جاوا یک زبان برنامه نویسی شی گرا میباشد که برای اولین بار توسط جیمز گاسلینگ در شرکت Sun ایجاد شد و در سال 1991 منتشر شد .

جاوا شبیه ++C میباشد که مدل شی گرایی راحت تری دارد و از قابلیت های سطح پایین کمتری پشتیبانی میکند . ایده ی اصلی شی گرایی جاوا از اسمال‌تاک گرفته شده است . از ویژگی های جاوا می توان به مدیریت حافظه اشاره کرد که به صورت خودکار انجام می شود .

برنامه ها در جاوا به صورت بایت کد می باشند که توسط JVM به کدهای ماشین تبدیل و سپس اجرا می شوند . اگر JVM وجود داشته باشد این برنامه بر روی هر سیستم عاملی و یا هر گونه وسیله الکترونیکی اجرا می شود .

شعار معروف جاوا می گوین ” یک بار بنویس و همه جا اجرا کن ” Write once, Run anywhere

جیمز گاسلینگ

در سال 1990 سان ‌مایکروسیستمز  که در حال توسعه نرم افزار برای ابزارهای الکترونیکی بود اسم پروژه را green نامیدند و مسئولیت آن را جیمز گاسلینگ به عهده گرفت .در ادامه در سال 1991 نام پروژه به OAK تغییر کرد و در ادمه کار در سال 1992 تیم پروژه قدیمی green یک زبان جدید را ارائه داد که با ابزارهای خانگی و لمسی کار می کرد .

در سال 1993 که اینترنت گسترش یافت یک زبان جدید معرفی شد که با کامپیوترهای متصل به وب به خوبی کار میکرد .این امر باعث شد درسال 1995 زبان OAK به جاوا تغییر کند که توسط مایکروسافت و نت اسکیپ پشتیبانی میشد .

در سال 1996 زبان جاوا همه گیر شد و در سال 2007 زبان هایی با استاندارد JVM مانند groovy ایجاد شد و در سال 2014 نسخه 8 جاوا قابلیت های زیادی را به این زبان قدرتمند اضافه کرد .

اهداف اولیه جاوا :

  • این زبان باید ساده، شی‌گرا و مشهور باشد.
  • مطمئن و بدون خطا باشد.
  • وابسته به معماری کامپیوتر نبوده و قابل انتقال باشد.
  • باید با کارایی بالا اجرا شود.
  • باید به صورت پویا و نخ‌کشی‌شده باشد.

نسخه‌های جاوا

جاوای ۸ و ۱۱ به عنوان نسخه‌های دارای پشتیبانی بلندمدت می‌باشند. نسخه‌های بزرگ منتشرشده، به همراه تاریخ انتشار آنها:

  • JDK 1.0، انتشار در ۲۱ ژانویهٔ ۱۹۹۶
  • JDK 1.1، انتشار در ۱۹ فوریهٔ ۱۹۹۷
  • J2SE 1.2، انتشار در ۸ دسامبر ۱۹۹۸
  • J2SE 1.3، انتشار در ۸ مه ۲۰۰۰
  • J2SE 1.4، انتشار در ۶ فوریهٔ ۲۰۰۲
  • J2SE 5.0، انتشار در ۳۰ سپتامبر ۲۰۰۴
  • Java SE 6، انتشار در ۱۱ دسامبر ۲۰۰۶
  • Java SE 7، انتشار در ۲۱۲۸ ژوئیه ۲۰۱۱
  • Java SE 8، انتشار در ۱۸ مارس ۲۰۱۴
  • Java SE 9، انتشار در ۲۱ سپتامبر ۲۰۱۷
  • Java SE 10، انتشار در ۲۰ مارس ۲۰۱۸
  • Java SE 11، انتشار در ۲۵ سپتامبر ۲۰۱۸
  • Java SE 12، انتشار در ۱۹ مارس ۲۰۱۹
  • Java SE 13، انتشار در ۱۷ سپتامبر ۲۰۱۹
  • Java SE 14، انتشار در ۱۷ مارس ۲۰۲۰

JVM چیست ؟

ماشین مجازی جاوا یا همان JVM برنامه ای است که بایت کد های جاوا را مطابق با سیستم عامل ها کامپایل کرده و آن را اجرا میکند .

