Java学习笔记（一）：Java概述及程序设计起步

声明：本篇笔记部分摘自《Java核心技术（卷Ⅰ） - 机械工业出版社》及Java教程-廖雪峰-2025-06-16，遵循CC BY 4.0协议。这本书以及这个系列的笔记会将Java与一些编程语言的特性作比较；建议拥有一定的C/C++或其他编程语言的学习基础后，再阅读这本书或这个系列的笔记来学习Java。如果是第一次接触编程语言，建议从相对简单的C语言或Python开始；或者参考一些体系化的视频课程来进行学习，否则会感到有一定的压力。
存在由AI生成的小部分内容，仅供参考，请仔细甄别可能存在的错误。

一、Java概述

1.Java发展史

Java最早是由SUN公司（已被Oracle收购）的詹姆斯·高斯林（高司令，人称Java之父）在上个世纪 90年代初开发的一种编程语言，最初被命名为Oak，目标是针对小型家电设备的嵌入式应用（结果市场没啥反响）。互联网的崛起让Oak重新焕发了生机，于是SUN公司改造了Oak，由于Oak已经被注册，在1995年以Java的名称正式发布。随着互联网的高速发展，Java逐渐成为最重要的网络编程语言。
Java介于编译型语言和解释型语言之间。编译型语言如C、C++，代码是直接编译成机器码执行，但是不同的平台（x86、ARM等）CPU的指令集不同，因此，需要编译出每一种平台的对应机器码。解释型语言如Python、Ruby没有这个问题，可以由解释器直接加载源码然后运行，代价是运行效率太低。而Java是将代码编译成一种“字节码”，它类似于抽象的CPU指令，然后，针对不同平台编写虚拟机，不同平台的虚拟机负责加载字节码并执行，这样就实现了“一次编写，到处运行”的效果。当然，这是针对Java开发者而言。对于虚拟机，需要为每个平台分别开发。为了保证不同平台、不同公司开发的虚拟机都能正确执行Java字节码，SUN公司制定了一系列的Java虚拟机规范。从实践的角度看，JVM的兼容性做得非常好，低版本的Java字节码完全可以正常运行在高版本的JVM上。

随着Java的不断发展，出现了三个版本：

• Java SE: standard edition, 标准版本
• Java EE: enterprise edition, 企业版本
• Java ME: mico edition, 微服务版本

这三者是 Java EE > Java SE > Java ME 的关系，，Java SE就是标准版，包含标准的JVM和标准库，而Java EE是企业版，它在Java SE的基础上添加了大量的API和库，以便方便开发Web应用、数据库、消息服务等，Java EE的应用使用的虚拟机和Java SE完全相同。Java ME就和Java SE不同，它是一个针对嵌入式设备的“瘦身版”，Java SE的标准库无法在Java ME上使用，Java ME的虚拟机也是“瘦身版”。

2.Java学习路线

对于常规的Java软件应用开发者来说，学习Java SE、Java EE就足够了。Java ME的流行程度不高，如果没有特殊需求无需学习。下面是推荐的学习路线：

1. 首先学习Java SE，掌握Java语言本身、Java核心开发技术以及Java标准库的使用；
2. 继续学习Java EE，重点学习Spring框架、数据库开发、分布式架构；
3. 如果打算学习大数据开发，那么Hadoop、Spark、Flink这些大数据平台就是需要学习的，他们都基于Java或Scala开发；
4. 如果想要学习移动开发，那么就深入Android平台，掌握Android App开发。

3.JDK与JRE、JVM

• JDK：Java Development Kit，Java程序开发工具包
• JRE：Java Runtime Environment，Java运行时环境
• JVM:Java Virtual Machine，Java虚拟机

打个简单的比方，JDK类似于厨房里的食材和食谱（标准类库和方法），我们可以用来设计各种菜品（源代码）；JRE是餐厅，让厨师有地方做菜，并且能够让顾客有地方享受美食（运行环境）；JVM就是制作食物的厨师，负责将我们设计的菜品做成食物（编译执行）。

与上面例子稍有不同的是，JDK中也包含了JRE与调试器、编译器等开发工具，而JRE当然是包含JVM的了。即：我们通过JDK编写代码，在JRE中经过JVM的编译之后再运行。它们之间的关系如下图：

玩过Java版MC的同学应该都知道，在启动游戏之前会检查Java版本，这里的“Java版本”指的是JRE，即我们需要准备好在自己的电脑上运行Java的环境。

4.JSR与JCP

• JSR：Java Specification Request，Java规范要求
• JCP：Java Community Process，Java社区组织

为了保证Java语言有良好的可拓展性和可移植性，需要很高的代码规范性。JSR这一规范就规定了开发者在为Java添砖加瓦时的代码功能。JCP这一组织的任务之一就是审核和修订JSR。

5.Java的特点

下面是Java白皮书上提到的11个关键术语，描述了Java这门编程语言的一些特点：

• 简单性
• 面向对象
• 分布式
• 健壮性
• 安全性
• 体系结构和中立
• 可移植性
• 解释性
• 高性能
• 多线程
• 动态性

二、Hello World!

