Java语言概述

荒流2020年8月3日大约 15 分钟约 4397 字

0. 前言（清华大学郑莉）

计算机程序设计——对问题进行抽象，用计算机语言表述，利用机器求解。

“C语言在很大程度上可以代替汇编语言”。

编译连接以后生成的可执行程序一定是与平台相关的，因为每个机器的系统不同，其指令集就不同。

编译执行的效率要高于解释——解释需要“翻译一行执行一行”，编译则已经完成翻译了，直接执行。

可移植不同与跨平台，可移值指不修改或修改极少的源代码，但仍需重新编译，跨平台则编译都不需要。

关于面向对象

面向对象的思想：将客观事物看作具有状态和行为的对象，通过抽象找出同一类对象的共同状态和行为，构成类。

一个完整的类型应该包含着它的数据、结构，以及这个数据能够参与的操作及操作规则。

面向对象给软件开发带来的益处：可重用性、可靠性。

如果一个语言只支持类而不支持继承和多态，那么不能说它是面向对象的语言，只能说它是基于对象的语言。

关于Java

Java语言的特点：面向对象、安全性。后者指Java不支持指针且内部有安全措施。

Java中没有全局变量，可以在类中定义公用、静态的数据成员实现相同功能。

Java不支持操作符重载。

Java语言中，能够独立运行的程序称为应用程序（Application），而Java还有另外一种程序，称为Java小程序（Applet） ，其是运行于各种网页中、用于增强网页的人机交互、动画显示、声音播放等功能的程序。

标准输入/输出：C/C++/Java都没有输入输出语句，而Fortran有（？）。C语言用函数库来实现输入输出，Java用类库……

1. 概念

Java语言是一门非常纯粹的面向对象编程语言，它吸收了C++语言的各种优点，又摒弃了C++里难以理解的多继承、指针等概念，因此Java语言具有功能强大和简单易用两个特征。

Java程序必须以类（class）的形式存在，类是Java程序的最小程序单位，Java不允许可执行性语句、方法等成分独立存在，所有的程序部分都必须放在类定义里。

Java是语言本身支持了多线程，而C语言是需要调用操作系统的接口来实现多线程。

从某种程度上来看，学精了Java语言的相关方面，相当于系统地学习了软件开发相关知识，而不是仅仅学完了一门编程语言。

Java的三个版本：

J2SE: 整个Java技术的核心和基础，它是J2ME和J2EE编程的基础
J2EE: Java技术中应用最广泛的部分，J2EE提供了企业应用开发相关的完整解决方案
J2ME: 主要用于控制移动设备和信息家电等有限存储的设备

Java源程序命名：

扩展名必须是.java
通常情况下，源程序的主文件名可以是任意的；然而，如果Java程序源代码里定义了一个public类，该源文件名必须与该public类的类名相同。
由于Java程序源文件的文件名必须与public类的类名相同，因此，一个java源文件里最多只能定义一个public类。

2. Java的编译、执行

Java语言编写的程序需要经过编译步骤，但这个编译步骤并不会产生特定平台的机器码，而是生成一种与平台无关的字节码（也就是*.class文件），这种字节码不是可执行的，必须使用Java虚拟机来解释执行。因此可以认为，Java语言既是编译型语言，又是解释型语言。

javac编译后生成的字节码文件有默认的文件名：文件名总是以源文件所定义类的类名作为主文件名，以.class作为扩展名。这意味着如果一个源文件里定义了多个类，将编译生成多个字节码文件。

运行java程序的命令是：java Java类名。

如果想在运行Java程序时临时指定JRE搜索Java类的路径，则可以使用-classpath选项（或用-cp选项，-cp是简写，作用完全相同），即格式为：

java -classpath dir1;dir2;dir3…;dirN Java类

其中;是windows下对路径的分隔符，在linux下应该以:分隔。

Java解释器规定：如需某个类被解释器直接解释执行，则这个类里必须包含main方法，且其必须使用public static void来修饰，同时其形参必须是字符串数组类型String[] args。

这意味着main方法的写法几乎是固定的，Java虚拟机就从这个main方法开始解释执行，因此，main方法是程序的入口。
若运行Java程序时在类名后紧跟一个或多个字符串（多个字符串之间以空格隔开），JVM就会把这些字符依次赋给args数组元素；若某参数本身包含了空格，则应该将该参数用双引号("")括起来，否则JVM会将这个空格当成参数分隔符，而非一个单独的参数。
2

