第一讲　Java语言概述

★ 第一讲　Java语言概述

【课前思考】
　　1. 一门新的语言的产生是否需要借鉴以前的编程语言？
　　2. 在java语言出现之前是否存在其它跨平台的语言？
　　3. 有哪些编程语言是面向对象的？而哪些编程语言是面向过程的？从编程思路上存在着哪些本质差别？C＋＋语言是面向对象的还是面向过程的？
　　4. 一段优秀的程序代码是否应该是可读性极强的？程序员之间是否应该遵循相同的编程规范？
　　5. 一个程序员编好的代码如果需要让别的程序员使用，如何提供该代码的使用说明？

1．1 java语言的发展史

1.1.1 java语言在互联网时代获得巨大成功

java语言具有安全、跨平台、面向对象、简单、适用于网络等显著特点，java语言已经成为最流行的网络编程语言。

在经历了以大型机为代表的集中计算模式和以PC机为代表的分散计算模式之后，互联网的出现使得计算模式进入了网络计算时代。网络计算模式的一个特点是计算机是异构的，即计算机的类型和操作系统是不一样的，例如SUN工作站的硬件是SPARC体系，软件是UNIX中的Solaris操作系统，而PC机的硬件是INTEL体系，操作系统是windows或者是Linux。网络计算模式的另一个特点是代码可以通过网络在各种计算机上进行迁移，这就迫切需要一种跨平台的编程语言，使得用它编写的程序能够在网络中的各种计算机上能够正常运行，java就是在这种需求下应运而生的。

1.1.2 java语言的产生

C语言是面向过程的语言，也是使用率非常高的语言；而面向对象的思想引入到编程语言之后，C语言就被改造成为面向对象的C＋＋语言，得到了广泛的应用。但是C＋＋语言必须兼容C语言，因此C＋＋语言是面向过程和面向对象混合的语言。

java语言产生于C＋＋语言之后，是完全的面向对象的编程语言，充分吸取了C＋＋语言的优点，采用了程序员所熟悉的C和C＋＋语言的许多语法，同时又去掉了C语言中指针、内存申请和释放等影响程序健壮性的部分。

java语言的一个目标是跨平台，因此采用了解释执行而不是编译执行的运行环境，在执行过程中根据所在的不同的硬件平台把程序解释为当前的机器码，实现跨平台运行。而动态下载程序代码的机制完全是为了适应网络计算的特点，程序可以根据需要把代码实时的从服务器中下载过来执行，在此之前还没有任何一种语言能够支持这一点。

1．2 java的工作原理

1.2.1 java虚拟机(1)

java虚拟机是软件模拟的计算机，可以在任何处理器上（无论是在计算机中还是在其它电子设备中）安全并且兼容的执行保存在.class文件中的字节码。java虚拟机的"机器码"保存在.class文件中，有时也可以称之为字节码文件。java程序的跨平台主要是指字节码文件可以在任何具有java虚拟机的计算机或者电子设备上运行，java虚拟机中的java解释器（java命令）负责将字节码文件解释成为特定的机器码进行运行。



1.2.1 java虚拟机(2)

但是，java虚拟机的建立需要针对不同的软硬件平台做专门的实现，既要考虑处理器的型号，也要考虑操作系统的种类。如下图所示，目前在SPARC结构、X86结构、MIPS和PPC等嵌入式处理芯片上、在UNIX、Linux、windows和部分实时操作系统上都有java虚拟机的实现。



1.2.2 无用内存自动回收机制

在java运行环境中，始终存在着一个系统级的线程，专门跟踪内存的使用情况，定期检测出不再使用的内存，并进行自动回收，避免了内存的泄露，也减轻了程序员的工作量。

1.2.3 代码安全性检查机制
　　字节码的执行需要经过三个步骤，首先由类装载器（class loader）负责把类文件（.class文件）加载到java虚拟机中，在此过程需要检验该类文件是否符合类文件规范；其次字节码校验器（bytecode verifier）检查该类文件的代码中是否存在着某些非法操作，例如applet程序中写本机文件系统的操作；如果字节码校验器检验通过，由java解释器负责把该类文件解释成为机器码进行执行。java虚拟机采用的是"沙箱"运行模式，即把java程序的代码和数据都限制在一定内存空间里执行，不允许程序访问该内存空间外的内存，如果是applet程序，还不允许访问客户端机器的文件系统。

