Лекция 1. Введение в Java и основы Android-разработки

Нативная разработка под Android (Java + Kotlin)

Структура курса

Структура курса. Практика

• 5 лабораторных работ (сентябрь-ноябрь).
• Для экзамена: Проект (декабрь-январь).
• Проект: приложение на выбор (нативное Android, Flutter или кроссплатформенное).

Мобильные платформы

Язык Java: Основы

Java: Философия языка

• "Write Once, Run Anywhere" - основная концепция
• Объектно-ориентированный язык
• Статическая типизация
• Автоматическое управление памятью (Garbage Collection)
• Богатая стандартная библиотека
• Мультиплатформенность (JVM)

Версии Java: Эволюция

Java Ecosystem

Сравнение JDK vs JRE vs JVM

Основные компоненты JDK

Процесс разработки с JDK

1. Написание кода - создание .java файлов
2. Компиляция - javac -> .class файлы
3. Упаковка - jar -> JAR архив
4. Запуск - java -jar application.jar

# Компиляция
javac HelloWorld.java

# Запуск
java HelloWorld

# Создание JAR
jar cvf app.jar *.class
					

JVM: Виртуальная машина Java

JVM: Назначение

Виртуальная машина Java - абстрактная вычислительная машина, обеспечивающая кроссплатформенность по принципу "Write Once, Run Anywhere".

• Загрузка и верификация байт-кода
• Выполнение программ
• Управление памятью (сборка мусора)
• Обеспечение безопасности
• Оптимизация производительности (JIT)

Архитектура JVM

Подсистема загрузки классов: Делегирование

1. Bootstrap ClassLoader - загружает core библиотеки (java.lang, java.util)
2. Platform ClassLoader - загружает расширения платформы
3. Application ClassLoader - загружает классы приложения

Принцип делегирования: запрос сначала передаётся родительскому загрузчику.

Фазы загрузки классов

Инициализация: выполнение static блоков и присвоение значений static полям.

Пример: Правило делегирования

// При вызове: Class.forName("com.example.MyClass")

// Шаг 1: Application ClassLoader делегирует Platform
// Шаг 2: Platform ClassLoader делегирует Bootstrap
// Шаг 3: Bootstrap не находит -> Platform ищет
// Шаг 4: Platform не находит -> Application ищет в classpath

// Кастомный ClassLoader с переопределением:
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
            throws ClassNotFoundException {
        // Сначала делегируем родителю
        Class<?> loadedClass = findLoadedClass(name);
        if (loadedClass == null) {
            try {
                loadedClass = getParent().loadClass(name);
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // Родитель не нашёл - ищем сами
                loadedClass = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(loadedClass);
        }
        return loadedClass;
    }
}
					

Heap Area: Структура памяти

Области памяти JVM подробно

Stack vs Heap: Когда что используется

void calculate() {
    int x = 10;              // Stack: примитив
    int[] arr = new int[5];  // Stack: ссылка, Heap: массив
    String s = new String("Hi"); // Stack: ссылка, Heap: объект
}
					

Сборка мусора: Типы коллекторов

GC-алгоритмы подробно

Когда какой GC использовать

JIT-компиляция

• Just-In-Time компиляция: "горячий" код компилируется в нативный
• Interpreter сначала выполняет байт-код
• Профайлер определяет "горячие" методы (hot spots)
• JIT компилирует их в нативный код и кэширует
• Производительность приближается к нативному коду

JIT: Механика работы

Tiered Compilation: C1 vs C2

By default: Tier 0 (interpret) -> Tier 1-3 (C1) -> Tier 4 (C2). Флаг: -XX:+TieredCompilation

Java: Generics (Обобщения)

// Без generics - необходимость кастов
List list = new ArrayList();
list.add("Hello");
String s = (String) list.get(0);  // unsafe cast

// С generics - type safety на этапе компиляции
List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("Hello");
String s = names.get(0);  // без каста

// Ограничение типов (bounded type parameters)
public <T extends Comparable<T>> T max(T a, T b) {
    return a.compareTo(b) >= 0 ? a : b;
}

// Wildcards
List<? extends Number> numbers;  // чтение Number и выше
List<? super Integer> integers;  // запись Integer и ниже
					

Java: Аннотации

// Встроенные аннотации
@Override  // переопределение метода
@SuppressWarnings("unchecked")  // подавление предупреждений
@Deprecated  // устаревший элемент

