; каждая отдельная структура данных (и, следовательно, производная от нее) представляет собой настоящий полнофункциональный объект. То, что каждая примитивная структура данных оформлена как объект, гарантирует наличие всех теоретических преимуществ защиты ООП-языков в программах, написанных на Java, включая их синтаксис и семантику:

· Инкапсуляция и сокрытие данных в private-объявлениях;

· Управляемый доступ к структурам данных, при котором; используются только public-методы;

· Наращиваемость и иерархическое построение сложной структуры программы;

· Отсутствие перегрузки операций.

Классы и методы можно объявлять как final, запрещая тем самым создание подклассов и переопределение методов. Такое объявление препятствует злонамеренному изменению проверенного кода.

В целях безопасности преобразования типов (typecasting) проверяются как статически, так и динамически; это гарантирует то, что объявленный на этапе компиляции тип объекта будет точно соответствовать типу объекта во время выполнения, даже если по отношению к этому объекту выполнялись операции преобразования типов. Контроль за преобразованием типов препятствует преднамеренной подмене типов данных.

Вероятно, эта особенность, реализованная непосредственно в языке Java, является основной гарантией безопасности. Отсутствие указателей в Java- программе обеспечивает то, что все элементы данных всегда имеют имя. Каждая простая структура данных или фрагмент кода имеют идентификатор, позволяющий полностью контролировать их.

Java является многопотоковым языком и обеспечивает защищенный потоковый доступ к структурам данных и объектам. В главе 14 потоки Java рассматриваются подробно, приводятся примеры прикладных программ.

С каждым объектом в языке Java связан уникальный хэш-код (hashcode). Это означает, что в любой момент возможен мониторинг состояния Java- программы.

Во время компиляции анализируются все механизмы защиты, существующие в синтаксисе языка Java, включая проверку согласованности объявлений private и public, правильности типов и инициализации всех переменных в соответствии с предопределенными значениями.

Исходные классы Java компилируются в байт-коды. Верификатор байт- кодов выполняет множество проверок согласованности и безопасности компилированного кода. При верификации байт-кодов выполняются следующие операции:

· Проверка переполнения стека и потери значимости указателя стека;

· Анализ доступа к регистрам;

· Проверка правильности параметров байт-кодов;

· Анализ потоков байт-кодов, создаваемых методами, что обеспечивает целостность стека проверка получаемых объектов и объектов, возвращаемых методами.

Классы Java описываются внутри пакетов. Имена классов связаны с названиями пакетов. Пакеты гарантируют, что код, полученный из сети, отличается от локального кода. Принятая библиотека классов не может по ошибке или преднамеренно заменить локальные библиотеки проверенных классов или перехватить их права, даже если эти библиотеки имеют одинаковые имена. Это также защищает от непроверенных, случайных взаимодействий локального и принятого классов.

Позднее связывание гарантирует, что точное местоположение ресурсов на этапе выполнения происходит в самый последний момент. Позднее связывание представляет серьезное препятствие на пути внешних атак благодаря специальным соглашениям, касающимся выделения памяти для этих ресурсов.

По умолчанию механизм оперативной загрузки Java-ioiaccoB служит для выборки указанного класса из файла, расположенного в локальной хост-машине.

Любые другие способы загрузки классов, включая передачу по сети, требуют наличия соответствующего класса ClassLoader. ClassLoader -- это подкласс стандартного класса Java ClassLoader, имеющего методы, которые реализуют все механизмы проверки согласованности и защиты и запускаются для каждого вновь загружаемого класса.

Из соображений безопасности класс ClassLoader не может выполнять никаких опережающих действий в отношении байт-кодов. Байт-коды могут быть получены из Java-программы, транслируемой Java-компилятором или компилятором С++, модифицированным для создания байт-кодов. Это означает, что ClassLoader запускается только после проверки поступившего байт-кода; этот класс отвечает за создание пространства имен для загруженного кода и разрешение ссылок на имена классов, адресованных в полученном коде. При этом для каждого пакета создаются отдельные пространства имен.

В языках С и С++ программист явным образом распределяет память, освобождает ее и следит за всеми указателями на выделенную память. Зачастую это усложняет сопровождение программ и является главным источником ошибок, приводящих к появлению "висячих ссылок", вызванных использованием null-указателей и неправильными операциями выделения и освобождения памяти.

В языке Java указатели отсутствуют, поэтому программист не должен явно управлять памятью. Выделение и освобождение памяти выполняются автоматически, структурированно и с точным соблюдением согласования типов Для освобождения неиспользуемой памяти вместо явных программируемых операций применяется механизм сборки мусора (дефрагментация памяти). При этом устраняется возможность ошибок распределения памяти и потенциальные проблемы с безопасностью. При ручном выделении и освобождении памяти возможны нелегальные операции дублирования, клонирования и захват полномочий доступных объектов, а также нарушение целостности данных.

Класс SecurityManager является базовым, расширяемым средством для построения систем безопасности и обеспечения механизмов защиты для других компонентов языка Java, включая библиотеки классов и внешние среды (например, Java-совместимые браузеры и машинно-зависимые методы). Сам класс SecurityManager не предназначен для непосредственного использования (по умолчанию каждая из проверок вызывает некоторую исключительную ситуацию по защите); это базовый класс для создания подклассов, реализующих заданный набор методов защиты.

Помимо других особенностей в классе SecurityManager имеются методы для распознавания процессов проверки безопасности, а также методы для выполнения следующих проверок:

· Защита от инсталляции дополнительного загрузчиков классов ClassLoader;

· Возможность компоновки динамических библиотек (используется для машинно-зависимого кода);

· Чтение из файла классов а Запись в файл классов;

· Создание сетевого соединения;

· Возможность соединения с некоторым сетевым портом;

· Разрешение входящего сетевого соединения;

· Доступность некоторого пакета;

· Добавление в пакет нового класса.

Главным источником опасности для Java-nporpaMM является Java-код, поступающий из сети и выполняющийся на клиентском компьютере. Подобные транспортируемые Java-nporpaMMbi называются апплетами. Java-апплет имеет четко определенный набор возможностей и ограничений на уровне языка, особенно в части механизмов защиты.

На апплеты, загружаемые по сети, накладываются следующие ограничения:

· Нельзя создавать, переименовывать или копировать файлы и каталоги локальной файловой системы;

· Нельзя создавать произвольные сетевые соединения, за исключением связей с той хост-машиной, с которой апплеты были считаны. Имя хост- машины должно быть указано в URL-адресе той HTML-страницы, которая содержала тег , или задаваться в параметре codebase тега . Числовой IP-адрес хост-машины не допускается.

Перечисленные строгие ограничения на доступ к локальной файловой системе касаются апплетов, работающих в среде браузера Netscape Navigator 3.0. В программе Appletviewer из пакета JDK 1.0 ограничения менее строгие, и пользователь может определять явно список файлов, с которыми могут работать апплеты.

