AI賦能Java語(yǔ)言編程：從入門(mén)到高階 課件 第一章 Java簡(jiǎn)介

Java簡(jiǎn)介JavaIntroduction第一章目標(biāo)/OBJECTIVE0102030405了解Java語(yǔ)言的特點(diǎn)了解Java的跨平臺(tái)特性熟悉Java開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境的配置學(xué)會(huì)運(yùn)行簡(jiǎn)單的Java程序?qū)W會(huì)使用Java核心API文檔01什么是Java語(yǔ)言1.1什么是Java語(yǔ)言Java語(yǔ)言的特點(diǎn)Java是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，以其跨平臺(tái)特性、簡(jiǎn)潔的語(yǔ)法和強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)而著稱(chēng)。Java語(yǔ)言自誕生之日起，就廣受世界關(guān)注，它標(biāo)志著Java計(jì)算時(shí)代的到來(lái)。Java的眾多特點(diǎn)使其廣受大眾歡迎，尤其是它突出的網(wǎng)絡(luò)編程能力，使其與Web及Internet緊密相連。語(yǔ)言特點(diǎn)：1.語(yǔ)法簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大；2.具有跨平臺(tái)特性；3.分布式計(jì)算且具有安全性；4.具有混合模式的運(yùn)行方式；5.具有多線程程序；6.動(dòng)態(tài)執(zhí)行特性；7.具有豐富的API文檔和類(lèi)庫(kù)。1.1什么是Java語(yǔ)言Java的三層結(jié)構(gòu)Java的三層結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了分層設(shè)計(jì)的智慧，這一設(shè)計(jì)思想在軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)的理念起源于對(duì)分布式系統(tǒng)和大型企業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)需求的深刻洞察。通過(guò)將系統(tǒng)巧妙地劃分為表示、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)訪問(wèn)這三個(gè)獨(dú)立層次，成功提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，就如同建造一座高樓大廈時(shí)，每一層都承擔(dān)著獨(dú)特的責(zé)任，共同構(gòu)成了穩(wěn)固的建筑結(jié)構(gòu)。Java作為一門(mén)廣泛應(yīng)用于企業(yè)級(jí)應(yīng)用的編程語(yǔ)言，通過(guò)三層結(jié)構(gòu)為開(kāi)發(fā)者提供了一種精妙的架構(gòu)范式。這種設(shè)計(jì)思想猶如一位智者的指引，為當(dāng)時(shí)的軟件開(kāi)發(fā)注入了新的活力。而如今，這一思想仍然是軟件工程中的重要指導(dǎo)原則，就像是一顆恒久不變的北極星，引領(lǐng)著開(kāi)發(fā)者構(gòu)建出更為可靠、可維護(hù)的應(yīng)用系統(tǒng)。1.1什么是Java語(yǔ)言Java虛擬機(jī)1.Java虛擬機(jī)不同于其他匯編語(yǔ)言，Java程序并不直接在系統(tǒng)CPU上執(zhí)行，而是依賴(lài)于Java虛擬機(jī)（JavaVirtualMachine，JVM）。JVM的作用類(lèi)似于一個(gè)翻譯器，將Java源代碼翻譯成可以在不同平臺(tái)上執(zhí)行的中間代碼，也就是字節(jié)碼。JVM的工作原理包括類(lèi)加載、字節(jié)碼解釋與編譯、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、垃圾回收以及安全性和運(yùn)行時(shí)檢查。在類(lèi)加載階段，JVM使用類(lèi)加載器將字節(jié)碼加載到內(nèi)存中，而字節(jié)碼可以通過(guò)解釋器逐行解釋執(zhí)行，或者通過(guò)即時(shí)編譯器編譯成本地機(jī)器碼以提高執(zhí)行效率。運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的合理劃分包括堆、棧、方法區(qū)等，而垃圾回收器負(fù)責(zé)回收不再使用的內(nèi)存。安全性由安全管理器管理，同時(shí)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行各種檢查以增強(qiáng)程序的健壯性。1.1什么是Java語(yǔ)言Java虛擬機(jī)