// Кастомные аннотации
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface MyAnnotation {
    String value() default "";
    int priority() default 0;
}

// Использование
@MyAnnotation(value = "test", priority = 1)
public void myMethod() { }

// Чтение аннотаций через Reflection
MyAnnotation ann = myMethod.getAnnotation(MyAnnotation.class);
System.out.println(ann.value());  // "test"
					

Java: Enumerations

// Простой enum
enum Day {
    MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY, SUNDAY
}

// Enum с полями и методами
enum Planet {
    MERCURY(3.303e+23, 2.4397e6),
    VENUS(4.869e+24, 6.0518e6),
    EARTH(5.976e+24, 6.37814e6);

    private final double mass;
    private final double radius;

    Planet(double mass, double radius) {
        this.mass = mass;
        this.radius = radius;
    }

    double surfaceGravity() {
        final double G = 6.67300E-11;
        return G * mass / (radius * radius);
    }
}

// Switch с enum (Java 14+)
String desc = switch (day) {
    case MONDAY, FRIDAY -> "Start of week";
    case SATURDAY, SUNDAY -> "Weekend";
    default -> "Midweek";
};
					

Java: Внутренние классы

class Outer {
    private int x = 10;
    class Inner {
        void show() {
            System.out.println(x);
        }
    }
}
new Outer().new Inner().show();
							

class Outer {
    static int x = 10;
    static class Nested {
        void show() {
            System.out.println(x);
        }
    }
}
new Outer.Nested().show();
							

void method() {
    class Local {
        void show() {
            System.out.println("local");
        }
    }
    new Local().show();
}
							

Runnable r = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("anon");
    }
};
// Или с лямбдой (functional interface)
Runnable r2 = () ->
    System.out.println("lambda");
							

Java: Обработка исключений

// Иерархия исключений
// Throwable
//   ├── Error (необрабатываемые: OutOfMemoryError, StackOverflowError)
//   └── Exception
//       ├── Checked Exceptions (IOException, SQLException)
//       └── RuntimeException (NullPointerException, ArrayIndexOutOfBounds)

// Try-catch-finally
try {
    int result = 10 / 0;
} catch (ArithmeticException e) {
    System.err.println("Ошибка: " + e.getMessage());
} finally {
    System.out.println("Всегда выполняется");
}

// Try-with-resources (AutoCloseable)
try (var reader = new BufferedReader(new FileReader("file.txt"))) {
    String line = reader.readLine();
}  // reader.close() вызывается автоматически

// Multi-catch (Java 7+)
try {
    // ...
} catch (IOException | SQLException e) {
    // обработка обоих типов
}
					

Java: Collections Framework

Java: Stream API

List<String> names = Arrays.asList("Alice", "Bob", "Charlie", "David", "Eve");

// Фильтрация, сортировка, преобразование
List<String> result = names.stream()
    .filter(name -> name.length() > 3)        // фильтрация
    .map(String::toUpperCase)                  // преобразование
    .sorted()                                  // сортировка
    .collect(Collectors.toList());             // сбор в List

// Параллельный stream
long count = names.parallelStream()
    .filter(name -> name.startsWith("A"))
    .count();

// Агрегатные операции
Optional<String> longest = names.stream()
    .max(Comparator.comparingInt(String::length));

// Группировка
Map<Integer, List<String>> byLength = names.stream()
    .collect(Collectors.groupingBy(String::length));

//reduce
int sum = IntStream.range(1, 101).reduce(0, Integer::sum);
					

Java: Функциональные интерфейсы

// Функциональный интерфейс - интерфейс с одним abstract методом
@FunctionalInterface
interface Transformer<T, R> {
    R transform(T input);
}

// Использование с лямбдой
Transformer<String, Integer> length = String::length;
System.out.println(length.transform("Hello"));  // 5

// Стандартные функциональные интерфейсы (java.util.function)
Predicate<String> isLong = s -> s.length() > 5;
Function<String, Integer> toLen = String::length;
Consumer<String> print = System.out::println;
Supplier<String> greeting = () -> "Hello";
UnaryOperator<String> upper = String::toUpperCase;
BinaryOperator<Integer> sum = Integer::sum;

// Цепочки
List<String> result = names.stream()
    .filter(isLong)              // Predicate
    .map(upper)                  // UnaryOperator
    .toList();
					

Kotlin: Современный язык для Android

Kotlin: Зачем нужен?