Апплеты могут считывать некоторые свойства системы при помощи вызова system.getProperty (string key). Апплеты в Netscape 3.0 имеют неограниченный доступ к этим свойствам. В программе JDK 1.0 Appletviewer от Sun можно индивидуально контролировать доступ к каждому свойству. В табл. 1.2 перечислена информация, возвращаемая для различных значений ключа key.

java интерфейс приложение программа

Таблица 1.2 Доступность системных переменных

В табл. 1.3 перечислены параметры, недоступные для апплетов в среде браузера Netscape 3.0. Программа JDK 1.0 Appletviewer и браузер HotJava позволяют пользователю управлять доступом к некоторым из указанных ресурсов.

Таблица 1.3 Системные переменные, недоступные для апплетов

Java-система загружает апплеты двумя способами. Апплет может быть передан по сети или же загружен из локальной файловой системы. Способ загрузки апплета определяет предоставляемые ему возможности.

С точки зрения безопасности, локальным апплетам разрешается выполнять следующие действия:

· Загружать в клиентской машине библиотеки;

· Выполнять в локальной машине внешние процессы;

· Останавливать работу виртуальной Java-машины.

Итак, Java обладает длинной и непростой историей развития, однако настало время рассмотреть, что же получилось у создателей, какими свойствами обладает данная технология.

Самое широко известное, и в то же время вызывающее самые бурные споры, свойство - много- или кроссплатформенность . Уже говорилось, что оно достигается за счет использования виртуальной машины JVM , которая является обычной программой, исполняемой операционной системой и предоставляющей Java -приложениям все необходимые возможности. Поскольку все параметры JVM специфицированы, то остается единственная задача - реализовать виртуальные машины на всех существующих и используемых платформах.

Наличие виртуальной машины определяет многие свойства Java , однако сейчас остановимся на следующем вопросе - является Java языком компилируемым или интерпретируемым? На самом деле, используются оба подхода.

Исходный код любой программы на языке Java представляется обычными текстовыми файлами, которые могут быть созданы в любом текстовом редакторе или специализированном средстве разработки и имеют расширение.java. Эти файлы подаются на вход Java -компилятора, который транслирует их в специальный Java байт-код . Именно этот компактный и эффективный набор инструкций поддерживается JVM и является неотъемлемой частью платформы Java .

Результат работы компилятора сохраняется в бинарных файлах с расширением.class. Java -приложение, состоящее из таких файлов, подается на вход виртуальной машине, которая начинает их исполнять, или интерпретировать, так как сама является программой.

Многие разработчики поначалу жестко критиковали смелый лозунг Sun "Write once, run everywhere", обнаруживая все больше и больше несоответствий и нестыковок на различных платформах. Однако надо признать, что они просто были слишком нетерпеливы. Java только появилась на свет, а первые версии спецификаций были недостаточно исчерпывающими.

Очень скоро специалисты Sun пришли к выводу, что просто свободно публиковать спецификации (что уже делалось задолго до Java ) недостаточно. Необходимо еще и создавать специальные процедуры проверки новых продуктов на соответствие стандартам. Первый такой тест для JVM содержал всего около 600 проверок, через год их число выросло до десяти тысяч и с тех пор все время увеличивается (именно его в свое время не смог пройти MS IE 4.0). Безусловно, авторы виртуальных машин все время совершенствовали их, устраняя ошибки и оптимизируя работу. Все-таки любая, даже очень хорошо задуманная технология требует времени для создания высококачественной реализации. Аналогичный путь развития сейчас проходит Java 2 Micro Edition (J2ME ), но об этом позже.

Следующим по важности свойством является объектная ориентированность Java , что всегда упоминается во всех статьях и пресс-релизах. Сам объектно-ориентированный подход (ООП) рассматривается в следующей лекции, однако важно подчеркнуть, что в Java практически все реализовано в виде объектов - потоки выполнения (threads) и потоки данных (streams), работа с сетью, работа с изображениями, с пользовательским интерфейсом , обработка ошибок и т.д. В конце концов, любое приложение на Java - это набор классов, описывающих новые типы объектов.

Подробное рассмотрение объектной модели Java проводится на протяжении всего курса, однако обозначим основные особенности. Прежде всего, создатели отказались от множественного наследования. Было решено, что оно слишком усложняет и запутывает программы. В языке используется альтернативный подход - специальный тип " интерфейс ". Он подробно рассматривается в соответствующей лекции.

Далее, в Java применяется строгая типизация . Это означает, что любая переменная и любое выражение имеет тип, известный уже на момент компиляции. Такой подход применен для упрощения выявления проблем, ведь компилятор сразу сообщает об ошибках и указывает их расположение в коде. Поиск же исключительных ситуаций (exceptions - так в Java называются некорректные ситуации) во время исполнения программы (runtime) потребует сложного тестирования, при этом причина дефекта может обнаружиться совсем в другом классе. Таким образом, нужно прикладывать дополнительные усилия при написании кода, зато существенно повышается его надежность (а это одна из основополагающих целей, для которых и создавался новый язык).

В Java существует всего 8 типов данных, которые не являются объектами. Они были определены с самой первой версии и никогда не менялись. Это пять целочисленных типов: byte, short, int, long, а также к ним относят символьный char. Затем два дробных типа float и double и, наконец, булевский тип boolean. Такие типы называются простыми, или примитивными (от английского primitive ), и они подробно рассматриваются в лекции, посвященной типам данных. Все остальные типы - объектные или ссылочные (англ. reference ).

Синтаксис Java почему-то многих ввел в заблуждение. Он действительно создан на основе синтаксиса языков C/C++, так что если посмотреть на исходный код программ, написанных на этих языках и на Java, то не сразу удается понять, какая из них на каком языке написана. Это почему-то дало многим повод думать, что Java - это упрощенный C++ с дополнительными возможностями, такими как garbage collector . Автоматический сборщик мусора (garbage collector ) мы рассмотрим чуть ниже, но считать, что Java такой же язык, как и C++,- большое заблуждение.

Конечно, разрабатывая новую технологию, авторы Java опирались на широко распространенный язык программирования по целому ряду причин. Во-первых, они сами на тот момент считали C++ своим основным инструментом. Во-вторых, зачем придумывать что-то новое, когда есть вполне подходящее старое? Наконец, очевидно, что незнакомый синтаксис отпугнет разработчиков и существенно осложнит внедрение нового языка, а ведь Java должна была максимально быстро получить широкое распространение. Поэтому синтаксис был лишь слегка упрощен, чтобы избежать слишком запутанных конструкций.

Но, как уже говорилось, С++ принципиально не годился для новых задач, которые поставили себе разработчики из компании Sun, поэтому модель Java была построена заново, причем в соответствии с совсем другими целями. Дальнейшие лекции будут постепенно раскрывать конкретные различия.

Что же касается объектной модели, то она скорее была построена по образцу таких языков, как Smalltalk от IBM, или разработанный еще в 60-е годы в Норвежском Вычислительном Центре язык Simula, на который ссылается сам создатель Java Джеймс Гослинг.

