Java

Javaプログラム構文は、C++によく似たものである。オブジェクト指向言語の一面が強調されがちだが、C言語のような手続き型言語としてもプログラミングできる。Javaはオブジェクト指向パラダイムをそれほど強制しない。

Javaは、同時にマルチパラダイム言語でもある。JDK 1.1でJavaBeans/JavaRMI/CORBAによるコンポーネントプログラミングと、リフレクションAPIによるメタプログラミングが備えられた。J2SE 5.0でジェネリクス構文/APIによるジェネリックプログラミングが追加された。Java SE 7で並行APIによる並行プログラミングが追加された。Java SE 8ではラムダ式/関数型インターフェース/ストリームAPIなどによる関数型プログラミングが追加された。2014年（Java 8）以降の関数型とジェネリクスを多用しているJavaプログラムは、それ以前のJavaプログラムから大きく様変わりしている。

Javaは、クラスベースのオブジェクト指向である^[15]。クラス、インターフェース、インスタンスといった概念を中心にしたものである。クラスのメンバ要素は、フィールド、メソッド、静的フィールド、静的メソッド、定数、内部クラス、コンストラクタ、ファイナライザである。インターフェースは抽象メソッドと定数で構成される純粋抽象クラスである。クラスはインスタンスのひな型であり、インスタンスはクラスを実体化したものである。Javaプログラムは、1個以上のクラス定義文から形成される。Javaのクラスはカプセル化、継承、多態性をサポートしている。

カプセル化は、クラスメンバの可視性 (private, package, protected, public) でサポートされている。可視性とはメンバのアクセス許可範囲を定めるものであり、privateは同クラス内限定、packageは同クラス内と同パッケージ内限定、protectedは同クラス内と同パッケージ内と派生クラス内限定、publicは制限なしを意味する。パッケージはプログラム全体を任意に分割したソースファイルの1個以上のまとまりである。Javaのデフォルト可視性は、ファイル単位のpackageなので隠蔽性よりも利便性が重視されている。

継承は、スーパークラスが一つに限られる単一継承をサポートしている。多重継承は不可である。既存クラスに任意メンバを追加した新規クラスを作成できる。Javaの全クラスはObjectクラスをルートクラスとしてデフォルト継承する。Objectクラスにはロック機能が備えられており、これは並行プログラミングを前提にした仕様である。

多態性は、仮想関数、抽象クラス、インターフェース、動的ダウンキャストでサポートされている。スーパークラスのvirtualメソッドを、サブクラスの同名メソッドでオーバーライドできる機能を仮想関数と言う。スーパークラス変数にサブクラスインスタンスを代入してその変数からサブクラスのメソッドが呼ばれるようにするのは、サブタイピングになる。インターフェースは抽象メソッドだけの純粋抽象クラスであり、任意の数だけクラスに実装できる。実行時ダウンキャストはinstanceof演算子の実行時型チェックが可能で、ダウンキャスト失敗時は例外発生する。

プラットフォーム非依存とは、Javaプログラムが特定のハードウェアやオペレーティングシステムに依存せずに、あらゆる環境での共通動作を保証する概念である。”Write once, run anywhere”（一度プログラムを書いてしまえば、どのコンピューターでも動くよ）とされる。Javaのプラットフォーム非依存性は次のようにして実現されている。

1. Javaコンパイラは、Javaソースコードを、Javaバイトコードという中間表現にコンパイルする。Javaバイトコードは、Java仮想マシン用の実行コードである。Javaバイトコードは通常、Javaクラスファイルにまとめられる。
2. Java仮想マシンは、各プラットフォームの差異を吸収するクッション的なソフトウェアである。Java仮想マシンは、様々なコンピュータ環境対応バージョンが提供されており、各プラットフォームにJava実行環境の中核としてインストールされる。
3. Java仮想マシンは、任意のJavaクラスファイルをJavaクラスローダーで読み込み、そのJavaバイトコードを解釈実行する。インタプリタ式の解釈走行と、実行時コンパイラで解釈走行させるものがある。

Java初期のインタプリタ式で走行されるJavaプログラムの実行速度は遅かったが、実行時コンパイラ技術と動的再コンパイル技術 (dynamic recompilation) の導入によって実行速度問題はほぼ解決した。実行時コンパイラとは、一定のJavaバイトコードをまとめてネイティブコードにコンパイルして継続的に実行させる技術である。Java仮想マシンはメモリ境界とバッファオーバーフローのチェックを行いながらプログラムを走行させる。また、クラスロード時のバイトコード検証機能によって、あからさまなコード暴走や致命的エラーの頻発を事前抑止している。