با جاوا می‌توان انواع برنامه‌های زیر را نوشت:

  •     برنامه‌های تحت وب
  •     برنامه‌نویسی سیستم‌های کوچک مانند تلفن همراه، رایانه جیبی و …
  •     برنامه‌های کاربردی بزرگ (Enterprise)
  •     برنامه‌های رومیزی (Desktop)
  •     و…

یکی از ویژگی‌های جاوا قابل حمل بودن آن است. یعنی برنامهٔ نوشته شده به زبان جاوا باید به‌طور مشابهی در کامپیوترهای مختلف با سخت‌افزارهای متفاوت اجرا شود؛ و باید این توانایی را داشته باشد که برنامه یک بار نوشته و کامپایل شده و سپس در همه کامپیوترها اجرا گردد. به این صورت که کد کامپایل شدهٔ جاوا ذخیره می‌شود، اما نه به‌صورت کد ماشین بلکه به‌صورت بایت‌کد جاوا. دستورالعمل‌ها شبیه کد ماشین هستند، اما با ماشین‌های مجازی که به‌طور خاص برای سخت‌افزارهای مختلف نوشته شده‌اند، اجرا می‌شوند.

java logo

در نهایت کاربر از سکوی جاوا نصب شده روی ماشین خود یا مرورگر وب استفاده می‌کند. کتابخانه‌های استاندارد یک راه عمومی برای دسترسی به ویژگی‌های خاص فراهم می‌کنند. مانند گرافیک، نخ‌کشی و شبکه. در بعضی از نسخه‌های ماشین مجازی جاوا، بایت‌کدها می‌توانند قبل و در زمان اجرای برنامه به کدهای محلی کامپایل شوند. فایدهٔ اصلی استفاده از بایت‌کد، قسمت کردن است. اما ترجمهٔ کلی یعنی برنامه‌های ترجمه شده (برنامه‌های نوشته شده به زبان‌های Interpreter ای مثل جاوا) تقریباً همیشه کندتر از برنامه‌های کامپایل شدهٔ محلی اجرا می‌شوند.

این شکاف می‌تواند با چند تکنیک خوش‌بینانه که در کاربردهای JVM قبلی معرفی شد، کم شود. یکی از این تکنیک‌ها JIT است که بایت‌کد جاوا را به کد محلی ترجمه کرده و سپس آن را پنهان می‌کند. در نتیجه برنامه خیلی سریع‌تر نسبت به کدهای ترجمه شدهٔ خالص شروع و اجرا می‌شود. بیشتر JVMهای پیشرفته، به‌صورت کامپایل مجدد پویا، در آنالیز JVM، رفتار برنامهٔ اجرا شده و کامپایل مجدد انتخاب شده و بهینه‌سازی قسمت‌های برنامه، استفاده می‌شوند. کامپایل مجدد پویا می‌تواند کامپایل ایستا را بهینه‌سازی کند. زیرا می‌تواند قسمت hot spot برنامه و گاهی حلقه‌های داخلی که ممکن است زمان اجرای برنامه را افزایش دهند را تشخیص دهد. کامپایل JIT و کامپایل مجدد پویا به برنامه‌های جاوا اجازه می‌دهد که سرعت اجرای کدهای محلی بدون از دست دادن قابلیت انتقال افزایش پیدا کند.

تکنیک بعدی به عنوان کامپایل ایستا شناخته شده‌است؛ که کامپایل مستقیم به کدهای محلی است مانند بسیاری از کامپایلرهای قدیمی. کامپایلر ایستای جاوا، بایت‌کدها را به کدهای شیء محلی ترجمه می‌کند.