1.2.4 Java语言的特点

java与C/C++语言的比较：

a． 全局变量
　　java程序不能定义程序的全局变量，而类中的公共、静态变量就相当于这个类的全局变量。这样就使全局变量封装在类中，保证了安全性，而在C/C++语言中，由于不加封装的全局变量往往会由于使用不当而造成系统的崩溃。
b． 条件转移指令
　　C/C++语言中用goto语句实现无条件跳转，而java语言没有goto语言，通过例外处理语句try、catch、finally来取代之，提高了程序的可读性，也增强了程序的鲁棒性。
c． 指针
　　指针是C/C++语言中最灵活，但也是最容易出错的数据类型。用指针进行内存操作往往造成不可预知的错误，而且，通过指针对内存地址进行显示类型转换后，可以类的私有成员，破坏了安全性。在java中，程序员不能进行任何指针操作，同时java中的数组是通过类来实现的，很好的解决了数组越界这一C/C++语言中不做检查的缺点。
d． 内存管理
　　在C语言中，程序员使用库函数malloc()和free()来分配和释放内存，C++语言中则是运算符new和delete。再次释放已经释放的内存块或者释放未被分配的内存块，会造成系统的崩溃，而忘记释放不再使用的内存块也会逐渐耗尽系统资源。在java中，所有的数据结构都是对象，通过运算符new分配内存并得到对象的使用权。无用内存回收机制保证了系统资源的完整，避免了内存管理不周而引起的系统崩溃。
e． 数据类型的一致性
　　在C/C++语言中，不同的平台上，编译器对简单的数据类型如int、float等分别分配不同的字节数。例如：int在IBM PC上为16位，在VAX-11上就为32位，导致了代码数据的不可移植。在java中，对数据类型的位数分配总是固定的，而不管是在任何的计算机平台上。因此就保证了java数据的平台无关性和可移植性。
f． 类型转换
　　在C/C++语言中，可以通过指针进行任意的类型转换，不安全因素大大增加。而在java语言中系统要对对象的处理进行严格的相容性检查，防止不安全的转换。
g． 头文件
　　在C/C++语言中使用头文件声明类的原型和全局变量及库函数等，在大的系统中，维护这些头文件是非常困难的。java不支持头文件，类成员的类型和访问权限都封装在一个类中，运行时系统对访问进行控制，防止非法的访问。同时，java中用import语句与其它类进行通信，以便访问其它类的对象。

h． 结构和联合
　　C/C++语言中用结构和联合来表示一定的数据结构，但是由于其成员均为公有的，安全性上存在问题。java不支持结构和联合，通过类把数据结构及对该数据的操作都封装在类里面。
i． 预处理
　　C/C++语言中有宏定义，而用宏定义实现的代码往往影响程序的可读性，而java不支持宏定义。

1.2.5 java平台－不断扩展的计算平台
　　java不仅是编程语言，还是一个开发平台，java技术给程序员提供了许多工具：编译器、解释器、文档生成器和文件打包工具等等。同时java还是一个程序发布平台，有两种主要的"发布环境"，首先java运行时环境（java runtime environment，简称JRE）包含了完整的类文件包，其次许多主要的浏览器都提供了java解释器和运行时环境。目前Sun公司把java平台划分成J2EE、J2SE、J2ME三个平台，针对不同的市场目标和设备进行定位。J2EE是Java2 Enterprise Edition，主要目的是为企业计算提供一个应用服务器的运行和开发平台。J2EE本身是一个开放的标准，任何软件厂商都可以推出自己的符合J2EE标准的产品，使用户可以有多种选择。IBM、Oracle、BEA、HP等29家已经推出了自己的产品，其中尤以BEA公司的weglogic产品和IBM公司的websphare最为著名。J2EE将逐步发展成为可以与微软的.NET战略相对抗的网络计算平台。J2SE是Java2 Standard Edition，主要目的是为台式机和工作站提供一个开发和运行的平台。我们在学习java的过程中，主要是采用J2SE来进行开发。J2ME是Java2 Micro Edition，主要是面向消费电子产品，为消费电子产品提供一个java的运行平台，使得java程序能够在手机、机顶盒、PDA等产品上运行。上述三个java平台的关系如右图所示。



