W6. Введение в Java: компиляция, JVM, JRE, JDK, модель памяти, ООП, классы и объекты

Quiz | Flashcards

1. Краткое содержание

1.1 Ландшафт языков программирования

Разработчику полезно знать несколько языков: универсального «лучшего» нет, у каждого языка свой application domain. Например, C — системный уровень, JavaScript — веб, Python — скрипты и data science.

Важнее не заучить один синтаксис, а понимать общие principles (принципы): языки часто делят базовые идеи, и это ускоряет изучение нового. Но похожий синтаксис не гарантирует похожую semantics (семантику) — под капотом поведение может сильно различаться.

1.2 Компиляция и выполнение программы

1.2.1 Классическая модель (например, C/C++)

1. Compilation: исходник → промежуточное представление.
2. Code generation: промежуточное → machine code под конкретный CPU.
3. Execution: ОС загружает и исполняет машинный код на железе.

Минус: бинарник не переносим между разными архитектурами.

1.2.2 Модель Java: независимость от платформы

Добавлен уровень абстракции.

1. Compilation: javac переводит .java в bytecode (.class) — инструкции для абстрактной машины.
2. Execution: JVM — программа, которая исполняет bytecode (интерпретация и/или JIT‑компиляция в машинный код конкретной платформы).

Отсюда лозунг «Write once, run everywhere»: на устройстве достаточно корректной JVM.

1.3 Платформа Java: JDK, JRE и JVM

Три аббревиатуры — вложенные уровни инструментов.

1.3.1 JVM (Java Virtual Machine)

JVM — спецификация виртуального процессора под bytecode; при запуске программы создаётся экземпляр JVM. Важно:

• Hardware independence: скрывает детали ОС и железа.
• Stack-based execution model: вычисления и вызовы через стек (проще регистровой модели).
• Automatic memory management: garbage collector автоматически возвращает память, которая больше не используется, и тем самым снижает риск типичных memory leaks.

1.3.2 JRE (Java Runtime Environment)

JRE — пакет для запуска Java-приложений: реализация JVM + Java Class Library. Для запуска чужих программ достаточно JRE.

1.3.3 JDK (Java Development Kit)

JDK — полный SDK для разработки: всё из JRE плюс javac, jdb, javadoc и др.

1.4 Модель памяти Java

Три основные области:

• Code area: загруженный bytecode классов (классы подгружаются по мере необходимости).
• Stack: при каждом вызове метода на стек кладётся (push) stack frame (activation record) с локальными переменными (включая примитивы и references на объекты) и параметрами, а также return address; при выходе кадр снимается (pop). Структура Last-In, First-Out (LIFO) удобна для рекурсии.
• Heap: все объекты Java; управляется garbage collector.

1.5 Введение в объектно-ориентированное программирование (OOP)

1.5.1 Идея

OOP моделирует систему как совокупность объектов со свойствами и поведением и их взаимодействием.

1.5.2 Class и Object

• Class — чертёж (blueprint): какие данные и methods есть у объектов этого типа; концепция времени компиляции. Пример: класс Car — поля color, speed, методы startEngine(), accelerate().
• Object — конкретный instance класса в памяти во время выполнения; у разных объектов своё состояние (myCar красный, yourCar синий).

В Java программа — это прежде всего набор объявлений классов.

1.6 Работа с объектами в Java

1.6.1 Value types vs. reference types

• Value types (Primitives): byte, short, int, long, float, double, char, boolean — переменная хранит само значение (часто на стеке).
• Reference types (Classes): переменная хранит reference на объект в heap, а не сам объект.

1.6.2 Создание объектов

Ключевое слово new:

Point p1 = new Point();

new: выделяет память в heap, инициализирует поля, возвращает ссылку.

1.6.3 Объекты и ссылки

Присваивание ссылок не копирует объект:

Point p1 = new Point();
Point p2 = p1; // p2 now refers to the SAME object as p1

Изменения через p2 видны через p1. Если на объект не осталось ссылок, он становится кандидатом на garbage collection.