کارایی جاوا نسبت به نسخه‌های اولیه بیشتر شد. در تعدادی از تست‌ها نشان داده شد که کارایی کامپایلرJIT کاملاً مشابه کامپایلر محلی شد. عملکرد کامپایلرها لزوماً کارایی کدهای کامپایل شده را نشان نمی‌دهند. یکی از پیشرفت‌های بی‌نظیر در در زمان اجرای ماشین این بود که خطاها ماشین را دچار اشکال نمی‌کردند. علاوه بر این در زمان اجرای ماشینی مانند جاوا وسایلی وجود دارد که به زمان اجرای ماشین متصل شده و هر زمانی که یک استثناء رخ می‌دهد، اطلاعات اشکال زدایی که در حافظه وجود دارد، ثبت می‌کنند.

پیاده‌سازی

شرکت سان‌مایکروسیستمز مجوز رسمی برای پلتفرم استاندارد جاوا را به مایکروسافت ویندوز، لینوکس، و سولاریس داده‌است. همچنین محیط‌های دیگری برای دیگر پلت فرم‌ها فراهم آورده‌است. علامت تجاری مجوز شرکت سان‌میکروسیستمز طوری بود که با همهٔ پیاده‌سازی‌ها سازگار باشد. به علت اختلاف قانونی که با مایکروسافت پیدا کرد، زمانی که شرکت سان ادعا کرد که پیاده‌سازی مایکروسافت از RMI یا JNI پشتیبانی نکرده و ویژگی‌های خاصی را برای خودش اضافه کرده‌است. شرکت سان در سال ۱۹۹۷ پیگیری قانونی کرد و در سال ۲۰۰۱ در توافقی ۲۰ میلیون دلاری برنده شد. در نتیجه کمی بعد مایکروسافت جاوا را به ویندوز فرستاد. در نسخهٔ اخیر ویندوز، مرورگر اینترنت نمی‌تواند از جاوا پلت فرم پشتیبانی کند. شرکت سان و دیگران یک سیستم اجرای جاوای رایگان برای آن‌ها و نسخه‌های دیگر ویندوز فراهم آوردند.

اداره خودکار حافظه

جاوا از حافظهٔ بازیافتی خودکار برای ادارهٔ حافظه در چرخهٔ زندگی یک شیء استفاده می‌کند. برنامه‌نویس زمانی که اشیاء به وجود می‌آیند، این حافظه را تعیین می‌کند؛ و در زمان اجرا نیز، زمانی که این اشیاء در استفادهٔ زیاد طولانی نباشند، برنامه‌نویس مسئول بازگرداندن این حافظه‌است. زمانی که مرجعی برای شی‌های باقی‌مانده نیست، شی‌های غیرقابل دسترس برای آزاد شدن به صورت خودکار توسط بازیافت حافظه، انتخاب می‌شوند. اگر برنامه‌نویس مقداری از حافظه را برای شی‌هایی که زیاد طولانی نیستند، نگه دارد، چیزهایی شبیه سوراخ حافظه اتفاق می‌افتند.

یکی از عقایدی که پشت سر مدل ادارهٔ حافظهٔ خودکار جاوا وجود دارد، این است که برنامه‌نویس هزینهٔ اجرای ادارهٔ دستی حافظه را نادیده می‌گیرد. در بعضی از زبان‌ها حافظه لازم برای ایجاد یک شیء، به صورت ضمنی و بدون شرط، به پشته تخصیص داده می‌شود؛ یا به‌طور صریح اختصاص داده شده و از heap بازگردانده می‌شود. در هر کدام از این راه‌ها، مسئولیت ادارهٔ اقامت حافظه با برنامه‌نویس است. اگر برنامه شیء را برنگرداند، سوراخ حافظه اتفاق می‌افتد. اگر برنامه تلاش کند به حافظه‌ای را که هم‌اکنون بازگردانده شده، دستیابی پیدا کند یا برگرداند، نتیجه تعریف شده نیست و ممکن است برنامه بی‌ثبات شده یا تخریب شود. این ممکن است با استفاده از اشاره‌گر مدتی باقی بماند، اما سرباری و پیچیدگی برنامه زیاد می‌شود. بازیافت حافظه اجازه دارد در هر زمانی اتفاق بیفتد. به‌طوری‌که این زمانی اتفاق می‌افتد که برنامه بی‌کار باشد. اگر حافظهٔ خالی کافی برای تخصیص شیء جدید در هیپ وجود نداشته باشد، ممکن است برنامه برای چند دقیقه متوقف شود. در جایی که زمان پاسخ یا اجرا مهم باشد، ادارهٔ حافظه و منابع اشیاء استفاده می‌شوند.

