برنامه نویسی جاوا چیست؟ و چه کاربردی دارد

در این مقاله قصد داریم در مورد زبان برنامه‌ نویسی جاوا صحبت کنیم. جاوا یک زبان برنامه‌ نویسی شی‌گرا، چندسکویی و بسیار قدرتمند است که به‌طور گسترده در توسعه نرم‌افزارهای سازمانی، اپلیکیشن‌های موبایل (اندروید)، بازی‌ها و سیستم‌های تحت وب مورد استفاده قرار می‌گیرد. این زبان با شعار «یک بار بنویس، همه‌جا اجرا کن» (Write Once, Run Anywhere) شناخته می‌شود که به دلیل قابلیت اجرای کدها روی ماشین‌های مجازی جاوا (JVM) در پلتفرم‌های مختلف است. جاوا دارای کتابخانه‌های گسترده است که توسعه‌دهندگان را در فرآیند ساخت نرم‌افزارهای مقیاس‌پذیر و پایدار یاری می‌کند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد دنیای برنامه‌نویسی، مجله پی استور را دنبال کنید.

جاوا چیست؟ و چه کاربردی دارد

جاوا (Java) یک زبان برنامه‌نویسی شی‌گرا و کلاس‌محور است که توسط (Sun Microsystems) در سال ۱۹۹۵ معرفی شد. فلسفه طراحی جاوا بر مبنای سادگی، قابلیت حمل‌پذیری، و ایمنی بنا شده است. این زبان به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود به یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین زبان‌های جهان تبدیل شده است. برخی از کاربردهای اصلی آن عبارتند از:

استقلال از پلتفرم

کامپایلر کد منبع را به بایت‌کد تبدیل می‌کند و سپس JVM (ماشین مجازی جاوا) این بایت‌کد تولیدشده را اجرا می‌کند. این بایت‌کد می‌تواند بر روی هر پلتفرمی اجرا شود، خواه ویندوز، لینوکس یا مک‌او‌اس باشد. به این معنی که اگر برنامه‌ای را روی ویندوز کامپایل کنیم، می‌توانیم آن را روی لینوکس نیز اجرا کنیم و برعکس. هر سیستم‌عامل یک JVM متفاوت دارد، اما خروجی تولیدشده پس از اجرای بایت‌کد بر روی همه سیستم‌عامل‌ها یکسان است. به همین دلیل ما جاوا را زبان مستقل از پلتفرم می‌نامیم.

برنامه‌نویسی شیءگرا

جاوا یک زبان شیءگرا است که استفاده از اشیاء و کلاس‌ها را ترویج می‌دهد. سازماندهی برنامه به صورت مجموعه‌ای از اشیاء، روشی برای برنامه‌نویسی شیءگرا است که هرکدام نمایانگر یک نمونه از کلاس هستند.

چهار مفهوم اصلی برنامه‌نویسی شیءگرا عبارتند از:

• انتزاع (Abstraction)
• کپسوله‌سازی (Encapsulation)
• ارث‌بری (Inheritance)
• چندریختی (Polymorphism)

سادگی

Syntax (نحو) جاوا ساده و آسان برای یادگیری است، به‌ویژه برای افرادی که با زبان‌های C یا ++C آشنا هستند. جاوا ویژگی‌های پیچیده‌ای مانند اشاره‌گرها و ارث‌بری چندگانه را حذف می‌کند و نوشتن، اشکال‌زدایی و نگهداری کد را آسان‌تر می‌سازد.

قابلیت اطمینان

زبان جاوا به گونه‌ای طراحی شده است که قابلیت اطمینان بالایی دارد. در این زبان، تلاش بسیاری برای شناسایی خطاها در مراحل اولیه انجام می‌شود. به همین دلیل، کامپایلر جاوا قادر است حتی خطاهایی را که شناسایی آن‌ها در زبان‌های برنامه‌نویسی دیگر دشوار است، شناسایی کند. ویژگی‌هایی مانند جمع‌آوری زباله، مدیریت استثنائات و تخصیص حافظه، جاوا را قابل اطمینان‌تر می‌سازد.

امنیت

در جاوا، ما اشاره‌گر نداریم و بنابراین نمی‌توانیم به آرایه‌های خارج از محدوده دسترسی پیدا کنیم؛ بدین معنی که در صورت تلاش برای انجام این کار، استثنایی به نام ArrayIndexOutOfBound Exception نمایش داده می‌شود. به همین دلیل، مشکلات امنیتی مانند آسیب‌دیدگی پشته یا سرریز بافر در جاوا غیرقابل بهره‌برداری هستند. همچنین، برنامه‌های جاوا در محیطی مستقل از محیط سیستم‌عامل اجرا می‌شوند که این موضوع امنیت برنامه‌های جاوا را بیشتر می‌کند.

