2024年java基础第四版

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第一章 Java起步入门

Java 是一种面向对象编程语言，它支持面向对象的全部特征。学习Java语言首先需要了解其基本概念。本章首先介绍Java的起源和演进，之后介绍Java程序运行机制、JDK的安装和简单Java 程序的开发、Eclipse 集成开发环境的使用，最后简单介绍JShell交互式编程环境。

1.1 Java的起源与演进

Java是由Sun Microsystems的James Gosling等人在90年代初开发的面向对象编程语言，源自Green项目，旨在为嵌入式系统编写软件。Gosling最初考虑使用C++，但因其不足而创造了新语言，最初命名为Oak。因商标问题，Sun在1993年将其更名为Java。Java因其跨平台能力、效率、安全性和通用性而广受欢迎，在云计算和移动互联网时代具有巨大潜力。

1.1.1 Java的发展历程

Java语言具有强大的生命力，其原因之一是它像软件一样不断推出新版本。多年来，Java语言不断发展、演化和修订，使它一直站在计算机程序设计语言的前沿。从诞生以来，它已经做过多次或大或小的升级。

版本名称别名发布日期Java Platform 1.01996-01-23Java Platform 1.11997-02-19Java Platform 1.2J2SE 1.21998-12-04Java Platform 1.3 J2SE 1.32000-05-08java基础第四版Java Platform 1.4J2SE 1.42002-02-13Java 5.0J2SE 5.02004-09-30Java 6Java SE 62006-12-11Java 7 Java SE 72011-07-28Java 8Java SE 82014-03-18Java 9 Java SE 9 2017-09-21Java 10Java SE 10 2018-03-20Java 11 Java SE -09-25Java 12 Java SE -03-19Java 13Java SE 13 2019-09-17Java 14 Java SE -03-17Java 15 Java SE -09-15Java 16Java SE -03-16Java 17Java SE 17 2021-09-14Java 18Java SE -03-22Java 19Java SE -09-20Java 20Java SE 20 2023-03-21

Java于1995年发布，1996年推出1.0版。1999年Java 2（J2SE）发布，标志第二代。2004年Java 5带来重大改进，版本号跃至“5”。Java 6（2006年）改进较小。2010年Java 7是Oracle收购Sun后的首版，添加多项功能。Java 8（2014年）引入Lambda表达式，简化多核编程。Java 9（2017年）后，Oracle每半年发布新版，最新为Java 18。本书将介绍各版本新特性。

1.1.2 Java语言的优点

Java之所以能在众多编程语言中脱颖而出，是因为其独特的优势，包括面向对象、平台独立、解释型、简洁、分布式、健壮、安全、可移植、高性能、多线程和动态性。下面重点介绍面向对象和平台独立的特性。

1. 面向对象
Java 是一种面向对象的语言，也就是说，它的代码都是基于类的，而这些类可以创建对象。在 Java 中，我们主要使用类和对象来组织代码，这与以前的过程式编程不同，后者主要使用函数或例程。尽管 Java 从版本 8 开始支持一些函数式编程特性，但它的核心仍然是面向对象的。
2. 平台独立
Java 最大的特点之一是它的程序可以在任何支持 Java 的平台上运行，而无需修改代码。这是因为 Java 程序不是直接编译成特定计算机的机器码，而是编译成一种叫做字节码的中间代码。这些字节码随后在 Java 虚拟机（JVM）上运行。只要你安装了相应平台的 Java 虚拟机，Java 程序就可以运行，这就实现了“一次编写，到处运行”的理念。

1.2. Java平台与运行机制

1.2.1 Java平台与应用领域

Java 是一种多功能的编程语言，适用于各种不同的应用场景。Java 平台主要分为三个版本，每个版本都针对特定的应用领域：

Java 标准版（Java SE）：这个版本可以用来开发能够在个人电脑上独立运行的应用程序，比如桌面软件。它还包括 JavaFX，这是一种用于创建图形用户界面的工具。
Java 企业版（Java EE，现在称为 Jakarta EE）：这个版本适用于开发服务器端的应用程序，比如网站后台。它支持多种技术，包括 Java Servlet、JavaServer Pages（JSP）和 JavaServer Faces（JSF）。
Java 微型版（Java ME）：这个版本用于开发在小型设备上运行的应用程序，比如手机。它适用于资源有限的设备。
使用 Java，你可以开发各种类型的程序，比如：