• Google объявил Kotlin предпочтительным языком для Android (2019)
• К 2025 году ~95% новых Android-приложений пишутся на Kotlin
• 100% совместимость с Java
• Короче, безопаснее, выразительнее
• Поддержка Android Studio "из коробки"

Kotlin vs Java: Основные отличия

Kotlin: Null-safety

// Java: NullPointerException - основная причина крашей
String name = null;
System.out.println(name.length()); // Краш!

// Kotlin: компилятор не даст скомпилировать
var name: String = "Hello"
// name = null  // Ошибка компиляции!

var nullableName: String? = "Hello"
nullableName = null
println(nullableName?.length)  // null (безопасный вызов)
println(nullableName?.length ?: 0)  // 0 (элвис-оператор)
					

Kotlin: Extension Functions

// Расширение стандартного класса
fun String.removeFirst(): String {
    return this.substring(1)
}

println("Hello".removeFirst())  // "ello"

// Расширение для TextView
fun TextView.showToast(text: String) {
    Toast.makeText(this.context, text, Toast.LENGTH_SHORT).show()
}

myTextView.showToast("Привет!")
					

Kotlin: Coroutines

// Корутины - лёгковесные потоки для асинхронного кода
lifecycleScope.launch {
    val data = fetchDataFromNetwork()  // suspend fun
    updateUI(data)
}

// Определение suspend-функции
suspend fun fetchDataFromNetwork(): String {
    return withContext(Dispatchers.IO) {
        val url = URL("https://api.example.com/data")
        url.readText()
    }
}
					

• Dispatchers.IO - сетевые/файловые операции
• Dispatchers.Main - обновление UI
• Dispatchers.Default - CPU-интенсивные задачи

Kotlin: Data Classes

// Java: 50+ строк кода для аналогичного класса
data class User(
    val id: Long,
    val name: String,
    val email: String,
    val age: Int = 0  // значение по умолчанию
)

// Автоматически генерируются:
// equals(), hashCode(), toString(), copy(), componentN()

val user1 = User(1, "Иван", "ivan@mail.ru")
val user2 = user1.copy(name = "Пётр")
println(user1)  // User(id=1, name=Иван, email=ivan@mail.ru, age=0)
					

Kotlin: When Expression

// When как замена switch
val x = 1
val description = when (x) {
    1 -> "один"
    2 -> "два"
    3, 4 -> "три или четыре"
    in 5..10 -> "от пяти до десяти"
    !in 11..20 -> "не от 11 до 20"
    else -> "другое"
}

// When без аргумента (как if-else chain)
val temperature = 25
when {
    temperature < 0 -> println("Мороз")
    temperature in 0..15 -> println("Прохладно")
    temperature in 16..30 -> println("Тепло")
    else -> println("Жарко")
}

// When для проверки типа
when (obj) {
    is String -> println(obj.length)
    is Int -> println(obj + 1)
    is List<*> -> println(obj.size)
}
					

Kotlin: Sealed Classes

// Sealed class - ограниченная иерархия наследования
sealed class Result<out T> {
    data class Success<T>(val data: T) : Result<T>()
    data class Error(val exception: Exception) : Result<Nothing>()
    object Loading : Result<Nothing>()
}

// When exhaustive - компилятор проверяет все ветки
fun handleResult(result: Result<String>) = when (result) {
    is Result.Success -> println("Данные: ${result.data}")
    is Result.Error -> println("Ошибка: ${result.exception}")
    Result.Loading -> println("Загрузка...")
    // Не нужен else - все варианты покрыты
}

// Sealed interface (Kotlin 1.5+)
sealed interface UIState {
    data object Idle : UIState
    data class Loaded(val items: List<String>) : UIState
    data class Error(val msg: String) : UIState
}
					

Kotlin: Inline Functions

// Inline function - тело вставляется в место вызова
inline fun measureTime(block: () -> Unit): Long {
    val start = System.nanoTime()
    block()
    return System.nanoTime() - start
}

val elapsed = measureTime {
    // этот код будет вставлен напрямую
    Thread.sleep(100)
}

// noinline - не инлайнить конкретные параметры
inline fun combine(
    noinline action1: () -> Unit,
    noinline action2: () -> Unit
) {
    action1()
    action2()
}

// Reified type parameters
inline fun <reified T> Any.isInstanceOf(): Boolean {
    return this is T
}

println("hello".isInstanceOf<String>())  // true
					

Kotlin: Scope Functions (let/run/with/apply/also)