2.Java虛擬機(jī)性能早期JVM采用解釋執(zhí)行方式，每次運(yùn)行程序都需要實(shí)時(shí)將字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼，這就好比是每次演講都需要現(xiàn)場(chǎng)翻譯，效率自然有所犧牲。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，Java的性能逐漸迎來(lái)了顯著提升。其中Hotspot技術(shù)的引入可視為一個(gè)重要的里程碑。Hotspot是由Oracle-Sun開(kāi)發(fā)的一種JVM實(shí)現(xiàn)，它引入了即時(shí)編譯器（Just-In-Timecompiler，JIT）技術(shù)。這就像是一位翻譯官聰明地提前翻譯了一部分文章，使得下次需要的時(shí)候，不必重新進(jìn)行翻譯，大大提高了執(zhí)行效率。通過(guò)JIT編譯，Hotspot在運(yùn)行時(shí)將熱點(diǎn)代碼（頻繁執(zhí)行的代碼段）直接編譯成本地機(jī)器碼，而不是像傳統(tǒng)的解釋執(zhí)行方式那樣逐行解釋。這種技術(shù)使得Java應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)能夠更接近本地應(yīng)用的執(zhí)行速度。1.1什么是Java語(yǔ)言垃圾收集

Java的垃圾收集（GarbageCollection）就好比是一位高效的清理工，負(fù)責(zé)檢查和回收那些不再被程序使用的內(nèi)存空間，以確保系統(tǒng)的資源得以有效利用。在Java中，垃圾收集器會(huì)定期檢查程序運(yùn)行時(shí)生成的對(duì)象，識(shí)別并清理掉那些不再被引用的對(duì)象。相比于像C或C++等語(yǔ)言，Java的垃圾收集機(jī)制省去了程序員手動(dòng)管理內(nèi)存的麻煩，就如同在生活中，有了垃圾分類(lèi)和回收，人們不再需要親自去垃圾場(chǎng)傾倒垃圾一樣。這種自動(dòng)化的垃圾收集方式帶來(lái)了更大的便利性，減輕了程序員的負(fù)擔(dān)，避免了因?yàn)閮?nèi)存泄漏而導(dǎo)致的許多潛在問(wèn)題。然而，與C或C++等語(yǔ)言相比，Java垃圾收集也存在一些性能上的開(kāi)銷(xiāo)。在實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)景，像C語(yǔ)言一樣手動(dòng)管理內(nèi)存可能更為靈活。1.1什么是Java語(yǔ)言代碼安全Java的代碼安全機(jī)制好比一座城堡，通過(guò)沙箱模型、三級(jí)安全檢查和Applet審查，構(gòu)筑了堅(jiān)實(shí)的安全防線。

Java的“沙箱”模型像城堡外城門(mén)一樣，主要限制程序?qū)ο到y(tǒng)資源的訪問(wèn)，確保程序在受限環(huán)境中運(yùn)行，避免越界或?qū)ο到y(tǒng)造成不良影響。Java得到三級(jí)安全檢查機(jī)制類(lèi)似城堡內(nèi)城墻，進(jìn)一步強(qiáng)化安全屏障，包括類(lèi)加載時(shí)的驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證和運(yùn)行時(shí)的訪問(wèn)控制。這三道防線確保只有受信任的程序進(jìn)入城內(nèi)，沒(méi)有攜帶潛在威脅。Applet作為Java程序環(huán)境的組成部分，類(lèi)似城堡內(nèi)的貴賓，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格審查和權(quán)限控制，以確保其不越權(quán)操作。綜合來(lái)看，Java的安全設(shè)計(jì)使得程序能夠在相對(duì)安全的環(huán)境中運(yùn)行，有效地防范潛在的安全威脅。02一個(gè)基本的Java程序1.2一個(gè)基本的Java程序Java環(huán)境的配置在創(chuàng)建第一個(gè)Java程序之前，我們要先安裝一些必要的開(kāi)發(fā)工具。首先進(jìn)入OraCle-Sun公司官網(wǎng)下載Java的JDK軟件包，其中包含了Java開(kāi)發(fā)所需的所有工具。在安裝好JDK后要正確配置Java_HOME、ClassPATH、Path環(huán)境變量，以便系統(tǒng)能夠找到JavaC和Java所在目錄。首先登錄到OraCle-Sun的官網(wǎng)：https://www.oraCle.Com/Cn/Java/teChnologies/downloads/