控制台应用程序：在命令行界面下运行的程序。
窗口应用程序：带有图形用户界面的程序。
服务器端应用程序：在服务器上运行的程序，如网站后台。
嵌入式应用程序：在专门的设备上运行的程序，比如 Android 应用。
本书主要介绍 Java SE 编程，因为它是 Java 编程的基础。书中将使用 Java 17 版本，并介绍 Java 各个版本中的重要新功能和语言特性，以展示 Java 语言的最新发展。

1.2.2 JVM、JRE和JDK

Java程序写好之后，需要用到一个叫做javac的编译器来把它转换成一种中间格式，叫做字节码。这个字节码不是直接能在你的电脑上运行的，它需要在Java虚拟机（JVM）上跑。JVM就像是一个特殊的软件，它能在不同的操作系统上解释字节码，让Java程序能够在任何地方运行，这就是为什么我们说Java是跨平台的。

为了让Java程序运行，你还需要一堆已经写好的Java类库，这些类库提供了各种常用的功能，比如处理文件、网络通信等。JVM是一种运行字节码的应用程序。JRE则是一种包含JVM和Java类库的环境，JVM加上这些类库，就构成了Java运行时环境（JRE）。不过，从Java 11开始，Oracle不再单独发布JRE了。

1.3 建立开发环境

开发Java 程序必须首先下载和安装JDK，我们就可以编译和运行Java 程序。

1.3.1 JDK的下载与安装

从Oracle 官方网站www.oracle.com 免费下载JDK。

以下是jdk8快速访问地址

https://www.oracle.com/java/technologies/javase/javase-jdk8-downloads.html

下拉选择版本下载

安装好后发现多出了几个目录

·bin目录：存放编译、执行和调试Java程序的工具。例如，javac.exe是Java编译器；java.exe 是Java解释器；jdb.exe是Java程序的调试工具；javadoc.exe是HTML格式的API文档生成器；jar.exe 是将.class文件打包成JAR文件的工具。
·conf 目录：存放一些配置文件。
•include 目录：存放本地代码编程需要的C头文件。
•jmods 目录：存放 JMOD格式的平台模块。创建自定义运行时映像需要它。
•legal目录：存放法律文件。
•lib 目录：存放开发工具所需要的附加类库和支持文件。

1.3.2 关于环境变量

安装完JDK后就可以在系统的任何位置编译和运行java程序了，可以按以下操作测试一下

Win+R 后输入 cmd 打开命令提示符窗口

在窗口内输入

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如果出现编译器选项则说明编译器正常

1.3.3 Java API文档

以下网址提供了在线 API文档:
https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/docs/api/index.html
也可以将 Java API文档下载到本地计算机,下载地址如下:
http://www,.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html
Oracle 还提供了一个 Java 在线教程。该教程介绍了 Java 语言的所有内容,是非常d 学习资源。也可以将该教程下载到本地计算机上，下载地址如下:
https://docs.oracle.com/javase/tutorial/

1.4 第一个Java程序

1.4.1 Java程序开发步骤

图1-10 Java程序的编辑、编译和执行过程

开发Java程序通常分三步：

编辑源程序

编译源程序

执行或调试程序

1.编辑源程序

可以使用任何文本编辑器(如 Windows 的记事本或 Sublime 编辑器)编辑 Java 源程序，也可以使用专门的集成开发环境(如Ecipse、IntelliJ IDEA等)。若使用Windows的记事本编写源程序,如下所示。

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图1-11 检查源程序是否存在

接下来,需要将 Demo.java 源文件编译成字节码文件。编译源文件需要使用 JDK的 javac命令,如图1-12所示:

图1-12 编译生成字节码

图1-13 生成字节码文件

源程序编译成功生成字节码文件后可以使用Java解释器执行该程序。

注意,这里不要加上扩展名.class，运行结果如图1-14所示

图1-14 程序的运行结果

总结：

图1-15 开发Java程序的过程

1.4.2 第一个程序分析

1.类定义

Java程序的任何代码都必须放到一个类的定义中,类的内容包括在代码块内，类的内容包括在代码块内，一个块(block)是以左花括号开始,以右花括结束的语句组。

本程用定及一个名为Demo的类，public为类的访问修饰符，clas为关键字，其后用一对大括号括起来，称为类体(class body)。
下面对第一个程序中涉及的内容进行简单说明。
2.mian()方法

Java应用程序的标志是类体中定义的一个main()方法，称为主方法。主方法是程序执行入口，它类似于C语言的main函数。main()方法的格式如下:

本程序的main()方法中只有一行语句:System.out.println(“Hello World！");