效率

当然，解释型虚拟机指令肯定会比全速运行机器指令慢很多。不过，Java虚拟机有一个选项，可以将执行最频繁的字节码序列转换成机器码，这一过程称为即时编译。

3. Java术语

术语名	缩写	解释
Java Development Kit	JDK	Java开发工具包。如果需要开发Java程序，则应该选择安装JDK；当然，安装了JDK之后，就包含了JRE，也可以运行Java程序。
Java Runtime Environment	JRE	Java运行时环境。运行Java程序的必需条件。简单地说，JRE包含JVM，一般而言，如果只是运行java程序，可以只安装JRE，无须安装JDK。
Server JRE	/	服务器JRE，在服务器上运行 Java 程序的软件
Standard Edition	SE	标准版，用于桌面或简单服务器应用的Java平台
Enterprise Edition	EE	企业版，用于复杂服务器应用的Java平台
Micro Edition	ME	微型版，用于小型设备的Java平台
Java FX	/	用于图形化用户界面的一个备选工具包，在Java11之前的某些JavaSE发布版本中提供
OpenJDK	/	Java SE的一个免费开源实现
Java 2	J2	一个过时的术语，用于描述1998~2006年之间的Java版本
Software Development Kit	SDK	一个过时的术语，用于描述1998~2006年之间的JDK
Update	u	Oracle公司的术语，表示Java 8之前的bug修正版本
NetBeans	/	Oracle公司的集成开发环境

4. Java环境变量：JAVA_HOME、CLASSPATH

Java有两个重要的相关环境变量需要理解及正确配置。

安装好Java以后，各种IDE、Tomcat等软件是通过搜索操作系统的PATH环境变量来找到你安装的Java软件的，因而需要在PATH中配置Java的安装目录。通过像这样配置：在操作系统中新增JAVA_HOME环境变量，令其为Java安装目录，然后在PATH中添加一项来引用JAVA_HOME，即

环境变量	内容
JAVA_HOME	C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_291
PATH	%JAVA_HOME%\bin

对于CLASSPATH环境变量，其含义是指定Java程序执行时JRE搜索Java类的路径，只有该.class文件包含在CLASSPATH的路径中，JRE才能找到该字节码文件并解释执行。

你可以选择在操作系统中添加一个CLASSPATH属性，并指定相关文件夹路径以提供给JRE，如

环境变量	内容
CLASSPATH	.;C:\Users\chuan\Desktop\temp

就将当前目录即桌面的temp/文件夹赋予了CLASSPATH。不过，这样未免太麻烦，事实上在默认情况下（不在操作系统中设置CLASSPATH环境变量），每次JRE执行时都会将当前目录作为搜索路径添加到CLASSPATH中，因而它总能找到当前目录下的Java可执行文件；此外，如果你需要执行其他目录下的.class文件，也通过在命令行下使用java命令的-classpath属性指定搜索路径java -classpath dir1;dir2;dir3…;dirN JavaClassName，或通过set命令set classpath=dir1;dir2设定搜索路径，达到同样的效果，不过要指出的是，这两种命令行的方法设置CLASSPATH属性都具有临时性——只在当前命令行中有效。

需要进一步指出的是，一旦你像上述表格一样显示指定了CLASSPATH环境变量，（且执行时没有通过命令行额外增加搜索路径，）那么JRE便只会在该环境变量中搜索Java类。这也就是说，如果你将CLASSPATH显示设置为C:\Users\chuan\Desktop\temp，也即没有增加当前路径，那么即便你在某个目录下想要执行当前目录的.class文件，JRE也会报错。

5. Java垃圾回收

通常JRE会提供一个后台线程来进行检测和控制，一般都是在在CPU空闲或内存不足时自动进行垃圾回收，而程序员无法精确控制垃圾回收的时间和顺序等。

事实上，除释放没用的对象外，垃圾回收也可以清除内存记录碎片，碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，JVM将整理出的内存分配给新的对象。

垃圾回收的一个潜在缺点是它的开销影响程序性能。因为JVM必须跟踪程序中有用的对象，才可以确定哪些对象是无用的对象，并最终释放这些无用的对象，这个过程需要花费处理器的时间。

为了更快地让垃圾回收器回收那些不再使用的对象，可以将该对象的引用变量设置为null，以此暗示垃圾回收器可以回收该对象。

虽然程序员可以通过调用Runtime对象的gc()或System.gc()等方法来建议系统进行垃圾回收，但这种调用仅仅是建议，依然不能精确控制垃圾回收机制的执行。

6. 关于Java9

Java9于2017年发布。

模块化系统是JDK 9的重大更新，为此JDK专门引入了一种新的JMOD格式。

在Java 9之前，有32位和64位两个版本的JDK，现在Oracle公司不再开发32位版本。

JDK 9工具的一大改进就是提供了jshell工具，它是一个交互式的命令行界面，可用于执行java语言的变量声明、语句和表达式，且可以立即看到执行结果。

除了/help,/exit之外，jshell还有如下常用命令：

/help：
/exit：
/list：列出用户输入的所有源代码
/edit：编辑用户输入的第几条源代码，jshell会启动一个文本编辑界面。
/drop：删除用户输入的第几条源代码
/save：保存用户输入的源代码
/vars：列出用户定义的所有变量
/methods：列出用户定义的全部方法
/types：列出用户定义的全部类型

