Java là gì? Những điều bạn cần biết về ngôn ngữ lập trình Java

Các lập trình viên Java là những chuyên gia được trả lương cao trong ngành CNTT vì nhiều doanh nghiệp đã và đang sử dụng ngôn ngữ lập trình Java. Nếu bạn đang tìm kiếm một ngôn ngữ lập trình để bắt đầu sự nghiệp của mình, Java luôn luôn là một sự lựa chọn tuyệt vời. Hãy bắt đầu tìm hiểu về Java trên nhiều khía cạnh khác nhau - định nghĩa, đặc điểm, ứng dụng... ngay trong bài viết này.

Java là gì?

Java là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng, đa nền tảng, phân tán và dựa trên lớp, nó được thiết kế để giảm thiểu tối đa các dependency khi triển khai. Java cũng là ngôn ngữ lập trình được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. 

Để hiểu những kiến thức cơ bản về Java, bạn cần hiểu hai định nghĩa quan trọng là API và máy ảo Java (JVM). API là các thành phần phần mềm có sẵn trong nền tảng Java, bao gồm các chương trình Java viết sẵn, giúp tích hợp chức năng sẵn có vào mã nguồn của bạn. Bất kỳ mã Java nào do lập trình viên viết đều là sự kết hợp của mã mới và mã có sẵn từ các thư viện và API Java.

Máy ảo Java (JVM) là một lớp trừu tượng giữa nền tảng Java và phần cứng máy tính. Mã nguồn Java chỉ có thể chạy trên các máy có cài đặt JVM. Đầu tiên, tệp Java được biên dịch thành bytecode, chỉ có thể chạy trên JVM. JVM sẽ dịch bytecode này để chạy trên phần cứng máy tính cụ thể. Nếu ứng dụng chạy trên Windows, JVM sẽ dịch bytecode cho Windows; nếu chạy trên Linux, JVM sẽ dịch bytecode cho Linux.

Đặc điểm của Java

Những đặc điểm nổi bật sau giúp Java trở thành ngôn ngữ lập trình phổ biến và đa dụng trong nhiều lĩnh vực.

Java là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng

Java là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng (OOP - Object-Oriented Programming). Nghĩa là Java dựa trên các khái niệm như lớp (class), đối tượng (object), kế thừa (inheritance), đa hình (polymorphism), đóng gói (encapsulation), và trừu tượng (abstraction). Các tính năng này giúp tổ chức mã nguồn một cách logic và dễ quản lý hơn, đồng thời cho phép tái sử dụng mã và mở rộng chương trình dễ dàng.

Trong Java:

• Class là khuôn mẫu cho các đối tượng.
• Object là thực thể của một lớp, chứa các thuộc tính và phương thức.
• Inheritance cho phép lớp con thừa kế các thuộc tính và phương thức từ lớp cha.
• Polymorphism gọi các phương thức qua một giao diện chung.
• Encapsulation ẩn thông tin của đối tượng, chỉ cho phép truy cập qua các phương thức công khai.
• Abstraction giúp đơn giản hóa các hệ thống phức tạp bằng cách chỉ hiển thị các chi tiết cần thiết.

Hỗ trợ thu gom rác tự động.

Trong Java, khi một đối tượng không còn được tham chiếu, nó sẽ trở thành "rác" (garbage) – không còn cần thiết cho chương trình. Bộ thu gom rác (Garbage Collector) của JVM sẽ tự động tìm và thu hồi các đối tượng không sử dụng này, giải phóng bộ nhớ cho các đối tượng mới. Tính năng này nhằm giảm thiểu nguy cơ rò rỉ bộ nhớ và nâng cao hiệu suất ứng dụng.

Garbage Collection trong Java thường hoạt động theo cơ chế Mark and Sweep:

• Mark: Xác định và đánh dấu các đối tượng đang được sử dụng.
• Sweep: Thu hồi các đối tượng không được đánh dấu, tức không còn tham chiếu, để giải phóng bộ nhớ.

Cơ chế thu gom rác tự động giúp lập trình viên tập trung vào logic của ứng dụng thay vì quản lý bộ nhớ. Java trở nên an toàn và đáng tin cậy hơn trong các ứng dụng lớn.