1．3 一切都是对象

面向对象的第一个原则是把数据和对该数据的操作都封装在一个类中，在程序设计时要考虑多个对象及其相互间的关系。

纯粹的面向对象程序设计方法是这样的：

1）有的东西都是对象。

2）序是一大堆对象的组合。

3）个对象都有自己的存储空间。

4）个对象都属于某个类。

1．4 构建java程序

java程序分为java application（java 应用程序）和java applet（java小应用程序）两种。如果这个文件的代码中用到了系统所提供的额外的类，就必须放置一个import语句。说它是额外的是指一个特殊的类库"java.lang"会自动导入到每个java文件。

1.4.1 第一个java application
import java.util.*;

/*下面我们用到了Date和Properties这两个类，是属于java.util这个包的；*/　　　　　　　　　　　　/*而System和Runtime这两个类，是属于java.lang这个包的。*/

　public class Property {
　　public static void main(String args[]){
　　System.out.println(new Date( )); //在命令行下面打印出日期
　　Properties p=System.getProperties( ); //获得系统的Properties对象p，

//getProperties( )是System类的一个静态方法（static 方法），由于它是"静态"的，所以不必创建

// 象就可以调用该方法
　　p.list(System.out); // list( )的方法，它将自己的全部内容都发给一个PrintStream对象
　　System.out.println("--- Memory Usage:");
　　Runtime rt=Runtime.getRuntime( );

//通过调用Runtime的getRuntime()方法创建了一个Runtime，该对象中包含了内存等信息
　　System.out.println("Total Memory= "
　　　　　　　　　　+ rt.totalMemory( ) //打印总内存大小
　　　　　　　　　　+" Free Memory = "
　　　　　　　　　　+rt.freeMemory( )); //打印空闲内存大小
　　　　}
　　}　　

1.4.2 第一个java applet

applet没有main()方法，它必须嵌在超文本文件中，在浏览器中进行运行。所有的applet程序都是Applet类的子类, applet程序是从方法init( )开始执行的。Paint方法继承于其祖先类Component，在component第一次被显示或重画时调用该方法，其参数Graphics是被显示的对象。

　//这是我们的第一个java applet，该程序保存在文件HelloEducation.java中
　import java.awt.Graphics;
　import java.applet.Applet;

　public class HelloEducation extends Applet {

public String s;
　　public void init() { 　　　　　　　
　　s=new String("Welcome to Tongfang Education");
　　　　　　　　　　　　}
　public void paint(Graphics g){
　　　　　g.drawString(s,25,25);
　　　　　　　　　　//在浏览器中坐标为（25，25）的位置显示字符串s
　　　}
　}　

java applet程序也是一个类，其编译方式与java application完全一样。java applet的执行方式与java application完全不同，java applet程序必须嵌入到html文件中才能够执行，因此必须编写相应的html文件。

下面为HelloEducaiton.html文件的内容：
<html>
<applet code=HelloEducation.class width=250 height=250>
</applet>
</html>

然后可以通过JDK所提供的命令"appletviewer"，在命令行下面执行java applet程序。如果是在windows操作系统中，就可以在"命令提示符"下敲入"appletviewer HelloEducation.html"。applet还可以采用另外一种方式运行，那就是直接在浏览器中打开HelloEducation.html程序，在主流的浏览器如IE、Netscape中都包含有java虚拟机，负责解释执行java applet程序。

1．5 java程序规范

1.5.1 java源程序结构
一个完整的java源程序应该包括下列部分：
　　package语句； //该部分至多只有一句，必须放在源程序的第一句
　　import语句； /*该部分可以有若干import语句或者没有，必须放在所有的
　　　　　　　　　 类定义之前*/
　　public classDefinition； //公共类定义部分，至多只有一个公共类的定义
　　　　　 　//java语言规定该java源程序的文件名必须与该公共类名完全一致
　　classDefinition; //类定义部分，可以有0个或者多个类定义
　　interfaceDefinition; //接口定义部分，可以有0个或者多个接口定义

