Java Programming

WHAT'S NEW

• 2024/12/13, 14 Java 入門: 使用する処理系のバージョンを OpenJDK 21 に変更
• 2024/12/12 Java 入門: はじめに を改訂

CONTENTS

• お気楽 Java プログラミング入門
• 続・お気楽 Java プログラミング入門
• 参考文献, URL
• 権利・免責事項など
• Java DE Puzzle
• Scala Programming (別ページへ移動)

『お気楽 Java プログラミング入門』と『続・お気楽 Java プログラミング入門』のフォントを Web フォント (Noto Sans JP, Noto Sans Mono) に変更し、印刷用の CSS を追加しました。Web ブラウザの印刷機能を使って PDF に変換することもできます。表示が崩れるときはフォント Noto Sans Mono CJK JP をインストールしてください。

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お気楽 Java プログラミング入門

CONTENTS

• 2024/12/12 はじめに
  Java のインストール、プログラムの実行、JShell、簡単なベンチマーク
• 2021/02/07 Java の基礎知識 (1)
  Java のプログラム、名前の付け方、整数と浮動小数点数、文字、文字列、var、if 文、比較演算子と論理演算子、三項演算子、while 文による繰り返し、インクリメント演算子とデクリメント演算子、FizzBuzz 問題、数値積分、問題
• 2021/02/07 Java の基礎知識 (2)
  配列、for 文による繰り返し、拡張 for 文、繰り返しの制御、コマンドライン引数の取得、素数を求める、エラトステネスの篩、素因数分解、switch 文、問題
• 2021/02/07 メソッドの関数的な使い方
  関数の基礎知識、関数の定義方法、局所変数と大域変数、局所変数の定義と有効範囲、可変長引数、関数の多重定義、データの探索、二分探索、素数を求める (2)、値呼びと参照呼び、問題
• 2021/02/07 再帰定義
  再帰定義の基本、再帰定義のポイント、ユークリッドの互除法、末尾再帰と繰り返し、クイックソート、クイックソートのプログラム、クイックソートの欠点、バックトラック法と再帰定義、順列の生成、問題
• 2021/02/07 オブジェクト指向の基礎知識
  オブジェクトとは？、クラスとインスタンス、メソッド、Java のクラス、Java のインスタンス、Java のメソッド、コンストラクタ、Point クラス、クラス変数、final 修飾子、クラスメソッド、問題
• 2021/02/14 継承
  継承、単一継承、多重継承、継承の仕組み、単一継承の使い方、オーバーライド、クラス変数とクラスメソッドの継承、データ型の継承、継承とオーバーライドの制限、抽象クラスと抽象メソッド、キャストとポリモーフィズム、問題
• 2021/02/14 インターフェースと例外処理
  多重継承とその問題点、Mix-in、インターフェース、インターフェースの使い方、Comparable インターフェース、クラスからインターフェースへのキャスト、例外処理、例外の捕捉、try 文の使い方、例外の送出、例外の定義、大域脱出、チェック例外と throws、finally 節、問題
• 2021/02/14 連結リスト
  連結リストの構造、クラスの定義、連結リストの操作メソッド、作業用メソッド nth()、データの取得、データの挿入、データの削除、その他の操作メソッド、データの変換、ボクシングとアンボクシング、実行例、問題
• 2021/02/14 入れ子クラスとイテレータ
  入れ子クラス、メンバ型の入れ子クラス、内部クラス、ローカルクラス、無名クラス、イテレータ、連結リストの改良
• 2021/02/14 ファイル入出力
  標準入出力の使い方、文字の入力、デフォルトの文字コード、文字の出力、行の入出力、バイナリファイルの入出力、文字エンコード方式の変更、ファイルを行単位で連結する

• 2024/12/13 使用する処理系のバージョンを OpenJDK 21 に変更

はじめに

Java は 1990 年代前半にサン・マイクロシステムズで開発されたオブジェクト指向プログラミング言語です。プログラミングに興味のある方ならば、Java をまったく知らないという人はほとんどいないと思います。最初期のころはとても遅かった Java ですが、JIT (Just in Time) コンパイラなどの技術により性能は大きく改善され、今では様々な分野で使われるようになりました。

最近は JavaScript, PHP, Perl, Python, Ruby などのスクリプト言語に注目が集まっていますが、JVM (Java 仮想マシン) 上で動作するスクリプト言語も開発されています。有名なところでは Groovy, Nashorn (JavaScript) ^[*1], Jython (Python), JRuby (Ruby) などがあります。また、関数型言語では Kawa (Scheme) や Clojure などの Lisp 系の言語や、ML のように型推論を行う Scala もあります。