// let - безопасный вызов на nullable
val length: Int? = nullableString?.let {
    println("Длина: ${it.length}")
    it.length
}

// apply - конфигурация объекта
val textView = TextView(context).apply {
    text = "Hello"
    textSize = 16f
    setTextColor(Color.BLACK)
}

// also - побочные действия
val numbers = mutableListOf(1, 2, 3).also {
    println("Список: $it")
}
					

Kotlin: Higher-Order Functions

// Функция, принимающая функции как параметры
fun operate(a: Int, b: Int, operation: (Int, Int) -> Int): Int {
    return operation(a, b)
}

val sum = operate(5, 3) { x, y -> x + y }  // 8
val product = operate(5, 3) { x, y -> x * y }  // 15

// Функция, возвращающая функцию
fun getGreeting(language: String): (String) -> String {
    return when (language) {
        "ru" -> { name -> "Привет, $name!" }
        "en" -> { name -> "Hello, $name!" }
        else -> { name -> "Hi, $name!" }
    }
}

val greetRu = getGreeting("ru")
println(greetRu("Иван"))  // Привет, Иван!

// Функция высшего порядка с блоком
inline fun <T> T.also(block: (T) -> Unit): T {
    block(this)
    return this
}
					

Kotlin: Delegated Properties

// Делегированные свойства - делегирование логики доступа
class Example {
    var p: String by Delegate()
}

class Delegate {
    operator fun getValue(thisRef: Any?, property: KProperty<*>): String {
        return "$thisRef, делегат для '${property.name}'"
    }
    operator fun setValue(thisRef: Any?, property: KProperty<*>, value: String) {
        println("$thisRef -> ${property.name} = $value")
    }
}

// Встроенные делегаты
class User {
    var name: String by observable("Нет имени") { _, old, new ->
        println("$old -> $new")
    }

    var age: Int by vetoable(0) { _, _, new ->
        new >= 0  // отрицательный возраст отклоняется
    }

    val lazyValue: String by lazy {
        println("Вычисление...")
        "Готово"
    }
}

// Android-примеры
// by viewBinding() - делегат привязки View
// by navArgs() - делегат аргументов навигации
					

Kotlin: Flow Basics

import kotlinx.coroutines.flow.*

// Flow - холодный асинхронный поток данных
fun numberFlow(): Flow<Int> = flow {
    for (i in 1..5) {
        delay(100)  // эмуляция асинхронной операции
        emit(i)     // отправка значения
    }
}

// Запуск потока (-collect)
lifecycleScope.launch {
    numberFlow()
        .filter { it % 2 == 0 }      // только чётные
        .map { it * it }              // возведение в квадрат
        .collect { println(it) }      // 4, 16
}

// StateFlow для состояния (замена LiveData)
class MyViewModel : ViewModel() {
    private val _uiState = MutableStateFlow(UiState())
    val uiState: StateFlow<UiState> = _uiState.asStateFlow()
}

// SharedFlow для событий (one-shot events)
private val _events = MutableSharedFlow<Event>()
val events: SharedFlow<Event> = _events.asSharedFlow()
					

Kotlin: Когда использовать Java?

• Существующие проекты на Java (миграция постепенная)
• Библиотеки, написанные на Java
• Некоторые JVM-специфичные оптимизации
• В текущем курсе: Java - основной язык, Kotlin - дополнительный

С 2024 года Kotlin - стандарт для Android-разработки. Новые API Google пишет только на Kotlin.

Инструменты разработчика

Инструменты разработчика

Android Studio

• Представлен в 2013, как замена Eclipse ADT
• Основана на IntelliJ IDEA
• Система сборки Gradle (Kotlin DSL)
• Визуальный редактор разметок (Layout Editor)
• Встроенный профайлер (CPU, Memory, Network, Energy)
• Поддержка Git, SVN
• Emulator с поддержкой скриншотов, записи, Cellular и GPS
• AI Assistant (Gemini) для генерации кода

Настройка окружения

1. Установить JDK 17+ (встроенный в Android Studio)
2. Установить Android Studio (Ladybug 2024.2+)
3. Настроить Android SDK через SDK Manager
4. Установить эмулятор (Pixel API 34+) или настроить реальное устройство
5. Знакомство с интерфейсом Android Studio

Первый запуск Android Studio

• Создание нового проекта (Empty Activity)
• Обзор структуры проекта
• Основные файлы: build.gradle.kts, AndroidManifest.xml
• Запуск на эмуляторе
• Запуск на физическом устройстве (Developer Options + USB Debugging)