جاوا از نوع اشاره‌گر ریاضی C و ++C پشتیبانی نمی‌کند. در جایی که آدرس اشیاء و اعداد صحیح می‌توانند به جای هم استفاده شوند. همانند ++C و بعضی زبان‌های شی‌گرای دیگر، متغیرهای نوع‌های اولیهٔ جاوا شی‌گرا نبودند. مقدار نوع‌های اولیه، مستقیماً در فیلدها ذخیره می‌شوند. در فیلدها (برای اشیاء) و در پشته (برای توابع)، بیشتر از هیپ استفاده می‌شود. این یک تصمیم هوشیارانه توسط طراح جاوا برای اجرا است. به همین دلیل جاوا یک زبان شی‌گرای خالص به حساب می‌آید.

گرامر

گرامر جاوا محدودتر از ++C است و برخلاف ++C که ترکیبی است از ساختارها و شی‌گرایی، زبان جاوا یک زبان شی‌گرای خالص می‌باشد. فقط نوع دادهٔ اصلی از این قاعده مستثنی است. جاوا بسیاری از ویژگی‌ها را پشتیبانی می‌کند و از کلاس‌ها برای ساده‌تر کردن برنامه‌نویسی و کاهش خطا استفاده می‌کند.

نمونه‌هایی از برنامه‌های جاوا ( آموزش جاوا از صفر )

در زیر نمونه‌ای از برنامه‌ای که در جاوا نوشته شده‌است آورده شده‌است. البته برای کامپایل کردن این برنامه بایستی JDK (کیت توسعه جاوا) بر روی سیستم مورد نظر نصب شده باشد.

 

public class Test{
    public static void main(String[] args) {
      System.out.println("HelloWorld!");
  }
}

برای اجرای برنامه بالا، ابتدا باید یک فایل به نام Test.java ساخته شود و سپس کامپایل شود:

$ javac Test.java

سپس یک فایل خروجی به نام Test.class دریافت می‌شود. بعد با استفاده از دستور زیر برنامه قابل اجرا است:

$ java Test

برنامه Hello world به این صورت در زبان جاوا می‌تواند نوشته شود:

// HelloWorld.java
public class HelloWorld {
   public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Hello, World!");
  }
}

بر طبق قرارداد فایل‌ها باید هم نام کلاس‌های عمومی نام‌گذاری شوند. سپس باید پسوند java را به این صورت به نام فایل اضافه کرد: “HelloWorld.java”. این فایل اول باید با استفاده از کامپایلر جاوا به بایت کد کامپایل شود. در نتیجه فایل HelloWorld.class ایجاد می‌شود. این فایل قابل اجرا است. فایل جاوا ممکن است فقط یک کلاس عمومی داشته باشد. اما می‌تواند شامل چندین کلاس با دستیابی عمومی کمتر باشد.