1.6.4 Доступ к полям и методам экземпляра

К полям и методам экземпляра обращаются через dot notation по ссылке на объект.

p1.move(10, 5); // вызов move у объекта, на который ссылается p1

1.6.5 Constructors

Constructor — особый метод инициализации: имя совпадает с классом, вызывается при new. Можно перегрузить несколько конструкторов с разными параметрами.

public class Point {
    int x, y;

    // Default constructor
    public Point() {
        this.x = 0;
        this.y = 0;
    }

    // Parameterized constructor
    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
}

1.6.6 Interface vs. implementation (инкапсуляция)

• Interface класса (в смысле контракта): public поля и методы — что видят клиенты.
• Implementation: private детали и тела методов; можно менять, если публичный контракт стабилен.

По умолчанию доступ на уровне пакета; лучше явно помечать public / private.

1.7 Основы Java

1.7.1 Соглашения об именах

• Классы: UpperCamelCase.
• Методы и переменные: lowerCamelCase.

1.7.2 Wrapper classes

Для каждого примитива есть класс-обёртка (Integer, Double, …), чтобы использовать значения там, где нужны объекты (например, обобщённые коллекции).

1.7.3 Комментарии

//, /* */, /** Javadoc */ для javadoc.

---

2. Определения

• JVM: виртуальная машина, исполняющая bytecode.
• JRE: среда выполнения: JVM, библиотеки и компоненты для запуска приложений.
• JDK: JRE + инструменты разработки (javac, jdb, …).
• Bytecode: переносимый промежуточный код для JVM.
• Class: шаблон объекта: поля и методы.
• Object: экземпляр класса в памяти во время выполнения.
• Instance: синоним объекта.
• Stack: память под локальные переменные и кадры вызовов (LIFO).
• Heap: динамическая память под объекты.
• Garbage collection: автоматическое освобождение недостижимых объектов.
• Value type: примитив, хранит значение напрямую.
• Reference type: ссылка на объект в heap; все классы — reference types.
• Constructor: инициализация нового экземпляра.
• Method: блок кода, выполняющий задачу.
• Interface (of a class): совокупность доступных снаружи public членов.
• Implementation (of a class): внутренняя логика и скрытые данные.

---

3. Примеры

3.1. Поменять два числа местами (Лаба 6, Задание 1)

Напишите программу на Java, которая меняет два числа местами.

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.util.Scanner;

public class SwapNumbers {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a Scanner object to read user input.
        Scanner input = new Scanner(System.in);

        // Prompt for and read the first number.
        System.out.print("Enter first number: ");
        int num1 = input.nextInt();

        // Prompt for and read the second number.
        System.out.print("Enter second number: ");
        int num2 = input.nextInt();

        System.out.println("--Before swap--");
        System.out.println("First number = " + num1);
        System.out.println("Second number = " + num2);

        // Swapping logic using a temporary variable.
        int temp = num1;
        num1 = num2;
        num2 = temp;

        System.out.println("\n--After swap--");
        System.out.println("First number = " + num1);
        System.out.println("Second number = " + num2);
        
        input.close();
    }
}

3.2. ASCII-код символа (Лаба 6, Задание 2)

Программа, которая находит числовое значение символа в кодировке, принятой для char (в контексте курса — ASCII для латиницы).

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.util.Scanner;

public class AsciiValue {
    public static void main(String[] args) {
        // Create a Scanner object.
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        // Prompt the user to enter a character.
        System.out.print("Enter a character: ");
        
        // Read the first character of the user's input.
        char character = scanner.next().charAt(0);
        
        // In Java, a 'char' can be directly cast to an 'int' to get its ASCII value.
        int asciiValue = (int) character;
        
        // Print the result.
        System.out.println("The ASCII value of '" + character + "' is: " + asciiValue);
        
        scanner.close();
    }
}

3.3. Индексы всех букв алфавита в строке (Лаба 6, Задание 3)

Программа выводит индекс первого вхождения каждой буквы a–z в заданной строке.

