Имена. Пакеты

Пакеты

Программа на Java представляет собой набор пакетов (packages). Каждый пакет может включать вложенные пакеты, то есть они образуют иерархическую систему.

Кроме того, пакеты могут содержать классы и интерфейсы и таким образом группируют типы. Это необходимо сразу для нескольких целей. Во-первых, чисто физически невозможно работать с большим количеством классов, если они "свалены в кучу". Во-вторых, модульная декомпозиция облегчает проектирование системы. К тому же, как будет показано ниже, существует специальный уровень доступа, позволяющий типам из одного пакета более тесно взаимодействовать друг с другом, чем с классами из других пакетов. Таким образом, с помощью пакетов производится логическая группировка типов. Из ООП известно, что большая связность системы, то есть среднее количество классов, с которыми взаимодействует каждый класс, заметно усложняет развитие и поддержку такой системы. Используя пакеты, гораздо проще организовать эффективное взаимодействие подсистем друг с другом.

Наконец, каждый пакет имеет свое пространство имен, что позволяет создавать одноименные классы в различных пакетах. Таким образом, разработчикам не приходится тратить время на разрешение конфликта имен.

Элементы пакета

Еще раз повторим, что элементами пакета являются вложенные пакеты и типы (классы и интерфейсы). Одноименные элементы запрещены, то есть не может быть одноименных класса и интерфейса, или вложенного пакета и типа. В противном случае возникнет ошибка компиляции.

Например, в JDK 1.0 пакет java содержал пакеты applet, awt, io, lang, net, util и не содержал ни одного типа. В пакет java.awt входил вложенный пакет image и 46 классов и интерфейсов.

Составное имя любого элемента пакета – это составное имя этого пакета плюс простое имя элемента. Например, для класса Object в пакете java.lang составным именем будет java.lang.Object, а для пакета image в пакете java.awt – java.awt.image.

Иерархическая структура пакетов была введена для удобства организации связанных пакетов, однако вложенные пакеты, или соседние, то есть вложенные в один и тот же пакет, не имеют никаких дополнительных связей между собой, кроме ограничения на несовпадение имен. Например, пакеты space.sun, space.sun.ray, space.moon и factory.store совершенно "равны" между собой и типы одного из этих пакетов не имеют никакого особенного доступа к типам других пакетов.

Платформенная поддержка пакетов

Простейшим способом организации пакетов и типов является обычная файловая структура. Рассмотрим выразительный пример, когда все пакеты, исходный и бинарный код располагаются в одном каталоге и его подкаталогах.

В этом корневом каталоге должна быть папка java, соответствующая основному пакету языка, а в ней, в свою очередь, вложенные папки applet, awt, io, lang, net, util.

Предположим, разработчик работает над моделью солнечной системы, для чего создал классы Sun, Moon и Test и расположил их в пакете space.sunsystem. В таком случае в корневом каталоге должна быть папка space, соответствующая одноименному пакету, а в ней – папка sunsystem, в которой хранятся классы этого разработчика.

Как известно, исходный код располагается в файлах с расширением .java, а бинарный – с расширением .class. Таким образом, содержимое папки sunsystem может выглядеть следующим образом:

Moon.java
Moon.class
Sun.java
Sun.class
Test.java
Test.class

Другими словами, исходный код классов

space.sunsystem.Moon
space.sunsystem.Sun
space.sunsystem.Test

хранится в файлах

space\sunsystem\Moon.java
space\sunsystem\Sun.java
space\sunsystem\Test.java

а бинарный код – в соответствующих .class -файлах. Обратите внимание, что преобразование имен пакетов в файловые пути потребовало замены разделителя . (точки) на символ-разделитель файлов (для Windows это обратный слэш \). Такое преобразование может выполнить как компилятор для поиска исходных текстов и бинарного кода, так и виртуальная машина для загрузки классов и интерфейсов.

Обратите внимание, что было бы ошибкой запускать Java прямо из папки space\sunsystem и пытаться обращаться к классу Test, несмотря на то, что файл-описание лежит именно в ней. Необходимо подняться на два уровня каталогов выше, чтобы Java, построив путь из имени пакета, смогла обнаружить нужный файл.

Кроме того, немаловажно, что Java всегда различает регистр идентификаторов, а значит, названия файлов и каталогов должны точно отвечать запрограммированным именам. Хотя в некоторых случаях операционная система может обеспечить доступ, невзирая на регистр, при изменении обстоятельств расхождения могут привести к сбоям.