پراکندگی

ما می‌توانیم با استفاده از زبان برنامه‌ نویسی جاوا، برنامه‌های توزیع‌شده ایجاد کنیم. فراخوانی روش از راه دور (Remote Method Invocation) و Enterprise Java Beans برای ساخت برنامه‌های توزیع‌شده در جاوا استفاده می‌شوند. برنامه‌های جاوا می‌توانند به راحتی بر روی یک یا چند سیستم که از طریق اینترنت به هم متصل هستند، توزیع شوند.

چندرشته‌ای (Multithreading)

جاوا از چندرشته‌ای پشتیبانی می‌کند، که امکان اجرای همزمان بخش‌های مختلف یک برنامه را فراهم می‌کند. این ویژگی به‌ویژه برای برنامه‌هایی که نیاز به عملکرد بالا دارند، مانند بازی‌ها و شبیه‌سازی‌های زمان واقعی، بسیار مفید است.

قابلیت حمل (Portability)

همانطور که می‌دانیم، کد جاوا نوشته‌شده بر روی یک دستگاه می‌تواند بر روی دستگاه دیگر اجرا شود. ویژگی مستقل از پلتفرم جاوا، که بایت‌کد آن می‌تواند بر روی هر پلتفرمی برای اجرا منتقل شود، جاوا را قابل حمل می‌سازد. عبارت WORA (Write Once, Run Anywhere) به این معناست که برنامه‌های جاوا یک فایل «class.» تولید می‌کنند که به برنامه‌های ما مربوط می‌شود اما حاوی کد در فرمت باینری است. این ویژگی، نرمال بودن معماری را فراهم می‌کند زیرا بایت‌کد به معماری خاص هیچ دستگاهی وابسته نیست. این دلیل اصلی است که جاوا به طور گسترده‌ای در صنعت فناوری اطلاعات جهانی استفاده می‌شود.

عملکرد بالا

معماری جاوا به گونه‌ای طراحی شده است که بار اضافی (Overhead) را در زمان اجرای برنامه کاهش می‌دهد و در برخی مواقع جاوا از کامپایلر Just In Time (JIT) استفاده می‌کند، که در آن کامپایلر به درخواست، تنها متدهای مورد نیاز را کامپایل می‌کند و این امر منجر به اجرای سریع‌تر برنامه‌ها می‌شود.

اصطلاحات ضروری جاوا که باید بدانید

قبل از شروع یادگیری جاوا، آشنایی با این اصطلاحات رایج جاوا ضروری است.

ماشین مجازی جاوا (JVM)

ماشین مجازی جاوا بخشی اساسی از پلتفرم جاوا است که مسئول اجرای بایت‌کد جاوا می‌باشد. این ماشین اطمینان می‌دهد که خروجی برنامه‌های جاوا در پلتفرم‌های مختلف با یکدیگر یکسان است. نوشتن برنامه توسط برنامه‌نویسان جاوا، مانند شما و من انجام می‌شود. مرحله کامپایل توسط کامپایلر JAVA که یک کامپایلر اصلی جاوا است و در کیت توسعه جاوا (JDK) موجود است، انجام می‌شود. این ابزار برنامه جاوا را به عنوان ورودی می‌گیرد و بایت‌کد را به عنوان خروجی تولید می‌کند. در مرحله اجرا، ماشین مجازی جاوا، بایت‌کدی را که توسط کامپایلر تولید شده است، اجرا می‌کند.

JVM به گونه‌ای طراحی شده که بایت‌کد تولیدشده توسط کامپایلر جاوا را اجرا کند. هر سیستم‌عامل نسخه خاص خود از JVM را دارد، اما تمامی JVMها از قوانین و استانداردهای یکسانی پیروی می‌کنند. این بدان معناست که برنامه‌های جاوا می‌توانند به طور یکسان بر روی هر دستگاهی که دارای JVM باشد، اجرا شوند، بدون توجه به سیستم‌عامل. به همین دلیل است که جاوا به عنوان یک زبان بدون وابستگی به پلتفرم شناخته می‌شود.

بایت‌کد

بایت‌کد (Bytecode) در زبان برنامه‌ نویسی جاوا یک نمای میانه و خاص از کد برنامه است که توسط کامپایلر جاوا تولید می‌شود. این بایت‌کد در واقع زبان میانی بین کد نوشته‌شده توسط برنامه‌نویس (که به زبان جاوا است) و کد ماشین (که توسط سخت‌افزار کامپیوتر قابل فهم است) می‌باشد.

