Core Java. Лекция 1

Обзор истории, возможностей и особенностей экосистемы Java

ponomarev@corchestra.ru

@inponomarev

Иван Пономарёв, КУРС/МФТИ

Выпускник МФТИ 2003 г., к.ф.-м.н
Tech Lead at KURS
ERP systems & Java background
Speaker at conferences
Heisenbug Program Committee Member

Как со мной связаться?

Как будет проходить курс?

Лекции
Семинарские занятия
Домашние работы
Баллы за сдачу ДЗ определяют финальную оценку

Полезные ссылки

https://bit.ly/java21-join (Telegram MIPT. Java-2021)
https://inponomarev.ru/corejava

Полезные книги

Cay S. Horstmann. Core Java vol 1 & 2
Raoul-Gabriel Urma et al. Modern Java in Action

Полезные книги*

Joshua Bloch Effective Java
Brian Goetz et al. Java Concurrency in Practice

TIOBE Index

number of search engine results for queries containing the name of the language
covers searches in Google, Google Blogs, MSN, Yahoo!, Baidu, Wikipedia and YouTube
reflects the number of skilled engineers, courses and jobs worldwide

RedMonk Index

GitHub & StackOverflow

27 лет Джавы

JDK 1.0 (January 23, 1996)      |  -- 6-monthly release cadence --
JDK 1.1 (February 19, 1997)     |  Java SE 10     (March 20, 2018)
J2SE 1.2 (December 8, 1998)     |  Java SE 11 LTS (September 25, 2018)
J2SE 1.3 (May 8, 2000)          |  Java SE 12     (March 19, 2019)
J2SE 1.4 (February 6, 2002)     |  Java SE 13     (September 17, 2019)
J2SE 5.0 (September 30, 2004)   |  Java SE 14     (March 17, 2020)
Java SE 6 (December 11, 2006)   |  Java SE 15     (September 15, 2020)
-- Sun acquisition by Oracle--  |  Java SE 16     (March 16, 2021)
Java SE 7 (July 28, 2011)       |  Java SE 17 LTS (September 14, 2021)
Java SE 8 (March 18, 2014)      |  Java SE 18     (March 22, 2022)
Java SE 9 (September 21, 2017)  |  Java SE 19     (September 20, 2022)
                                |  Java SE 20     (due to in March 2023)
                                |  Java SE 21 LTS (due to in September 2023)

6-monthly Release Cadence

Cay Horstmann Feature evolution in Java 13 and beyond

Истоки

Язык для приставок кабельного телевидения
Вдохновлён C++
WORA
Было и другое, но WORA — самое главное

Q&A with James Gosling, June 2020: https://www.youtube.com/watch?v=XThhlihqTXI

Вопрос

Как бы вы реализовали WORA?

Endianness…
Размер регистров…

Продолжение истории

Апплеты
Built-in security
Но Security сделать оказалось непросто
Апплеты не пошли (победил JavaScript)

Сегодняшний день

Desktop (?)
Embedded Systems
Server-side (backend)
Mobile Devices (Android) — отдельная история (see Google vs. Oracle case)

Безопасность в design-time и в run-time

Виртуальная машина

WORA + Две взаимосвязанные задачи:

Безопасность
Исключение фатальных сбоев на сервере

Генерируем байт-код, верифицируем и исполняем его в безопасной среде

Вопрос

int i = 2;
i = ++i + ++i + ++i;

Java — 12,
C — undefined behaviour
(https://stackoverflow.com/questions/3879176/i-i-i-in-java-vs-c)

Runtime-ошибки не катастрофичны

NullPointerException
ArrayIndexOutOfBoundsException

Виртуальные машины Java

Reference implementation: Oracle HotSpot

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Java_virtual_machines

~ 20 реализаций

Сервисы виртуальной машины и платформы

Byte code, интерпретация и JIT-компиляция.
Garbage Collection
MultiThreading & Memory Model
Загрузка и исполнение кода в runtime
Рефлексия
Стандартная библиотека

Верификация байт-кода

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.10

There are no operand stack overflows or underflows.
All local variable uses and stores are valid.
The arguments to all the Java Virtual Machine instructions are of valid types.