کلاسی که به صورت خصوصی تعریف می‌شود ممکن است در فایل.java ذخیره شود. کامپایلر برای هر کلاسی که در فایل اصلی تعریف می‌شود یک کلاس فایل تولید می‌کند؛ که نام این کلاس فایل همنام کلاس است با پسوند.class

کلمه کلیدی public (عمومی) برای قسمت‌هایی که می‌توانند از کدهای کلاس‌های دیگر صدا زده شوند، به کار برده می‌شود. کلمهٔ کلیدی static (ایستا) در جلوی یک تابع، یک تابع ایستا را که فقط وابسته به کلاس است و نه قابل استفاده برای نمونه‌هایی از کلاس، نشان می‌دهد. فقط تابع‌های ایستا می‌توانند توسط اشیاء بدون مرجع صدا زده شوند. داده‌های ایستا به متغیرهایی که ایستا نیستند، نمی‌توانند دسترسی داشته باشند.

کلمهٔ کلیدی void (تهی) نشان می‌دهد که تابع main هیچ مقداری را برنمی‌گرداند. اگر برنامهٔ جاوا بخواهد با خطا از برنامه خارج شود، باید System.exit() صدا زده شود. کلمهٔ main یک کلمهٔ کلیدی در زبان جاوا نیست. این نام واقعی تابعی است که جاوا برای فرستادن کنترل به برنامه، صدا می‌زند. برنامه جاوا ممکن است شامل چندین کلاس باشد که هر کدام دارای تابع main هستند.

تابع main باید آرایه‌ای از اشیاء رشته‌ای را بپذیرد. تابع main می‌تواند از آرگومان‌های متغیر به شکل public static void main(string… args) استفاده کند که به تابع main اجازه می‌دهد اعدادی دلخواه از اشیاء رشته‌ای را فراخوانی کند. پارامترstring[] args آرایه‌ای از اشیاء رشته ایست که شامل تمام آرگومان‌هایی که به کلاس فرستاده می‌شود، است.

چاپ کردن، قسمتی از کتابخانهٔ استاندارد جاوا است. کلاس سیستم یک فیلد استاتیک عمومی به نام out تعریف کرده‌است. شیء out یک نمونه از کلاس PrintStream است و شامل تعداد زیادی تابع برای چاپ کردن اطلاعات در خروجی استاندارد است. همچنین شامل println(string) برای اضافه کردن یک خط جدید برای رشتهٔ فرستاده شده اضافه می‌کند.

public class Student{
  private int code;
  private String name;
   public Student(int code, String name){
   this.code = code;
   this.name = name;
  }
  public int getCode(){
   return this.code;
 }
 public String getName(){
  return this.name;
 }
   public void setCode(int code){
    this.code = code;
 }
   public void setName(String name){
   this.name = name;
}
}

جاوا نسخه ۹ و ماژولار شدن جاوا

در نسخهٔ جاوا ۹ که در تاریخ ۲۱ سپتامبر ۲۰۱۷، به صورت عمومی عرضه شد، پروژه‌ای به نام Jigsaw به آن اضافه شد که قابلیت برنامه‌نویسی در قالب ماژول را در جاوا امکان‌پذیر کرد

داشتن یک پلتفرم ماژولار و ماژولار شدن JDK به توسعه‌دهندگان آن کمک می‌کند چنین پلتفرم قدیمی، گنده و بزرگی را مدیریت کنند و به جلو حرکت دهند. آن‌طور که معماران آن می‌گویند، الان تنها فرصتی بود که به سمت ماژولار کردن JDK پیش بروند وگرنه در آینده هرگز چنین اتفاقی ممکن نمی‌شد. ماژولاریتی علاوه بر کمک کردن به توسعه‌دهندگان JDK برای حرکت آن رو به جلو، فرصتی استثنایی‌تر را برای ما ایجاد می‌کند. تصور کنید که یک ماشین حساب ساده تحت کنسول نوشته‌اید، نه از امکانات JavaEE استفاده می‌کنید، نه کاری به CORBA دارید، نه JPA. احتمالاً تنها چیزی که نیاز دارید موارد پایه‌ای است. اما برای اجرا و توزیع برنامه‌تان نیاز به یک JRE کامل و حجیم دارید که احتمالاً راه انداختنش هم چندان ارزان نیست. اما با ماژولار شدن جاوا شما می‌توانید فقط ماژول‌هایی که استفاده کرده‌اید را در قالب یک Runtime Image داشته باشید که دیگر چیزهای اضافی‌ای که از آن‌ها استفاده نکرده‌اید را ندارد. با این قابلیت، حجم برنامه‌ها کم شده و شما می‌توانید از دستگاه‌های Embedded که حافظه محدودتری دارند هم استفاده کنید.