کیت توسعه جاوا (JDK)

هنگامی که در مورد بایت‌کد و JVM صحبت می‌کردیم، از عبارت JDK استفاده کردیم. همانطور که از نامش پیداست، JDK یک کیت کامل برای توسعه جاوا است که شامل همه موارد از جمله کامپایلر، محیط اجرای جاوا (JRE)، دیباگرهای جاوا، مستندات جاوا و غیره می‌باشد. برای اجرای برنامه در جاوا، باید JDK را بر روی کامپیوتر خود نصب کنیم تا بتوانیم برنامه جاوا را ایجاد، کامپایل و اجرا کنیم.

محیط اجرای جاوا (JRE)

JDK شامل JRE است. نصب JRE بر روی کامپیوترهای ما اجازه می‌دهد تا برنامه‌های جاوا اجرا شوند، اما نمی‌توانیم آن‌ها را کامپایل کنیم. JRE شامل مرورگر، JVM، پشتیبانی از اپلت‌ها و پلاگین‌ها است. برای اجرای برنامه جاوا، یک کامپیوتر به JRE نیاز دارد.

جمع‌آوری زباله (Garbage Collector)

در جاوا، برنامه‌نویسان نمی‌توانند اشیاء را به‌طور مستقیم حذف کنند. برای حذف یا بازیابی حافظه، JVM برنامه‌ای به نام Garbage Collector دارد. جمع‌آورهای زباله می‌توانند اشیائی که به آن‌ها ارجاع داده نشده است را بازیابی کنند. بنابراین جاوا زندگی برنامه‌نویسان را با مدیریت حافظه آسان می‌کند. با این حال، برنامه‌نویسان باید به کد خود توجه داشته باشند و بررسی کنند که آیا از اشیائی استفاده می‌کنند که برای مدت طولانی استفاده شده‌اند. زیرا Garbage Collector نمی‌تواند حافظه اشیاء ارجاع داده شده را بازیابی کند.

مزایای جاوا

جاوا دارای مزایای زیادی هست که در ادامه به برخی از این مزایا می‌پردازیم:

• مستقل از پلتفرم: کد جاوا می‌تواند بر روی هر پلتفرمی که ماشین مجازی جاوا (JVM) روی آن نصب شده باشد اجرا شود. این بدان معناست که برنامه‌ها را می‌توان یک بار نوشت و بر روی هر دستگاهی اجرا کرد.
• شی‌گرا: جاوا یک زبان برنامه‌نویسی شی‌گرا است، که به این معنی است که از اصول کپسوله‌سازی، وراثت و چندریختی پیروی می‌کند.
• امنیت: جاوا دارای ویژگی‌های امنیتی داخلی است که آن را به یک پلتفرم امن برای توسعه برنامه‌ها تبدیل می‌کند، مانند مدیریت خودکار حافظه و بررسی نوع.
• جامعه بزرگ: جاوا دارای یک جامعه بزرگ و فعال از توسعه دهندگان است، که به این معنی است که پشتیبانی زیادی برای یادگیری و استفاده از این زبان در دسترس است.
• برنامه‌های سطح سازمانی: جاوا به طور گسترده برای توسعه برنامه‌های سطح سازمانی مانند برنامه‌های کاربردی وب، سیستم‌های تجارت الکترونیکی و سیستم‌های پایگاه داده استفاده می‌شود.

معایب جاوا

البته، در کنار مزایای فراوان جاوا، معایبی هم وجود دارد که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنم:

