ג'אווה (שפת תכנות)

היסטוריה

השפה פותחה לראשונה כפרויקט פנים בתוך חברת סאן מיקרוסיסטמס, על ידי ג'יימס גוסלינג, ארכיטקט הפרויקט, שהחל בדצמבר 1990 בשם "פרויקט החמקן" (Stealth Project), ושמו הוחלף לאחר זמן מה ל"פרויקט הירוק" (Green Project). מטרתו המקורית של הפרויקט הייתה מערכות משובצות מחשב (embedded systems) עבור מכשירים חכמים (smart appliances) שונים, כגון מחשב כף יד (PDA) ואפילו תנור או מקרר חכם, תחום שסאן צפתה כי יתפתח מאוד מבחינה עסקית.
צוות הפרויקט פיתח שפה חדשה משום ששפות קיימות כגון C++ שנשקלה בתחילה, היו מורכבות מדי וצרכו משאבים גדולים מדי עבור מערכות פשוטות משובצות מחשב. אמנם, אחד מהנסיונות הראשונים של הצוות היה כתיבת גרסה שונה של ++C שתיקרא "--++++C"], אך במהרה החליט הצוות לכתוב שפה חדשה המתבססת על מספר עקרונות ותחביר דומה ל־C++. השם שהוצע בתחילה לשפה היה Oak (אלון), על שמו של עץ שגדל מחוץ לחלון של גוסלינג.
מבחינת תשתית השפה, הרעיון הבסיסי היה ליצור "מְפָרֵשׁ" (Interpreter) שקורא את קוד השפה ומבצע אותה. משמע, כי לכל סביבה יהיה מפרש משלה וכך ניתן לכתוב קוד מקור אחיד עבור סביבות שונות. בסוף 1992 סאן הקימה חברת בת בשם FirstPerson שייעודה לפתח ולמצוא שימושיים עסקיים לשפה החדשה.
הכיוון אותו בחרה FirstPerson היה ממירים (Set-Top Boxes) לחברות כבלים, שיוכלו להריץ יישומים עבור טלוויזיה אינטראקטיבית. לאחר שני כשלונות במכרזים גדולים (חברות הכבלים חששו ממתן חופש גדול מדי בידי משתמש הקצה) נסגרה החברה והצוות חזר לסאן.
ביולי 1994, לאחר שמספר חברים נוספים הצטרפו לצוות, וביניהם אריק שמידט, החליט הצוות על כיוון עסקי שלישי, חדש, והוא ה־Web. הם צפו שהמדיום החדש יהיה זקוק לשפה שבעזרתה יוכל להריץ בתחנות הקצה יישומים אינטראקטיביים ללא תלות במערכת ההפעלה או המעבד, ועל מחשבים חלשים יחסית.
באותה שנה, בפגישה בבית קפה בהשתתפות מספר חברי צוות, הוחלט על שינוי השם מאחר ש־Oak היה רשום כסימן רשום על ידי יצרן אחר. מקור השם ג'אווה אינו ברור. יש טוענים שאלו ראשי תיבות של חברי הצוות שנכחו בפגישה:
James Gosling, Arthur Van Hoff, and Andy Bechtolsheim
גרסה אחרת טוענת כי השם ניתן על שם הקפה שהוגש באותה פגישה (קפה שמקורו בג'אווה שבאינדונזיה). חיזוק לגרסה האחרונה ניתן למצוא בכך שארבעת הבתים הראשונים (ראה מספר קסם) של כל מחלקה בג'אווה הם, בהקסדצימל: 0xCAFEBABE... (ז'רגון כתיבת מילים באמצעות התווים המותרים בפורמט הקסדצימלי מוכר בשם Hexspeak). בהלצה נטען כי אלו ראשי תיבות של Just Another Vague Acronym ("עוד ראשי תיבות עמומים").
בשנת 1995 הטכנולוגיה הודגמה בכנס על דפדפן נטסקייפ על ידי סיבוב גוף תלת ממדי בעזרת תוכנת קצה בדפדפן המריצה ג'אווה וידועה בימינו כיישומון (Applet - יישום קטן אשר רץ בתוך הדפדפן). הטכנולוגיה התקבלה בהתלהבות. היישומונים התפתחו זמן מה עד שה־Flash התחיל להחליף את מקומם בזכות יכולת ההנפשה שלו.
גרסה 5.0, שהושקה בספטמבר 2004 הייתה ממוספרת גם 1.5, כשלב מעבר ממספור גרסאות בקפיצות של עשירית (למשל, מ־1.3 ל־1.4) למספור בקפיצות של מספרים שלמים. השינוי בשיטת המספור ציין את קפיצת המדרגה בגרסה זו שכללה שינויים רבים (ובפרט Generics). כמו כן השינוי בשיטת המספור נובע, ככל הנראה, גם מן התחרות עם שפת C#, שהמיספור שלה קופץ במספרים שלמים.
בנובמבר 2006, הכריזה חברת סאן כי ג'אווה תוצע גם תחת רישוי GPL v2. ההכרזה כוללת את השפה והמהדר, הספריות, סביבת הריצה (JVM) והכלים הנלווים. בכך הפכה ג'אווה לשפה וסביבה פתוחה וחופשית.