Другое немаловажное свойство Java - легкость в освоении и разработке - также получило неоднозначную оценку. Действительно, авторы потрудились избавить программистов от наиболее распространенных ошибок, которые порой допускают даже опытные разработчики на C/C++. И первое место здесь занимает работа с памятью.

В Java с самого начала был введен механизм автоматической сборки мусора (от английского garbage collector ). Предположим, программа создает некоторый объект, работает с ним, а дальше наступает момент, когда он больше уже не нужен. Необходимо освободить занимаемую память, чтобы не мешать операционной системе нормально функционировать. В С/С++ это необходимо делать явным образом из программы. Очевидно, что при таком подходе существует две опасности - либо удалить объект, который еще кому-то необходим (и если к нему действительно произойдет обращение, то возникнет ошибка), либо не удалять объект, ставший ненужным, а это означает утечку памяти, то есть программа начинает потреблять все большее количество оперативной памяти.

При разработке на Java программист вообще не думает об освобождении памяти. Виртуальная машина сама подсчитывает количество ссылок на каждый объект, и если оно становится равным нулю, то такой объект помечается для обработки garbage collector . Таким образом, программист должен следить лишь за тем, чтобы не оставалось ссылок на ненужные объекты. Сборщик мусора - это фоновый поток исполнения, который регулярно просматривает существующие объекты и удаляет уже не нужные. Из программы никак нельзя повлиять на работу garbage collector , можно только явно инициировать его очередной проход с помощью стандартной функции. Ясно, что это существенно упрощает разработку программ, особенно для начинающих программистов.

Однако опытные разработчики были недовольны тем, что они не могут полностью контролировать все, что происходит с их системой. Нет точной информации, когда именно будет удален объект, ставший ненужным, когда начнет работать (а значит, и занимать системные ресурсы) поток сборщика мусора и т.д. Но, при всем уважении к опыту таких программистов, необходимо отметить, что подавляющее количество сбоев программ, написанных на С/С++, приходится именно на некорректную работу с памятью, причем порой это случается даже с широко распространенными продуктами весьма серьезных компаний.

Кроме того, особый упор делался на легкость освоения новой технологии. Как уже было сказано, ожидалось (и эти ожидания оправдались, в подтверждение правильности выбранного пути!), что Java должна получить максимально широкое применение, даже в тех компаниях, где никогда до этого не занимались программированием на таком уровне (бытовая техника типа тостеров и кофеварок, создание игр и других приложений для сотовых телефонов и т.д.). Был и целый ряд других соображений. Продукты для обычных пользователей, а не профессиональных программистов, должны быть особенно надежными. Internet стал Всемирной Сетью, поскольку появились непрофессиональные пользователи, а возможность создавать апплеты для них не менее привлекательна. Им требовался простой инструмент для создания надежных приложений.

Наконец, Internet-бум 90-х годов набирал обороты и выдвигал новые, более жесткие требования к срокам разработки. Многолетние проекты, которые были в прошлом обычным делом, перестали отвечать потребностям заказчиков, новые системы надо было создавать максимум за год, а то и за считаные месяцы.

Кроме введения garbage collector , были предприняты и другие шаги для облегчения разработки. Некоторые из них уже упоминались - отказ от множественного наследования, упрощение синтаксиса и др. Возможность создания многопоточных приложений была реализована в первой же версии Java (исследования показали, что это очень удобно для пользователей, а существующие стандарты опираются на телетайпные системы, которые устарели много лет назад). Другие особенности будут рассмотрены в следующих лекциях. Однако то, что создание и поддержка систем действительно проще на Java , чем на C/C++, давно является общепризнанным фактом. Впрочем, все-таки эти языки созданы для разных целей, и каждый имеет свои неоспоримые преимущества.

Следующее важное свойство Java - безопасность . Изначальная нацеленность на распределенные приложения, и в особенности решение исполнять апплеты на клиентской машине, сделали вопрос защиты одним из самых приоритетных. При работе любой виртуальной машины Java действует целый комплекс мер. Далее приводится лишь краткое описание некоторых из них.

Во-первых, это правила работы с памятью. Уже говорилось, что очистка памяти производится автоматически. Резервирование ее также определяется JVM , а не компилятором, или явным образом из программы, разработчик может лишь указать, что он хочет создать еще один новый объект. Указатели по физическим адресам отсутствуют принципиально.

Во-вторых, наличие виртуальной машины-интерпретатора значительно облегчает отсечение опасного кода на каждом этапе работы. Сначала байт-код загружается в систему, как правило, в виде class-файлов. JVM тщательно проверяет, все ли они подчиняются общим правилам безопасности Java и не созданы ли злоумышленниками с помощью каких-то других средств (и не искажены ли при передаче). Затем, во время исполнения программы, интерпретатор легко может проверить каждое действие на допустимость. Возможности классов, которые были загружены с локального диска или по сети, существенно различаются (пользователь легко может назначать или отменять конкретные права). Например, апплеты по умолчанию никогда не получат доступ к локальной файловой системе. Такие встроенные ограничения есть во всех стандартных библиотеках Java .

Наконец, существует механизм подписания апплетов и других приложений, загружаемых по сети. Специальный сертификат гарантирует, что пользователь получил код именно в том виде, в каком его выпустил производитель. Это, конечно, не дает дополнительных средств защиты, но позволяет клиенту либо отказаться от работы с приложениями ненадежных производителей, либо сразу увидеть, что в программу внесены неавторизованные изменения. В худшем случае он знает, кто ответственен за причиненный ущерб.

Совокупность описанных свойств Java позволяет утверждать, что язык весьма приспособлен для разработки Internet- и интранет (внутренние сети корпораций)-приложений.

Наконец, важная отличительная особенность Java - это его динамичность . Язык очень удачно задуман, в его развитии участвуют сотни тысяч разработчиков и многие крупные компании. Основные этапы этого развития кратко освещены в следующем разделе.

Итак, подведем итоги. Java -платформа обладает следующими преимуществами:

• переносимость, или кроссплатформенность ;
• объектная ориентированность, создана эффективная объектная модель;
• привычный синтаксис С/С++;
• встроенная и прозрачная модель безопасности ;
• ориентация на Internet-задачи, сетевые распределенные приложения;
• динамичность , легкость развития и добавления новых возможностей;
• простота освоения.

Но не следует считать, что более легкое освоение означает, что изучать язык не нужно вовсе. Чтобы писать действительно хорошие программы, создавать большие сложные системы, необходимо четкое понимание всех базовых концепций Java и используемых библиотек. Именно этому и посвящен данный курс.

Основные версии и продукты Java

Сразу оговоримся, что под продуктами здесь понимаются программные решения от компании Sun, являющиеся "образцами реализации" ( reference implementation ).