Javaプログラムは、複数以上のスレッドを同時走行できる。これをマルチスレッドと言う。多数のスレッドを扱う大規模システムにも対応しており、例えばスレッドグループAPIは、スレッドたちを役割や性質でグループ化して一括操作できる。これはクライアント・サーバシステムの実装向けである。また、多数の断続的トランザクションをさばくシステムにおいて発生しがちなスレッド生成/破棄の反復による負荷増大を回避するための、スレッドプールとタスクキューを合わせたスレッドモニタAPIも用意されている。

Javaのマルチスレッド並行計算は、クリティカルセクション同期が基準にされている。Javaの全インスタンスは、ロック機能を備えているObjectクラスをルート継承しているので、クリティカルセクションのロックオブジェクトにできる。Javaではsynchronizedで指定された範囲がクリティカルセクションになる。Javaの標準ロック手法は、ミューテックスのモニタである。synchronizedメソッドはその全体が排他セクションになり、そこではThisインスタンスがロックオブジェクトになる。synchronized静的メソッドでは、システム内の専用インスタンスがロックオブジェクトになる。また、synchronized(指名変数)構文でメソッド内の任意範囲をクリティカルセクションにして、そこでは指名変数がロックオブジェクトになる。

ミューテックスのモニタ以外の、カウントセマフォやバリアや読み書きロックなどのロック手法は、並行APIの方で用意されている。

Javaプログラムのメモリ管理は、Java仮想マシンのガベージコレクションによって行われる。ガベージコレクションとは、すでにどこからも参照されていないインスタンスを自動的に特定して破棄し、その占有メモリ領域を自動的に解放する機能である。人の手によるオブジェクトの生成と破棄を正確に対応させるメモリ管理作業は煩雑化するのが常であり、メモリリークや不正リリースによるエラーを引き起こしやすく、バグの温床と化すのが通例であった。それらを自動化したガベージコレクションは、Javaプログラマを複雑なメモリ管理作業から解放する。

ガベージコレクタのプロセスは、システムスレッドに乗って未参照のインスタンスを探し続ける。どこかの末端だけが途切れている参照の連鎖のかたまりも正確に特定して、参照の孤島に例えられたメモリ領域を一気に解放する。Javaではガベージコレクション機能に並々ならぬ力が入れられており、その技術更新は現在も進行中である。世代別ガベージコレクタ、応答時間短縮化のレイテンシ重視ガーベジコレクタ、休止時間短縮化のスループット重視ガーベジコレクタなどが導入されて更に改訂を重ねており、運用環境別の選択使用も可能にされている。

Javaの分散コンピューティングプログラミングは、オブジェクト要求ブローカーに準拠している。これはネットワーク上に存在する様々なプラットフォームの間で、互いに異なる環境を意識せずにリクエストとレスポンスを送りあい任意のタスクを遂行する分散システムの構築をサポートする。各プラットフォーム上で稼働されるサーバアプリケーションとクライアントアプリケーションは、それぞれオブジェクトを内包しており、業界共通規格のCORBAまたはJava独自規格のRMIが提供する運用アーキテクチャと通信プロトコルを通して、他のオブジェクトと相互にコミュニケーションする。それらは分散オブジェクトと呼ばれている。

業務用システムではすでにCORBAが普及していたので、高パフォーマンスだがJavaプラットフォーム間の限定になるRMIはその後追いであった。そのためRMIはCORBAと連携できるようにRMI over IIOPなどの様々な技術が実装されている。CORBAの通信プロトコルはIIOP、RMIの方はJRMPである。分散オブジェクトを実装するためのAPIとクラスライブラリの多くはJakarta EEに属している。分散オブジェクトの中でサーバ機能に特化されたものはEJB (Enterprise JavaBeans) と呼ばれている。

EJBは、クライアントと同期通信を行いトランザクションを管理するセッションビーン、データベースとリンクして永続データを管理するエンティティビーン、様々なイベントからの非同期通信を管理するメッセージドリブンビーンの三種に大別される。これらのEJBは、EJBコンテナに内包されて運用される。分散オブジェクト同士が通信するためのプロトコルは、IIOPかJRMPが使われる。JNDIは、照会された識別名からネットワーク上の分散オブジェクトや各種リソースのロケーションを特定して通信ないしアクセスできるようにする。