• عملکرد: در مقایسه با زبان‌های کامپایل شده مانند ++C، جاوا به دلیل استفاده از ماشین مجازی (JVM) و ترجمه کدهای بایت به کد ماشین، ممکن است در برخی موارد عملکرد پایین‌تری داشته باشد. این مسئله می‌تواند در برنامه‌هایی که نیاز به سرعت پردازش بالا دارند، محسوس باشد.
• پیچیدگی: اگرچه جاوا سعی در ساده‌سازی دارد، اما ماهیت شی‌گرایی آن و حجم زیاد کتابخانه‌ها و فریم‌ورک‌ها، می‌تواند برای مبتدیان پیچیده به نظر برسد و منحنی یادگیری نسبتاً شیبی دارد.
• مصرف حافظه: جاوا به دلیل مدیریت خودکار حافظه و استفاده از ماشین مجازی، ممکن است در مقایسه با برخی زبان‌های دیگر، حافظه بیشتری مصرف کند. این موضوع می‌تواند در دستگاه‌های با منابع محدود یا برنامه‌هایی با حجم داده بالا، یک چالش محسوب شود.
• کدنویسی طولانی‌تر: به دلیل ساختار شی‌گرا، گاهی اوقات برای انجام کارهای ساده، نیاز به نوشتن کدهای بیشتری در مقایسه با زبان‌های اسکریپتی و پویا وجود دارد.
• وابستگی به JVM: اگرچه JVM باعث استقلال پلتفرم می‌شود، اما وابستگی به آن می‌تواند در برخی موارد محدودیت‌هایی ایجاد کند. برای اجرای برنامه‌های جاوا حتماً باید JVM روی سیستم نصب شده باشد.
• مشکلات رابط کاربری گرافیکی (GUI): در گذشته، توسعه رابط‌های کاربری گرافیکی در جاوا به دلیل برخی محدودیت‌ها و پیچیدگی‌ها، چندان ساده نبود، اگرچه فریم‌ورک‌های مدرن این مشکلات را تا حدودی حل کرده‌اند.

چگونگی اجرای کدهای جاوا

اجرای کد برنامه جاوا شامل سه مرحله اصلی است:

مرحله اول: ایجاد برنامه
برنامه‌های جاوا با استفاده از یک ویرایشگر متن یا محیط توسعه یکپارچه (IDE) همچون IntelliJ IDEA ،Eclipse یا NetBeans نوشته می‌شود. کدها با افزودن پسوند java. در انتهای نام فایل ذخیره می‌شوند.

مرحله دوم: کامپایل برنامه
کامپایلر جاوا (java) کدهای منبع را به کدهای بایت کد (bytecode) تبدیل می‌کند، که در یک فایل با پسوند class. ذخیره می‌شود. این کدهای بایت کد مستقل از پلتفرم هستند و می‌توانند در هر ماشین Computes با وجود Runtime Environment JVM اجرایی شوند.

مرحله سوم: اجرا کردن برنامه
Runtime Environment JVM، کدهای بایت کد کامپایل شده را می‌سوزاند و آن را به کدهایی خاص به زبان ماشین تبدیل می‌کند که متناسب با سیستم عامل و سخت‌افزار موجود است.

برای نمونه

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

تفاوت های زبان جاوا و سی پلاس پلاس

زبان جاوا و سی پلاس پلاس دو زبان برنامه‌نویسی قدرتمند هستند که برای توسعه نرم‌افزارهای مختلف استفاده می‌شوند. با این وجود، هر دو زبان به صورت منحصربه‌فرد هستند و دارای ویژگی‌های هستند. در اینجا به تفاوت‌های عمده بین زبان جاوا و سی پلاس پلاس به شرح زیر می‌پردازیم:

۱. هدف طراحی

جاوا: ایجاد یک زبان برنامه‌نویسی مستقل از پلتفرم است که می‌توان آن را در هر سیستم‌عامل و سخت‌افزاری اجرا کرد.
سی پلاس پلاس: طراحی شده است تا به صورت مستقیم بر روی سخت‌افزار اجرا شود و به برنامه‌نویسان امکان دسترسی به سطح پایین سیستم را می‌دهد.

۲. نوع کامپایل

جاوا: کدهای جاوا بعد از کامپایل به بایت‌کد تبدیل می‌شوند و سپس در محیط اجرای جاوا (JVM) به کدهای ماشین تبدیل می‌شوند.
سی پلاس پلاس: کدهای سی پلاس پلاس مستقیماً به کد ماشین کامپایل می‌شوند و بنابراین مستقل از محیط‌های اجرایی خاص هستند.

۳. امنیت

جاوا: به طور پیش‌فرض ساختار امن‌تری دارد زیرا JVM و مکانیزم‌های امنیتی دیگر برای حفاظت از حافظه و داده‌ها استفاده می‌شوند.
سی پلاس پلاس: برنامه‌نویسان باید خود به تأمین امنیت برنامه‌های خود از طریق استفاده از روش‌های مناسب پرداخته و به مدیریت حافظه بپردازند.

۴. شیء‌گرایی

جاوا: یک زبان شیء‌گرا کامل است و تمام ویژگی‌های شیء‌گرایی را از جمله وراثت، چندشکلی و کپسوله‌سازی به‌خوبی پیاده‌سازی کرده است.
سی پلاس پلاس: نیز به شیوه‌ای شیء‌گرا عمل می‌کند، اما به صورت اختیاری بوده و از برنامه‌نویسی رویه‌ای نیز پشتیبانی می‌کند.