Существует специальное выражение, объявляющее пакет (подробно рассматривается ниже). Оно предшествует объявлению типа и обозначает, какому пакету будет принадлежать этот тип. Таким образом, набор доступных пакетов определяется набором доступных файлов, содержащих объявления типов и пакетов. Например, если создать пустой каталог, или заполнить его посторонними файлами, это отнюдь не приведет к появлению пакета в Java.

Какие файлы доступны для утилит Java SDK (компилятора, интерпретатора и т.д.), устанавливается на уровне операционной системы, ведь утилиты – это обычные программы, которые выполняются под управлением ОС и, конечно, следуют ее правилам. Например, если пакет содержит один тип, но описывающий его файл недоступен текущему пользователю ОС для чтения, для Java этот тип и этот пакет не будут существовать.

Понятно, что далеко не всегда удобно хранить все файлы в одном каталоге. Зачастую классы находятся в разных местах, а некоторые могут даже распространяться в виде архивов, для ускорения загрузки через сеть. Копировать все такие файлы в одну папку было бы крайне затруднительно.

Поэтому Java использует специальную переменную окружения, которая называется classpath. Аналогично тому, как переменная path помогает системе находить и загружать динамические библиотеки, эта переменная помогает работать с Java-классами. Ее значение должно состоять из путей к каталогам или архивам, разделенных точкой с запятой. С версии 1.1 поддерживаются архивы типов ZIP и JAR (Java ARchive) – специальный формат, разработанный на основе ZIP для Java.

Например, переменная classpath может иметь такое значение:

.;c:\java\classes;d:\lib\3Dengine.zip;
d:\lib\fire.jar

В результате все указанные каталоги и содержимое всех архивов "добавляется" к исходному корневому каталогу. Java в поисках класса будет искать его по описанному выше правилу во всех указанных папках и архивах по порядку. Обратите внимание, что первым в переменной указан текущий каталог (представлен точкой). Это делается для того, чтобы поиск всегда начинался с исходного корневого каталога. Конечно, такая запись не является обязательной и делается на усмотрение разработчика.

Несмотря на явные удобства такой конструкции, она таит в себе и опасности. Если разрабатываемые классы хранятся в некотором каталоге и он указан в classpath позже, чем некий другой каталог, в котором обнаруживаются одноименные типы, разобраться в такой ситуации будет непросто. В классы будут вноситься изменения, которые никак не проявляются при запуске из-за того, что Java на самом деле загружает одни и те же файлы из посторонней папки.

Поэтому к данной переменной среды окружения необходимо относиться с особым вниманием. Полезно помнить, что необязательно устанавливать ее значение сразу для всей операционной системы. Его можно явно указывать при каждом запуске компилятора или виртуальной машины как опцию, что, во-первых, никогда не повлияет на другие Java-программы, а во-вторых, заметно упрощает поиск ошибок, связанных с некорректным значением classpath.

Наконец, можно применять и альтернативные подходы к хранению пакетов и файлов с исходным и бинарным кодом. Например, в качестве такого хранилища может использоваться база данных. Более того, существует ограничение на размещение объявлений классов в .java -файлах, которое рассматривается ниже, а при использовании БД любые ограничения можно снять. Тем не менее, при таком подходе рекомендуется предоставлять утилиты импорта/экспорта с учетом ограничения для преобразований из/в файлы.

Модуль компиляции

Модуль компиляции (compilation unit) хранится в текстовом .java -файле и является единичной порцией входных данных для компилятора. Он состоит из трех частей:

• объявление пакета ;
• import -выражения;
• объявления верхнего уровня.

Объявление пакета одновременно указывает, какому пакету будут принадлежать все объявляемые ниже типы. Если данное выражение отсутствует, значит, эти классы располагаются в безымянном пакете (другое название – пакет по умолчанию).

Import -выражения позволяют обращаться к типам из других пакетов по их простым именам, "импортировать" их. Эти выражения также необязательны.

Наконец, объявления верхнего уровня содержат объявления одного или нескольких типов. Название "верхнего уровня" противопоставляет эти классы и интерфейсы, располагающиеся в пакетах, внутренним типам, которые являются элементами и располагаются внутри других типов. Как ни странно, эта часть также является необязательной, в том смысле, что в случае ее отсутствия компилятор не выдаст ошибки. Однако никаких .class -файлов сгенерировано тоже не будет.

Доступность модулей компиляции определяется поддержкой платформы, т.к. утилиты Java являются обычными программами, которые исполняются операционной системой по общим правилам.

Рассмотрим все три части более подробно.

Объявление пакета

Первое выражение в модуле компиляции – объявление пакета. Оно записывается с помощью ключевого слова package, после которого указывается полное имя пакета.