這個(gè)頁(yè)面提供了所有主流操作系統(tǒng)下當(dāng)前最新版本的JDK軟件包。讀者可以根據(jù)自己電腦的詳細(xì)配置情況自行選擇。這里以Windows系統(tǒng)為例，當(dāng)前下載的文件是JDK.21.0.1的版本。1.2一個(gè)基本的Java程序Java環(huán)境的配置這里選擇下載x64MSIinstaller，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)鏈接下載完成之后，打開(kāi)文件即可直接進(jìn)入安裝過(guò)程。如圖所示。JDK軟件包默認(rèn)安裝位置在C盤(pán)，讀者也可以自行選擇安裝位置。如圖所示?！?.2一個(gè)基本的Java程序Java環(huán)境的配置當(dāng)出現(xiàn)此步驟時(shí)，代表Java的JDK安裝成功。1.2一個(gè)基本的Java程序Java環(huán)境的配置完成以上操作以后，切記要配置三個(gè)重要的環(huán)境變量。首先我們打開(kāi)系統(tǒng)設(shè)置，找到系統(tǒng)欄目下的系統(tǒng)信息，點(diǎn)擊高級(jí)系統(tǒng)設(shè)置，然后就會(huì)看到如圖所示的環(huán)境變量選項(xiàng)。點(diǎn)開(kāi)以后，在用戶(hù)變量欄目下新建JAVA_HOME環(huán)境變量，變量值為剛才安裝的JDK的絕對(duì)文件路徑,然后點(diǎn)擊確定。環(huán)境變量的配置如圖。創(chuàng)建完成之后，新建環(huán)境變量CLASSPATH，其變量值為：.;%JAVA_HOME%\lib\dt.jar;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar;

（注意不要漏了前面的“.”）最后再新建環(huán)境變量Path（注意區(qū)分大小寫(xiě)），其變量值為：%JAVA_HOME%\bin;%JAVA_HOME%\jre\bin;

配置系統(tǒng)環(huán)境變量

配置環(huán)境變量JAVA_HOME配置環(huán)境變量CLASSPATH配置環(huán)境變量Path1.2一個(gè)基本的Java程序Java環(huán)境的配置至此，Java的JDK軟件包就配置完成了。為了驗(yàn)證自己的安裝正確性，可以使用Win+R組合鍵打開(kāi)計(jì)算機(jī)運(yùn)行窗口，再輸入cmd指令打開(kāi)命令提示符環(huán)境。輸入Javac指令，如果看到如圖所示的幫助信息，則已正確安裝。1.2一個(gè)基本的Java程序Java應(yīng)用程序Java程序一般分為兩種，一種是Java應(yīng)用程序（JavaApplication），另一種則是Java小應(yīng)用程序（Applet）。這兩者雖然只有一字之差，但卻存在很大的差別。從開(kāi)發(fā)難度和復(fù)雜度來(lái)說(shuō)，Java應(yīng)用程序無(wú)疑更加具有挑戰(zhàn)性，一般是由大型團(tuán)隊(duì)或公司開(kāi)發(fā)，且聲明周期長(zhǎng)，需要長(zhǎng)時(shí)間維護(hù)更新。而Java小程序則比較小巧靈活，開(kāi)發(fā)難度不高，且不會(huì)消耗太多資源。和其他編程語(yǔ)言一致，Java語(yǔ)言也可以創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的，通常意義下的應(yīng)用程序。略有不同的是，Java的主類(lèi)可以直觀的體現(xiàn)代碼的作用，如圖，代碼會(huì)在屏幕上顯示字符串“helloworld”。1.2一個(gè)基本的Java程序Java應(yīng)用程序以上代碼包含了一個(gè)簡(jiǎn)單小程序的基本組成。第一行：由一行注釋內(nèi)容的聲明標(biāo)志，兩個(gè)正斜杠開(kāi)頭。注釋不會(huì)對(duì)程序運(yùn)行產(chǎn)生影響。第二行：public

