Fundamentals of Java Programming

ISBN-13: 9783030077853 / Angielski / Miękka / 2019 / 515 str.

Mitsunori Ogihara

Spis treści

1)        Programming Basics                                                                                                1

a)       Java and the Java Virtual Machine                                                                               3

1.1   Computers and Their Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     3

1.1.1    The computer programs in your machine   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     3

1.1.2    Java Virtual Machines - JVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     3

1.1.3   Code editing and code compiling  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    6

b)      Our First Programs                                                                                                      13

2.1   The First Program, “Hello, World!”   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   13

2.1.1    Method declaration   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   16

2.1.2    Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   16

2.1.3   System.out.println and System.out.print . . . . . . . . . . . . . . . . . .  17

2.1.4    Spacing in the source code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   18

2.2   Commenting   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   19

2.3   Errors  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   21

2.4   Using Multiple Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   23

•              println versus print revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  23

•              Printing multiple-line texts on the screen   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   25

2.4.3    Escaping characters   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   26

2.4.4   Printing shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  29

c)       Using Data for Computation                                                                                       39

3.1   Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   39

3.1.1   Data and their taxonomy  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   39

3.1.2   Literals  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   40

3.1.3    Variable declarations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   42

3.1.4    Naming variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   43

3.1.5    Value assignments   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   43

3.2   The primitive data types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   45

3.2.1    Quarterbacks program again   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   48

3.3       Using Variables for Computation  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   50

3.3.1   Number arithmetics  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   50

3.3.2   Formula evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   52

3.3.3       Our first calculation program  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   53

3.3.4       Mixing different number types   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   57

3.3.5       Computing the Body-Mass Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   59

3.3.6        Sum of integers from 1 to 100 `a la Gauss   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   61

3.3.7   Simplified expressions  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   63

3.4       An Introduction to String Objects   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   69

3.4.1    String objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   69

3.4.2   String additions   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   73

3.4.3    Escaping   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   76

3.4.4    Connection with other types   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   76

4     Reading Keyboard Input                                                                                              83

4.1   The Class Scanner  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   83

4.2   Reading input with a Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   84

5     Decomposing Code into Components                                                                             99

5.1   Code Decomposition  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   99

5.1.1    Printing rectangles  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   99

5.1.2    Quadrangle  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.1.3   Old MacDonald Had a Farm   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.1.4    The benefits of code decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.2   Using Multiple Program Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6     Passing Values to and from Methods                                                                      123

6.1   Passing Values to Methods   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.1.1    Methods that work with parameters  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.1.2    Method overloading   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.2   Receiving a Value from a Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.3   Class Math   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.3.1        Mathematical functions in Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.3.2        Application using Math methods  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

2)           Loops and Conditional Execution                                                                    157

7     For-Loops                                                                                                                           159

7.1   Repetitive Code Execution   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

7.2   Iteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

7.2.1   Simple iteration   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

7.2.2    Iteration with an auxiliary variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

7.3   Double For-Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

8     Using Conditions to Control the Flow                                                                     187

8.1   Condition and its evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

8.2   The If Statements   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

8.2.1   If . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

8.2.2    Else  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

8.2.3   Special conditional evaluation rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

8.3   Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

8.3.1   Computing max and min in a series of numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

 

8.3.2   A betting game . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

9     Formatted Printing using printf                                      225

9.1   Formatted Printing of Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

9.2   Formatted Printing of Integers   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

9.3   Formatted Printing of Floating Point Numbers  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

10  String Methods for Text Processing                                                                        237

10.1 String Methods for Information Extraction   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

10.2 String Methods for Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

10.3   String methods for Pattern Search   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

10.4   String methods for creating new String objects  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

10.5 Class StringBuilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

11  Branching Using Switch Statements                                                                        259

11.1 Switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

11.2 Switching on a Char or a String Value  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

12  While and Do-while Loops                                                                                        277

12.1 The While Loop   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

12.1.1  What is a while-loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

12.1.2  Collect numbers until the total reaches a target . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

12.1.3  Integer overflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

12.1.4  Vending machines   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

12.1.5  The Collatz Conjecture   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

12.1.6  From decimal to binary   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

12.2 Do-while statements  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

12.2.1  Do-while versus while  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

12.2.2  Waiting for Godot  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

12.2.3  Converting to binary, again  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

12.3 Terminating a Scanner of Keyboard   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

12.4 Approximating the Square Root   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

III   Arrays                                                                                                 311