Итак, впервые Java была объявлена 23 мая 1995 года. Основными продуктами, доступными на тот момент в виде бета-версий, были:

• Java language specification , JLS , спецификация языка Java (описывающая лексику, типы данных, основные конструкции и т.д.);
• спецификация JVM ;
• Java Development Kit , JDK - средство разработчика, состоящее в основном из утилит, стандартных библиотек классов и демонстрационных примеров.

Спецификация языка была составлена настолько удачно, что практически без изменений используется и по сей день. Конечно, было внесено большое количество уточнений, более подробных описаний, были добавлены и некоторые новые возможности (например, объявление внутренних классов), однако основные концепции остаются неизменными. Данный курс в большой степени опирается именно на спецификацию языка.

Спецификация JVM предназначена в первую очередь для создателей виртуальных машин, а потому практически не используется Java -программистами.

JDK долгое время было базовым средством разработки приложений. Оно не содержит никаких текстовых редакторов, а оперирует только уже существующими Java -файлами. Компилятор представлен утилитой javac (java compiler). Виртуальная машина реализована программой java . Для тестовых запусков апплетов существует специальная утилита appletviewer . Наконец, для автоматической генерации документации на основе исходного кода прилагается средство javadoc .

Первая версия содержала всего 8 стандартных библиотек:

• java.lang - базовые классы, необходимые для работы любого приложения (название - сокращение от language);
• java.util - многие полезные вспомогательные классы;
• java.applet - классы для создания апплетов ;
• java.awt , java.awt.peer - библиотека для создания графического интерфейса пользователя (GUI ), называется Abstract Window Toolkit , AWT , подробно описывается в лекции 11;
• java.awt.image - дополнительные классы для работы с изображениями;
• java.io - работа с потоками данных (streams) и с файлами;
• java.net - работа с сетью.

Таким образом, все библиотеки начинаются с java , именно они являются стандартными. Все остальные (начинающиеся с com, org и др.) могут меняться в любой версии без поддержки совместимости.

Финальная версия JDK 1.0 была выпущена в январе 1996 года.

Сразу поясним систему именования версий. Обозначение версии состоит из трех цифр. Первой пока всегда стоит 1. Это означает, что поддерживается полная совместимость между всеми версиями 1.х.х. То есть программа, написанная на более старом JDK , всегда успешно выполнится на более новом. По возможности соблюдается и обратная совместимость - если программа откомпилирована более новым JDK , а никакие новые библиотеки не использовались, то в большинстве случаев старые виртуальные машины смогут выполнить такой код.

Вторая цифра изменилась от 0 до 4 (последняя на момент создания курса). В каждой версии происходило существенное расширение стандартных библиотек (212, 504, 1781, 2130 и 2738 - количество классов и интерфейсов с 1.0 по 1.4), а также добавлялись некоторые новые возможности в сам язык. Менялись и утилиты, входящие в JDK .

Наконец, третья цифра означает развитие одной версии. В языке или библиотеках ничего не меняется, лишь устраняются ошибки, производится оптимизация, могут меняться (добавляться) аргументы утилит. Так, последняя версия JDK 1.0 - 1.0.2.

Хотя с развитием версии 1.х ничего не удаляется, конечно, какие-то функции или классы устаревают. Они объявляются deprecated , и хотя они будут поддерживаться до объявления 2.0 (а про нее пока ничего не было слышно), пользоваться ими не рекомендуется.

Вместе с первым успехом JDK 1.0 подоспела и критика. Основные недостатки, обнаруженные разработчиками, были следующими. Во-первых, конечно, производительность. Первая виртуальная машина работала очень медленно. Это связано с тем, что JVM , по сути, представляет собой интерпретатор, который работает всегда медленнее, чем исполняется откомпилированный код. Однако успешная оптимизация, устранившая этот недостаток, была еще впереди. Также отмечались довольно бедные возможности AWT , отсутствие работы с базами данных и другие.

В декабре 1996 года объявляется новая версия JDK 1.1, сразу выкладывается для свободного доступа бета-версия. В феврале 1997 года выходит финальная версия. Что было добавлено в новом выпуске Java ?

Конечно, особое внимание было уделено производительности. Многие части виртуальной машины были оптимизированы и переписаны с использованием Assembler, а не C, как до этого. Кроме того, с октября 1996 года Sun развивает новый продукт - Just-In-Time компилятор, JIT . Его задача - транслировать Java байт-код программы в "родной" код операционной системы. Таким образом, время запуска программы увеличивается, но зато выполнение может ускоряться в некоторых случаях до 50 раз! С июля 1997 года появляется реализация под Windows и JIT стандартно входит в JDK с возможностью отключения.

Были добавлены многие новые важные возможности. JavaBeans - технология, объявленная еще в 1996 году, позволяет создавать визуальные компоненты, которые легко интегрируются в визуальные средства разработки. JDBC (Java DataBase Connectivity) обеспечивает доступ к базам данных. RMI (Remote Method Invocation) позволяет легко создавать распределенные приложения. Были усовершенствованы поддержка национальных языков и система безопасности .

За первые три недели JDK 1.1 был скачан более 220.000 раз, менее чем через год - более двух миллионов раз. На данный момент версия 1.1 считается полностью устаревшей и ее развитие остановилось на 1.1.8. Однако из-за того, что самый распространенный браузер MS IE до сих пор поддерживает только эту версию, она продолжает использоваться для написания небольших апплетов .

Кроме того, с 11 марта 1997 года компания Sun начала предлагать Java Runtime Environment , JRE (среду выполнения Java ). По сути дела, это минимальная реализация виртуальной машины, необходимая для исполнения Java -приложений, без компилятора и других средств разработки. Если пользователь хочет только запускать программы, это именно то, что ему нужно.

Как видно, самым главным недостатком осталась слабая поддержка графического интерфейса пользователя (GUI ). В декабре 1996 года компании Sun и Netscape объявляют новую библиотеку IFC (Internet Foundation Classes), разработанную Netscape полностью на Java и предназначенную как раз для создания сложного оконного интерфейса . В апреле 1997 года объявляется, что компании планируют объединить технологии AWT от Sun и IFC от Netscape для создания нового продукта Java Foundation Classes , JFC , в который должны войти:

• усовершенствованный оконный

Язык Java. Введение.

Долгое время трудно было представить себе компьютерный журнал без статьи, посвященной языку Java. О нем писали даже такие популярные газеты и журналы, как The New York Times, The Washington Post и Business Week.

Невозможно припомнить, чтобы национальное общественное радио (National Public Radio) когда-либо посвящало языку программирования десятиминутную передачу. Хорошо это или плохо, зависит от точки зрения. А инвестиции объемом 100 миллионов долларов, вложенные в производство программного обеспечения, создаваемого с помощью конкретного языка программирования?! Телекомпании CNN, CNBC и другие средства массовой информации только и говорили, да и сейчас говорят, о том, как язык Java и то сможет, и это сделает.