Структура Android-проекта

MyApp/
├── app/
│   ├── src/
│   │   ├── main/
│   │   │   ├── java/com/example/myapp/
│   │   │   │   └── MainActivity.kt
│   │   │   ├── res/
│   │   │   │   ├── layout/
│   │   │   │   │   └── activity_main.xml
│   │   │   │   ├── values/
│   │   │   │   │   ├── strings.xml
│   │   │   │   │   └── colors.xml
│   │   │   │   └── drawable/
│   │   │   └── AndroidManifest.xml
│   │   └── test/
│   └── build.gradle.kts
├── build.gradle.kts          # проектный build-файл
├── settings.gradle.kts
├── gradle.properties
└── gradlew / gradlew.bat
					

build.gradle.kts

plugins {
    id("com.android.application")
    id("org.jetbrains.kotlin.android")
}

android {
    namespace = "com.example.myapp"
    compileSdk = 35

    defaultConfig {
        applicationId = "com.example.myapp"
        minSdk = 26
        targetSdk = 35
        versionCode = 1
        versionName = "1.0"
    }

    buildFeatures {
        compose = true  // Jetpack Compose
    }
}

dependencies {
    implementation("androidx.core:core-ktx:1.15.0")
    implementation("androidx.activity:activity-compose:1.9.3")
    implementation(platform("androidx.compose:compose-bom:2024.12.01"))
    implementation("androidx.compose.ui:ui")
    implementation("androidx.compose.material3:material3")
}
					

Современный Android-стек (2025)

Jetpack Compose vs XML Layouts

// XML Layout (устаревший подход)
<TextView
    android:id="@+id/textView"
    android:layout_width="wrap_content"
    android:layout_height="wrap_content"
    android:text="Hello World!" />

// Jetpack Compose (современный подход)
@Composable
fun Greeting(name: String) {
    Text(
        text = "Hello $name!",
        style = MaterialTheme.typography.headlineMedium
    )
}
					

Compose: декларативный подход, меньше кода, лучшая поддержка состояния.

Android Studio: Горячие клавиши

Android Studio: Layout Inspector

• Назначение: визуальный осмотр иерархии View в реальном времени
• Как открыть: Tools > Layout Inspector
• Возможности:
  • Просмотр иерархии View (дерево компонентов)
  • Просмотр свойств каждого View (размеры, отступы, цвета)
  • Выделение View на экране кликом
  • Отображение boundaries и padding
  • Работает с Jetpack Compose (Composition tree)
• Использование: отладка layout, поиск скрытых View, оптимизация вложенности

Android Studio: Database Inspector

• Назначение: просмотр и управление локальными базами данных
• Как открыть: View > Tool Windows > App Inspection > Database
• Поддерживаемые БД:
  • Room (SQLite) - полная поддержка
  • Realm
  • Самописные SQLite
• Возможности:
  • Просмотр таблиц и данных
  • Выполнение SQL-запросов
  • Экспорт данных
  • Live updates при изменении данных
  • Отладка миграций Room

Android Studio: Network Inspector

• Назначение: мониторинг сетевых запросов приложения
• Как открыть: View > Tool Windows > App Inspection > Network
• Возможности:
  • Просмотр всех HTTP/HTTPS запросов
  • Request/Response headers и body
  • Время выполнения запросов
  • Размер ответов
  • Фильтрация по URL, коду ответа
  • Выполнение timeline-диаграммы
• Совместимость: OkHttp, HttpURLConnection, Retrofit

Замена Charles Proxy для базового анализа сетевого трафика.

Android Studio: App Inspection

• Назначение: общий инструмент для инспекции приложений
• Как открыть: View > Tool Windows > App Inspection
• Вкладки:
  • Database Inspector - работа с БД
  • Background Task Inspector - мониторинг фоновых задач (WorkManager, AlarmManager)
  • Network Inspector - сетевой трафик
• Background Task Inspector:
  • Просмотр активных и завершённых задач
  • Детали: время, состояние, теги
  • Завершение задач вручную (для отладки)

Практические рекомендации

• Используйте LTS-версии Java (17, 21)
• Пишите на Kotlin для новых проектов
• Изучайте Jetpack Compose для UI
• Следите за обновлениями SDK
• Используйте Android Studio как основную IDE
• Тестируйте на реальных устройствах