classHelloWorld，這里定義了一個(gè)類(lèi)，就像是一份菜單上寫(xiě)著某個(gè)菜的名字，這個(gè)類(lèi)的名字是"HelloWorld"，其中public表示這個(gè)類(lèi)是公開(kāi)的，其他的地方也可以使用。第三行：publicstaticvoidmain(String[]args)，這是定義了一個(gè)特殊的方法，就像是一家餐廳的招牌菜，叫做"main"，這是Java程序的入口，當(dāng)你運(yùn)行這個(gè)程序時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)從這里開(kāi)始執(zhí)行。第四行：“{”，這是一個(gè)大括號(hào)，表示一個(gè)代碼塊的開(kāi)始，就像是一頓飯的開(kāi)始，里面放著我們要執(zhí)行的代碼。第五行：System.out.println("helloworld");，這是具體的代碼，就像是一道菜，這里的意思是告訴計(jì)算機(jī)把"helloworld"這句話(huà)打?。@示）到屏幕上。第六行：“}”，這是代碼塊的結(jié)束，就像是一頓飯的結(jié)束，表示在這里沒(méi)有更多的代碼了。03程序的編譯與運(yùn)行1.3程序的編譯與運(yùn)行編譯Java程序支持編譯運(yùn)行和解釋運(yùn)行兩種模式。用系統(tǒng)自帶文本編輯器（如Windows的記事本），輸入HelloWorld程序并保存為文件HelloWorld.Java。注意Java對(duì)大小寫(xiě)敏感，確保文件名和Java程序主類(lèi)名一致。在cmd中打開(kāi)命令行窗口，進(jìn)入文件所在磁盤(pán)，然后使用cd命令進(jìn)入包含HelloWorld.Java文件的文件夾。使用dir命令查看文件夾內(nèi)容，可以看到只有HelloWorld.Java一個(gè)文件。使用Javac命令編譯程序：Javac-encodingUTF-8HelloWorld.Java再次用dir命令查看，發(fā)現(xiàn)文件夾下出現(xiàn)了一個(gè).class的文件，則編譯成功。1.3程序的編譯與運(yùn)行編譯源文件就是純文本格式的文件，而Java的執(zhí)行系統(tǒng)是無(wú)法直接識(shí)別的。因此必須對(duì)源代碼進(jìn)行編譯，生成Java字節(jié)碼的類(lèi)文件之后才能運(yùn)行。如果編譯器沒(méi)有反饋錯(cuò)誤信息，則證明編譯成功。

