Java编程基础入门

### Java编程基础入门 #### 1. 引言 在踏上成为Java程序员的征程之前，理解面向对象编程（OOP）的基本术语和概念至关重要。这里主要是对这些概念进行初步介绍，后续会有更深入的探讨。Java支持编写多种可执行程序，如应用程序、小程序和Servlet。下面将介绍Java应用程序的基本元素，同时也会说明编译和运行Java应用程序的方法。 #### 2. 类 处理复杂问题的一个基本方法是进行抽象。抽象指的是对象区别于其他对象的本质属性和行为。面向对象编程的核心就是使用类和对象来对抽象进行建模，而难点在于找到合适的抽象。 类代表了一类对象，是创建对象的蓝图。类通过定义对象的属性和行为来对抽象进行建模。对象展现出其所属类定义的属性和行为。类中对象的属性也称为特性，在Java中由字段定义；字段是类中的变量，用于存储代表对象特定属性的值。类中对象的行为也称为操作，在Java中通过方法定义。类声明中的字段和方法统称为成员。 类为其对象提供的契约和实现之间有重要区别。契约定义了提供哪些服务，而实现则定义了类如何提供这些服务。客户端（即其他对象）只需了解对象的契约，而无需了解其实现，就可以使用该对象的服务。 下面以一个可以进行字符入栈和出栈操作的栈类为例。栈使用字符数组来存储字符，并使用一个字段来指示栈顶元素。使用统一建模语言（UML）符号，名为`CharStack`的类图形化表示如下： ```mermaid classDiagram class CharStack { - char[] stackArray - int topOfStack + CharStack(int capacity) + push(char element) + pop() + peek() + isEmpty() + isFull() } ``` #### 2.1 声明成员：字段和方法 以下是`CharStack`类的声明示例，其目的是展示Java类声明的主要特征，而非栈的有效实现。 ```java //Source Filename: CharStack.java public class CharStack { // Fields: private char[] stackArray; // The array implementing the stack. private int topOfStack; // The top of the stack. // Constructor: public CharStack(int capacity) { stackArray = new char[capacity]; topOfStack = -1; } // Methods: public void push(char element) { stackArray[++topOfStack] = element; } public char pop() { return stackArray[topOfStack--]; } public char peek() { return stackArray[topOfStack]; } public boolean isEmpty() { return topOfStack < 0; } public boolean isFull() { return topOfStack == stackArray.length - 1; } } ``` `CharStack`类有两个字段： - `stackArray`：用于存储栈元素（字符）的数组。 - `topOfStack`：表示栈顶元素（即数组中最后一个存储字符的索引）。 该类还有五个方法，用于实现栈的基本操作： - `push()`：将一个字符压入栈中。 - `pop()`：移除并返回栈顶元素。 - `peek()`：返回栈顶元素以供查看。 - `isEmpty()`：判断栈是否为空。 - `isFull()`：判断栈是否已满。 类声明中还有一个与类同名的类似方法的声明，称为构造函数。当从类创建对象时，构造函数会被执行。 #### 3. 对象 #### 3.1 类实例化、引用值和引用 从类创建对象的过程称为实例化。对象是类的一个实例，它以类为蓝图构建，是类所代表抽象的具体体现。在程序中使用对象之前，必须先创建它。 创建对象时会返回一个引用值，引用值表示一个特定的对象。对象引用（或简称引用）是一个可以存储引用值的变量。引用为对象提供了一个操作手段，因为它可以间接表示其引用值所指向的对象。在Java中，只能通过对象的引用值或持有该引用值的引用来操作对象。 创建对象通常涉及以下步骤： 1. **声明一个变量来存储对象的引用值**：声明一个合适类的引用变量来存储对象的引用值。 ```java // Declaration of two reference variables that will refer to // two distinct objects, namely two stacks of characters, respectively. CharStack stack1, stack2; ``` 2. **创建对象**：使用`new`运算符结合构造函数调用来创建类的实例。 ```java // Create two distinct stacks of chars. stack1 = new CharStack(10); // Stack length: 10 chars stack2 = new CharStack(5); // Stack length: 5 chars ``` `new`运算符创建`CharStack`类的一个实例，并返回该实例的引用值。引用值可以赋值给合适类的引用变量，然后可以使用该引用变量来操作其引用值所存储的对象。