EJBコンテナは、WEBコンテナと連携して運用されるのが普通である。EJBコンテナはWEBコンテナを一般的なクライアント窓口として使用することが多い。WEBコンテナはサーブレットとJSP（Java Server Pages）を内包しているWEB用サーバアプリケーションであり、HTTPプロトコルを通して一般的なWEBブラウザとの同期通信を行う。WEB方面の分散オブジェクトは、WEBコンポーネントと呼ばれる。JSPはいわゆるWEBサイトの表示に特化したコンポーネントである。サーブレットはWEBサイトへのリクエストを処理し、場合によってはセッションビーンにトランザクションを委譲するコンポーネントである。EJBコンテナではJBossやWebSphereなどが有名である。EJBコンテナはWEBコンテナと統合されて提供されている事が多い。WEBコンテナではApache Tomcatが有名である。

分散ネットワークプログラミングを重視しているJavaは、サンドボックスモデルに基づいたセキュリティ機構を備えている。これは遠隔ダウンロードされた追加プログラム（Javaバイトコード）による実行環境への予期せぬ操作やユーザー資源への好ましくないアクセスを防止するためのものである。分散（distributed）指向のJavaプログラムでは、Javaクラスファイルを遠隔ロードする機会が多いので、サンドボックス実行は必須になる。Javaのサンドボックスは、大抵は以下の手順になる。

• クラスローダーは、バイトコードをダウンロードして順次クラス化する。
• 実行環境内のセキュリティポリシーファイルに従って、各種パーミッションが各クラスに付与される。セキュリティポリシーは主に、クラス名とそのパーミッションのペアで記述されている。
• 実行環境に元からあるクラスは、オールパーミッション付与がデフォルトである。
• スレッドがリソースアクセスなどの操作をする度に、セキュリティマネージャが現行のパーミッションを調べて対象外なら例外を発生させる。
• その際は、スレッドの各通過メソッドのクラスのパーミッションが全チェックされ、原則的に最少パーミッションの方に合わせる。
• 遠隔ロードされたappletクラスなどのパーミッション皆無のクラスのメソッドを一度でも通ったスレッドは、完全なサンドボックス実行になりほとんどのリソースにアクセスできなくなる。

実際には上記に加えて、各クラスを役割やセキュリティレベルでまとめるドメイン機構、認証と承認によるユーザーパーミッション機構、バイトコード送受信時の署名付き証明書機構などが組み合わされて実装運用される。

// Hello.java
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World");
    }
}

^[29]

Java 25現在、Java Platform, Standard EditionとJava Cardが存在する。エディションによってJava実行環境とJava開発キットに含まれるツール構成に違いがあり、またクラスライブラリとAPIの構成内容も異なっている。Java仮想マシンの性能にも差異がある。JDK 1.1までは単体エディションで、J2SE 1.2からJava SE, ME, EEの3エディションに分かれた。J2SE 5.0頃から拡張テクノロジの一つであったJava Cardが昇格して4エディションとなった。Java 9にてEEとMEがなくなりJava SEとCardの2エディションとなった。

Java Platform, Standard Edition (Java SE)

モバイル端末からサーバーまでをカバーする汎用のエディション。モバイルアプリ、デスクトップアプリ、Webアプリなどをカバーする。

Java Card

スマートカード（ICカード）、小型メモリデバイス上で運用されるプログラムを開発するためのエディションである。現在ではSIMカードやATMカードなど幅広い分野に普及している。Java仮想マシンの機能は非常にコンパクトにまとめられており、幾つかのプリミティブ型も省略されている。故に特殊なプログラミングスタイルが求められる。

Java 8までは以下のエディションが存在した。

Java Platform, Enterprise Edition (Java EE)

サーバマシン、ワークステーション向けである。スタンダード版に加え、WEBサーバ及び多層クライアントサーバ、業務用システムを開発する為の、様々な拡張技術クラスライブラリ&APIが追加されている。業務用プロフェッショナル仕様であり大規模である。

2017年9月にオラクルはJava EEがJava 8で終了し、Java 9以降の開発はJakarta EEとしてエクリプス財団によって行われる事を発表した^[30][31]。Java EEの商標は現行版のサポートを続けるオラクルが保持したので、エクリプス財団による今後のバージョンはJakarta EEの名称で公開される事になった^[32]。