עקרונות

ג'אווה היא שפה בעלת טיפוסיות סטטית חזקה, כלומר לכל ביטוי בשפה מתאים טיפוס יחיד, תקינות ביטויים נבדקת בזמן ההידור, במידת האפשר. כאשר אין זה אפשרי, תתבצע בדיקה בזמן ריצה.
ג'אווה תומכת בתכנות מונחה עצמים. עם זאת ג'אווה עדיין כוללת, מטעמי יעילות, גם "טיפוסים פרימיטיביים", שאינם אובייקטים. משום כך (ומסיבות נוספות) אינה נחשבת שפה מונחית עצמים "טהורה" כמו Smalltalk או Ruby. עם זאת, לכל טיפוס פרימיטיבי בג'אווה יש מחלקה עוטפת, אליה וממנה מתבצעת המרה אוטומטית (Boxing). למשל, לטיפוס הפרימיטיבי int קיימת מחלקה עוטפת Integer.
שפת ג'אווה כוללת גם ניהול זיכרון אוטומטי. המתכנת פטור מן ההכרח לשחרר זיכרון המוקצה לאובייקט ברגע שאין עוד משתנים המצביעים עליו. במקום זאת, סביבת זמן הריצה כוללת מנגנון "איסוף זבל", המבצע זאת אוטומטית.
ג'אווה מאפשרת ירושה יחידה בלבד, וזאת על מנת למנוע בעיות דו־משמעות הנוצרות מירושת יהלום. כדי לאפשר גמישות דומה לזו של ירושה מרובה, קיים בג'אווה מנגנון ממשק (interface) המגדיר רשימה של מתודות, המהווה חוזה עם המתכנת. כך כל מחלקה יכולה להרחיב (extends) לכל היותר מחלקה אחת, ולממש (implements) מספר בלתי מוגבל של ממשקים. על המחלקה לממש במפורש כל מתודה בכל ממשק כזה, וכך לא קיימת בעיה של כפל משמעות.
בגרסה 5.0 נוספו מספר הרחבות חשובות לשפה, ביניהן תכנות גנרי (Generics), מספר משתנה של פרמטרים לפונקציה וטיפוסי מניה (Enums).
בגרסה 7 של השפה נוספה תמיכה בהקצאת משאבים תחומה־לקסיקלית - בלוקים של try-with-resources.
בגרסה 8 של השפה נוספה תמיכה נרחבת וישירה בטכניקות של תכנות פונקציונלי; בין היתר נוסף תחביר עבור פונקציות למבדא, נוסף תחביר להעברה של מתודות כפרמטר, נוספו ממשקים עבור פונקציות, נוסף טיפוס נתונים מובנה Stream התומך בפונקציות מסדר גבוה ובפעולות כגון map או collect ונוספה מתודה forEach לטיפוס הנתונים Iterator.
בגרסה 9 של השפה נוספה האפשרות למימוש ברירת-מחדל עבור מתודות בממשקים, נוספו מתודות ייצור סטטיות עבור אוספים כגון List, ונוספו מתודות שונות ל Option ול Stream

ביצועים

בראשית דרכה סבלה ג'אווה מביצועים גרועים, היות שמנועי זמן הריצה בוססו על מפרש בלבד. אולם, עם התפתחות השפה, הוחל שימוש בטכניקה הקרויה JIT‏ - Just In Time, אשר בבסיסה עמד העיקרון של הידור דינמי של קוד המכונה הווירטואלי לקוד המכונה הספציפי בזמן הריצה. על ידי כך מתקבלים ביצועים טובים יותר, ותאורטית אף גבוהים יותר משפת ++C במצבים מסוימים (היות שההידור מתבצע תוך כדי ריצת התוכנה, יש למהדר ידע מדויק יותר על ריצת התוכנה, מה שמסייע לביצוע אופטימיזציות טובות יותר לקוד).
גישה אחרת לנושא הביצועים מפרידה את עיקרון המכונה הווירטואלית מהשפה, ומהדרת את קוד המקור ישירות לקוד מכונה ספציפי, שרץ ככל תוכנה אחרת במערכת. עם זאת, גם בהידור כזה ישנו חיסרון לעומת שפות כמו ++C שעוצבו במיוחד לאפשר ריצה מהירה. לדוגמה, כל קריאה לשיטה בג'אווה כוללת חיפוש בזמן ריצה של השיטה המתאימה, בניגוד לשפת ++C בה קריאה לשיטה שאינה מוגדרת כוירטואלית שקולה לקריאה לפונקציה רגילה. בנוסף לכך ג'אווה נודעת בצריכת זיכרון גבוהה בהשוואה לקוד דומה שנכתב בשפה כגון שפת C++, זאת עקב טעינה של ספריות ניהול של המכונה הווירטואלית. צריכת זיכרון גבוהה זו באה לידי ביטוי בעיקר במערכות הפעלה מסוג UNIX.

דוגמה לתוכנית בשפת ג'אווה

התוכנית המופיעה להלן כתובה בשפת ג'אווה, והיא בודקת האם מספר שהועבר אליה הוא מספר ראשוני. הסימן "//" מציין שהטקסט שמימינו אינו חלק מקוד התוכנית, אלא הוא הערה שמטרתה להסביר את התוכנית למתכנת הקורא אותה. התוכנית מחולקת לשתי פונקציות, האחת בודקת האם מספר נתון הוא ראשוני, והשנייה מטפלת בדיאלוג עם המשתמש: קבלת המספר לבדיקה (קלט) והצגת תוצאות הבדיקה (פלט).
import java.util.Scanner;public class JavaProgram{
public static int getFactor (int num)
{
double sqrt = Math.sqrt(num);
// try to find a factor that is not 1.
for (int i = 2; i <= sqrt; i++) {
                        if (num % i == 0) // is num divisible by i?
                                return i;
}
return 1; // num is a prime.
} // End of getFactor function.

public static String communicate (int num)
{ // communicate with the user.
if (num <= 0)// is it a valid input?
            return "The checked number should be positive";
int factor = getFactor(num);
if (factor == 1)
return num + " is a prime";
else
return num + " is not a prime, " + num + " = " + num/factor + " × " + factor;
} // End of communication function

public static void main (String [] args)
{
Scanner in = new Scanner(System.in);
System.out.println(communicate(in.nextInt()));
}}
​