Например, первой строкой (после комментариев) в файле java/lang/Object.java идет:

package java.lang;

Это одновременно служит объявлением пакета lang, вложенного в пакет java, и указанием, что объявляемый ниже класс Object находится в данном пакете. Так складывается полное имя класса java.lang.Object.

Если это выражение отсутствует, то такой модуль компиляции принадлежит безымянному пакету. Этот пакет по умолчанию обязательно должен поддерживаться реализацией Java-платформы. Обратите внимание, что он не может иметь вложенных пакетов, так как составное имя пакета должно обязательно начинаться с имени пакета верхнего уровня.

Таким образом, самая простая программа может выглядеть следующим образом:

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

Этот модуль компиляции будет принадлежать безымянному пакету.

Пакет по умолчанию был введен в Java для облегчения написания очень небольших или временных приложений, для экспериментов. Если же программа будет распространяться для пользователей, то рекомендуется расположить ее в пакете, который, в свою очередь, должен быть правильно назван. Соглашения по именованию рассматриваются ниже.

Доступность пакета определяется по доступности модулей компиляции, в которых он объявляется. Точнее, пакет доступен тогда и только тогда, когда выполняется любое из следующих двух условий:

• доступен модуль компиляции с объявлением этого пакета;
• доступен один из вложенных пакетов этого пакета.

Таким образом, для следующего кода:

package space.star;

class Sun {
}

если файл, который хранит этот модуль компиляции, доступен Java-платформе, то пакеты space и вложенный в него star (полное название space.star ) также становятся доступны для Java.

Если пакет доступен, то область видимости его объявления – все доступные модули компиляции. Проще говоря, все существующие пакеты доступны для всех классов, никаких ограничений на доступ к пакетам в Java нет.

Требуется, чтобы пакеты java.lang и java.io, а значит, и java, всегда были доступны для Java-платформы, поскольку они содержат классы, необходимые для работы любого приложения.

Импорт-выражения

Как будет рассмотрено ниже, область видимости объявления типа - пакет, в котором он располагается. Это означает, что внутри данного пакета допускается обращение к типу по его простому имени. Из всех других пакетов необходимо обращаться по составному имени, то есть полное имя пакета плюс простое имя типа, разделенные точкой. Поскольку пакеты могут иметь довольно длинные имена (например, дополнительный пакет в составе JDK1.2 называется com.sun.image.codec.jpeg ), а тип может многократно использоваться в модуле компиляции, такое ограничение может привести к усложнению исходного кода и сложностям в разработке.

Для решения этой проблемы вводятся import -выражения, позволяющие импортировать типы в модуль компиляции и далее обращаться к ним по простым именам. Существует два вида таких выражений:

• импорт одного типа ;
• импорт пакета.

Важно подчеркнуть, что импортирующие выражения являются, по сути, подсказкой для компилятора. Он пользуется ими, чтобы для каждого простого имени типа из другого пакета получить его полное имя, которое и попадает в компилированный код. Это означает, что импортирующих выражений может быть очень много, включая и те, что импортируют неиспользуемые пакеты и типы, но это никак не отразится ни на размере, ни на качестве бинарного кода. Также безразлично, обращаться к типу по его полному имени, или включить его в импортирующее выражение и обращаться по простому имени – результат будет один и тот же.

Импортирующие выражения имеют эффект только внутри модуля компиляции, в котором они объявлены. Все объявления типов высшего уровня, находящиеся в этом же модуле, могут одинаково пользоваться импортированными типами. К импортированным типам возможен и обычный доступ по полному имени.

Выражение, импортирующее один тип, записывается с помощью ключевого слова import и полного имени типа. Например:

import java.net.URL;

Такое выражение означает, что в дальнейшем в этом модуле компиляции простое имя URL будет обозначать одноименный класс из пакета java.net. Попытка импортировать тип, недоступный на момент компиляции, вызовет ошибку. Если один и тот же тип импортируется несколько раз, то это не создает ошибки, а дублированные выражения игнорируются. Если же импортируются типы с одинаковыми простыми именами из разных пакетов, то такая ситуация породит ошибку компиляции.

Выражение, импортирующее пакет, включает в себя полное имя пакета следующим образом.

import java.awt.*;

Это выражение делает доступными все типы, находящиеся в пакете java.awt, по их простому имени. Попытка импортировать пакет, недоступный на момент компиляции, вызовет ошибку. Импортирование одного пакета многократно не создает ошибки, дублированные выражения игнорируются. Обратите внимание, что импортировать вложенный пакет нельзя.

