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
,ii
c 1996–2007, David J. Eck
David J. Eck ()
Department of Mathematics and Computer Science
Hobart and William Smith Colleges
Geneva, NY 14456
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,Contents
Preface xiii
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 19
2.1 The Basic Java Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Variables and Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 Types and Literals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Variables in Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Objects and Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Built-in Subroutines and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Operations on Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3 Introduction to Enums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Text Input and Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.1 A First Text Input Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Text Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3 TextIO Input Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.4 Formatted Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.5 Introduction to File I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Details of Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.1 Arithmetic Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.2 Increment and Decrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.3 Relational Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.4 Boolean Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.5 Conditional Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.6 Assignment Operators and Type-Casts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.7 Type Conversion of Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.8 Precedence Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6 Programming Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
iii
, iv CONTENTS
2.6.1 Java Development Kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.2 Command Line Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.3 IDEs and Eclipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.4 The Problem of Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Exercises for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Quiz on Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3 Control 61
3.1 Blocks, Loops, and Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1 Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.2 The Basic While Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.3 The Basic If Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2 Algorithm Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.1 Pseudocode and Stepwise Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2 The 3N+1 Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3 Coding, Testing, Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 while and do..while . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.1 The while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2 The do..while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.3 break and continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4 The for Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.1 For Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.2 Example: Counting Divisors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.3 Nested for Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.4 Enums and for-each Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5 The if Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.1 The Dangling else Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.2 The if...else if Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.3 If Statement Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.5.4 The Empty Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.6 The switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.6.1 The Basic switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.6.2 Menus and switch Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.6.3 Enums in switch Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.6.4 Definite Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.7 Exceptions and try..catch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7.1 Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7.2 try..catch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7.3 Exceptions in TextIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.8 GUI Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Exercises for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Quiz on Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4 Subroutines 117
4.1 Black Boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2 Static Subroutines and Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.1 Subroutine Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.2 Calling Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Version 5.0, December 2006
(Version 5.0.2, with minor corrections, November 2007)
David J. Eck
Hobart and William Smith Colleges
,ii
c 1996–2007, David J. Eck
David J. Eck ()
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Floor, San Francisco, California, 94105, USA.
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,Contents
Preface xiii
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 19
2.1 The Basic Java Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Variables and Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 Types and Literals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Variables in Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Objects and Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Built-in Subroutines and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Operations on Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3 Introduction to Enums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Text Input and Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.1 A First Text Input Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Text Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3 TextIO Input Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.4 Formatted Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.5 Introduction to File I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Details of Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.1 Arithmetic Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.2 Increment and Decrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.3 Relational Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.4 Boolean Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.5 Conditional Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.6 Assignment Operators and Type-Casts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.7 Type Conversion of Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.8 Precedence Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6 Programming Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
iii
, iv CONTENTS
2.6.1 Java Development Kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.2 Command Line Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.3 IDEs and Eclipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.4 The Problem of Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Exercises for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Quiz on Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3 Control 61
3.1 Blocks, Loops, and Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1 Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.2 The Basic While Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.3 The Basic If Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2 Algorithm Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.1 Pseudocode and Stepwise Refinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2 The 3N+1 Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3 Coding, Testing, Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 while and do..while . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.1 The while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2 The do..while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.3 break and continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4 The for Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.1 For Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.2 Example: Counting Divisors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.3 Nested for Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.4 Enums and for-each Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5 The if Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.1 The Dangling else Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.2 The if...else if Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.3 If Statement Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.5.4 The Empty Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.6 The switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.6.1 The Basic switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.6.2 Menus and switch Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.6.3 Enums in switch Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.6.4 Definite Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.7 Exceptions and try..catch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7.1 Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7.2 try..catch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7.3 Exceptions in TextIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.8 GUI Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Exercises for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Quiz on Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4 Subroutines 117
4.1 Black Boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2 Static Subroutines and Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.1 Subroutine Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.2 Calling Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
