Tổng Quan Về Ngôn Ngữ Lập Trình Java | TopDev

Java là ngôn ngữ lập trình thuộc top phổ biến nhất thế giới, Java không chỉ phổ biến trong lập trình ứng dụng web và di động mà còn là xương sống của nhiều hệ thống lớn như các nền tảng giao dịch tài chính, hệ thống quản lý doanh nghiệp, và các ứng dụng nhúng. Vậy Java là gì? Java hoạt động ra sao và ứng dụng như thế nào? Cùng TopDev tìm hiểu tổng quan về ngôn ngữ lập trình Java này thông qua bài viết bên dưới nhé!

Java là gì?

Java là một trong những ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng. Ngôn ngữ Java được sử dụng phổ biến trong phát triển phần mềm, trang web, game hay ứng dụng trên các thiết bị di động.

Java được khởi đầu bởi James Gosling và bạn đồng nghiệp ở Sun MicroSystem năm 1991. Ban đầu Java được tạo ra nhằm mục đích viết phần mềm cho các sản phẩm gia dụng, và có tên là Oak. Java được chính thức phát hành năm 1994, đến năm 2010 được Oracle mua lại từ Sun MicroSystem.

Java được thiết kế với tiêu chí “Write Once, Run Anywhere” (viết một lần, chạy mọi nơi), tức là mã nguồn Java sau khi biên dịch có thể chạy trên bất kỳ nền tảng nào hỗ trợ Java Virtual Machine (JVM), mà không cần thay đổi lại mã. Điều này giúp Java trở thành một ngôn ngữ lập trình đa nền tảng và rất phổ biến.

Tham khảo thêm về công việc của Java developer tại đây

Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Java là gì?

Nguồn ảnh: ScholarHat

Tương tự C++, hướng đối tượng hoàn toàn

Trong quá trình tạo ra một ngôn ngữ mới phục vụ cho mục đích chạy được trên nhiều nền tảng, các kỹ sư của Sun MicroSystem muốn tạo ra một ngôn ngữ dễ học và quen thuộc với đa số người lập trình. Vì vậy họ đã sử dụng lại các cú pháp của C và C++.

Tuy nhiên, trong Java thao tác với con trỏ bị lược bỏ nhằm đảo bảo tính an toàn và dễ sử dụng hơn. Các thao tác overload, goto hay các cấu trúc như struct và union cũng được loại bỏ khỏi Java.

Độc lập phần cứng và hệ điều hành

Một chương trình viết bằng ngôn ngữ Java có thể chạy tốt ở nhiều môi trường khác nhau. Gọi là khả năng “cross-platform”. Khả năng độc lập phần cứng và hệ điều hành được thể hiện ở 2 cấp độ là cấp độ mã nguồn và cấp độ nhị phân.

Ở cấp độ mã nguồn: Kiểu dữ liệu trong Java nhất quán cho tất cả các hệ điều hành và phần cứng khác nhau. Java có riêng một bộ thư viện để hỗ trợ vấn đề này. Chương trình viết bằng ngôn ngữ Java có thể biên dịch trên nhiều loại máy khác nhau mà không gặp lỗi.

Ở cấp độ nhị phân: Một mã biên dịch có thể chạy trên nhiều nền tảng khác nhau mà không cần dịch lại mã nguồn. Tuy nhiên cần có Java Virtual Machine để thông dịch đoạn mã này.

Ngôn ngữ thông dịch

Ngôn ngữ lập trình thường được chia ra làm 2 loại (tùy theo các hiện thực hóa ngôn ngữ đó) là ngôn ngữ thông dịch và ngôn ngữ biên dịch.

• Thông dịch (Interpreter) : Nó dịch từng lệnh rồi chạy từng lệnh, lần sau muốn chạy lại thì phải dịch lại.
• Biên dịch (Compiler): Code sau khi được biên dịch sẽ tạo ra 1 file thường là .exe, và file .exe này có thể đem sử dụng lại không cần biên dịch nữa.

Ngôn ngữ lập trình Java thuộc loại ngôn ngữ thông dịch. Chính xác hơn, Java là loại ngôn ngữ vừa biên dịch vừa thông dịch. Cụ thể như sau

Khi viết mã, hệ thống tạo ra một tệp .java. Khi biên dịch mã nguồn của chương trình sẽ được biên dịch ra mã byte code. Máy ảo Java (Java Virtual Machine) sẽ thông dịch mã byte code này thành machine code  (hay native code) khi nhận được yêu cầu chạy chương trình.