これらのスクリプト言語は Java のライブラリ資産を簡単に利用することができます。また、時間のかかる処理を Java で作成し、それをスクリプト言語から呼び出すことで、プログラムの処理を高速化することもできます。Java の膨大なライブラリ資産を活用できるのは大きなメリットですし、Java とスクリプト言語で役割を分担することで、柔軟なプログラミングが可能になると思われます。

このように、Java はプログラミング言語というよりも、いろいろな言語を実行するためのプラットフォームになりつつあります。もちろん、その中心には Java があるわけで、Java を理解しておくと、他のスクリプト言語を使うときにも役に立つと思います。M.Hiroi は Java に関して初心者にすぎません。このページで簡単なプログラムを作りながら Java を勉強していきたいと思っております。たいしたことはできませんが、よろしければお付き合いくださいませ。

Java の開発環境はいろいろありますが、本ページでは OpenJDK (Open Java Development Kit) を使うことにします。OpenJDK - Wikipedia によると、『OpenJDK (Open Java Development Kit) は、プログラミング言語Javaのフリーかつオープンソースの実装である』とのことです。現時点 (2024 年 12 月) での最新バージョンは OpenJDK 23 ですが、Java の基本を勉強するのが目的であれば、最新バージョンでなくてもかまいません。本ページでは、Ubuntu 22.04 (WSL2) でダウンロードできる OpenJDK 21 (LTS) を使用することにします。

次のコマンドで簡単にインストールすることができます。

sudo apt install openjdk-21-jdk

$ java -version
openjdk version "21.0.5" 2024-10-15
OpenJDK Runtime Environment (build 21.0.5+11-Ubuntu-1ubuntu122.04)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 21.0.5+11-Ubuntu-1ubuntu122.04, mixed mode, sharing)

$ javac -version
javac 21.0.5

環境変数 (JAVA_HOME など) の設定は、必要になったときに行うことにしましょう。

●プログラムの実行

それではお馴染みの Hello, World! を表示するプログラムを作ってみましょう。次のリストを見てください。

リスト : Hello.java

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

ファイル名は Hello.java とします。拡張子は java で、ファイル名は public 宣言したクラスの名前 Hello と同じにしてください。Java はオブジェクト指向プログラミング言語なので、クラスを定義しないとプログラムを作ることができません。ここで簡単にクラス、インスタンス、メソッドについて説明しておきましょう。

クラスはオブジェクトの設計図にあたるもので、オブジェクトの「雛形」と呼ぶこともあります。このクラスから実体として作り出されるのがインスタンスです。このインスタンスを「オブジェクト」と考えてください。インスタンスを生成する方法は、当然ですがプログラミング言語によって違います。たとえばＣ++や Java は new を使います。

Java の場合、メソッドはクラスの中で定義します。一般に、メソッドはインスタンスを操作するための関数で、メソッドを呼び出すにはインスタンスが必要になります。これに対し、インスタンスを必要としないメソッドを定義することができます。これをクラスメソッドとかスタティックメソッドといいます。

クラスメソッドはインスタンスがなくても呼び出すことができます。クラス自身を操作する場合や関数のようなメソッドを定義する場合に使います。Java の場合、メソッドの定義に static を付けるとクラスメソッドになります。main はクラスメソッドで、Ｃ/Ｃ++の main 関数と同様にプログラムの実行は main メソッドから始まります。

main の引数 args にはコマンドラインで与えられた引数が格納されています。System.out.println() はデータを標準出力 (画面) へ出力するメソッドです。

オブジェクト指向についてはあとで詳しく説明しますが、とりあえずプログラムを作るには public 宣言したクラスと main メソッドが必要である、ということを覚えておいてください。

プログラムのコンパイルは javac で行います。シェルで javac Hello.java と入力すると、Hello.java がコンパイルされて Hello.class というファイルが作成されます。

$ javac Hello.java
$ ls Hello.*
Hello.class  Hello.java
$ java Hello
Hello, World!
$

プログラムの実行は java を使います。シェルで java Hello と入力します。クラス Hello のメソッド main が呼び出されて Hello, World! が表示されます。

●JShell

Java を学習する場合、JDK 9 から導入されたツール JShell (Java Shell) を使うと大変便利です。シェルで jshell を実行すると、メッセージとプロンプトが表示されて、対話モード (REPL : Read-Eval-Print-Loop) で Java を使用することができます。