Однако эта книга предназначена для серьезных программистов, а поскольку язык Java - это серьезный язык программирования, нам есть о чем рассказать. Итак, мы не станем погружаться в анализ рекламных обещаний и пытаться выяснить, что в них правда, а что вымысел. Вместо этого мы достаточно подробно опишем язык Java именно как язык программирования (включая, разумеется, особенности, позволяющие использовать его для работы в Интернет, которые, собственно, и вызвали столько рекламной шумихи). После этого мы попытаемся отделить реальность от фантазий, объяснив, что язык Java действительно может, а что - нет.

На первых порах между рекламными обещаниями и реальными возможностями языка Java лежала пропасть. По мере его созревания технология становилась все более стабильной и надежной, а ожидания снизились до разумного уровня. Сейчас язык Java все шире используется для создания "промежуточного программного обеспечения" (middleware), поддерживающего связь между клиентами и ресурсами серверов (например, базами данных).

Несмотря на то, что эти важные приложения не поражают воображение, именно в этой области язык Java оказался наиболее полезным благодаря своей машинной независимости, многопоточности и возможностям сетевого программирования. Кроме того, язык Java захватил лидерство в области встроенных систем (embedded systems), став фактическим стандартом портативных устройств, виртуальных киосков, бортовых автомобильных компьютеров и т.п. Однако первые попытки переписать на языке Java широко распространенные программы для персональных компьютеров не увенчались успехом - полученные приложения оказались маломощными и медленными. С появлением новой версии некоторые из этих проблем удалось решить, и все же нужно признать, что пользователям, в общем-то, совершенно безразлично, на каком языке написаны купленные ими программы. Мы полагаем, что основные преимущества языка Java проявятся при создании новых видов устройств и приложений, а не при переписывании уже существующих программ.

Язык Java как средство программирования

Как язык программирования Java перевыполнил свои рекламные обещания. Несомненно, это один из лучших языков, доступных серьезным программистам. Потенциально Java имеет все предпосылки, чтобы стать великим языком программирования, однако, вероятно, сейчас уже слишком поздно. Когда появляется новый язык программирования, немедленно возникает неприятная проблема его совместимости с программным обеспечением, созданным ранее. Более того, даже если изменения в эти программы можно внести без вмешательства в их текст, создателям языка, который так горячо приветствовался публикой, как, например, язык Java, сложно прямо сказать: "Да, возможно мы ошиблись при разработке версии X, но версия Y будет лучше". В итоге, ожидая появления дальнейших улучшений, мы должны констатировать, что структура языка Java в ближайшем будущем существенно не изменится.

Возникает очевидный вопрос: "Как удалось улучшить язык Java? ". Оказывается, это сделано не за счет усовершенствования собственно языка программирования, а путем коренного изменения библиотек программ, написанных на языке Java. Компания Sun Microsystems изменила все: начиная с имен отдельных библиотечных функций (сделав их более осмысленными) и методов работы графических модулей (изменив способ обработки событий и частично переписав рабочие программы), и заканчивая созданием новых свойств языка, например, средств вывода информации на печать, которых не было в версии Java 1.0. В результате получилась гораздо более полезная программная платформа, чем все предыдущие версии языка Java.

Компания Microsoft выпустила в свет свой собственный продукт под названием J++, имеющий отношение к языку Java. Язык J++ интерпретируется виртуальной машиной, совместимой с виртуальной машиной языка Java (Java Virtual Machine) при выполнении байт-кода, но интерфейсы с внешними кодами у этих языков значительно различаются. Языки J++ и Java имеют практически одинаковый синтаксис. Однако компания Microsoft создала дополнительные языковые конструкции. Все они имеют довольно сомнительную ценность, за исключением интерфейса Windows API. Помимо того, что у этих языков одинаковый синтаксис, их основные библиотеки (строки, утилиты, средства сетевого программирования, средства поддержки многопоточности, математические библиотеки и т.п.), по существу, также совпадают.

Однако графические библиотеки, пользовательский интерфейс и доступ к удаленным объектам у этих языков совершенно разные. В настоящее время компания Microsoft больше не поддерживает язык J++, разработав новый язык С#, имеющий много общего с Java, но использующий другую виртуальную машину. В этой книге ни язык J++, ни язык С# не описываются.

Преимущества языка Java

1) Одно из основных преимуществ языка Java - независимость от платформы, на которой выполняются программы : один и тот же код можно запускать под управлением операционных систем Windows, Solaris, Linux, Machintosh и др.
Это действительно необходимо, когда программы загружаются через Интернет для последующего выполнения под управлением разных операционных систем.

2) Другое преимущество заключается в том, что синтаксис языка Java похож на синтаксис языка C++, и программистам, знающим языки С и C++, его изучение не составляет труда . Правда, для программистов, владеющих языком Visual Basic, этот синтаксис, возможно, будет непривычен.

Если вы никогда не программировали на языке C++, некоторые термины, использованные в этом разделе, будут вам непонятны. В этом случае можете пропустить его. Пока вы доберетесь до конца главы 6, эти термины станут для вас привычными.

3) Кроме того, Java - полностью объектно-ориентированный язык, даже в большей степени, чем C++ . Все сущности в языке Java являются объектами, за исключением немногих основных типов (primitive types), например чисел. (Поскольку с помощью объектно-ориентированного программирования легко разрабатывать сложные проекты, оно заменило собой более древнее структурное программирование. Если вы не знакомы с объектно-ориентированным программированием, главы 3-6 предоставят вам все необходимые сведения о нем.)

Однако разработать еще один, слегка улучшенный, диалект языка C++ недостаточно. Принципиально важно, чторазрабатывать программы, не содержащие ошибок, наязы- ке Java легче, чем наязыке C++. Почему? Разработчики языка Java долго размышляли о том, отчего программы, написанные на языке C++, так подвержены ошибкам. Они снабдили язык Java средствами, позволяющими исключить саму возможность создавать программы, в которых были бы скрыты наиболее распространенные ошибки. Для этого в языке Java сделано следующее.

4) Исключена возможность явного выделения и освобождения памяти.
Память в языке Java освобождается автоматически с помощью механизма сборки мусора. Программист гарантирован от ошибок, связанных с неправильным использованием памяти.

5) Введены истинные массивы и запрещена арифметика указателей.
Теперь программисты в принципе не могут стереть данные из памяти вследствие неправильного использования указателей.

6) Исключена возможность перепутать оператор присваивания с оператором сравнения на равенство.
Теперь нельзя даже скомпилировать выражение if(ntries = 3) . . . (программисты на языке Visual Basic могут вообще не заметить здесь никакой проблемы, поскольку эта ошибка - источник большинства недоразумений в языках С и C++).

7) Исключено множественное наследование. Оно заменено новым понятием - интерфейсом, позаимствованным из языка Objective С.
Интерфейс дает программисту почти все, что тот может получить от множественного наследования, избегая при этом сложностей, возникающих при управлении иерархиями классов.