Java Platform, Micro Edition (Java ME)

組み込みシステム、マイクロコントローラ向けである。コンピュータ資源が制限されている集積回路や電子機器に対応した特定技術仕様であり、専用のクラスライブラリ&APIも用意されている。Java仮想マシンも比較的コンパクトにまとめられている。

Java実行環境 (Java Runtime Environment; JRE) は、Javaアプリケーションを実行するために必要なソフトウェアである。Java仮想マシン、''Java.exe''のスターターを含めた各種実行サポートツール、Javaクラスライブラリで構成される。Java実行環境の中核はJava仮想マシンである。エディション毎に仮想マシンの仕様と性能は異なっており、また実行時は複数の動作モードを持つ。仮想マシンはスターターを通して稼働されるのが普通である。様々な使用状況に対応したスターターが最初に実行されて、そこから仮想マシンが呼び出されてJavaプログラムの実行を移譲される。仮想マシンはJavaクラスライブラリを逐次読み込みながらJavaプログラムを実行する。Java実行環境のツール内容とクラスライブラリ構成は、エディション毎に違いがある。

Java開発キット (Java Development Kit) は、Javaプログラムを開発するために必要なソフトウェアである。Java実行環境も内包している。Javaコンパイラなどの基本開発ツール、各種開発サポートツール、Java APIで構成されている。前述のエディションによって開発ツール内容とAPI構成に違いがある。Java開発キットの呼称はこれまでに何度か変更されている。

• J2SE 1.2.2_004 までは、JDK (Java Development Kit) と呼んでいた。
• J2SE 1.4 までは、Java2 SDK (Java2 Software Development Kit) と呼んでいた。
• J2SE 5.0 からは再び、JDK (Java Development Kit) と呼んだ。
• JavaSE 7 からは、エンタープライズ版とマイクロ版では Java SDK (Java Software Development Kit) と呼び、スタンダード版とカード版では JDK (Java Development Kit)と呼ぶようになった。JDKはSDKの拡張サブセット（SDKの一部分＋その他）とされる。

Javaテクノロジは、個人を含む各種組織から様々な形態で公開されている。開発元から提示された技術は、Java Community Process (JCP) による審査を合格した後にJavaテクノロジの一つとして認証される。これを標準化 (standardization) と言う。Javaテクノロジが準拠すべき規範仕様は、JCP管理下で発行される数々のJava仕様要求 (Java Specification Request) にて定義されている。Javaテクノロジは様々な分野に導入されている。その一例を以下に列挙する。

JNI (Java Native Interface)

他の言語で実装されたネイティブコードを呼び出す技術

JMI (Java Metadata Interface)

Javaのメタデータの作成・アクセス・検索・送受信に関する仕様

JML (Java Modeling Language)

契約による設計 (DbC) を指向した形式言語をソースコードに導入する

JMX (Java Management Extensions)

主に分散システムで依存性の注入によるJavaプログラムの動的な再構成技術

JDMK (Java Dynamic Management Kit)

JMX仕様に基づいた開発支援ソフトウェア

JDO (Java Data Objects)

オブジェクト永続化の仕様

Jini

分散システムを構築するネットワークアーキテクチャ

JavaSpaces

Jiniの分散システム環境でオブジェクトの送受信と永続化などをサポートするテクノロジ

JAIN (Java API for Integrated Networks)

統合通信ネットワーク用のAPI

JSF (Java Server Faces)

WEBクライアントにユーザーインターフェースを提供するサーバ用テクノロジ

JXTA

P2Pの仮想ネットワークのためのオープンプロトコル

OSGi

サービスの動的な管理と遠隔保守

Java3D

3次元グラフィクスプログラミングのための高水準なAPI。Java 3D

JOGL (Java OpenGL)

OpenGLを使う3Dプログラミングのための低水準なAPI

JAI (Java Advanced Imaging)

高水準な画像操作API

LWJGL

ゲーム開発用のAPI。OpenGL, OpenAL, OpenCLを扱える。様々なゲーム用コントローラーも扱える。

JSML (Java Speech Markup Language)