Интерпретация и JIT-компиляция

Оптимизация «на лету»

Garbage Collection

Разработчику не нужно заботиться о высвобождении памяти
Ссылок на объект нет? — garbage collection
Достоинства:
- Меньше кода
- Не бывает некорректных ссылок (на разрушенный объект)
- Меньше утечек памяти
Недостатки:
- Не контролируем время работы GC
- STW-паузы (бывает, в неподходящий момент)

Как может быть устроен GC?

Reference counting — циклы?
Mark & sweep
Гипотеза поколений

Гипотеза поколений

Типы коллекторов

Serial (for single-threaded, client environments)
Parallel (default)
CMS (Concurrent mark and Sweep — shorter pauses, share processor resources)
G1 (Garbage First — big heaps)
Shenandoah (submillisecond pauses)
Epsilon (no GC)

Latency vs. Throughput tradeoff

Многопоточность

Возможность запуска параллельных потоков выполнения встроена в язык с первой версии (Thread, Runnable etc)
JDK 1.5: существенные дополнения (executor, semaphore, mutex, barrier, latches, concurrent collections, blocking queues)
JDK 1.7: ForkJoinPool (work-stealing technique)
JDK 1.8: CompletableFuture

Будущее: Project Loom: lightweight user-mode threads (fibers)

Модель памяти

Memory Model: часть спецификации VM: модель того, как работает хранилище данных
Отвечает на вопрос: «какие значения может прочитать конкретный read в программе?»

Когда нужна memory model?

class DumbWayToFallAsleep implements Runnable {
  private boolean asleep;

  public void setAsleep(boolean asleep){
    this.asleep = asleep;
  }

  @Override
  public void run() {
    while (!asleep){
      //countSomeSheep
      //УСНЁМ ЛИ МЫ?
    }
  }
}

Когда нужна memory model?

class NotSoDumbWayToFallAsleep implements Runnable {
  private volatile boolean asleep;

  public void setAsleep(boolean asleep){
    this.asleep = asleep;
  }

  @Override
  public void run() {
    while (!asleep){
      //countSomeSheep
      //...
    }
  }
}

Загрузка и исполнение кода в runtime

Скомпилированный байт-код класса может быть доставлен на любую систему в runtime (чаще всего «подкладыванием файла» на файловую систему).
Пересборка/линковка не требуется.

Сериализация объектов, встроенная в язык

Идея, в начале казавшаяся очень хорошей!

Рефлексия

Исследование информации о классах, полях, методах и т. д. во время выполнения
Чтение/модификация полей (в том числе private!) и динамический вызов методов (в том числе private!)
Proxy и AOP

Стандартная библиотека

Cay Horstmann Feature evolution in Java 13 and beyond

Стандартная библиотека

Независимая от системы часть
- Структуры данных
- Математика
Зависимая от системы часть
- Дата и время
- Доступ к файловой системе
- Доступ к сети
- Пользовательский интерфейс

Обратная совместимость

Любой, как угодно давно скомпилированный .jar-файл может быть запущен на любой современной JVM
Дар или проклятие?

Развитие языка, начиная с восьмой версии

lambdas & functional programming,
modules,
compact strings,
type inference,
switch expressions,
pattern matching,
records…

Текущие проекты

Project Amber: productivity-oriented features
Project Loom: fibers & continuators
Project Valhalla: value types & generic specialization
Graal, Panama, Kulla, Sumatra…

Битва за новые возможности

Алексей Шипилёв, 2015: The Lord of the Strings: Two Scours
Тагир Валеев, 2018: Pattern matching и его воображаемые друзья
Сергей Куксенко, 2020: Valhalla is coming
Сергей Куксенко, 2020: Java threads are losing weight, performance review of Project Loom

Разнообразие языков для Java-машины

Есть виртуальная машина — можно компилировать из любого языка!
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_JVM_languages
20-30 языков
- Специально созданные: Groovy, Scala, Kotlin…
- Реимплементация для JVM: JRuby, Nashorn/Graal.js…
https://jaxenter.com/wp-content/uploads/2017/03/Pirates-of-the-JVM-JAXenter-768x4245.png