13  Arrays                                                                                                                           313

13.1 Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

13.1.1  What is an array?   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

13.1.2  Counting the number of occurrences  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

13.2 Offset Indexing  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

13.2.1   Offset indexing to avoid wasteful use of array elements . . . . . . . . . . . . . 322

13.2.2   Offset indexing for BMI calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

13.2.3   Character occurrence counting   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

13.2.4  Negative offset indexing  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

13.3 Primality Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

13.4 Using Multiple Arrays  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

 

13.5 ArrayIndexOutOfBoundsException . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

14  Class Arrays, Resizing Arrays, and Arrays with Capacity                                        347

14.1 Class Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

14.2   Coordinated Array Modifications with Sustained Length . . . . . . . . . . . . . . . . 351

14.2.1  Reversing element order  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

14.2.2  Cyclic shifting   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

14.3   Modifications That Require Resizing  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

14.3.1  Insertion and deletion  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

14.3.2  Merging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

14.4 args - the Argument Array  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

14.5 Searching in an Array   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

14.5.1  Sequential search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

14.5.2  Sequential search in an array with elements in order  . . . . . . . . . . . . . . 370

14.5.3  Binary search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

14.6 Arrays with Capacity   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

15  Multidimensional Arrays                                                                                            385

15.1   Two-dimensional Rectangular Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

15.1.1  Multi-dimensional arrays   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

15.1.2    Summation of over subsequences  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

15.2 Matrix multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

15.2.1  Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

15.2.2  Two dimensional rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

15.3 Jagged Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

IV   Object Classes                                                                                             401

16  Class File                                                           403

16.1   An Introduction to Object Classes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

16.2 File Access   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

16.3 File methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

16.3.1  List of File methods we may use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

16.3.2  Error handling  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

16.3.3  Listing of File objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417

16.4 Scanner of a File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

16.5  Writing to Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

17  Designing Object Classes                                                                                                435

17.1   Using Object Classes for Packaging Data Elements  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

17.1.1  The position of a game piece  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

17.1.2    Private instance variables and the toString method  . . . . . . . . . . . . . . 440

17.1.3    Using constants in an object class   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

17.1.4  Information hiding  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447

17.2 Bank Account . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

17.3 Array with Capacity (as an Object Class)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

18  Interfaces, Subclasses, Inheritance, and Polymorphism                                      471

18.1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

18.1.1  Interface as a template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

18.1.2  A simple pizza application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

18.1.3   The “simple” pizza collection class  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

18.1.4   The pizza collection main class  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478

18.2 Subclasses and Superclasses  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

18.2.1  Extending existing classes and interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

18.2.2  Writing extensions  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482

18.3 Polymorphism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490

18.4 Interface Comparable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493

V   Advanced Concepts                                                                                      499

19  Cumulative Algorithms                                                                                              501

19.1 What is a Cumulative Algorithm?   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

19.2 Computing Recurrences  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503

19.3 Computing the Factorial Function   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506

20  Recursive Algorithms                                                                                                 513

20.1 The Factorial Again  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513

20.2 GCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516

20.3 The Tower of Hanoi   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521

O autorze

Mitsunori Ogihara is a professor of Computer Science at the University of Miami, Coral Gables, FL.  Prior to joining the University of Miami, he was a professor of Computer Science at the University of Rochester, Rochester, NY.  He is presently an editor of Theory of Computing Systems (Springer), International Journal of Foundations of Computer Science (World Scientific Press), and Open Computer Science Journal (De Gruyter).  He has published three books: A Complexity Theory Companion (Springer), Music Data Mining (CRC Press), and one in Japanese. He has published more than 190 research articles.

Blurb

Making extensive use of examples, this textbook on Java programming teaches the fundamental skills for getting started in a command-line environment. Meant to be used for a one-semester course to build solid foundations in Java, Fundamentals of Java Programming eschews second-semester content to concentrate on over 180 code examples and 250 exercises.

Key object classes (String, Scanner, PrintStream, Arrays, and File) are included to get started in Java programming. The programs are explained with almost line-by-line descriptions, also with chapter-by-chapter coding exercises.

Teaching resources include solutions to the exercises, as well as digital lecture slides.