Нажмите, чтобы увидеть решение

public class AlphabetIndex {
    public static void main(String[] args) {
        // The string to search within.
        String str = "The quick brown fox jumps over the lazy dog.";

        System.out.println("Finding indices of alphabet characters in the string:");
        System.out.println("'" + str + "'\n");

        // Iterate through each character of the alphabet from 'a' to 'z'.
        for (char alphabet = 'a'; alphabet <= 'z'; alphabet++) {
            // Use the indexOf method to find the first occurrence of the character.
            // indexOf returns -1 if the character is not found.
            int index = str.indexOf(alphabet);
            
            // If the character is found, print its index.
            if (index != -1) {
                System.out.println("'" + alphabet + "' is found at index: " + index);
            } else {
                System.out.println("'" + alphabet + "' is not found in the string.");
            }
        }
    }
}

3.4. Лексикографическое сравнение двух строк (Лаба 6, Задание 4)

Сравните две строки в лексикографическом порядке (compareTo).

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.util.Scanner;

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

        // Get the first string from the user.
        System.out.print("Enter the first string: ");
        String str1 = scanner.nextLine();

        // Get the second string from the user.
        System.out.print("Enter the second string: ");
        String str2 = scanner.nextLine();

        // The compareTo() method is the standard way to compare strings lexicographically in Java.
        int result = str1.compareTo(str2);

        // Analyze the result of compareTo().
        if (result < 0) {
            System.out.println("\"" + str1 + "\" is lexicographically less than \"" + str2 + "\"");
        } else if (result > 0) {
            System.out.println("\"" + str1 + "\" is lexicographically greater than \"" + str2 + "\"");
        } else {
            System.out.println("\"" + str1 + "\" is lexicographically equal to \"" + str2 + "\"");
        }
        
        scanner.close();
    }
}

3.5. Подсчёт гласных в строке (Лаба 6, Задание 5)

Метод, считающий гласные a,e,i,o,u (без учёта регистра).

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.util.Scanner;

public class VowelCounter {

    // This method takes a string and returns the number of vowels in it.
    public static int countVowels(String str) {
        int count = 0;
        // Convert the string to lower case to simplify the check.
        String lowerStr = str.toLowerCase();
        
        // Iterate through each character of the string.
        for (int i = 0; i < lowerStr.length(); i++) {
            char ch = lowerStr.charAt(i);
            // Check if the character is a vowel.
            if (ch == 'a' || ch == 'e' || ch == 'i' || ch == 'o' || ch == 'u') {
                count++;
            }
        }
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.print("Enter a string: ");
        String userInput = scanner.nextLine();
        
        // Call the method to count the vowels.
        int vowelCount = countVowels(userInput);
        
        System.out.println("The number of vowels in the string is: " + vowelCount);
        
        scanner.close();
    }
}

3.6. Фаренгейт → Цельсий (Лаба 6, Задание 6)

Перевод температуры из градусов Фаренгейта в Цельсия.

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.util.Scanner;

public class TempConverter {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        
        // Prompt the user for the temperature in Fahrenheit.
        System.out.print("Enter temperature in Fahrenheit: ");
        // Use double to allow for decimal values.
        double fahrenheit = scanner.nextDouble();
        
        // Apply the conversion formula: Celsius = (Fahrenheit - 32) * 5 / 9.
        double celsius = (fahrenheit - 32) * 5.0 / 9.0;
        
        // Print the result, formatted to two decimal places.
        System.out.printf("Temperature in Celsius is: %.2f\n", celsius);
        
        scanner.close();
    }
}

3.7. Разница между двумя интервалами времени (Лаба 6, Задание 7)

Вычислите разницу между двумя моментами, используя класс Time.

