Introduction to Programming Using Java

Introduction to Programming Using Java

Version 5.0, December 2006

(Version 5.0.2, with minor corrections, November 2007)

David J. Eck

Hobart and William Smith Colleges

ii

c 1996?2007, David J. Eck David J. Eck (eck@hws.edu) Department of Mathematics and Computer Science Hobart and William Smith Colleges Geneva, NY 14456 This book can be distributed in unmodified form with no restrictions. Modified versions can be made and distributed provided they are distributed under the same license as the original. More specifically: This work is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 License. To view a copy of this license, visit or send a letter to Creative Commons, 543 Howard Street, 5th Floor, San Francisco, California, 94105, USA. The web site for this book is:

Contents

Preface

xiii

1 The Mental Landscape

1

1.1 Machine Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Asynchronous Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 The Java Virtual Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Building Blocks of Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5 Object-oriented Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.6 The Modern User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7 The Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Quiz on Chapter 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 Names and Things

19

2.1 The Basic Java Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2 Variables and Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.1 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.2 Types and Literals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.3 Variables in Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3 Objects and Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.1 Built-in Subroutines and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.2 Operations on Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3.3 Introduction to Enums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4 Text Input and Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4.1 A First Text Input Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4.2 Text Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.4.3 TextIO Input Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.4.4 Formatted Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.4.5 Introduction to File I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.5 Details of Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5.1 Arithmetic Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.2 Increment and Decrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.5.3 Relational Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.5.4 Boolean Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.5.5 Conditional Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.5.6 Assignment Operators and Type-Casts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.5.7 Type Conversion of Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.5.8 Precedence Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.6 Programming Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

iii

iv

CONTENTS

2.6.1 Java Development Kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.6.2 Command Line Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.6.3 IDEs and Eclipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.6.4 The Problem of Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Exercises for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Quiz on Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3 Control

61

3.1 Blocks, Loops, and Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.1.1 Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.1.2 The Basic While Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.1.3 The Basic If Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.2 Algorithm Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.2.1 Pseudocode and Stepwise Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.2.2 The 3N+1 Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.2.3 Coding, Testing, Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.3 while and do..while . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.3.1 The while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.3.2 The do..while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.3.3 break and continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.4 The for Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.4.1 For Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.4.2 Example: Counting Divisors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.4.3 Nested for Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.4.4 Enums and for-each Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.5 The if Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.5.1 The Dangling else Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.5.2 The if...else if Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.5.3 If Statement Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.5.4 The Empty Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.6 The switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.6.1 The Basic switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.6.2 Menus and switch Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.6.3 Enums in switch Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.6.4 Definite Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.7 Exceptions and try..catch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.7.1 Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.7.2 try..catch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.7.3 Exceptions in TextIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.8 GUI Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Exercises for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Quiz on Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4 Subroutines

117

4.1 Black Boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.2 Static Subroutines and Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.2.1 Subroutine Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.2.2 Calling Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

CONTENTS

v

4.2.3 Subroutines in Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.2.4 Member Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.3 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.3.1 Using Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.3.2 Formal and Actual Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.3.3 Overloading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.3.4 Subroutine Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.3.5 Throwing Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.3.6 Global and Local Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.4 Return Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.4.1 The return statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.4.2 Function Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.4.3 3N+1 Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.5 APIs, Packages, and Javadoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.5.1 Toolboxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.5.2 Java's Standard Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.5.3 Using Classes from Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.5.4 Javadoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.6 More on Program Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.6.1 Preconditions and Postconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.6.2 A Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 4.6.3 The Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.7 The Truth About Declarations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.7.1 Initialization in Declarations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4.7.2 Named Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.7.3 Naming and Scope Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Exercises for Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Quiz on Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

5 Objects and Classes

165

5.1 Objects and Instance Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5.1.1 Objects, Classes, and Instances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5.1.2 Fundamentals of Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.1.3 Getters and Setters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

5.2 Constructors and Object Initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

5.2.1 Initializing Instance Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

5.2.2 Constructors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

5.2.3 Garbage Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

5.3 Programming with Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

5.3.1 Some Built-in Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

5.3.2 Wrapper Classes and Autoboxing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

5.3.3 The class "Object" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

5.3.4 Object-oriented Analysis and Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

5.4 Programming Example: Card, Hand, Deck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.4.1 Designing the classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.4.2 The Card Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

5.4.3 Example: A Simple Card Game . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

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