该语句的功能是在标准输出设备上打印输出一个字符串，字符串字面值用双引号定界。Java程序的语句要以分号(;)结束。
System为系统类，out为该类中定义的静态成员，它是标准输出设备，通常指显示器。
println()是输出流 out中定义的方法，功能是打印输出字符串并换行。若不带参数,仅起到换行的作用。
另一个常用的方法是 print()，该方法输出后不换行。
4.源程序命名

在Java语言中，一个源程序文件被称为一个编译单元。它是包含一个或多个类定义的文件。Java编译器要求源程序文件必须以.Java为扩展名。当编译单元中有 public 类时，主文件名必须与 public类的类名相同(包括大小写)。
如本例的源程序文件名应为Demo.java。
若编译单元中没有public类,源程序的主文件名可以任意。
1.5 JShell交互式编程环境
JShell是JDK提供的一种命令行工具，称为Java REPL（Read-Eval-Print-Loop）。

安装了JDK并设置了Path环境变量后即可使用JShell。

图1-16 JShell运行界面

各种声明（类、接口、方法等）

表达式

各种语句）（控制结构）

图1-17 JShell执行语句

第2章数据类型与运算符

2.1 Java数据类型

图2-1 Java语言的数据类型

2.1.1 基本数据类型

图2-2 Java基本数据类型

2.1.2 引用数据类型

除基本数据外，Java还支持引用数据类型，其中包括类、接口、枚举、记录、注解和数组等。正是由于可以使用引用数据类型，才使Java可以编写面向对象程序。

图2-3 Java引用数据类型
类(包括抽象类)是 Java 语言最重要的引用数据类型，任何]ava 程序都离不开类的使用。有了类才能创建对象或实例，程序就是对实例进行操作。

接口是对类的一种扩展，它也是一种引用类型，但接口不能实例化。接口在类型的多继承和多态性具有广泛应用。

枚举是一种特殊的引用类型，它用来定义具有确定几个值的类型，比如交通灯有绿色、红色、黄色三种颜色，就可以定义一个枚举类型表示这三种颜色。

记录类型是 Java 16 引人的新特性，它主要用来声明用于存储数据的类，使用记录可使程序员不必自己定义访问方法，如 equals()、hashCode()和 toString()等。

 注解类型以结构化的方式为程序元素(类、方法等)提供信息，这些信息能够被编译器、解释器等外部工具自动处理。

对于上述这些类型，可以使用Jave类库中定义的(如 Sysiemn 类)，也可以使用程序员自己定义的，还可以使用第三方提供的类库。

数组是一种特殊的引用类型，它不需要程序员自己定义有关类型。只要声明和创建数组对象,就可以像其他引用类型实例一样使用数组。

2.2标识符与语句

2.2.1 Java标识符

java 语言规定，标识符必须以字母、下划线（_）或美元符（$）开头，其后可以是字母、下划线、美元符或数字，长度没有限制。

例如：intTest, Manager_Name, _var, $Var，都是合法的标识符

不推荐使用无意义的单个字母命名标识符，而应该使用有意义的单词或单词组合为对象命名。Java标识符采用驼峰命名法,有两种形式：大写的CamelCase 和小写的 camelCase。

CamelCase 每个单词的首字母大写。类、接口用该方法命名

camelCase，第一个单词的首字母小写，变量和方法用该方法命名

标识符是区分大小写的，下面两个标识符是不同的。

myName , MyName

2.2.2 Java关键字

abstract continuefor newswitchassert default goto packagesynchronizedboolean doif private thisbreakdoubleimplements protected throwbyte else import publicthrowscaseenuminstanceofreturn transientcatchextends int shorttrychar finalinterfacestaticvoidclass finallylongstrictfpvolatileconstfloat nativesuper while

2.2.3 变量与赋值

Java中有两种类型的变量：基本类型的变量和引用类型的变量。

基本类型的变量：数值型（整数型和浮点型）、布尔型和字符型。
引用类型的变量：类、接口、枚举和数组等。

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字面值有三种类型：

基本类型的字面值：基本类型的字面值有4种类型：整数型、浮点型、布尔型、字符型。如123、-789为int型字面值，3.456、2e3为double型字面值，true、false为布尔型字面值，‘g’、‘我’为字符字面值
字符串字面值：用双引号定界的字符序列，如“Hello”是一个字符串字面值
null字面值

2.3.1 整数类型

Java的整型字面值有四种表示方法：

十进制数，如0、257、-365
二进制数，以0b或0B开头的数，如0B00表示十进制数42。
八进制数，以0开头的数，如0124表示十进制数84，-012表示十进制数-10。
十六进制数，以0x或0X开头的整数，如0x124表示十进制数的292。
Java的整型变量使用byte、short、int、long等声明，下面是几个整型变量的定义。