Java tạo ra bytecode từ mã nguồn, giúp cho ngôn ngữ này có tính độc lập với nền tảng.

Bytecode của Java không phụ thuộc vào nền tảng. Bạn sẽ biên dịch chương trình trên một hệ điều hành và chạy nó trên hệ điều hành khác. Ví dụ, bạn có thể viết chương trình Java trên Windows và chạy trên Linux mà không cần thay đổi.

Con trỏ không tồn tại trong Java. Tuy nhiên, tham chiếu thì có.

Trong Java, con trỏ (pointer) không tồn tại như trong các ngôn ngữ như C hay C++, nhưng tham chiếu (reference) thì có. Vậy là trong Java, chúng ta không trực tiếp làm việc với địa chỉ bộ nhớ của đối tượng mà thông qua một biến tham chiếu, trỏ tới đối tượng đó.

Không tồn tại con trỏ nhằm mục đích ngăn ngừa các lỗi nguy hiểm về việc truy cập bộ nhớ trực tiếp, như rò rỉ bộ nhớ hoặc lỗi con trỏ null. Yếu tố này góp phần tạo Java thành một ngôn ngữ an toàn hơn, dễ bảo trì hơn, và thân thiện với những lập trình viên mới.

Không hỗ trợ đa kế thừa bằng lớp, nhưng có thể thực hiện thông qua interface.

Java không hỗ trợ đa kế thừa bằng lớp (multiple inheritance) như một số ngôn ngữ khác, một lớp trong Java không thể kế thừa từ nhiều lớp cha. Mục đích của đặc điểm này là tránh tình trạng mơ hồ và xung đột trong việc kế thừa các phương thức, thuộc tính, thường được gọi là "vấn đề kim cương" (diamond problem).

Tuy nhiên, Java có thể thực hiện đa kế thừa thông qua interface. Một lớp trong Java có thể triển khai (implement) nhiều interface. Nó có thể thừa hưởng các phương thức từ nhiều nguồn khác nhau mà không bị ràng buộc bởi vấn đề của đa kế thừa truyền thống. Các phương thức trong interface thường chỉ là các khai báo (abstract methods) cho đến khi Java 8, khi các phương thức mặc định (default methods) và phương thức tĩnh (static methods) được bổ sung.

Java không cho phép nạp chồng toán tử.

Java không hỗ trợ nạp chồng toán tử (operator overloading). Lập trình viên không thể định nghĩa lại hành vi của các toán tử (như +, -, *, /) cho các kiểu dữ liệu tùy chỉnh, như các đối tượng.

Quyết định này của Java nhằm đơn giản hóa và tăng tính rõ ràng cho mã nguồn. Nạp chồng toán tử có thể gây nhầm lẫn nếu không được sử dụng cẩn thận, vì một toán tử có thể mang nhiều ý nghĩa khác nhau tùy thuộc vào ngữ cảnh. Việc loại bỏ nạp chồng toán tử làm cho mã nguồn dễ đọc và dễ bảo trì hơn.

Thay vào đó, Java khuyến khích lập trình viên sử dụng các phương thức rõ ràng để thực hiện các phép toán hoặc thao tác tùy chỉnh trên các đối tượng. Ví dụ, thay vì nạp chồng toán tử + để cộng hai đối tượng, bạn có thể định nghĩa một phương thức add() trong lớp để thực hiện thao tác này.

Java không hỗ trợ cấu trúc và hợp nhất như C++.

Cấu trúc (struct): Trong C++, cấu trúc là một cách để nhóm các biến lại với nhau, nhưng khác với lớp, các thành viên của cấu trúc mặc định là công khai (public). Trong Java, không có cấu trúc; thay vào đó, Java chỉ sử dụng lớp (class) để đại diện cho các kiểu dữ liệu phức tạp. Các lớp trong Java hỗ trợ tính đóng gói (encapsulation) tốt hơn và tuân theo mô hình hướng đối tượng một cách triệt để.
Hợp nhất (union): Hợp nhất trong C++ là một kiểu dữ liệu đặc biệt. Các biến khác nhau chia sẻ cùng một vùng bộ nhớ. Điều này giúp tiết kiệm bộ nhớ, vì chỉ một trong số các biến có thể có giá trị tại một thời điểm. Java không hỗ trợ hợp nhất, vì nó tập trung vào tính an toàn và tính nhất quán của bộ nhớ, đồng thời tránh các lỗi có thể phát sinh từ việc chia sẻ bộ nhớ như vậy.
Thay vì sử dụng struct và union, Java khuyến khích sử dụng các lớp và giao diện (interface) để xây dựng các cấu trúc dữ liệu và mô hình hóa các đối tượng một cách rõ ràng và an toàn hơn.