Ưu điểm : Phương pháp này giúp các đoạn mã viết bằng Java có thể chạy được trên nhiều nền tảng khác nhau. Với điều kiện là JVM có hỗ trợ chạy trên nền tảng này.

Nhược điểm : Cũng như các ngôn ngữ thông dịch khác, quá trình chạy các đoạn mã Java là chậm hơn các ngôn ngữ biên dịch khác (tuy nhiên vẫn ở trong một mức chấp nhận được).

Cơ chế thu gom rác tự động

Khi tạo ra các đối tượng trong Java, JRE sẽ tự động cấp phát không gian bộ nhớ cho các đối tượng ở trên heap.

Với ngôn ngữ như C/C++, bạn sẽ phải yêu cầu hủy vùng nhớ mà bạn đã  cấp phát, để tránh việc thất thoát vùng nhớ. Tuy nhiên vì một lý do nào đó, bạn không hủy một vài vùng nhớ, dẫn đến việc thất thoát và làm giảm hiệu năng chương trình.

Ngôn ngữ lập trình Java hỗ trợ cho bạn điều đó, nghĩa là bạn không phải  tự gọi hủy các vùng nhớ. Bộ thu dọn rác của Java sẽ theo vết các tài nguyên đã được cấp. Khi không có tham chiếu nào đến vùng nhớ, bộ thu dọn rác sẽ tiến hành thu hồi vùng nhớ đã được cấp phát.

>>> Xem thêm: Học lập trình Java từ đâu và như thế nào?

Đa luồng

Java hỗ trợ lập trình đa tiến trình (multithread) để thực thi các công việc đồng thời. Đồng thời cũng cung cấp giải pháp đồng bộ giữa các tiến trình (giải pháp sử dụng priority…).

Tính an toàn và bảo mật

Tính an toàn

• Ngôn ngữ lập trình Java yêu cầu chặt chẽ về kiểu dữ liệu.
• Dữ liệu phải được khai báo tường minh.
• Không sử dụng con trỏ và các phép toán với con trỏ.
• Java kiểm soát chặt chẽ việc truy nhập đến mảng, chuỗi. Không cho phép sử dụng các kỹ thuật tràn. Do đó các truy nhập sẽ không vượt quá kích thước của mảng hoặc chuỗi.
• Quá trình cấp phát và giải phóng bộ nhớ được thực hiện tự động.
• Cơ chế xử lý lỗi giúp việc xử lý và phục hồi lỗi dễ dàng hơn.

Tính bảo mật

Java cung cấp một môi trường quản lý chương trình với nhiều mức khác nhau.

• Mức 1 : Chỉ có thể truy xuất dữ liệu cũng như phương phức thông qua giao diện mà lớp cung cấp.
• Mức 2 : Trình biên dịch kiểm soát các đoạn mã sao cho tuân thủ các quy tắc của ngôn ngữ lập trình Java trước khi thông dịch.
• Mức 3 : Trình thông dịch sẽ kiểm tra mã byte code xem các đoạn mã này có đảm bảo được các quy định, quy tắc trước khi thực thi.
• Mức 4: Java kiểm soát việc nạp các lớp vào bộ nhớ để giám sát việc vi phạm giới hạn truy xuất trước khi nạp vào hệ thống.

Có thể bạn quan tâm: Top 11 tài liệu tự học lập trình Java chọn lọc

Quá trình code Java diễn ra như thế nào?

Như đã giới thiệu, Java hoạt động dựa trên một quy trình đặc biệt là “Compile Once, Run Anywhere“, nhờ vào việc sử dụng Máy ảo Java. Cụ thể, khi bạn viết một chương trình Java, quy trình hoạt động của Java có thể được chia làm ba bước chính:

1. Viết mã nguồn: Lập trình viên viết mã nguồn Java trong các tệp .java.
2. Biên dịch mã nguồn: Mã nguồn Java được biên dịch bởi trình biên dịch Java (Java Compiler) thành bytecode (tệp .class). Bytecode này không phải là mã máy mà máy tính có thể hiểu ngay, nhưng nó là dạng trung gian có thể được hiểu bởi bất kỳ hệ điều hành nào có JVM.
3. Chạy chương trình: Bytecode sau đó được JVM thực thi. JVM dịch bytecode này thành mã máy (machine code) để hệ điều hành và phần cứng cụ thể có thể hiểu và thực thi chương trình.

Máy ảo Java (JVM – Java Virtual Machine)

Để đảm bảo tính đa nền, Java sử dụng cơ chế Máy ảo của Java.

