Introduction⚓︎

课程目标：专注于 Java 在桌面端和服务器上的编程，并且学完后能够用 Java 实现一个小的软件系统。

要学的内容包括：

• 作为一门语言的 Java
• IO，异常 (exception)，RTTI（运行时类型识别 (runtime type identification)）
• 线程 (thread)
• JDBC，套接字 (socket)
• 设计模式 (design pattern)
• Lambda 表达式，流
• 并行 (parallel)，并发 (concurrency)，分布式 (distributed)

Background⚓︎

编程语言

• 是一种让计算机做事情的语言（而不是人和计算机对话的语言）
• 编译型（比如 C） v.s. 解释型（比如 Python）

学哪个语言？

• 现代的编程语言在语法上的差异很小，几乎都是 C-like 语言
• 语言的能力 / 适用领域主要是由库和传统所决定的
  • PTA 的后端是用 Kotlin 写的
  • 杭州的小公司（20-30 人左右）通常接的是政府或国企的单，之前他们很信任微软，后来反过来，变得完全不信任微软，因此开发语言从 .NET -> Java

Java 生逢其时（恰好今年（2025）是 Java 诞生三十周年）

• 计算模式在演变
  • 主机 -> 单机 -> C/S -> B/S -> 移动与云
    • C/S(client-server) 推销的是数据库厂商
  • 计算在远端 -> 计算在桌面 -> 桌面计算远端存储 -> 桌面交互远端计算和存储 -> 前端交互远端计算和存储
    • Java 具有跨平台能力，在国内没什么用，在美国就很有用，因为要适配旧机器
• Java 一直不太擅长桌面，但是桌面不那么重要了
• 语言上升是因为有库，有人写库是因为它流行

前端 / 后端模式

• CGI（公共网关接口）-> MVC（模式 - 视图 - 控制器）-> 服务化
  • 从前：一次点击做一次提交换一个新页面下来
  • 现在：一点动作做一次提交得到新数据做部分刷新
• 网站不再是提供网页的站，而是服务提供者
  • 前端：HTML、CSS、JavaScript
  • 后端：Java、PHP、.net、Python 以及 JavaScript
• 函数、库、微服务、智能体

Java 遇到的挑战：

• 一门语言独领风骚 25 年了，总有人想要挑战的
• Java 还是带有明显的 20 年前的语言的特色：编译执行
  • Java 源码 -> 字节码 -> 虚拟机执行
  • 新的语言普遍采用解释执行
• Java 起步的时候也是做网页中运行的程序的，但是 Java 太重了（代码量大）

但 Java 的应用还是很广泛

• Java 仍然是大多数情况下首先想到的
  • 程序是人写的，用惯的工具不会一下子扔了的
  • Java 适合于很多场合，不仅仅是服务器后端
• 语言的生命周期是很长的
  • Java 还在不断发展：IoC、泛型、Lambda 和流计算
• 新语言的问题
  • 普遍在应对多人协同开发上存在弱点

Java 是：

• 一种编译型语言
• 一种高效的 OOP 语言
• UNIX 世界的一位成员
  • 最开始用在 SUN(Stanford University Network) 公司的 Solaris 操作系统中，而该操作系统正是 UNIX 家族的一位成员
• 被广泛应用于各类应用中

Java 简史：

• 诞生：1995.5.23

• 1991：Java 之父 James Gosling 发明了一款机顶盒 (set-top box)

  
  • 机顶盒可触屏，有投票、点播功能
  • 想将其推销给美国电视公司，但失败了
  • 但一年后另一个团队开发了类似的产品（DEC 的 VOD），却被接受了
  • 1994：OAK 和 FirstPerson
  • 1995：Java 和 HotJava
  • SUN 和 Netscape（网景，当时世界上最大的浏览器公司，后被微软的 IE 击败）合作开发 Java
  • 由于有一家芯片公司已注册 OAK 的商标，所以后来改成 Java（爪哇，印尼岛屿）这么一个有“异域风情”的名称
  • 爪哇特产咖啡，因此 Java 的 logo...