$ jshell
|  JShellへようこそ -- バージョン21.0.5
|  概要については、次を入力してください: /help intro

jshell> /help intro
|
|                                   intro
|                                   =====
|
|  jshellツールを使用すると、Javaコードを実行して即座に結果を取得できます。
|  int x = 8などのJava定義(変数、メソッド、クラスなど)、
|  x + xなどのJava式またはJava文を入力したり、
|  インポートしたりできます。
|  これらのJavaコードの小さなチャンクを「スニペット」と呼びます。
|
|  また、/listなどの実行する内容を理解および制御できるjshellツール・コマンドも
|  あります
|
|  コマンドのリストを参照する場合: /help

jshell> 1 + 1
$1 ==> 2

jshell>

JShell では、行末のセミコロン (;) を省略することができます。終了する場合は /exit または CTRL-D を入力してください。本ページでは Ubunts 22.04 (WSL2) 上で JShell を使って Java (JDK 21) の基本的な機能を説明します。

●ソースファイルの文字コード

Windows の場合、プログラムを書くときに Shift JIS 以外の文字コードを使うと、javac でコンパイルエラーになります。

エラー: この文字は、エンコーディングMS932にマップできません

Shift JIS 以外の文字コードを使う場合はオプション -encoding で文字コードを指定してください。たとえば、UTF-8 ならば javac -encoding utf-8 ソースファイル とします。ご注意くださいませ。

●簡単なベンチマーク

Java のプログラムは Java 仮想マシン上で動作するので、JIT (Just in Time) コンパイラなどの技術によりプログラムを高速に実行することができます。その実行速度ですが、拙作のページ Algorithms with Python 再帰定義 の「たらいまわし関数」を使って調べてみました。

リスト : たらいまわし関数 (Java)

public class Tarai {
  static int tak(int x, int y, int z) {
    if (x <= y)
      return z;
    else
      return tak(tak(x - 1, y, z), tak(y - 1, z, x), tak(z - 1, x, y));
  }

  public static void main(String[] args) {
    System.out.println(tak(22, 11, 0));
  }
}