創(chuàng)建HelloWorld.java程序

編譯HelloWorld.java程序1.3程序的編譯與運(yùn)行運(yùn)行順利完成以上步驟以后，類(lèi)文件就可以執(zhí)行了。Java的解釋器是’java’，JVM通過(guò)解釋器執(zhí)行類(lèi)文件。執(zhí)行以下命令，即可運(yùn)行程序HelloWorld：JavaHelloWorld//這里的HelloWorld是類(lèi)名輸入命令并回車(chē)，結(jié)果如圖所示。會(huì)看到屏幕上顯示helloworld，這就是程序輸出的結(jié)果。04常見(jiàn)錯(cuò)誤1.4常見(jiàn)錯(cuò)誤編譯時(shí)錯(cuò)誤1.錯(cuò)誤提示內(nèi)容一Javac:Commandnotfound錯(cuò)誤原因：包含Javac編譯器的路徑變量設(shè)置錯(cuò)誤。請(qǐng)檢查環(huán)境變量的設(shè)置是否正確，大多數(shù)情況下Javac編譯器都放在JDK下的bin目錄中。2.錯(cuò)誤提示內(nèi)容二HelloWorld.java:5:cannotfindsymbolsymbol:variablexSystem.out.println(x);^錯(cuò)誤原因：在第5行中，使用了未聲明的變量x。要解決此錯(cuò)誤，應(yīng)該先聲明并初始化變量x，然后再使用它。1.4常見(jiàn)錯(cuò)誤編譯時(shí)錯(cuò)誤對(duì)于系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別的標(biāo)識(shí)符（由符號(hào)“^”指示的），可能出現(xiàn)以下幾種原因：●程序員可能犯了拼寫(xiě)錯(cuò)誤，包括大小寫(xiě)不正確。●方法所在的類(lèi)可能未引入到當(dāng)前的命名空間?！駥?shí)例所對(duì)應(yīng)的類(lèi)中可能未定義要調(diào)用的方法?！衿渌颉Ｔ谶@里，只展示了一小部分可能的錯(cuò)誤，其他錯(cuò)誤需要在練習(xí)中逐漸熟悉，培養(yǎng)迅速定位和修復(fù)錯(cuò)誤的能力。1.4常見(jiàn)錯(cuò)誤運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤1.錯(cuò)誤提示內(nèi)容一Can'tfindclassHelloWorld錯(cuò)誤原因：系統(tǒng)無(wú)法找到名為HelloWorld的類(lèi)文件。通常來(lái)說(shuō)，此錯(cuò)誤表明類(lèi)名與源文件名不一致。編譯器在生成filename.class文件時(shí)，系統(tǒng)使用的是類(lèi)定義的名稱(chēng)。2.錯(cuò)誤提示內(nèi)容二InclassHelloWorld:mainmustbepublicandstatic錯(cuò)誤原因：在HelloWorld類(lèi)中，main方法必須聲明為public和static。錯(cuò)誤發(fā)生的原因是main方法的修飾符缺少這兩個(gè)關(guān)鍵字。修飾符public表示該方法是公有的，而static表示該方法是靜態(tài)的，因?yàn)樗浅绦虻娜肟邳c(diǎn)，無(wú)需創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例就可以調(diào)用。3.文件中類(lèi)的個(gè)數(shù)錯(cuò)誤錯(cuò)誤原因：根據(jù)Java規(guī)范，每個(gè)源文件只能包含一個(gè)公有類(lèi)，否則會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤。如果有多個(gè)公有類(lèi)，必須將它們分別放在不同的文件中。然而，一個(gè)文件可以包含任意數(shù)量的非公有類(lèi)，沒(méi)有限制。這確保了Java編程的結(jié)構(gòu)清晰性，每個(gè)文件對(duì)應(yīng)一個(gè)主要的公有類(lèi)，其他非公有類(lèi)可以作為輔助或內(nèi)部實(shí)現(xiàn)存在。1.4常見(jiàn)錯(cuò)誤運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤4.層次錯(cuò)誤一個(gè).Java源文件可以包含三個(gè)“頂層”元素：●包說(shuō)明（package語(yǔ)句）：可選，指定類(lèi)所屬的包?！褚胝Z(yǔ)句（import語(yǔ)句）：可選，引入其他包中的類(lèi)?！耦?lèi)和接口說(shuō)明：源文件的主體，包括定義的類(lèi)和接口。這些元素必須按照特定的次序出現(xiàn)：引入語(yǔ)句必須在所有類(lèi)說(shuō)明之前。如果使用了包說(shuō)明，包說(shuō)明必須在所有類(lèi)說(shuō)明和引入語(yǔ)句前出現(xiàn)?？傮w來(lái)說(shuō)，Java程序結(jié)構(gòu)包括：●包說(shuō)明（package語(yǔ)句）：零個(gè)或一個(gè)，必須在文件開(kāi)頭?！褚胝Z(yǔ)句（import語(yǔ)句）：零個(gè)或多個(gè)，必須在所有類(lèi)定義之前?！窆械模╬ublic）類(lèi)定義：零個(gè)或一個(gè)?！耦?lèi)定義：零個(gè)或多個(gè)?！窠涌诙x：零個(gè)或多個(gè)。每個(gè)Java源文件至少包含一個(gè)類(lèi)，但最多只能包含一個(gè)public類(lèi)。如果源文件包含public類(lèi)，文件名必須與該類(lèi)名完全相同，且大小寫(xiě)一致。05使用Java核心API文檔1.5使用Java核心API文檔Java核心API文檔是什么