2.3.2 浮点类型

在Java中由两种浮点类型的数据：float型和double型。这两种类型的数据在内存中所占的位数不同，float型占32位，double型占64位。所以分别称为单精度浮点数和双精度浮点数。且符合IEEE-754标准。

数据类型字节所占位数数的范围
float 4 32 约1.4×10-45~3.4×1038
double 8 64 约4.9×10-432~1.7×10308
浮点型字面值有两种表示方法。

需要精确而无舍入误差的数字计算，可以使用java.math.BigDecimal类。

2.3.3 字符类型

字符是程序中可以出现的任何单个符号。
Java使用Unicode为字符编码，Unicode字符集使用两个字节（16位）为字符编码，可表示65 536个字符。
字面值用单引号将字符括起来，大多数可见的字符都可用这种方式表示，如’a’、‘@’、'我’等。
有些特殊字符用转义序列来表示。用反斜杠（）表示转义，如’ ’表示换行。

图2-4 常见的转义字符序列

2.3.4 布尔类型

布尔型字面值很简单，只有两个值true和false，分别用来表示逻辑真和逻辑假。
布尔型值使用boolean关键字声明，如下面语句声明了布尔型变量t并为其赋初值true

所有关系表达式的返回值都是布尔型的数据，如表达式10 < 9的结果为false。布尔型数据也经常用于选择结构和循环结构的条件中

2.4 字符串类型

2.5 软件开发过程

这里重点讨论几个重要步骤：

理解问题。就是需求分析。
开发解决方案。算法是解决问题所需的一组逻辑步骤。
实现。也称为编码。
测试。测试的目的是发现程序的错误。

2.6数据类型转换

转换分为:

自动类型转换

强制类型转换

2.6.1自动类型转化

图2-5 基本类型的自动转换

2.6.2 强制类型转换

其语法是用圆括号运算符。例如：将double型数据转换为byte型数据。

从short到byte或者char
从char到byte或者short
从int到byte、short、或者char
从long到byte、short、char或者int
从float到byte、short、char、int或者long
从double到byte、short、char、int、long或者float

2.6.3 表达式类型自动提升

Java中的浮点数通常保留15位有效数字，比如，圆周率在Java中用Math.PI常量表示，默认情况下输出它的值是3.9793。假设希望将该值四舍五入保留4位小数，可以通过下面程序实现。

2.7 运算符

表达式（expression）是由运算符和操作数按一定语法规则组成的符号序列。以下是合法表达式

按照功能划分按照所需要的操作数个数划分算术运算符一元运算符 ++ a逻辑运算符二元运算符 a && b关系运算符三元运算符 a > b ? a😗*b赋值运算符位运算符等

2.7.1 算术运算符

一元运算符：正（+）、负（-）、自增（++）、自减（–）4个。
二元运算符：加（+）、减（-）、乘（*）、除（/）、取余数（%）5个
补充：

自増(++)和自减(–)运算符

2.7.2 关系运算符

运算符含义运算符含义> 大于 <= 小于或等于>= 大于或等于== 相等< 小于!=不相等

2.7.3 逻辑运算符

！（逻辑非） & （逻辑与） | 逻辑或） ^（逻辑异或） && (短路与) || (短路或)

A B!A A&BA|BA^B A&&BA||Bfalse false truefalse false false false false false truetruefalse truetruefalse truetruefalse truefalse truetruefalse truetruetruefalse truetruetruetruetruetruetruefalse truetruefalse truetrue

2.7.4 赋值运算符

扩展赋值运算符表达式等价表达式结果+= a+=b a=a+b18-= a-=ba=a-b12*=a*=b a=a*b45/=a/=ba=a/b5%= a%=ba=a%b0&= a&=b a=a&b3|= a|=b a=a|b15^= a^=b a=a^b 12<<<=a<<<=ba=a<<<b120>>= a>>=b a=a>>b 1>>>=a>>>=ba=a>>>b1

2.7.5 位运算符

位运算在整数的二进制位上操作，有两类：

位逻辑运算

移位运算

运算符功能示例结果~按位取反~a -11&按位与a&b 2|按位或a|b 11^按位异或 a^b 9<<按位左移a<<b 80>>按位右移a>>b1>>>按位无符号右移a>>>b 1

表2-3 位运算符

AB~AA&BA|BA^B00000

Java语言提供了三个移位运算符：左移运算符（<<）、右移运算符（>>）、无符号右移运算符（>>>）