每个对象都有其类声明中字段的独立副本。 对象的UML表示法如下： ```mermaid classDiagram class CharStack { - char[] stackArray - int topOfStack + CharStack(int capacity) + push(char element) + pop() + peek() + isEmpty() + isFull() } stack1:CharStack stack2:CharStack ``` #### 3.2 对象别名 一个对象可以被多个引用引用，即这些引用存储了同一个对象的引用值，这样的引用称为别名。可以通过任何一个别名来操作对象，因为它们都指向同一个对象。 ```java // Create two distinct stacks of chars. CharStack stackA = new CharStack(12); // Stack length: 12 chars CharStack stackB = new CharStack(6); // Stack length: 6 chars stackB = stackA; // (1) aliases after assignment // The stack previously referenced by stackB can now be garbage collected. ``` 在上述代码中，创建了两个栈。在赋值操作之前，`stackA`和`stackB`分别指向不同的栈；赋值操作后，`stackA`和`stackB`指向同一个栈。之前由`stackB`引用的栈现在可以被垃圾回收。Java的运行时系统会处理垃圾回收。 #### 4. 实例成员 每个创建的对象都有其类中定义字段的独立副本。对象的字段称为实例变量，对象中实例变量的值构成了其状态。如果两个不同对象的实例变量值相同，它们可以具有相同的状态。对象的方法定义了其行为，这些方法称为实例方法。需要注意的是，这些方法是针对类的每个对象的，而方法的实现是由类的所有实例共享的。 实例变量和实例方法统称为实例成员，以区别于仅属于类的静态成员。 #### 4.1 调用方法 对象通过消息传递进行通信。在Java中，通过使用二元中缀点（`.`）运算符调用对象的方法来实现。方法调用明确了完整的消息：消息的接收者对象、要调用的方法以及方法的参数（如果有）。被调用的方法也可以通过单个返回值将信息返回给调用者。调用的方法必须是为对象定义的，否则编译器会报错。 ```java CharStack stack = new CharStack(5); // Create a stack stack.push('J'); // (1) Character 'J' pushed char c = stack.pop(); // (2) One character popped and returned: 'J' stack.printStackElements(); // (3) Compile-time error: No such method in CharStack ``` 上述示例代码调用了`stack`引用所指向对象的方法。`push()`方法将一个字符压入栈中，`pop()`方法从栈中弹出一个字符。而尝试调用`printStackElements()`方法会导致编译时错误，因为`CharStack`类中没有定义该方法。 点（`.`）符号也可以用于通过引用访问对象的字段，但使用该符号受成员可访问性的限制。`CharStack`类中的字段具有私有可访问性，这意味着它们不能从类外部访问。 ```java stack.topOfStack++; // Compile-time error: topOfStack is a private field. ``` #### 5. 静态成员 在某些情况下，某些成员应该只属于类，而不属于从该类创建的任何对象。例如，当一个类想要跟踪创建了多少个该类的对象时，如果将计数器定义为类声明中的实例变量，每个对象都会有自己的计数器字段，无法解决计数问题。解决方案是将计数器字段声明为静态的，这样的字段称为静态变量，它属于类，而不属于类的任何对象。静态变量在类在运行时加载时初始化。类似地，类可以有属于类而不属于类的任何特定对象的静态方法。静态变量和静态方法统称为静态成员，使用`static`关键字声明。 以下是包含静态成员的`CharStack`类的示例： ```java //Filename CharStack.java public class CharStack { // Instance variables: private char[] stackArray; // The array implementing the stack. private int topOfStack; // The top of the stack. // Static variable private static int counter; // Constructor now increments the counter for each object created. public CharStack(int capacity) { stackArray = new char[capacity]; topOfStack = -1; counter++; } // Instance methods: public void push(char element) { stackArray[++topOfStack] = element; } public char pop() { return stackArray[topOfStack--]; } public char