Khi thực hiện một chương trình, máy ảo Java lần lượt thông dịch các chỉ thị dưới dạng Bytecode thành các chỉ thị dạng nhị phân của máy tính thực và thực thi thực sự chúng trên máy tính thực (còn gọi là khả năng khả chuyển).

Máy ảo thực tế đó là một chương trình thông dịch. Vì thế các hệ điều hành khác nhau sẽ có các máy ảo khác nhau. Để thực thi một ứng dụng của Java trên một hệ điều hành cụ thể, cần phải cài đặt máy ảo tương ứng cho hệ điều hành đó.

JVM cung cấp môi trường thực thi cho chương trình Java (còn gọi là khả năng độc lập với nền).

Có nhiều JVM cho các nền tảng khác nhau chẳng hạn như: Windows, Liux, và Mac.

Một số thuật ngữ thường gặp trong Java

Bytecode

Bytecode là mã trung gian mà trình biên dịch Java tạo ra sau khi biên dịch mã nguồn. Nó không phụ thuộc vào hệ điều hành cụ thể và có thể chạy trên bất kỳ hệ thống nào có Java Virtual Machine (JVM). JVM sẽ dịch bytecode thành mã máy để chạy trên hệ điều hành đó, giúp Java đạt tính độc lập nền tảng.

Garbage Collection (GC)

Garbage Collection là cơ chế tự động quản lý bộ nhớ trong Java. GC tự động dọn dẹp các đối tượng không còn sử dụng nữa, giúp giải phóng bộ nhớ và ngăn ngừa rò rỉ bộ nhớ, đảm bảo ứng dụng hoạt động ổn định mà không cần lập trình viên phải quản lý thủ công.

JDK (Java Development Kit)

JDK là bộ công cụ dành cho lập trình viên Java, bao gồm trình biên dịch (compiler), thư viện chuẩn, và JVM để giúp phát triển và chạy các ứng dụng Java.

JRE (Java Runtime Environment)

JRE là môi trường giúp chạy các chương trình Java đã được biên dịch, bao gồm JVM và các thư viện cần thiết để thực thi chương trình.

API (Application Programming Interface)

API trong Java là tập hợp các thư viện và công cụ hỗ trợ lập trình viên phát triển các ứng dụng, cung cấp các chức năng sẵn có để giải quyết nhiều tác vụ như xử lý dữ liệu, lập trình mạng, và quản lý giao diện người dùng

ClassPath

ClassPath là biến môi trường (environment variable) mà JVM sử dụng để tìm kiếm các file .class hoặc file bytecode được sử dụng bởi ứng dụng Java.

Các loại ứng dụng được phát triển sử dụng Java

Java là một ngôn ngữ lập trình phổ biến, mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ vào tính độc lập nền tảng, hiệu suất ổn định và bộ thư viện phong phú. Dưới đây là các ứng dụng chính của Java trong nhiều lĩnh vực:

Phát triển Game

Java được sử dụng để phát triển nhiều game đơn giản cho cả máy tính và di động. Nhờ vào các thư viện như LibGDX và LWJGL (Lightweight Java Game Library), Java cung cấp môi trường phát triển mạnh mẽ cho các trò chơi 2D và 3D.

Đám mây (Cloud Computing)

Java là ngôn ngữ chính được sử dụng trong các dịch vụ và hệ thống đám mây (cloud computing) do khả năng xử lý song song mạnh mẽ và bảo mật cao. Các hệ thống như Amazon Web Services (AWS), Google Cloud và Microsoft Azure đều hỗ trợ Java cho việc phát triển và triển khai các ứng dụng trên đám mây.

Dữ liệu lớn (Big Data)

Trong lĩnh vực dữ liệu lớn (Big Data), Java đóng vai trò quan trọng nhờ vào các công cụ và framework mạnh mẽ như Apache Hadoop, Apache Spark. Những framework này chủ yếu được viết bằng Java và Scala, cho phép Java có thể xử lý và phân tích lượng dữ liệu lớn một cách hiệu quả.

Phát triển Web

Java là lựa chọn hàng đầu trong phát triển ứng dụng web nhờ vào các framework như Spring, Hibernate, và Struts. Java giúp xây dựng các ứng dụng web mạnh mẽ, bảo mật và có khả năng mở rộng tốt.

Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence – AI)

Java cũng được sử dụng trong trí tuệ nhân tạo (AI) nhờ vào tính năng đa luồng và khả năng mở rộng. Các thư viện Java hỗ trợ các mô hình học máy, xử lý ngôn ngữ tự nhiên và các thuật toán AI như Deeplearning4j, Weka, và Apache Mahout.