音声合成システムにテキスト注釈を追加する

Blu-ray Disc Java

ブルーレイディスク (BD) で実行される各種コンテンツ制作用

サン・マイクロシステムズは1996年のリリース当初からJava実行環境とJava開発環境をオープンソース化しており、サードパーティーにJavaテクノロジ開発への参入をアピールしていた。ただしJavaの普及に一定のコントロールをかける為にソースコードの改変までは認めていなかった。2004年になるとIBMが業界の優位性を活かしてJavaオープンソースプロジェクトの主導権を握るようになった。Javaコミュニティプロセスを取り巻く業界の変化を悟ったサン・マイクロシステムズはIBMとの本格的な提携を承認し、2007年にJava SE 6を「OpenJDK」としてGNU一般公開ライセンスの下でリリースした^[34]。OpenJDKではソースコードの改変も認められた。GNUプロジェクトは「GNU Interpreter for Java」、GNUコンパイラコレクションの「GNU Compiler for Java」、互換クラスライブラリの「GNU Classpath」を公開した。Windows用GNU Compilerは、MinGWと併せてCygwinの環境上でも実行できた。

WindowsやLinuxなどのメジャーOSでは、オラクル、IBM、Blackdown、GNUプロジェクト、Kaffe.orgなどによるJavaプラットフォームが公開されている。また、JavaソースコードをそのままWin用実行ファイルに変換する「Excelsior JET」や^[35]、JarファイルをWin用実行ファイルに変換する「exewrap」「Launch4j」「NSIS」「JSmooth」なども販売ないし公開されている。

• Java （日本語） - Javaのユーザー向け公式サイト
• Javaソフトウェア | オラクル | Oracle 日本 - オラクル
• Java Community Process （英語） - JCPのサイト。JSRなどを閲覧できる
  • Java Downloads
  • Java Platform Standard Edition 7 ドキュメント
  • Java SE APIおよびドキュメント
  • Java チュートリアル

• @IT: Java Agile （日本語） - Java技術者のための情報提供/情報交換フォーラム
• IBM developerWorks Java technology （日本語） - IBM developerWorks の開発者向けの記事
• OpenJDK （英語）

Java
オラクル	現行 Java言語 文法 キーワード 履歴 JDK OpenJDK JVM HotSpot Java SE (Standard) Card JavaFX 廃止 Applet Web Start (JNLP) JRE Java ME (Micro) Java EE (Enterprise)
サードパーティ	Jakarta EE Servlet Pages Faces Messaging Transactions Enterprise Beans RESTful その他 Android SDK Android Studio Eclipse GNU Classpath GWT Harmony Hibernate IcedTea IntelliJ IDEA Spring Struts WildFly
JVM言語	BeanShell Clojure Groovy JRuby Jython Kotlin Processing Rhino Scala
コミュニティ	カンファレンス JavaOne Devoxx 組織 Apache財団 Eclipse財団 JCP オラクル サン・マイクロシステムズ 人物 ジェームズ・ゴスリン アーサー・ヴァン・ホフ ウルス・ヘルツレ パトリック・ノートン
カテゴリ コモンズ Portal:コンピュータ

サン・マイクロシステムズ
同社はオラクルにより2010年に買収された。
人物	アンディ・ベクトルシャイム ジェームズ・ゴスリン ジョナサン・シュワルツ スコット・マクネリ ビノッド・コースラ ビル・ジョイ
ハードウェア	ワークステーション、 サーバ Sun-1 Sun-2 Sun-3 Sun386i Sun-4 SPARCstation Ultra Enterprise Sun Blade Sun Fire Java Workstation SPARC Enterprise Cobalt Qube Cobalt RaQ プロセッサ SPARC MB86900 microSPARC SuperSPARC UltraSPARC UltraSPARC II UltraSPARC IIe UltraSPARC IIi Gemini UltraSPARC III UltraSPARC III Cu UltraSPARC IIIi UltraSPARC IV UltraSPARC T1 UltraSPARC T2 SPARC T3 SPARC T4 SPARC T5 Rock MAJC ネットワーク コンピュータ JavaStation Sun Ray その他 Sun Modular Datacenter
ソフトウェア	SunOS Solaris NIS NFS ZFS SunView NeWS OpenWindows Java Desktop System Java StarSuite Sun ONE MySQL GlassFish
HPC	Sun Grid Engine
研究	Fortress
教育	SCP BlueJ
コミュニティ	CDDL JCP NetBeans OpenOffice.org OpenSolaris OpenSPARC OpenJDK
カテゴリ