Характерные особенности языка Java

Простой
Интерпретируемый
Распределенный
Надежный
Безопасный
Машинонезависимый
Объектно-ориентированный
Высокопроизводительный
Многопоточный
Динамичный
Не зависящий от архитектуры компьютера

В последнем разделе мы уже коснулись некоторых из этих пунктов. В этом разделе мы: приведем цитаты из руководства по языку Java, раскрывающие особенности языка; поделимся с читателями соображениями по поводу отдельных свойств языка, основываясь на собственном опыте работы с его последней версией.

Простой

Мы, хотели создать систему, которая легко программируется, не требует дополнительного обучения и учитывает сложившуюся практику и стандарты программирования. Поэтому, несмотря на то, что мы считали язык C++ неподходящим для этих целей, язык Java был разработан максимально похожим на него, чтобы сделать систему более доступной. В языке Java нет многих редко используемых, малопонятных и невразумительных средств языка C++, которые, по нашему мнению, приносят больше вреда, чем пользы.

Синтаксис языка Java, по существу, представляет собой очищенный вариант синтаксиса языка C++. В этом языке нет заголовочных файлов, арифметики указателей (и самих указателей), структур, объединений, перегрузки операторов, виртуальных базовых классов и т.п. (Различия между языками Java и C++ описываются в замечаниях о языке C++, разбросанных по всей книге.) Однако разработчики не стремились исправить все недостатки языка C++.

Например, синтаксис оператора switch в языке Java остался неизменным. Зная язык C++, перейти к синтаксису языка Java будет легко.
Если обычно вы используете визуальную среду программирования (например Visual Basic), язык Java покажется вам сложным.
Его синтаксис часто выглядит довольно странным (хотя понять смысл выражения не составляет труда). Важнее то, что при работе на языке Java приходится намного больше программировать. Прелесть языка Visual Basic заключается в том, что его визуальная среда программирования позволяет почти автоматически создавать инфраструктуру приложения. Чтобы достичь того же результата с помощью языка Java, необходимо программировать вручную, но при этом получаются намного более короткие программы.

Существует, однако, и третья разновидность сред программирования, позволяющих создавать программы с помощью технологии "перетащить-и-опустить" ("drag-and-drop").

Другой аспект простоты - краткость. Одна из целей языка Java - обеспечить разработку программ, которые можно было бы совершенно самостоятельно выполнять на небольших машинах. Размер основного интерпретатора и средств поддержки классов составляет около 40 Кбайт; стандартные библиотеки и средства поддержки потоков (особенно номное микроядро (self-contained microkernel)) занимают еще 17: Кбайт.
Это огромный успех. Заметим, однако, что библиотеки средств поддержки графического пользовательского интерфейса значительно крупнее.

Объектно-ориентированный

Попросту говоря, объектно-ориентированное программирование - это метод программирования, в центре внимания которого находятся данные (т.е. объекты) и средства доступа к ним. Проводя аналогию со столярным делом, можно сказать, что объектноориентированный мастер в основном сосредоточен на стуле, который он изготавливает, и лишь во вторую очередь его интересуют инструменты, необходимые для этого; в то же время необъектноориентированный столяр думает лишь о своих инструментах. Объектноориентированные свойства языка Java и C++, по существу, совпадают.

Объектная ориентация за прошедшие 30 лет уже доказала свою ценность, и без нее невозможно представить себе современный язык программирования. Действительно, объектно-ориентированные особенности языка Java сравнимы с языком C++. Основное различие между ними заключается в механизме множественного наследования, для которого в языке Java найдено лучшее решение, а также в модели метаклассов языка Java.

Механизмы отражения (глава 5) и сериализации объектов (глава 12) позволяют реализовать устойчивые объекты и средства для создания графических пользовательских интерфейсов на основе готовых компонентов.

Если вы никогда не программировали на объектно-ориентированных языках, внимательно изучите главы 4-6. В этих главах излагаются основы объектно-ориентированного программирования и показываются его преимущества при разработке сложных проектов над такими традиционными, процедурно-ориентированными языками, как язык С или Basic.

Распределенный

Java обладает большой библиотекой программ для передачи данных на основе таких протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol-протокол управления передачей/Интернет-протокол), как HTTP (Hypertext Transfer Protocol - протокол передачи гипертекстов) или FTP (File Transfer Protocol-протокол передачи файлов). Приложения, написанные на языке Java, могут открывать объекты и получать к ним доступ через сеть с помощью и URL-адресов (Uniform Resource Location - универсальный адрес ресурса) так желегко, как авлокальной сети.

Язык Java предоставляет мощные и удобные средства для работы в сети. Каждый, кто когда-либо пытался писать программы для работы в Интернет на других языках, будет приятно удивлен тем, как легко решаются на языке Java самые трудные задачи, например, открытие сетевых соединений (sockets connection). Элегантный механизм, состоящий из так называемых сервлетов (servlets), делает работу на сервере чрезвычайно эффективной.

Сервлеты поддерживаются многими популярными Web- серверами. (Работа в сети будет описана во втором томе.) Связь между распределенными объектами в языке Java обеспечивается механизмом вызова удаленных методов (эта тема также раскрывается во втором томе).

Надежный

Язык Java предназначен для создания программ, которые должны надежно работать в любых ситуациях. Основное внимание в языке Java уделяется раннему обнаружению возможных ошибок, динамической проверке (во время выполнения программы), а также исключению ситуаций, подверженных ошибкам... Единственное значительное отличие языка Java от языка C++ заключается в модели указателей, принятой в языке Java, которая исключает возможность перезаписи участка памяти и повреждения данных.

Это свойство также очень полезно. Компилятор языка Java выявляет такие ошибки, которые в других языках обнаруживаются только на этапе выполнения программы. Кроме того, программисты, потратившие многие часы на поиски ошибки, вызвавшей повреждение памяти из-за неверного указателя, будут очень рады тому, что в языке Java такие проблемы возникнуть в принципе не могут.

Если раньше вы программировали на языках Visual Basic или COBOL, в которых указатели явно не используются, возможно, вам непонятно, почему это настолько важно. Программистам на языке С повезло намного меньше. Им нужны указатели для доступа к строкам, массивам, объектам и даже файлам. При программировании на языке Visual Basic ничего этого не требуется, и программист может не беспокоиться о распределении памяти для этих сущностей. С другой стороны, многие структуры данных в языке, не имеющем указателей, реализовать очень трудно. Для обычных структур, вроде строк и массивов, указатели не нужны. Вся мощь указателей проявляется лишь там, где без них нельзя обойтись, например, при создании связанных списков. Программист на языке Java навсегда избавлен от неверных указателей, неправильного распределения и утечки памяти.

Безопасный

Язык Java предназначен для использования в сетевой или распределенной среде. По этой причине большое внимание было уделено безопасности. Язык Java позволяет создавать системы, защищенные от вирусов и постороннего вмешательства.

В первом издании мы написали: "Никогда не говори никогда",- и оказались правы. Группа экспертов по вопросам безопасности из Принстонского университета обнаружила первые ошибки в системе защиты версии Java 1.0 вскоре после появления в продаже первой версии набора инструментальных средств JDK. Более того, и они, и другие специалисты продолжали и впоследствии находить все новые и новые ошибки в механизмах безопасности всех последующих версий языка Java.