例如一个java源程序可以是如下结构，该源程序命名为HelloWorldApp.java：
　　　package javawork.helloworld; /*把编译生成的所有.class文件放到包
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 javawork.helloworld中*/
　　　import java.awt.*; 　//告诉编译器本程序中用到系统的AWT包
　　　import javawork.newcentury; /*告诉编译器本程序中用到用户自定义
　　　　　　　　　　　　　　　　　　的包javawork.newcentury*/
　　　public class HelloWorldApp{......} /*公共类HelloWorldApp的定义，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 名字与文件名相同*/
　　　class TheFirstClass{......} //第一个普通类TheFirstClass的定义
　　　class TheSecondClass{......} //第二个普通类TheSecondClass的定义
　　　　　　　　　　　　　　...... //其它普通类的定义
　　　interface TheFirstInterface{......} /*第一个接口
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　TheFirstInterface的定义*/
　　　　　　　　　　　　　　　　...... //其它接口定义
package语句：包在实际的实现过程中是与文件系统相对应的，例如javawork.helloworld所对应的目录是path\javawork\helloworld，而path是在编译该源程序时指定的。比如在命令行中编译上述HelloWorldApp.java文件时，可以在命令行中敲入"javac -d f:\javaproject HelloWorldApp.java"，则编译生成的HelloWorldApp.class文件将放在目录f:\javaproject\javawork\helloworld\目录下面，此时f:\javaprojcet相当于path。但是如果在编译时不指定path，则生成的.class文件将放在编译时命令行所在的当前目录下面。比如在命令行目录f:\javaproject下敲入编译命令"javac HelloWorldApp.java"，则生成的HelloWorldApp.class文件将放在目录f:\javaproject下面，此时的package语句相当于没起作用。

import语句：如果在源程序中用到了除java.lang这个包以外的类，无论是系统的类还是自己定义的包中的类，都必须用import语句标识，以通知编译器在编译时找到相应的类文件。

源文件的命名规则：如果在源程序中包含有公共类的定义，则该源文件名必须与该公共类的名字完全一致，字母的大小写都必须一样。这是java语言的一个严格的规定，如果不遵守，在编译时就会出错。因此，在一个java源程序中至多只能有一个公共类的定义。如果源程序中不包含公共类的定义，则该文件名可以任意取名。如果在一个源程序中有多个类定义和接口定义，则在编译时将为每个类生成一个.class文件。(每个接口编译后也生成.class文件)
1.5.2 java编程规范
包名：包名是全小写的名词，中间可以由点分隔开，例如：java.awt.event;
　类名：首字母大写，通常由多个单词合成一个类名，要求每个单词的首字母也要大写，例如class HelloWorldApp;
　接口名：命名规则与类名相同，例如interface Collection;
　方法名：往往由多个单词合成，第一个单词通常为动词，首字母小写，中间的每个单词的首字母都要大写，例如：balanceAccount，　isButtonPressed;
变量名：全小写，一般为名词，例如：length;
常量名：基本数据类型的常量名为全大写，如果是由多个单词构成，可以用下划线隔开，例如：int YEAR, int WEEK_OF_MONTH；如果是对象类型的常量，则是大小写混合，由大写字母把单词隔开。

1.5.3 java注释

单行注释：从"//"开始到本行结束的内容都是注释，

多行注释：在"/*"和"*/"之间的所有内容都是注释，

文档注释：在注释方面java提供一种C/C++所不具有的文档注释方式。其核心思想是当程序员编完程序以后，可以通过JDK提供的javadoc命令，生成所编程序的API文档，而该文档中的内容主要就是从文档注释中提取的。该API文档以HTML文件的形式出现，与java帮助文档的风格与形式完全一致。凡是在"/**"和"*/"之间的内容都是文档注释。例如下面的DocTest.java文件：

/** 这是一个文档注释的例子，主要介绍下面这个类 */
　　　　　　　public class DocTest{
　　　　　　　　　　/** 变量注释，下面这个变量主要是充当整数计数 */
　　　　　　　　　public int i;
　　　　　　　　　　/** 方法注释，下面这个方法的主要功能是计数 */
　　　　　　　　　public void count( ) {}
　　　　　　　}　　

运行"javadoc -d .\doc DocTest.java"，就在当前目下的doc目录中生成了介绍类DocTest的index.html等文件。

注意：生成的doc文档包括一系列的.html文件和资源文件，javadoc仅生成public和protected标识的属性和方法，private标示的不显示在index.html文件中。每个public或protected 声明的上面的/** …*/内容为该声明的注释。如/** 变量注释，下面这个变量主要是充当整数计数 */为属性i的注释。如果在该.java文件中包含其他类声明(如class subclass1等)，javadoc不为其包含的子类生成任何说明文档，因为没有public关键字。