Là một ngôn ngữ bảo mật

Java có nhiều tính năng bảo mật để bảo vệ khỏi các lỗ hổng phổ biến. Chẳng hạn, từ khóa "final" có thể được sử dụng để biến một biến thành chỉ đọc, ngăn ngừa việc thay đổi dữ liệu không mong muốn.

Đa luồng

Trong Java, bạn có thể tạo nhiều luồng xử lý trong cùng một chương trình, tức là bạn có thể xử lý song song. Ví dụ, một luồng có thể xử lý các kết nối mạng trong khi một luồng khác xử lý dữ liệu.

Ngôn ngữ bậc cao

Java là ngôn ngữ bậc cao, dễ đọc và viết hơn so với các ngôn ngữ bậc thấp như assembly. Nó cũng có thư viện chuẩn lớn cung cấp nhiều hàm và cấu trúc dữ liệu hữu ích.

Ngôn ngữ mạnh mẽ

Java chú trọng xử lý ngoại lệ và an toàn kiểu dữ liệu để mã nguồn ổn định hơn. Bạn có thể sử dụng khối try/catch để xử lý ngoại lệ và ngăn chương trình bị dừng đột ngột. Java cũng có bộ thu gom rác tự động giải phóng bộ nhớ không còn sử dụng, ngăn chặn rò rỉ bộ nhớ.

Lịch sử của Java

Java được phát triển bởi một nhóm kỹ sư tại Sun Microsystems, dẫn đầu bởi James Gosling, vào đầu những năm 1990. Ban đầu, Java được thiết kế để phục vụ cho các thiết bị điện tử và thiết bị gia dụng, nhưng sau đó nhanh chóng mở rộng thành một ngôn ngữ lập trình phổ biến cho ứng dụng web, máy tính và các hệ thống lớn.

Đến năm 1995, với sự phát triển của Internet, Green Project đã công bố việc tích hợp Công nghệ Java vào trình duyệt Netscape Navigator. Đây là một mốc lịch sử quan trọng của ngôn ngữ lập trình Java.

Ứng dụng Java trong đời thực

Nhờ vào tính di động, bảo mật và khả năng mở rộng, Java tiếp tục là một trong những ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất trên thế giới. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của Java trong đời sống:

Ứng dụng web

Một ví dụ thực tế về ứng dụng web được xây dựng bằng Java là gã khổng lồ bán lẻ trực tuyến Amazon. Website của Amazon được xây dựng bằng sự kết hợp của Java và các công nghệ khác, và Java được sử dụng để hỗ trợ nhiều hệ thống backend của nó.

Ứng dụng di động

Ứng dụng gọi xe phổ biến hiện nay là Uber được xây dựng bằng Java. Phiên bản Uber trên Android được phát triển bằng Java và sử dụng ngôn ngữ này để hỗ trợ nhiều tính năng chính như theo dõi GPS, xử lý thanh toán, và cập nhật thời gian thực.

Ứng dụng trên máy tính để bàn

Phần mềm chỉnh sửa hình ảnh Adobe Photoshop là một công cụ mạnh mẽ để chỉnh sửa, làm đẹp ảnh, và nó sử dụng Java để hỗ trợ nhiều tính năng.

Hệ thống nhúng

Bộ điều khiển nhiệt thông minh Nest là một ví dụ thực tế về hệ thống nhúng được xây dựng bằng Java. Nest là một thiết bị nhà thông minh hỗ trợ người dùng điều khiển từ xa nhiệt độ trong nhà. Ứng dụng dùng Java để hỗ trợ giao diện người dùng và các tính năng khác của thiết bị này.

Dữ liệu lớn

Một gã khổng lồ khác cũng được xây dựng từ Java chính là Công cụ tìm kiếm Google. Google xử lý hàng tỷ truy vấn tìm kiếm mỗi ngày, Java chính là nền tảng để hỗ trợ nhiều hệ thống backend như vậy.