それでは実行結果を示します。tak(22, 11, 0) を計算しました。実行時間は Linux のコマンド time で計測しました。

• 実行環境 : Ubunts 22.04 (WSL2), Intel Core i5-6200U 2.30GHz
• 改訂 2024 年 12 月 12 日

Java は GCC や OCaml と同程度の速度をたたき出しています。その速さにちょっと驚きました。Java はとても優れた処理系だと改めて実感しました。

続・お気楽 Java プログラミング入門

CONTENTS

• 2021/02/21 ジェネリクス (前編)
  ジェネリクスの基本、ジェネリクスでのクラス定義、ジェネリクスによる関数定義、Pair と Triple の作成、可変長配列 (ArrayList)、Pair を格納する、連結リスト (ジェネリクス版)、簡単な実行例
• 2021/02/21 ジェネリクス (後編)
  型パラメータの制約、共変と反変、Java の配列は共変、ワイルドカード、共変と反変の指定、連結リストの改良、Comparable<E>、連想リスト
• 2021/02/21 ラムダ式
  関数型インターフェース、ラムダ式とメソッド参照、レキシカルスコープ、ラムダ式と局所変数、forEach メソッド、クロージャ (closure)、ジェネレータ、ジェネレータをリセットする
• 2021/02/21 二分木
  二分木の基本、節の定義、データの探索、データの挿入、データの削除、巡回 (traverse)、BinaryTree クラスの作成、実行例
• 2021/02/21 Optional<T>
  Optional<T> の生成、Optional<T> のメソッド、Optional<T> の高階関数
• 2021/02/21 Stream
  Stream の構成、Stream の生成、マッピング、フィルター、畳み込み、collect メソッド、並列処理、合計値を求める
• 2021/02/21 パッケージ
  パッケージの基本的な使い方、Java Archive、JAR ファイルの使い方、import static
• 2021/02/21 immutable な連結リスト
  不変データ構造、実装上の問題点、連結リストの仕様、プログラムリスト、簡単なテスト
• 2021/02/28 リストで遊ぼう
  問題 (longer, butlast, group, subList, zip, unzip, assoc, partition, quickSort, mergeList, mergeSort, permutations, combinations, powerSet, sieve, masterMind)、解答、実行例
• 2021/02/28 遅延評価
  遅延評価の実装、たらいまわし関数、遅延評価による高速化、クロージャによる遅延評価
• 2021/02/28 immutable な遅延ストリーム (前編)
  遅延ストリームの構造、遅延ストリームの生成、無限ストリームの生成、遅延ストリームの操作メソッド、遅延ストリームの連結、高階関数、flatMap()、takeWhile() と dropWhile()
• 2021/02/28 immutable な遅延ストリーム (後編)
  zipWith()、遅延ストリームの併合、集合演算、ハミングの問題、順列の生成、要素の選択、プログラムの作成、select() を使わない方法、組み合わせの生成、組 (Pair) を生成するストリーム、エラトステネスの篩、sieve() の高速化
• 2021/02/28 継続渡しスタイル
  継続とは？、継続渡しスタイル (CPS) とは？、再帰呼び出しと継続渡しスタイル、二重再帰と継続渡しスタイル、CPS の便利な使い方、二分木の巡回を CPS で実装、二分木と遅延ストリーム、部分集合の判定
• 2021/02/28 連結リストとキュー
  キューとは？、クラス Queue<E> の仕様、プログラムの作成、簡単なテスト、循環リスト、循環リストによるキューの実装、プログラムの作成、immutable なキュー、immuable なキューの仕様、プログラムの作成、実行例
• 2021/02/28 リストで遊ぼう (2)
  最小値、最大値、合計値、平均値、標準偏差、パスカルの三角形、ランレングス符号、経路の探索 (深さ優先探索、幅優先探索、反復深化)、8 クイーン、農夫と山羊と狼とキャベツの問題、完全順列、集合の分割、整数の分割
• 2021/02/28 数で遊ぼう
  素数、メルセンヌ素数、フィボナッチ数列の和、フィボナッチ素数、素因数分解、約数の個数、約数の総和、約数、完全数、友愛数

• 2024/12/14 使用する処理系のバージョンを OpenJDK 21 に変更

参考文献, URL

1. 井田昌之, 『はやわかり Java』, 共立出版, 1997
2. David Flanagan (著), 冨福剛 (訳), 『Java プログラムクイックリファレンス 第2版』, オライリー・ジャパン, 2001
3. Java® Platform, Standard Edition & Java Development Kit バージョン11 API仕様
4. Javaメモ, (ひしだまさん)

権利・免責事項など

『お気楽 Java プログラミング入門』と『続・お気楽 Java プログラミング入門』の著作権は筆者「広井誠 (Makoto Hiroi) 」が保持します。無断使用や無断転載は禁止いたします。『お気楽 Java プログラミング入門』と『続・お気楽 Java プログラミング入門』で作成したプログラムはフリーソフトウェアとします。ご自由にお使いください。プログラムの改造や配布もご自由にどうぞ。その際は、出典を明記してくださるようお願いいたします。

なお、これらのプログラムは無保証であり、使用したことにより生じた損害について、作者「広井誠 (Makoto Hiroi)」は一切の責任を負いません。また、これらのプログラムを販売することで利益を得るといった商行為は禁止いたします。

Java DE Puzzle

CONTENTS

• 2001/09/23 はじめに
• 2001/09/23 ワーム
• 2001/09/23 チョロアリ１
• 2001/09/23 チョロアリ２
• 2001/10/06 ソートアルゴリズムデモ
• 2001/10/09 続・ソートアルゴリズムデモ
• 2001/10/13 迷路の生成と探索のデモ
• 2001/10/22 ライン・パズル

はじめに

Java DE Puzzle は、パズルをメインに Java でプログラミングを楽しみましょう、というお気楽なページです。せっかく Java でプログラミングするのですから、パズルの解法プログラムだけではなく、パズルゲームや思考ゲームなど、いろいろなプログラム（アプレット）を作ってみたいと思います。もっとも、M.Hiroi は Java に関しては初心者にすぎません。たいしたことはできないでしょうが、よろしくお付き合いくださいませ。

権利・免責事項など

『Java DE Puzzle』で作成したプログラムはフリーソフトウェアとします。ご自由にお使いください。プログラムの改造や配布もご自由にどうぞ。その際は、出典を明記してくださるようお願いいたします。

なお、これらのプログラムは無保証であり、使用したことにより生じた損害について、作者「広井誠 (Makoto Hiroi)」は一切の責任を負いません。また、これらのプログラムを販売することで利益を得るといった商行為は禁止いたします。