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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

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c1996–2007, David J. Eck

David J. Eck (eck@hws.edu)

Department of Mathematics and Computer Science

Hobart and William Smith Colleges

Geneva, NY 14456

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Contents

Preface

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 18

2.1 The Basic Java Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2 Variables and Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.1 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.2 Types and Literals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.3 Variables in Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3 Objects and Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.1 Built-in Subroutines and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.2 Operations on Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.3 Introduction to Enums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4 Text Input and Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.4.1 A First Text Input Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4.2 Text Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4.3 TextIO Input Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.4.4 Formatted Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.4.5 Introduction to File I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.5 Details of Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.5.1 Arithmetic Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5.2 Increment and Decrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.3 Relational Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.4 Boolean Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.5.5 Conditional Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.5.6 Assignment Operators and Type-Casts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.5.7 Type Conversion of Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.5.8 Precedence Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.6 Programming Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

CONTENTS

2.6.1 Java Development Kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.6.2 Command Line Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.6.3 IDEs and Eclipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.6.4 The Problem of Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Exercises for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Quiz on Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3 Control 60

3.1 Blocks, Loops, and Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.1.1 Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.1.2 The Basic While Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.1.3 The Basic If Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.2 Algorithm Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.2.1 Pseudocode and Stepwise Reﬁnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.2.2 The 3N+1 Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.2.3 Coding, Testing, Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.3 while and do..while . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.3.1 The while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.3.2 The do..while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.3.3 break and continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.4 The for Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.4.1 For Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.4.2 Example: Counting Divisors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.4.3 Nested for Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.4.4 Enums and for-each Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.5 The if Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.5.1 The Dangling else Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.5.2 The if...else if Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.5.3 If Statement Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.5.4 The Empty Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.6 The switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.6.1 The Basic switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.6.2 Menus and switch Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.6.3 Enums in switch Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.6.4 Deﬁnite Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.7 Exceptions and try..catch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.7.1 Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.7.2 try..catch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.7.3 Exceptions in TextIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.8 GUI Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Exercises for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Quiz on Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4 Subroutines 115

4.1 Black Boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.2 Static Subroutines and Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.2.1 Subroutine Deﬁnitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4.2.2 Calling Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

CONTENTS

iii

4.2.3 Subroutines in Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.2.4 Member Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

4.3 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.3.1 Using Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.3.2 Formal and Actual Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.3.3 Overloading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.3.4 Subroutine Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.3.5 Throwing Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.3.6 Global and Local Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.4 Return Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.4.1 The return statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.4.2 Function Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

4.4.3 3N+1 Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

4.5 APIs, Packages, and Javadoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.5.1 Toolboxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.5.2 Java’s Standard Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.5.3 Using Classes from Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

4.5.4 Javadoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.6 More on Program Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.6.1 Preconditions and Postconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.6.2 A Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.6.3 The Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

4.7 The Truth About Declarations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.7.1 Initialization in Declarations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4.7.2 Named Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.7.3 Naming and Scope Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Exercises for Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Quiz on Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

5 Objects and Classes 163

5.1 Objects and Instance Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

5.1.1 Objects, Classes, and Instances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

5.1.2 Fundamentals of Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5.1.3 Getters and Setters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

5.2 Constructors and Object Initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

5.2.1 Initializing Instance Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

5.2.2 Constructors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

5.2.3 Garbage Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5.3 Programming with Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5.3.1 Some Built-in Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

5.3.2 Wrapper Classes and Autoboxing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

5.3.3 The class “Object” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

5.3.4 Object-oriented Analysis and Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

5.4 Programming Example: Card, Hand, Deck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

5.4.1 Designing the classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

5.4.2 The Card Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.4.3 Example: A Simple Card Game . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

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