Ứng dụng khoa học

Phần mềm mô phỏng không gian Celestia là một chương trình thiên văn học 3D dẫn dắt người dùng khám phá vũ trụ và xem các vật thể ngoài không gian theo thời gian thực. Java đóng vai trò hỗ trợ đồ họa và các tính năng khác.

Trò chơi

Game chiến thuật Clash of Clans sử dụng Java để hỗ trợ lối chơi và các tính năng khác. Game đình đám này đã được tải xuống hàng triệu lần và thu về nguồn lợi nhuận khổng lồ.

Java hoạt động như thế nào?

Java là một ngôn ngữ lập trình biên dịch chạy trên Máy ảo Java (JVM). JVM là một máy ảo hoạt động trên một máy vật lý (như máy tính hoặc điện thoại thông minh) và thực thi mã bytecode của Java.

Quá trình hoạt động của Java như sau:

• Nhà phát triển viết chương trình Java bằng trình soạn thảo văn bản hoặc Môi trường phát triển tích hợp (IDE). Chương trình được viết bằng mã nguồn, là dạng chương trình mà con người có thể đọc được. 
• Trình biên dịch Java chuyển đổi mã nguồn thành mã byte, là định dạng độc lập với nền tảng có thể chạy trên bất kỳ thiết bị nào đã cài đặt JVM. 
• JVM tải mã byte và thực thi mã đó. JVM chịu trách nhiệm phân bổ bộ nhớ, quản lý đối tượng và thực thi các lệnh trong mã byte. 
• Khi JVM thực thi mã byte, nó có thể cần sử dụng Java API, đây là một tập hợp các thư viện cung cấp nhiều hàm và cấu trúc dữ liệu để sử dụng trong các chương trình Java. 
• JVM cũng tuân theo Java Language Specification, đây là tài liệu định nghĩa cú pháp và ngữ nghĩa của ngôn ngữ Java. Nó giúp các chương trình Java được viết theo cách nhất quán và chính xác. 
• Java Community Process (JCP) là một tổ chức quản lý quá trình phát triển và cải tiến nền tảng Java, bao gồm JVM, Java API và Java Language Specification. 

JVM hoạt động như thế nào?

Java Virtual Machine (JVM) là một thành phần phần mềm chạy trên máy tính và cho phép thực thi các chương trình Java. JVM chịu trách nhiệm thông dịch mã bytecode của Java, đây là dạng mã Java đã biên dịch được tạo ra khi xây dựng chương trình Java.

Cách thức hoạt động của JVM như sau:

• Khi một chương trình Java được thực thi, JVM sẽ tải mã bytecode của chương trình vào bộ nhớ.
• Sau đó, JVM sẽ thông dịch mã bytecode, dịch mã này thành các lệnh mà bộ xử lý của máy tính có thể hiểu và thực thi. 
• Trong quá trình thông dịch mã bytecode, JVM cũng thực hiện các tác vụ như phân bổ bộ nhớ cho chương trình, quản lý luồng (giúp chương trình thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc) và xử lý các ngoại lệ (xảy ra khi có sự cố trong quá trình thực thi).
• JVM cũng chịu trách nhiệm thu gom rác, đây là quá trình thu hồi bộ nhớ không còn được chương trình sử dụng.

Các khái niệm mà bạn cần biết khi học Java

Dưới đây là một số khái niệm quan trọng mà người mới học lập trình Java nên hiểu:

• Đối tượng và Lớp: Trong Java, mọi thứ đều là đối tượng, và các đối tượng được tạo ra từ các lớp. Lớp là một bản thiết kế hoặc mẫu xác định các biến và phương thức (hàm) mà đối tượng của lớp đó sẽ có.
• Biến: Biến được dùng để lưu trữ dữ liệu trong chương trình Java. Có nhiều loại biến khác nhau, bao gồm kiểu nguyên thủy (như int và double) và kiểu tham chiếu (như String và Array).
• Phương thức: Phương thức là các hàm được định nghĩa trong một lớp và có thể được gọi để thực hiện một tác vụ cụ thể.
• Cấu trúc điều khiển: Cấu trúc điều khiển được sử dụng để điều khiển luồng của chương trình. Java có một số cấu trúc điều khiển, bao gồm các câu lệnh if-else, vòng lặp for và vòng lặp while.
• Kế thừa: Kế thừa là cách tạo một lớp mới dựa trên một lớp đã có. Lớp mới được gọi là lớp con, và lớp hiện tại là lớp cha.
• Giao diện (Interface): Giao diện là một tập hợp các phương thức liên quan mà một lớp có thể triển khai. Nhờ giao diện, bạn có thể tạo một tập phương thức chung có thể được sử dụng bởi nhiều lớp khác nhau, ngay cả khi các lớp đó không liên quan đến nhau.
• Xử lý ngoại lệ: Xử lý ngoại lệ là cách xử lý các lỗi và ngoại lệ xảy ra trong quá trình thực thi chương trình. Java có cơ chế tích hợp để xử lý ngoại lệ, giúp bạn viết mã có thể khắc phục lỗi và tiếp tục chạy.

Đây chỉ là một số khái niệm chính quan trọng mà người mới bắt đầu cần hiểu khi học lập trình Java. Còn có rất nhiều điều cần tìm hiểu, nhưng những khái niệm này sẽ cung cấp cho bạn nền tảng vững chắc để xây dựng khi bạn tiếp tục học và phát triển các kỹ năng của mình.

Kiến trúc Java là gì?

Kiến trúc Java có thể được giải thích đơn giản theo các bước sau:

• Đầu tiên, mã nguồn được chuyển đổi thành mã byte bằng trình biên dịch Java. 
• Sau đó, mã byte được chuyển đổi thành mã máy bằng Máy ảo Java (JVM).
• Tiếp theo, mã máy được đưa tới CPU để xử lý và tạo ra kết quả đầu ra.
• Kết quả đầu ra sẽ được hiển thị trên màn hình.

Để một ngôn ngữ lập trình hoạt động, cần có nhiều thành phần khác nhau. Trong trường hợp của Java, đó là JDK - bộ công cụ phát triển Java hoàn chỉnh. Sau đây, TechWorks xin giới thiệu ngắn gọn về JDK, JVM và JRE.

JDK = Development Tools + (JRE + JVM)

Các công cụ thiết yếu cho lập trình viên Java

Tương lai của Ngôn ngữ lập trình Java

Nhìn về tương lai, có khả năng Java sẽ tiếp tục là ngôn ngữ lập trình được sử dụng rộng rãi vì nó có cộng đồng nhà phát triển lớn cùng với hệ sinh thái công cụ và thư viện mạnh mẽ. Tuy nhiên, giống như bất kỳ công nghệ nào, Java cũng có thể bị thay thế theo thị trường và nhu cầu của nhà phát triển, người dùng. Trong những năm gần đây, đã xuất hiện những đối thủ đáng gờm cạnh tranh, chẳng hạn như Kotlin - ngôn ngữ được thiết kế để cải thiện một số nhược điểm của Java.

Bất chấp sự cạnh tranh này, Java vẫn là ngôn ngữ phổ biến và có tầm ảnh hưởng, có khả năng nó sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong tương lai. Cũng cần lưu ý rằng Java là ngôn ngữ nguồn mở, nó liên tục phát triển và cải thiện thông qua những đóng góp của cộng đồng nhà phát triển. Do đó, rất khó để dự đoán chính xác Java sẽ phát triển như thế nào trong tương lai, nhưng có khả năng nó sẽ tiếp tục là một nhân tố chủ chốt trong thế giới lập trình.

Kết luận

Java là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ, đa nền tảng và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Nếu bạn là người mới, nắm vững các khái niệm cơ bản như lớp, đối tượng, biến, phương thức, và cấu trúc điều khiển sẽ giúp bạn có một nền tảng vững chắc. Từ đó, bạn có thể tiếp tục học các khía cạnh nâng cao như kế thừa, giao diện và xử lý ngoại lệ để phát triển kỹ năng của mình. Học Java không chỉ là nắm bắt một ngôn ngữ lập trình mà còn là hiểu sâu hơn về tư duy lập trình và giải quyết vấn đề. Nhờ nó, bạn có thể mở ra nhiều cơ hội nghề nghiệp trong lĩnh vực công nghệ thông tin.