Например:

// пример вызовет ошибку компиляции
import java.awt.image;

Создается впечатление, что теперь мы можем обращаться к типам пакета java.awt.image по упрощенному имени, например, image.ImageFilter. На самом деле пример вызовет ошибку компиляции, так как данное выражение расценивается как импорт типа, а в пакете java.awt отсутствует тип image.

Аналогично, выражение

import java.awt.*;

не делает более доступными классы пакета java.awt.image, их необходимо импортировать отдельно.

Поскольку пакет java.lang содержит типы, без которых невозможно создать ни одну программу, он неявным образом импортируется в каждый модуль компиляции. Таким образом, все типы из этого пакета доступны по их простым именам без каких-либо дополнительных усилий. Попытка импортировать данный пакет еще раз будет проигнорирована.

Допускается одновременно импортировать пакет и какой-нибудь тип из него:

import java.awt.*;
import java.awt.Point;

Может возникнуть вопрос, как же лучше поступать – импортировать типы по отдельности или весь пакет сразу? Есть ли какая-нибудь разница в этих подходах?

Разница заключается в алгоритме работы компилятора, который приводит каждое простое имя к полному. Он состоит из трех шагов:

• сначала просматриваются выражения, импортирующие типы;
• затем другие типы, объявленные в текущем пакете, в том числе в текущем модуле компиляции;
• наконец, просматриваются выражения, импортирующие пакеты.

Таким образом, если тип явно импортирован, то невозможно ни объявление нового типа с таким же именем, ни доступ по простому имени к одноименному типу в текущем пакете.

Например:

// пример вызовет ошибку компиляции
package my_geom;

import java.awt.Point;

class Point {
}

Этот модуль вызовет ошибку компиляции, так как имя Point в объявлении высшего типа будет рассматриваться как обращение к импортированному классу java.awt.Point, а его переопределять, конечно, нельзя.

Если в пакете объявлен тип:

package my_geom;

class Point {
}

то в другом модуле компиляции:

package my_geom;

import java.awt.Point;

class Line {
   void main() {
      System.out.println(new Point());
   }
}

складывается неопределенная ситуация – какой из классов, my_geom.Point или java.awt.Point, будет использоваться при создании объекта? Результатом будет:

java.awt.Point[x=0,y=0]

В соответствии с правилами, имя Point было трактовано на основе импорта типа. К классу текущего пакета все еще можно обращаться по полному имени: my_geom.Point. Если бы рассматривался безымянный пакет, то обратиться к такому "перекрытому" типу было бы уже невозможно, что является дополнительным аргументом к рекомендации располагать важные программы в именованных пакетах.

Теперь рассмотрим импорт пакета. Его еще называют "импорт по требованию", подразумевая, что никакой "загрузки" всех типов импортированного пакета сразу при указании импортирующего выражения не происходит, их полные имена подставляются по мере использования простых имен в коде. Можно импортировать пакет и задействовать только один тип (или даже ни одного) из него.

Изменим рассмотренный выше пример:

package my_geom;

import java.awt.*;

class Line {
   void main() {
      System.out.println(new Point());
      System.out.println(new Rectangle());
   }
}

Теперь результатом будет:

my_geom.Point@92d342
java.awt.Rectangle[x=0,y=0,width=0,height=0]

Тип Point нашелся в текущем пакете, поэтому компилятору не пришлось выполнять поиск по пакету java.awt. Второй объект порождается от класса Rectangle, которого не существует в текущем пакете, зато он обнаруживается в java.awt.

Также корректен теперь пример:

package my_geom;

import java.awt.*;

class Point {
}

Таким образом, импорт пакета не препятствует объявлению новых типов или обращению к существующим типам текущего пакета по простым именам. Если все же нужно работать именно с внешними типами, то можно воспользоваться импортом типа, или обращаться к ним по полным именам. Кроме того, считается, что импорт конкретных типов помогает при прочтении кода сразу понять, какие внешние классы и интерфейсы используются в этом модуле компиляции. Однако полностью полагаться на такое соображение не стоит, так как возможны случаи, когда импортированные типы не используются и, напротив, в коде стоит обращение к другим типам по полному имени.

Объявление верхнего уровня

Далее модуль компиляции может содержать одно или несколько объявлений классов и интерфейсов. Подробно формат такого объявления рассматривается в следующих лекциях, однако приведем краткую информацию и здесь.

Объявление класса начинается с ключевого слова class, интерфейса – interface. Далее указывается имя типа, а затем в фигурных скобках описывается тело типа. Например:

package first;

class FirstClass {
}

interface MyInterface {
}

Область видимости типа - пакет, в котором он описан. Из других пакетов к типу можно обращаться либо по составному имени, либо с помощью импортирующих выражений.