Положительной стороной этой ситуации является то, что группа разработчиков языка Java заявила о своей полной нетерпимости к любым ошибкам в системе защиты и немедленно приступила к исправлению всех проблем, обнаруженных в механизме безопасности апплетов. В частности, опубликовав внутренние спецификации интерпретатора языка Java, компания Sun намного облегчила поиск скрытых ошибок в системе безопасности и привлекла к их поиску независимых специалистов.

Это повысило вероятность того, что все ошибки в системе защиты будут вскоре обнаружены. В любом случае обмануть систему защиты языка Java чрезвычайно трудно. Обнаруженные до сих пор ошибки были почти неуловимыми, к тому же их количество (относительно) невелико.

Web-страница компании Sun, посвященная вопросам безопасности, имеет следующий URL-адрес: http://java.sun.com/sfaq/.

Перечислим некоторые ситуации, возникновение которых предотвращает система безопасности языка Java.

1) Переполнение стека выполняемой программы, к которюму приводил печально известный "червь", распространявшийся в Интернет.

2) Повреждение участков памяти, находящихся за пределами пространства, выделенного процессу.

3) Считывание и запись локальных файлов при использовании безопасного загрузчика классов, например Web-броузера, который запрещает такой доступ к файлам.

Все эти меры безопасности вполне уместны и обычно работают безупречно, однако осмотрительность никогда не повредит. Хотя обнаруженные к данному моменту ошибки были далеко не тривиальными, и все детали их поиска часто хранятся в секрете, следует признать, что доказать безопасность языка Java, вероятно, псе же невозможно.

Со временем в язык были добавлены новые средства защиты. Начиная с версии 1.1, в языке Java появилось понятие классов с цифровой подписью. Пользуясь классом с цифровой подписью, вы можете быть уверенным в его авторе. Если вы ему доверяете, то можете предоставить этому классу все привилегии, доступные на вашей машине.

Альтернативный механизм доставки кода, предложенный компанией Microsoft, опирается на технологию ActiveX и для безопасности использует только цифровые подписи. Очевидно, что этого недостаточно-любой пользователь программного обеспечения фирмы Microsoft может подтвердить, что программы широко известных производителей часто завершаются аварийно, создавая тем самым опасность повреждения данных. Система безопасности в языке Java намного надежнее, чем технология ActiveX, поскольку она контролирует приложение с момента его запуска и не позволяет ему причинять ущерб.

Не зависящий от архитектуры

Компилятор генерирует объектный файл, формат которого не зависит от архитектуры компьютера, - скомпилированная программа может выполняться на любых процессорах под управлением системы выполнения программ языка Java. Для этого компилятор языка Java генерирует команды, байт-кода, не зависящие от конкретной архитектуры компьютера. Байт- код разработан таким образом, чтобы на любой машине его можно было легко интерпретировать либо на лету перевести в машиноза висимый код.

Это не новая идея. Более 20 лет назад и в системе реализации языка Pascal, разработанной Никлаусом Виртом (Niclaus Wirth), и в системе UCSD Pascal применялась та же самая технология. Использование байт-кодов дает большой выигрыш при выполнении программы (правда, синхронная компиляция во многих случаях его компенсирует). Разработчики языка Java прекрасно справились с разработкой набора команд байт-кода, которые отлично работают на большинстве современных компьютеров, легко транслируясь в реальные машинные команды.

Машинонезависимый

В отличие от языков С и C++, в спецификации Java нет аспектов, зависящих от системы реализации. И размер основных типов данных, и арифметические операции над ними точно определены.

Например, тип int в языке Java всегда означает 32-разрядное целое число. В языках С и C++ тип int может означать как 16-разрядное, так и 32-разрядное целое число, а также целое число произвольного размера, по выбору разработчика конкретного компилятора. Единственное ограничение заключается в том, размер типа int не может быть меньше размера типа short int и больше размера типа long int. Фиксированный размер числовых типов позволяет избежать многих неприятностей, связанных с выполнением программ на разных компьютерах. Бинарные данные хранятся и передаются в фиксированном формате, что также позволяет избежать недоразумений, связанных с разным порядком записи байтов на разных платформах (конфликт "big endian/little endian"). Строки сохраняются в стандартном формате Unicode.

Библиотеки, представляющие собой часть системы, определяют машинонезависимый интерфейс. Например, в языке предусмотрен абстрактный класс Window и его реализации для операционных систем Unix, Windows и Macintosh.

Каждый, кто когда-либо пытался написать программу, которая одинаково хорошо работала бы под управлением операционных систем Windows, Macintosh и десяти разновидностей системы Unix, знает, что это очень трудная задача. Версия Java предприняла героическую попытку решить эту проблему, предоставив простой инструментальный набор, адаптирующий обычные элементы пользовательского интерфейса к большому количеству программных платформ. К сожалению, библиотека, на которую было затрачено немало труда, не позволила достичь приемлемых результатов на разных платформах. (При этом на разных платформах в графических программах проявлялись разные ошибки.)

Однако это было лишь началом. Во многих приложениях машинная независимость намного важнее изысканности графического пользовательского интерфейса. Именно эти приложения выиграли от появления версии Java 1.0. Однако теперь инструментальный набор для создания графического пользовательского интерфейса полностью переработан и больше не зависит от интерфейса пользователя на главном компьютере. Новая версия более осмысленна и, по нашему мнению, более привлекательна для пользователя, чем предыдущие.

Интерпретируемый

Интерпретатор языка Java может пересылаться на любую машину и выполнять байт-код непосредственно на ней. Поскольку редактирование связей - более легкий процесс, разработка программ может стать намного быстрее и эффективнее.

Возможно, это дает преимущество при разработке приложений, однако приведенная цитата - явное преувеличение. В любом случае компилятор языка Java, входящий в набор инструментальных средств JSDK (Java Software Development Kit), работает довольно медленно. (Некоторые компиляторы, принадлежащие к третьей разновидности, например, компиляторы компании IBM, работают намного быстрее.) Скорость перекомпиляции - это всего лишь один из факторов, характеризующих эффективность среды программирования. Сравнив скорость работы сред программирования на языке Java и языке Visual Basic, вы, возможно, будете разочарованы.

Высокопроизводительный

Хотя обычно интерпретируемые байт-коды имеют более чем достаточную производительность, бывают ситуации, в которых требуется еще более высокая эффективность. Байт-коды можно "на лету" (во время выполнения) транслировать в машинные коды для конкретного процессора, на котором выполняется данное приложение.

Если для выполнения байт-кодов применяется интерпретатор, не следует употреблять словосочетание "высокая производительность". Однако на многих платформах возможен другой вид компиляции, обеспечиваемый синхронными компиляторами (just-in-time compilers-JIT). Они транслируют байт-код в машинозависимый код, сохраняют результат в памяти, а затем вызывают его при необходимости. Поскольку при этом интерпретация выполняется только один раз, этот подход во много раз увеличивает скорость работы.