Internet of Things (IoT)

Java là một ngôn ngữ phổ biến trong Internet of Things (IoT) nhờ vào khả năng tương thích với các thiết bị nhúng và hệ thống nhúng nhỏ gọn. Các hệ thống IoT yêu cầu tính bảo mật, độ ổn định, và khả năng hoạt động trên nhiều nền tảng, điều mà Java có thể đáp ứng tốt.

Ứng dụng Doanh nghiệp

Java từ lâu đã là lựa chọn hàng đầu trong việc xây dựng các hệ thống quản lý doanh nghiệp như ERP, CRM, và các hệ thống quản lý quy trình kinh doanh phức tạp. Với Java Enterprise Edition (Java EE), các doanh nghiệp có thể phát triển các ứng dụng lớn, phức tạp và bảo mật.

Các phiên bản của Java

Java Standard Edition (Java SE) – Là một nền tảng cơ bản cho phép phát triển giao diện điều khiển, các ứng dụng mạng và các ứng dụng dạng Win Form.

Java Enterprise Edition (Java EE) – Được xây dựng trên nền tảng Java SE, giúp phát triển các ứng dụng web, các ứng dụng ở cấp doanh nghiệp, …

Java Mobile Edition (Java ME) – Là một nền tảng cho phép phát triển các ứng dụng nhúng vào các thiết bị điện tử như mobile,…

Hướng dẫn tải và cài đặt Java trên Windows

Việc tải về và cài đặt Java trên máy tính Windows của bạn không hề phức tạp nếu bạn làm theo từng bước hướng dẫn của chúng tôi. Quá trình này khá giống nhau trên tất cả các phiên bản Windows, ở đây TopDev sẽ thực hiện trên Windows 11.

Bước 1: Tải xuống Java về máy tính

Mở trang tải xuống Java cho Windows và nhấp vào liên kết tải xuống trình cài đặt x64.

• Chọn phiên bản JDK mới nhất. Trong ví dụ này, phiên bản mới nhất có sẵn là JDK 22 .
• Truy cập vào tab Windows .
• Nhấp vào liên kết tải xuống x64 Installer

Lúc này tệp JDK sẽ bắt đầu tải xuống (bao gồm JRE).

Bước 2: Setup Java trên hệ thống Windows

• Nhấp đúp vào tệp Java đã tải xuống để bắt đầu cài đặt.
• Khi màn hình chào mừng của trình hướng dẫn cài đặt xuất hiện, hãy chọn Next để tiếp tục.

• Chọn thư mục đích cho các tệp cài đặt Java hoặc giữ nguyên đường dẫn mặc định và nhấp vào Next.

• Quá trình cài đặt hoàn tất khi thông báo Successfully Installed xuất hiện. Nhấp vào Close để thoát khỏi trình hướng dẫn.

Tới đây bạn đã cài đặt thành công JDK 22 trên hệ thống Windows của mình. Để cho phép biên dịch chương trình từ bất kỳ thư mục nào, bạn phải thiết lập biến môi trường Java.

Bước 3: Thiết lập biến môi trường trong Java

Thực hiện theo các bước trong phần bên dưới để cấu hình biến môi trường Java trong Windows.

Thêm Java vào Biến Hệ thống

Bước này đảm bảo rằng Java có thể truy cập được từ dòng lệnh trong bất kỳ thư mục nào.

1. Mở menu Start và tìm kiếm “environment variables”
2. Chọn Edit the system environment variables.

3. Chọn Advanced.

4. Nhấp vào Environment variables.

5. Chọn biến Path trong danh mục System variables và nhấp vào Edit.

6. Nhấp vào New.

7. Nhập đường dẫn đến thư mục Java bin..

8. Nhấp vào OK để lưu các thay đổi và thoát khỏi cửa sổ chỉnh sửa biến.

Thêm biến JAVA_HOME

1. Nhấp vào New trong danh mục System variables để tạo biến mới.

2. Đặt tên biến là JAVA_HOME.

3. Nhập đường dẫn đến thư mục Java JDK của bạn vào trường giá trị biến.

4. Nhấp vào OK.

Bây giờ bạn đã tạo thành công biến môi trường Java trên thiết bị Windows 11 của mình.

Nguồn tham khảo:

• How to Install Java on Windows | phoenixNAP KB
• Tổng quan về ngôn ngữ lập trình java – GP Coder (Lập trình Java)