Нажмите, чтобы увидеть решение

public class TimeDifference {

    // The Time class to store hours, minutes, and seconds.
    static class Time {
        int hours;
        int minutes;
        int seconds;

        // Constructor to initialize the Time object.
        public Time(int h, int m, int s) {
            this.hours = h;
            this.minutes = m;
            this.seconds = s;
        }
        
        // Method to convert the entire time period into seconds for easy calculation.
        public int toSeconds() {
            return hours * 3600 + minutes * 60 + seconds;
        }

        // Static method to calculate the difference between two Time objects.
        public static Time difference(Time start, Time stop) {
            int diffInSeconds = stop.toSeconds() - start.toSeconds();
            
            // Handle cases where the difference might be negative.
            if (diffInSeconds < 0) {
                diffInSeconds = -diffInSeconds; // Take the absolute difference
            }
            
            // Convert the difference in seconds back to H:M:S format.
            int h = diffInSeconds / 3600;
            int m = (diffInSeconds % 3600) / 60;
            int s = diffInSeconds % 60;
            
            return new Time(h, m, s);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // Create two Time objects.
        Time startTime = new Time(10, 30, 15);
        Time endTime = new Time(12, 15, 45);

        // Calculate the difference.
        Time diff = Time.difference(startTime, endTime);

        // Print the results.
        System.out.printf("Start Time = %d:%d:%d\n", startTime.hours, startTime.minutes, startTime.seconds);
        System.out.printf("End Time   = %d:%d:%d\n", endTime.hours, endTime.minutes, endTime.seconds);
        System.out.printf("Difference = %d:%d:%d\n", diff.hours, diff.minutes, diff.seconds);
    }
}

3.8. Конвертер систем счисления (Лаба 6, Задание 8)

Перевод между двоичной, десятичной и шестнадцатеричной записью.

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.util.Scanner;

public class NumberConverter {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        
        // --- Decimal to Others ---
        System.out.print("Enter a decimal number: ");
        int decimal = scanner.nextInt();
        
        // Java's Integer class has built-in static methods for conversion.
        String binary = Integer.toBinaryString(decimal);
        String hex = Integer.toHexString(decimal);
        
        System.out.println("Binary equivalent: " + binary);
        System.out.println("Hexadecimal equivalent: " + hex.toUpperCase());
        
        // --- Binary to Decimal ---
        System.out.print("\nEnter a binary number: ");
        String binaryInput = scanner.next();
        // The parseInt method can take a radix (base) as a second argument.
        int decimalFromBinary = Integer.parseInt(binaryInput, 2);
        System.out.println("Decimal equivalent: " + decimalFromBinary);
        
        // --- Hexadecimal to Decimal ---
        System.out.print("\nEnter a hexadecimal number: ");
        String hexInput = scanner.next();
        int decimalFromHex = Integer.parseInt(hexInput, 16);
        System.out.println("Decimal equivalent: " + decimalFromHex);
        
        scanner.close();
    }
}

3.9. Среднее по массиву целых (Лаба 6, Задание 9)

Среднее арифметическое элементов int[].

Нажмите, чтобы увидеть решение

public class ArrayAverage {
    public static void main(String[] args) {
        // Initialize an integer array.
        int[] numbers = {10, 20, 30, 40, 50, 60};
        
        // Variable to hold the sum of the elements.
        double sum = 0;
        
        // Iterate through the array using an enhanced for loop.
        for (int number : numbers) {
            sum += number;
        }
        
        // Calculate the average. Cast one of the operands to double for floating-point division.
        double average = sum / numbers.length;
        
        // Print the result.
        System.out.println("The average of the array elements is: " + average);
    }
}

3.10. Вставка элемента в массив (Лаба 6, Задание 10)

Вставить элемент в массив в заданную позицию (новый массив большего размера).