Однако, кроме области видимости, в Java также есть средства разграничения доступа. По умолчанию тип объявляется доступным только для других типов своего пакета. Чтобы другие пакеты также могли использовать его, можно указать ключевое слово public:

package second;

public class OpenClass {
}

public interface PublicInterface {
}

Такие типы доступны для всех пакетов.

Объявления верхнего уровня описывают классы и интерфейсы, хранящиеся в пакетах. В версии Java 1.1 были введены внутренние (inner) типы, которые объявляются внутри других типов и являются их элементами наряду с полями и методами. Данная возможность является вспомогательной и довольно запутанной, поэтому в курсе подробно не рассматривается, хотя некоторые примеры и пояснения помогут в целом ее освоить.

Если пакеты, исходный и бинарный код хранятся в файловой системе, то Java может накладывать ограничение на объявления классов в модулях компиляции. Это ограничение создает ошибку компиляции в случае, если описание типа не обнаруживается в файле с названием, составленным из имени типа и расширения (например, java ), и при этом:

• тип объявлен как public и, значит, может использоваться из других пакетов;
• тип используется из других модулей компиляции в своем пакете.

Эти условия означают, что в модуле компиляции может быть максимум один тип, отвечающий этим условиям.

Другими словами, в модуле компиляции может быть максимум один public тип, и его имя и имя файла должны совпадать. Если же в нем есть не- public типы, имена которых не совпадают с именем файла, то они должны использоваться только внутри этого модуля компиляции.

Если же для хранения пакетов применяется БД, то такое ограничение не должно накладываться.

На практике же программисты зачастую помещают в один модуль компиляции только один тип, независимо от того, public он или нет. Это существенно упрощает работу с ними. Например, описание класса space.sun.Size хранится в файле space\sun\Size.java, а бинарный код – в файле Size.class в том же каталоге. Именно так устроены все стандартные библиотеки Java.

Обратите внимание, что при объявлении классов вполне допускаются перекрестные обращения. В частности, следующий пример совершенно корректен:

package test;

/*
   * Класс Human, описывающий человека
   */
class Human {
   String name;
   Car car;   // принадлежащая человеку машина
}

/*
   * Класс Car, описывающий автомобиль
   */
class Car {
   String model;
   Human driver;   // водитель, управляющий 
                   // машиной
}

Кроме того, класс Car был использован раньше, чем был объявлен. Такое перекрестное применение типов также допускается в случае, если они находятся в разных пакетах. Компилятор должен поддерживать возможность транслировать их одновременно.

Уникальность имен пакетов

Поскольку Java создавался как язык, предназначенный для распространения приложений через Internet, а приложения состоят из структуры пакетов, необходимо предпринять некоторые усилия, чтобы не произошел конфликт имен. Имена двух используемых пакетов могут совпасть по прошествии значительного времени после их создания. Исправить такое положение обычному программисту будет крайне затруднительно.

Поэтому создатели Java предлагают следующий способ уникального именования пакетов. Если программа создается разработчиком, у которого есть Internet-сайт, либо же он работает на организацию, у которой имеется сайт, и доменное имя такого сайта, например, company.com, то имена пакетов должны начинаться с этих же слов, выписанных в обратном порядке: com.company. Дальнейшие вложенные пакеты могут носить названия подразделений компании, пакетов, фамилии разработчиков, имена компьютеров и т.д.

Таким образом, пакет верхнего уровня всегда записывается ASCII-буквами в нижнем регистре и может иметь одно из следующих имен:

• трехбуквенные com, edu, gov, mil, net, org, int (этот список расширяется);
• двухбуквенные, обозначающие имена стран, такие как ru, su, de, uk и другие.

Если имя сайта противоречит требованиям к идентификаторам Java, то можно предпринять следующие шаги:

• если в имени стоит запрещенный символ, например, тире, то его можно заменить знаком подчеркивания;
• если имя совпадает с зарезервированным словом, можно в конце добавить знак подчеркивания;
• если имя начинается с цифры, можно в начале добавить знак подчеркивания.

Примеры имен пакетов, составленных по таким правилам:

com.sun.image.codec.jpeg
org.omg.CORBA.ORBPackage
oracle.jdbc.driver.OracleDriver

Однако, конечно, никто не требует, чтобы Java-пакеты были обязательно доступны на Internet-сайте, который дал им имя. Скорее была сделана попытка воспользоваться существующей системой имен вместо того, чтобы создавать новую для именования библиотек.