هر ماژول دارای یک اسم است، کدهای مرتبط و پکیج‌ها را در درون خود نگه می‌دارد و کامل است به این معنی که یک کار مشخص را انجام می‌دهد و وظایفش را از طریق APIهای مشخص شده در دسترس دیگران قرار می‌دهد. یک ماژول به صورت صریح بیان می‌کند برای کار کردن به چه ماژول‌هایی نیاز دارد و کدام بخش از پکیج‌هایش برای دیگر ماژول‌ها قابل دسترسی است. این‌گونه به سادگی می‌توانیم وابستگی بین ماژول‌ها را تشخیص دهیم، بر روی Internal APIهایمان کنترل داشته باشیم و در صورت نبود یک ماژول در آغاز برنامه از نبود آن فوراً مطلع شویم و در صورت وجود هرگونه تداخلی به سرعت به خطا بربخوریم.

جاوا ۱۰ و Local Variable Type inference

این نسخه که در نسخه ۲۰ مارس ۲۰۱۸ عرضه گردید، یک نسخه کوتاه مدت بوده و بیشتر شامل مجموعه‌ای از بهینه‌سازی‌ها می‌باشد. در این میان قابلیت جالبی به نام Local Variable Type Interface دیده می‌شود. اگر با زبان پایتون کد زده باشید این قابلیت شبیه به تعریف متغیر در این زبان است. به‌طور خلاصه باید گفت با استفاده از این قابلیت دیگر نیاز به تعیین دقیق نوع متغیرهای محلی نداریم. این کامپایلر است که نوع متغیر را با توجه به مقداردهی تشخیص می‌دهد. تا به الان اگر می‌خواستیم لیستی از رشته‌ها بسازیم، کد مشابه پایین را می‌زدیم:

List<String> list = new ArrayList<>() ;

حال اگر بخواهیم از این قابلیت جدید استفاده کنیم کافیست به جای List (در اینجا نوع متغیر است) var را جایگزین کنیم. پس کد بالا به صورت زیر تغییر خواهد کرد:

var list = new ArrayList<String>() ;

var نه کلمهٔ کلیدی جدیدی است و نه هیچ بایت کد جدیدی برای آن تعریف شده‌است. براساس مقداری که به متغیر می‌دهیم تفسیر می‌شود.

جاوا در سال 2020

جاوا یکی دیگر از گزینه های محبوب در سازمان های بزرگ می باشد و ده ها سال است که به همان شکل باقی مانده است. جاوا به طور گسترده ای برای ساخت برنامه های تحت وب در مقیاس سازمانی استفاده می شود و مدت هاست که در لیست بهترین زبان های برنامه نویسی دیده می شود. جاوا بسیار پایدار است و بنابراین ، بسیاری از سازمانهای بزرگ آن را پذیرفته اند. اگر به دنبال شغل مبتنی بر توسعه در یک سازمان بزرگ هستید ، جاوا زبانی است که شما باید یاد بگیرید. جاوا همچنین در توسعه برنامه اندروید کاربرد گسترده ای دارد. تقریباً هر شغلی امروز به یک برنامه اندروید نیاز دارد. با توجه به اینکه امروز میلیاردها کاربر اندروید وجود دارد و با توجه به این واقعیت که گوگل یک چارچوب عالی برای توسعه مبتنی بر جاوا – Android Studio – ایجاد کرده است ، فرصتی بزرگ برای توسعه دهندگان جاوا باز می شود.