API（ApplicationProgrammingInterface）：應(yīng)用程序編程接口簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，API就好比是一個(gè)軟件的服務(wù)窗口。當(dāng)你需要在自己的程序中使用某個(gè)軟件的功能時(shí)，你可以通過(guò)API與這個(gè)軟件進(jìn)行交流，就像通過(guò)窗口向服務(wù)員下單一樣。API定義了你可以怎樣與軟件進(jìn)行通信，包括發(fā)送什么樣的請(qǐng)求以及獲取什么樣的響應(yīng)。這樣，你的程序就可以與其他軟件互相合作，實(shí)現(xiàn)更豐富的功能，而無(wú)需了解對(duì)方的具體實(shí)現(xiàn)方式。1.5使用Java核心API文檔Java核心API文檔是什么

Java的核心API文檔被組織成了一種層次結(jié)構(gòu)，就像一本書(shū)的目錄一樣。這本“書(shū)”的首頁(yè)是一個(gè)主頁(yè)，上面有鏈接，點(diǎn)擊鏈接可以進(jìn)入每個(gè)“章節(jié)”或“包”的內(nèi)容。如果你選擇了特定的包，就會(huì)看到該包里面的所有類(lèi)和接口的列表。每個(gè)類(lèi)都有一個(gè)鏈接，點(diǎn)擊鏈接可以查看該類(lèi)的詳細(xì)信息。這些類(lèi)的文檔都按照相同的格式展示，雖然具體內(nèi)容可能有所不同?？偟膩?lái)說(shuō)，Java的核心API有43個(gè)“章節(jié)”（包），每個(gè)“章節(jié)”包含一些類(lèi)和接口，它們又包含一些屬性。整個(gè)API文檔按照一定的順序列出了各個(gè)類(lèi)的相關(guān)內(nèi)容。由于Java提供的內(nèi)容非常豐富，讀者不太可能在閱讀一兩本Java教科書(shū)后就能完全掌握。在實(shí)際編程中，API是不可或缺的工具。實(shí)際上，正是由于其豐富的API，Java才取得了如此巨大的成功。1.5使用Java核心API文檔Java核心API文檔的使用

要查看文檔，需要先從公司的網(wǎng)站下載文檔文件。假設(shè)文件存放在JDK目錄下，可以通過(guò)在瀏覽器地址欄中輸入jdk\docs\index.html來(lái)查看JDK文檔。Java核心API文檔的初始頁(yè)面如圖所示：1.5使用Java核心API文檔Java核心API文檔的使用

單擊JavaSEAPI進(jìn)入類(lèi)文檔窗口，如圖所示：1.5使用Java核心API文檔Java核心API文檔的使用

單擊JavaSEAPI進(jìn)入類(lèi)文檔窗口，如圖所示：這個(gè)窗口分為