更多介绍见这里：http://xhslink.com/n/9toSTiVMa5j

Running a Java Program⚓︎

下图简要概括了 Java 程序的运行机制：

要想运行一个 Java 程序，需要具备以下条件：

• Java 源程序（废话）
• Java 平台 (platform)
  • JVM（Java 虚拟机）
  • Java API（应用程序接口 (application program interface)），就是 Java 的标准库
    • 文件名为 rt.jar，实则为一个 zip 文件，可解压，解压后可看到一堆 .class 文件
    • 还有一个 rt.dll（Windows）或 rt.so（Unix）文件，里面包含了用 C 语言写的函数被编译后的结果；而 rt.jar 只存储 Java 相关的内容
• 基于硬件的平台（即操作系统）

Features⚓︎

Java 的跨平台特性意味着

• 可移植性 (portable)
  • JVM 支持跨平台
  • 统一的数据类型，不受制于系统和硬件
• 性能
  • 性能低的表现
    • Java 编译出来的字节码不能直接被 CPU 运行，因此 Java 在底层仍然属于解释执行的
    • 代码检查需要时间
    • 用到栈，而栈在内存中，访问速度不如寄存器
  • 性能高的表现
    • JIT（即时 (just-in-time)）
      • 这个词原本来自丰田的生产管理方式，后来延伸至 CS 领域
      • Java 利用了局部性 (locality)，缓存被编译成机器码的字节码，下次遇到相同代码时可直接调用缓存了的机器码，提高执行效率
    • 多线程 -> 并行
    • 字节码的设计简单（仅 8 位长，最多也就 256 种）

Java 还具备稳定性，并遵循 KISS(keep it simple, stupid) 原则。

• （不太准确的说法）没有指针
  • 实际上 Java 是有指针的，只是指针无法计算
  • Java 访问对象时只能通过指针去访问，并且一旦指定某个对象后就不得修改
  • Java 的指针不像 C++ 有星号
• （数组）索引检查
  • 提高安全性，但是增加了额外的运行时间
• 自动内存管理
• 形式上和 C++ 类似

C++ 有，但 Java 没有的东西：

• 多继承
• 虚继承
• 模板（但有泛型）
• 运算符重载

Java 的动态性体现在：

• Java 没有一个具体程序的概念
• Java 相信所有的类和对象放在同一块空间
  • 所以 Java 的 main 函数一定是属于某个类的，好处是可为每个类都可以创建 main 函数，然后可以自己指定执行哪个 main 函数；坏处是为了写一个 main 函数，不得不写一个完整的类
• Java 程序的编译结果只是这块空间的一部分
• 而“运行程序”的意思是开启空间中某个类的某一方法的线程

Java 对象的存储：

• 对 C 而言，高效是最重要的，所以程序员可自行控制内存的分配和释放
• 但对 Java 而言，所有的对象在运行时要构建好，并且要被存储在堆中
  • 所以必须自己创建对象，但对象不能被我们手动销毁——垃圾回收机制会帮我们清除不再使用的对象
  • 不过有少数对象可存储在栈中，但程序员无法直接管理

Java 具备单根结构：

• Java 中的每个类都是 Object 类的后代
• 所以所有的 Java 对象都是 Object 的对象
• 因此，容器就是一个能保存对象的对象

注：C++ 是唯一一个没有单根结构的 OOP 语言。

Fundamentals⚓︎

创建第一个 Java 程序：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // out is static member of System (not connected with :: as C++ does)
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

编译和运行：

# compilation
javac Main.java
# execution
java Main

从标准输入中读取整数：

import java.util.Scanner;

public class A {
    public static void main(String[] args) {
        // in is a pointer
        Scanner in = new Scanner(System.in);
        // attain integer from standard input
        int i = in.nextInt();
        System.out.println("Hello World!");
        System.out.println(i);
        in.close();
    }   
}

读取字符串：

• in.next()：读入一个单词，单词的标志是空白字符（空格、Tab 键和换行）
• in.nextLine()：读取一整行

关于对象的处理：

• 对象不能自己保存自己，需要用一个“句柄”(handle) 指代它
• 比如 String s; 中，s 就是一个句柄，但当前没有指代任何东西

关于 new 运算符：

String s = new String("a string");

上面的语句做了以下事情：

1. 创建一个 String 对象
2. 对象被初始化为 "a string"
3. 创建了一个指向 String 的作为句柄的变量
4. 将对象赋值给这个句柄变量