۵. کاربرد

جاوا: به طور گسترده برای توسعه نرم‌افزارهای تحت وب، اپلیکیشن‌های موبایل، و سرورها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سی پلاس پلاس: معمولاً در توسعه نرم‌افزارهای سیستمی، بازی‌ها و برنامه‌هایی که نیاز به عملکرد بالا دارند، استفاده می‌شود.

۶. سرعت اجرا

سی پلاس پلاس: به طور معمول، سرعت اجرای بالاتری نسبت به جاوا دارد زیرا به‌طور مستقیم به کد ماشین تبدیل می‌شود.
جاوا: به دلیل وجود JVM و تبدیل به بایت‌کد، ممکن است نسبت به سی پلاس پلاس کمی کندتر باشد.

۷. یادگیری و استفاده

جاوا: یادگیری آن ممکن است برای مبتدیان آسان‌تر باشد و منابع آموزشی گسترده‌تری برای آن وجود دارد.
سی پلاس پلاس: به دلیل پیچیدگی‌های مرتبط با مدیریت حافظه و ویژگی‌های پیشرفته‌اش، ممکن است یادگیری آن برای مبتدیان چالش‌برانگیزتر باشد.

چند مثال ساده در زبان برنامه نویسی جاوا

در اینجا چند مثال ساده از برنامه‌نویسی در زبان جاوا آورده شده است که می‌تواند به شما در درک اصول اولیه کمک کند.

مثال ۱: جمع ۴ عدد در جاوا

public class SumExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num1 = 10;
        int num2 = 20;
        int num3 = 30;
        int num4 = 40;

        int sum = num1 + num2 + num3 + num4;

        System.out.println("Sum: " + sum);
    }
}

در این مثال، چهار عدد (num1, num2, num3, و num4) به یکدیگر اضافه می‌شوند و نتیجه در متغیر sum ذخیره می‌شود. سپس، نتیجه با استفاده از System.out.println نمایش داده می‌شود.

مثال ۲: شناسایی عدد زوج و فرد در جاوا

import java.util.Scanner;

public class OddOrEven {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        System.out.print("Enter a number: ");
        int number = scanner.nextInt();

        if (number % 2 == 0) {
            System.out.println(number + " is an even number.");
        } else {
            System.out.println(number + " is an odd number.");
        }

        scanner.close();
    }
}

در این مثال، ما از عملگر % برای محاسبه باقیمانده تقسیم عدد بر ۲ استفاده می کنیم. اگر باقیمانده ۰ باشد، عدد زوج است، در غیر این صورت فرد است.

مثال ۳: محاسبه فاکتوریل

public class Factorial {
    public static void main(String[] args) {
        int number = 5; // عددی که می خواهیم فاکتوریل آن را محاسبه کنیم
        long factorial = 1;

        for (int i = 1; i <= number; i++) {
            factorial *= i;
        }

        System.out.println("فاکتوریل " + number + " برابر است با: " + factorial);
    }
}

در این مثال، از یک حلقه for برای محاسبه فاکتوریل عدد استفاده می کنیم. فاکتوریل یک عدد حاصل ضرب همه اعداد صحیح مثبت کوچکتر یا مساوی آن عدد است (به عنوان مثال، فاکتوریل ۵ برابر است با ۵ * ۴ * ۳ * ۲ * ۱ = 120) از نوع long برای متغیر factorial استفاده می کنیم زیرا فاکتوریل اعداد بزرگ می تواند مقدار بزرگی داشته باشد.

سخن آخر

زبان برنامه‌ نویسی جاوا به‌عنوان یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین زبان‌ها در دنیای فناوری اطلاعات شناخته می‌شود. ویژگی‌هایی چون استقلال از پلتفرم، سادگی در یادگیری، و اصول شیءگرایی، آن را به گزینه‌ای مناسب برای توسعه نرم‌افزارهای پیچیده و بزرگ تبدیل کرده است. توانایی جاوا در اجرای برنامه‌ها بر روی انواع سیستم‌عامل‌ها بدون نیاز به تغییر کد، به توسعه‌دهندگان این امکان را می‌دهد که نرم‌افزارهای خود را به راحتی به بازارهای مختلف ارائه دهند. همچنین، ویژگی‌های امنیتی بالا و قابلیت مدیریت استثناها، سبب می‌شود که جاوا برای توسعه نرم‌افزارهای حساس و امنیتی ایده‌آل باشد.