7. var关键字

在Java10中，可以使用var来声明局部变量，此时java将从变量的初始值来推导出它们的类型。

8. 与C++的异同

Java中所有的函数都是某个类的方法（标准术语将其称为方法，而不是成员函数）。

与C/C++一样，关键字void表示这个方法没有返回值，所不同的是main方法没有为操作系统返回“退出码”。如果main方法正常退出，那么Java应用程序的退出码为0，表示成功地运行了程序。如果希望在终止程序时返回其他的退出码，那就需要使用System.exit方法。

在C++中，数值甚至可以代替boolean值。值0相当于布尔值false，非0值相当于布尔值true。而在java中则不是这样，java程序员不会遇到下述麻烦：

if (x = 0) // cops... meant x == 0

Java的控制流程结构与C和C++的控制流程结构一样，只有很少的例外情况。Java中没有goto语句，但break语句可以带标签，可以利用它从内层循环跳出；此外，Java还有一种变形的for循环，它有点类似于C++中基于范围的for循环和C#中的foreach循环。

在C++中，可以在嵌套的块中重定义一个变量。在内层定义的变量会覆盖在外层定义的变量，这就有可能带来编程错误，因此Java中不允许这样做。

Java数组与堆栈上的C++数组有很大不同，但基本上与在堆上分配的数组指标一样。

在C++中，通常在类的外面定义方法，如果在类的内部定义方法，这个方法将自动成为内联方法。而在Java中，所有的方法都必须在类的内部定义，但并不表示它们是内联方法，是否将某个方法设置为内联方法是JVM的任务，JIT会监视那些简短、经常调用而且没有被覆盖的方法调用，并进行优化。

void Employee::raiseSalary(double byPercent) {
    // ...
}

class Employee {
    // ...
    int getName() {
        return name; // inline in C++
    }
}

在C++中，要使用::操作符访问作用域之外的静态字段和静态方法，如Math::PI。

在C++中，经常用下划线或某个固定的字母（一般选用m或x）作为实例字段的前缀。例如，salary字段可能被命名为_salary, mSalary或xSalary。Java程序员通常不这么做。

在Java中，this引用等价于C++中的this指针。但是，在C++中，一个构造器不能引用另一个构造器。在C++中，必须将抽取出的公共初始化代码编写成一个独立的方法。

C++程序员经常将import语句与#include弄混。实际上这两者之间没有共同之处。在C++中与包机制类似的是命名空间特性，可以认为Java中的package和import语句类似于C++中的namespace和using指令。

Java与C++定义继承的方式十分相似，Java用关键字extends代替了C++中的冒号:。在Java中，所有的继承都是公共继承，而没有C++中的私有继承和保护继承。

在C++中，有一种抽象方法称为纯虚函数，要在末尾用=0标记。只要有一个纯函数，这个C++类就是抽象类，在C++中没有提供用于表示抽象类的特殊关键字。

Java中的protected成分对所有子类及同一个包中的所有其他类都可见，这与C++中的保护机制稍有不同，Java的protected概念要比C++中的安全性差。

在很多程序设计语言中，特别是在C/C++中，必须在编译时就确定整个数组的大小，很多程序员对此十分反感。

Class#newInstance方法相当于C++中的虚拟构造器概念，Class类类似于C++中的type_info类，getClass方法则等价于typeid运算符。

有些程序设计语言（尤其是C++）允许一个类有多个超类，我们将这种特性称为多重继承。Java的设计者选择了不支持多重继承，其主要原因是多重继承会让语言变得非常复杂（如同C++），或者效率会降低（如同Eiffel）。

C++的多重继承带来了一些复杂的特性，如虚基类、控制规则、横向指针类型转换，等等。很少有C++程序员使用多重继承。
实际上，Java的接口能够提供多重继承的大多数好处，同时还能避免多重继承的复杂性和低效性。

C++有嵌套类，被嵌套的类包含在外围类的作用域内。

Java中的异常处理与C++或Delphi中的异常处理十分类似。

C++中有两个基本的异常类，一个是runtime_error，另一个是logic_error。logic_error类相当于Java中的RuntimeException，也表示程序中的逻辑错误；runtime_error类是所有由于不可预测的原因所引发的异常的基类。

在Java中，只能抛出Throwable子类的对象，而在C++中，却可以抛出任何类型的值。

从表面上看，Java的泛型类似于C++的模板类，唯一明显的不同是Java没有特殊的template关键字。但实际上，这两种机制有着本质的区别。

面对一大堆相互冲突的设计策略，Java设计人员希望让类库规模很小而且要易于学习，不希望像C++的STL那样复杂，但却又希望能够得到STL率先提出的“泛型算法”所具有的优点。

Java语言概述

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