Несмотря на то что синхронные компиляторы все равно медлительнее, чем машинозависимые компиляторы, они во всяком случае работают намного быстрее интерпретаторов, обеспечивая для некоторых программ 10- и даже 20-кратное ускорение. Эта технология постоянно совершенствуется и в конце концов может достичь той скорости, которую никогда не превзойдут традиционные компиляторы. Например, синхронный компилятор может определить, какой фрагмент кода выполняется чаще, и оптимизировать его по скорости выполнения.

МНОГОПОТОЧНЫЙ

Обеспечивает лучшую интерактивность и выполнение программы.

Если вы когда-либо пытались организовать многопоточные вычисления на каком- нибудь еще языке программирования, вы будете приятно удивлены тем, как это легко сделать на языке Java. Потоки в языке Java могут использовать преимущества многопроцессорных систем, если операционная система позволяет это сделать. К сожалению, реализации потоков на большинстве платформ сильно отличаются друг от друга, а разработчики языка Java не предпринимают никаких попыток достичь единообразия. Только код для вызова потоков остается одинаковым для всех машин; язык Java перекладывает реализацию многопоточности на базовую операционную систему или библиотеку потоков. (Потоки описываются во втором томе.) Несмотря на это, именно легкость организации многопоточных вычислений делает язык Java таким привлекательным для разработки программного обеспечения серверов.

Динамичный

Во многих отношениях язык Java является более динамичным, чем языки С или C++. Он был разработан так, чтобы легко адаптироваться к постоянно изменяющейся среде. В библиотеки можно свободно добавлять новые методы и объекты, не причиняя никакого вреда. Язык Java позволяет легко получать информацию о ходе выполнения программы.

Это очень важно в тех случаях, когда требуется добавить код в уже выполняемую программу. Ярким примером этого является код, который загружается из Интернет для выполнения броузером. В версии Java 1.0 получить информацию о ходе выполняемой программы было совсем не легко, однако нынешняя версия языка Java раскрывает перед программистом как структуру, так и поведение объектов выполняемой программы.
Это весьма ценно для систем, которые должны анализировать объекты в ходе выполнения программы. К таким системам относятся средства создания графического пользовательского интерфейса, интеллектуальные отладчики, сменные компоненты и объектные базы данных.

Язык Java и Интернет

Идея проста- пользователи загружают байт-коды языка Java из Интернет и выполняют их на своих машинах. Программы Java, работающие под управлением Web-броузеров, называются апплетами. Для использования апплета нужен Web-броузер, поддерживающий язык Java и способный интерпретировать байт-коды. Лицензия на исходные коды языка Java принадлежит компании Sun, настаивающей на неизменности как самого языка, так и структуры его основных библиотек. К сожалению, в реальности все не так. Разные версии броузеров Netscape и Internet Explorer поддерживают разные версии языка Java, причем некоторые из этих версий значительно устарели. Эта достойная сожаления ситуация создает все больше препятствий при разработке апплетов, позволяющих использовать преимущества последней версии языка Java. Чтобы решить эту проблему, компания Sun разработала программу Java Plug-in, позволяющую создавать наиболее современную среду для запуска программ на языке Java на основе броузеров Netscape и Internet Explorer.

Загрузка апплета напоминает внедрение изображения в Web-страницу. Апплет становится частью страницы, а текст обтекает занятое им пространство. Однако отличие заключается в том, что изображение теперь является живым (alive). Оно реагирует на команды пользователя, изменяет свой внешний вид и обеспечивает пересылку данных между компьютером, на котором просматривается апплет, и компьютером, управляющим этим апплетом.

Загрузка апплета напоминает вставку рисунка в Web-страницу. Апплет становится частью страницы, а текст обтекает занимаемое им место. Дело в том, что изображение является "живым". Оно реагирует на команды пользователя, изменяет свой внешний вид и выполняет пересылку данных между компьютером, на котором выполняется апплет, и компьютером, управляющим этим апплетом.

На рис. 1.1 показан хороший пример динамической Web-страницы, выполняющей сложные вычисления и применяющей апплет для изображения молекул. Чтобы лучше понять структуру молекулы, можно вращать ее либо изменять масштаб изображения, используя мышь. Такие манипуляции нельзя реализовать на статических Web- страницах, однако апплеты делают это возможным. (Этот апплет можно найти по адресу http: //jmol.sourceforge.net.)

Рис. 1.1. Апплет Jmol

С помощью апплетов на Web-страницу можно добавлять новые кнопки и текстовые поля. Однако такие апплеты медленно загружаются по телефонной линии.

Почти то же самое можно сделать с помощью языка Dynamic HTML, форм языка HTML (Hypertext Markup Language - язык разметки гипертекстов) или языка сценариев, например, языка JavaScript. Разумеется, первые апплеты предназначались для анимации: вращающиеся глобусы, танцующие персонажи мультфильмов, вычурные тексты и т.п. Однако большинство из перечисленного могут делать и анимированные GIF-файлы, а язык Dynamic HTML в сочетании с разработкой сценариев делает намного больше, чем апплеты.

В результате несовместимости броузеров и несогласованности процесса загрузки через медленные сетевые соединения апплеты, предназначенные для Web-страниц, не стали огромным достижением. В локальных сетях (intranets) ситуация совершенно иная. В них обычно не возникают проблемы, связанные с пропускной способностью канала, поэтому время загрузки апплетов несущественно. В локальной сети можно выбирать нужный броузер или применять программу Java Plug-In. Сотрудники не могут переместить программу, доставленную через сеть, в неправильное место или неверно ее установить, а системному администратору не нужно обходить все клиентские машины и обновлять на них программы. Большое количество программ, предназначенных для учета товаров, планирования отпуска, возмещения транспортных расходов и тому подобного, были разработаны многими корпорациями в виде апплетов, использующих броузеры.

Пока мы писали книгу, маятник вновь качнулся от клиентских программ в сторону программирования серверных приложений (server-side programming). В частности, прикладные серверы (application servers) могут использовать мониторинговые возможности виртуальной машины Java для автоматического выравнивания нагрузки, объединения связей с базой данных, синхронизации объектов, безопасного завершения работы и повторной загрузки, а также для выполнения других процессов, необходимых для масштабируемых серверных приложений, которые почти невозможно корректно реализовать. Таким образом, программисты, создающие приложения, получили возможность купить эти сложные механизмы, вместо того, чтобы разрабатывать их самостоятельно. Это повысило производительность труда программистов - они сосредоточились на логике своих программ, не отвлекаясь на детали, связанные с работой серверов.

Похожие публикации:

• Шахматная программа шреддер
• Как преобразовать DXF файл в PDF файл
• Обновление драйверов Windows
• Мультиконвертер изображений с поддержкой RAW онлайн Скачать программа конвертирует gif в набор изображений



Категории