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.util.Arrays;
import java.util.Scanner;

public class InsertIntoArray {
    public static void main(String[] args) {
        // Original array. Note: array size is fixed in Java.
        int[] originalArray = {10, 20, 30, 40, 50};
        int currentSize = originalArray.length;
        
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        System.out.println("Original array: " + Arrays.toString(originalArray));
        
        // Get the element and position from the user.
        System.out.print("Enter the element to insert: ");
        int elementToInsert = scanner.nextInt();
        
        System.out.print("Enter the position to insert at (0-based index): ");
        int position = scanner.nextInt();

        // Create a new array with one more space.
        int[] newArray = new int[currentSize + 1];

        // Copy elements from the original array to the new one up to the insertion point.
        for(int i=0; i < position; i++){
            newArray[i] = originalArray[i];
        }

        // Insert the new element at the specified position.
        newArray[position] = elementToInsert;
        
        // Copy the remaining elements from the original array, shifting their positions.
        for(int i=position; i < currentSize; i++){
            newArray[i+1] = originalArray[i];
        }
        
        System.out.println("New array: " + Arrays.toString(newArray));
        scanner.close();
    }
}

3.11. Дубликаты в массиве целых (Лаба 6, Задание 11)

Найдите повторяющиеся значения.

Нажмите, чтобы увидеть решение

public class FindDuplicates {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 5, 5, 6, 6, 7, 2};
 
        System.out.println("Duplicate elements in the array are: ");
        // Use nested loops to compare each element with every other element.
        for (int i = 0; i < array.length - 1; i++) {
            for (int j = i + 1; j < array.length; j++) {
                // If two elements are the same and their indices are different, it's a duplicate.
                if (array[i] == array[j]) {
                    System.out.println(array[j]);
                }
            }
        }
    }
}

3.12. Существует ли файл или каталог (Лаба 6, Задание 12)

Проверка пути.

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.io.File;
import java.util.Scanner;

public class FileExistsChecker {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        
        System.out.print("Enter a file or directory path: ");
        String path = scanner.nextLine();
        
        // Create a File object from the path string.
        File file = new File(path);
        
        // The exists() method returns true if the file or directory exists.
        if (file.exists()) {
            System.out.println("The file or directory at '" + path + "' exists.");
        } else {
            System.out.println("The file or directory at '" + path + "' does not exist.");
        }
        
        scanner.close();
    }
}

3.13. Файл это или каталог (Лаба 6, Задание 13)

По пути определить тип, если объект существует.

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.io.File;
import java.util.Scanner;

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

        System.out.print("Enter a file or directory path: ");
        String path = scanner.nextLine();
        
        File file = new File(path);
        
        if (file.exists()) {
            // The isDirectory() method returns true if the path points to a directory.
            if (file.isDirectory()) {
                System.out.println("The path '" + path + "' points to a directory.");
            } 
            // The isFile() method returns true if the path points to a file.
            else if (file.isFile()) {
                System.out.println("The path '" + path + "' points to a file.");
            }
        } else {
            System.out.println("The path '" + path + "' does not exist.");
        }
        
        scanner.close();
    }
}

3.14. Копирование текстового файла (Лаба 6, Задание 14)

Чтение из одного текстового файла и запись в другой.

Нажмите, чтобы увидеть решение

import java.io.File;
import java.io.FileReader;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;

public class FileCopier {
    public static void main(String[] args) {
        // Define file objects for the source and destination.
        File sourceFile = new File("source.txt");
        File destFile = new File("destination.txt");
        
        try {
            // Create a FileReader to read from the source file.
            FileReader reader = new FileReader(sourceFile);
            // Create a FileWriter to write to the destination file.
            FileWriter writer = new FileWriter(destFile);
            
            // A variable to hold one character at a time.
            int character;
            
            System.out.println("Copying file...");
            
            // Read from the source file character by character.
            // The read() method returns -1 when the end of the file is reached.
            while ((character = reader.read()) != -1) {
                // Write the character to the destination file.
                writer.write(character);
            }
            
            System.out.println("File copied successfully.");
            
            // Always close the streams to release resources.
            reader.close();
            writer.close();
            
        } catch (IOException e) {
            // Handle potential errors, such as the source file not being found.
            e.printStackTrace();
        }
    }
}