peek() { return stackArray[topOfStack]; } public boolean isEmpty() { return topOfStack < 0; } public boolean isFull() { return topOfStack == stackArray.length - 1; } // Static method public static int getInstanceCount() { return counter; } } ``` 类的成员分类如下表所示： |成员类型|描述|访问方式| | ---- | ---- | ---- | |实例成员|对象的实例变量和实例方法，包括对象的属性和行为|只能通过对象引用访问或调用| |静态成员|类的静态变量和静态方法|可以通过类名或对象引用访问或调用| 客户端可以使用类名来访问类中的静态成员： ```java int count = CharStack.getInstanceCount(); // Class name to invoke static method ``` 虽然也可以通过对象引用访问静态成员，但这被认为是不好的编程风格： ```java CharStack stack1; int count1 = stack1.getInstanceCount(); // Reference invokes static method ``` 类中的静态成员可以通过类名和对象引用访问，而实例成员只能通过对象引用访问。 #### 6. 继承 从现有类构建新类有两种基本机制：继承和聚合。例如，从现有的`Vehicle`类继承来定义`Car`类是合理的，因为汽车是一种交通工具。`Vehicle`类有多个部分，因此定义一个由`Motor`、`Axle`和`GearBox`等类的对象组成的`Vehicle`类的复合对象也是合理的。 下面通过一个示例来说明继承。实现一个可以在终端打印其元素的字符栈。这个新栈具有`CharStack`类的所有属性和行为，还具有打印其元素的额外功能。由于这个可打印栈是字符栈，因此可以从`CharStack`类派生而来。这种关系如下所示： ```mermaid classDiagram class CharStack { - char[] stackArray - int topOfStack + CharStack(int capacity) + push(char element) + pop() + peek() + isEmpty() + isFull() } class PrintableCharStack { + printStackElements() + PrintableCharStack(int capacity) } CharStack <|-- PrintableCharStack ``` `PrintableCharStack`类称为子类，`CharStack`类称为超类。`CharStack`类是所有字符栈的通用表示，而`PrintableCharStack`类是可以打印其元素的字符栈的特殊表示。 在Java中，从现有类派生新类需要在子类声明中使用`extends`子句。子类只能扩展一个超类，并且可以继承超类的成员。以下代码片段实现了`PrintableCharStack`类： ```java class PrintableCharStack extends CharStack { // Instance method public void printStackElements() { for (int i = 0; i <= topOfStack; i++) System.out.print(stackArray[i]); // print each char on terminal System.out.println(); } // The constructor calls the constructor of the superclass explicitly. public PrintableCharStack(int capacity) { super(capacity); } } ``` `PrintableCharStack`类扩展了`CharStack`类。实现`printStackElements()`方法需要访问超类`CharStack`的`stackArray`字段，但该字段是私有的，因此在子类中无法访问。如果将`CharStack`类中字段的可访问性更改为`protected`，子类就可以访问这些字段。 ```java // Source Filename: CharStack.java public class CharStack { // Instance variables protected char[] stackArray; // The array that implements the stack. protected int topOfStack; // The top of the stack. // The rest of the definition is the same as in Example 1.2. } //Filename: PrintableCharStack.java public class PrintableCharStack extends CharStack { // Instance method public void printStackElements() { for (int i = 0; i <= topOfStack; i++) System.out.print(stackArray[i]); // print each char on terminal System.out.println(); } // Constructor calls the constructor of the superclass explicitly. PrintableCharStack(int capacity) { super(capacity); } } ``` 通过继承，`PrintableCharStack`类可以复用`CharStack`类的代码，并添加新的功能。 ### Java编程基础入门 #### 7. 聚合 除了继承，聚合也是从现有类构建新类的重要机制。聚合体现的是整体与部分的关系，一个类的对象可以包含其他类的对象作为其组成部分。 例如，考虑一个`Vehicle`类，它代表交通工具。交通工具通常由多个部件组成，如发动机（`Motor`）、车轴（`Axle`）和变速箱（`GearBox`）等。我们可以通过聚合这些部件类的对象来构建`Vehicle`类。 以下是一个简单的示例代码： ```java // Motor类 class Motor { public void start() { System.out.println("Motor started."); } } // Axle类 class Axle { public void rotate() { System.out.println("Axle rotating."); } } // GearBox类 class GearBox { public void shiftGear() { System.out.println("Gear shifted."); } } // Vehicle类，通过聚合包含Motor、Axle和GearBox对象 class Vehicle { private Motor motor; private Axle axle; private GearBox gearBox; public Vehicle() { motor = new Motor(); axle = new Axle(); gearBox = new GearBox(); } public void operate() { motor.start(); gearBox.shiftGear(); axle.rotate(); } } ``` 在上述代码中，`Vehicle`类聚合了`Motor`、`Axle`和`GearBox`类的对象。`Vehicle`类的`operate`方法调用了这些部件对象的方法，体现了整体与部分的协作关系。 #### 8. Java程序的编译和运行 学习Java编程，掌握如何编译和运行Java程序是必不可少的。以下是编译和运行Java程序的基本步骤： ##### 8.1 编写Java代码 首先，使用文本编辑器编写Java代码。例如，我们可以创建一个名为`HelloWorld.java`的文件，内容如下： ```java public class HelloWorld { public static void main(String[] args) { System.out.println("Hello, World!"); } } ``` ##### 8.2 编译Java代码 打开命令行工具，导航到包含`HelloWorld.java`文件的目录。使用`javac`命令编译Java代码： ```sh javac HelloWorld.java ``` 如果代码没有错误，编译成功后会在同一目录下生成一个名为`HelloWorld.class`的字节码文件。 ##### 8.3 运行Java程序 使用`java`命令运行编译后的Java程序： ```sh java HelloWorld ``` 运行上述命令后，控制台将输出`Hello, World!`。 #### 9. 总结与回顾 通过前面的介绍，我们对Java编程的基础知识有了较为全面的了解。下面通过一个表格总结本文涉及的重要概念： |概念|描述| | ---- | ---- | |类|代表一类对象，是创建对象的蓝图，包含字段和方法| |对象|类的实例，通过类实例化创建| |实例成员|包括实例变量和实例方法，属于对象，每个对象有独立副本| |静态成员|包括静态变量和静态方法，属于类，所有对象共享| |继承|从现有类派生新类，子类可以继承超类的成员| |聚合|一个类的对象包含其他类的对象作为组成部分，体现整体与部分的关系| |编译和运行|使用`javac`命令编译Java代码，使用`java`命令运行编译后的程序| 为了更清晰地展示这些概念之间的关系，下面是一个mermaid格式的流程图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(类):::process --> B(对象):::process B --> C(实例成员):::process A --> D(静态成员):::process A --> E(继承):::process A --> F(聚合):::process G(Java代码):::process --> H(编译):::process H --> I(运行):::process ``` #### 10. 实践建议 学习Java编程，实践是关键。以下是一些实践建议： 1. **多写代码**：通过编写各种类型的Java程序，加深对概念的理解和掌握。 2. **调试代码**：当程序出现错误时，学会使用调试工具找出问题所在，提高解决问题的能力。 3. **阅读优秀代码**：参考优秀的Java代码示例，学习他人的编程风格和技巧。 4. **参与开源项目**：参与开源项目可以与其他开发者交流合作，拓宽视野。 通过不断地实践和学习，相信你会逐渐掌握Java编程的精髓，成为一名优秀的Java程序员。