像学习其他的编程语言一样，从最简单的输出"Hello World！"开始：

// HelloWorld.java

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

仔细分析一下这段程序：通过访问修饰符publlic定义了一个公有的类HelloWorld，其中有一个main方法，通过system.out.println()打印了"Hello World!"这么一个字符串。需要注意以下几点：

• 必须存在一个公共类与源代码的文件名相同，作为程序的入口；类似于C/C++中的main函数；并且该类中必须包含一个main方法，且该方法也必须声明为public。（在VS Code中修改主类或文件名的名称，文件名或主类的名称也会自动跟随修改）
• 类的标准命名方式为驼峰命名法，即所有单词的首字母均大写；Java区分大小写，main和Main不同。
• 类是Java应用的构建模块，所有的Java程序都必须放在类中。
• 语句结束的标志不是回车而是;，有必要的情况下可以使用回车编写一个多行的语句。
• system.out.println()方法会在打印之后自动换行，相比之下system.out.print()方法会把新的内容打印在同一行中。

作为初学者，或许会对main方法的参数String[] args感到疑惑，这里做出解释：

当我们运行Java程序时，可以在命令行（或终端）后面附加参数，这些参数会被传递给main方法，如java HelloWorld arg1 arg2 arg3，这里的agr1 arg2 arg3会作为字符串数组String[]传进main方法。Java规范要求main方法的签名必须如此，作为程序的统一入口点。即使我们不使用它，也需要声明，否则JVM无法识别main方法。

如何运行这个程序？

或许有同学会觉得“这不是明摆着吗，点一下VS Code或者IDEA右上角的按钮就可以了啊，有啥好说的”，但实际上"点一下按钮"的背后，是IDE自动为我们执行了一些编译和启动的命令。为了让我们更好地理解Java程序编译运行的过程，深化对上面JDK与JVM的理解，探讨一下如何通过这些命令的方式来运行是很有必要的。

Java源码本质上是一个文本文件，我们需要先用 javac 把 HelloWorld.java 编译成字节码文件 HelloWorld.class ，然后，用 java 命令执行这个字节码文件：

首先进入源代码所在的目录，执行这一个命令将Java程序编译成字节码：

javac HelloWorld.java

可以看到源代码所在的目录下出现了一个同名文件HelloWorld.class，这就是编译之后的字节码文件。执行这一句命令来通过JVM运行字节码程序：

java HelloWorld

注意：给虚拟机传递的参数 HelloWorld 是我们定义的类名而不是文件名（不需要.class的后缀），虚拟机自动查找对应的class文件并执行。

三、注释

与C/C++类似，Java中的注释也有这两种方式：

// 单行注释

/*
	多行注释
	多行注释
	多行注释
*/

四、基本数据类型

Java是一种强类型语言，即必须为每一个变量声明一个类型。在Java中，一共有8种数据类型（4整型+2浮点型+1字符型+1布尔型）。

1.整型

表示没有小数的数字，可以为负。

类型	大小	取值范围
int	4 bit	-2 147 483 648 ~ 2 147 483 647
short	2 bit	-32 768 ~ 32 767
long	8 bit	-9 223 372 036 854 775 808 ~ 9 223 372 036 854 775 807
byte	1 bit	-128 ~ 127

在Java中，整型的取值范围与运行平台无关，这使得Java有较好的可移植性；一定程度上避免了C/C++在不同的机器上可能存在的溢出问题。

长整型的数据末尾有一个L或者l，十六进制前面有0x或0x，八进制的前缀是0（如8 -> 010），这种写法容易混淆所以使用得比较少。二进制数的前缀是0b或0B。数字很大时，可以加上下划线使其更易读，如2_147_483_647。

2.浮点型

表示有小数部分的数值，与C/C++类似有两种类型：

类型	大小	取值范围
long	4 bit	约 $\pm3.402 823 47\times10^{38}$（6~7位有效数字）
double	8 bit	约 $\pm1.79769313486231570\times10^{308}$（15位有效数字）

double表示的数值精度是float的两倍，因此也有“双精度浮点数”的说法。大多数情况下，都会使用double类型存储浮点数。在一个数后面加上d、D或者f、F，可以分别标识为单精度或双精度。

在浮点数中，有三个特殊数值表示溢出或错误：

• POSITIVE_INFINITY：正无穷大
• NEGATIVE_INFINITY：负无穷大
• NaN：非数字

例如，一个非零数除以零会得到无穷大的结果，而0除以0或者负数开偶次方根会得到NaN。需要注意的是，NaN不等于任何值，包括它自己，因此无法通过与NaN比较来判断结果不为NaN，而是应该使用Double.isNaN(x)。

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        // 打印3 / 0的结果
        System.out.println(3 / 0);
        // 输出Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zero

        // 打印3.5 / 0的结果
        System.out.println(3.5 / 0);
        // 输出Infinity

        // 打印-3.5 / 0的结果
        System.out.println(-3.5 / 0);
        // 输出-Infinity

        // 运算 -2 的平方根
        System.out.println(Math.sqrt(-2));
        // 输出NaN
    }
}

3.字符型

字符型（char类型）原本用于表示单个字符，但现在有些Unicode字符需要两个char值表示。char类型使用单引号'表示，如char c = 'A';。char类型的值可以表示为十六进制值，取值范围是\u0000 ~ \uFFFF。

除了\u这样的转义，还有一些常用的转义符号：

转义符号	名称	转义符号	名称
\b	退格	\f	换页
\t	制表符	\"	双引号
\n	换行	\\	反斜线
\r	回车	\s	空格

注意这里的\u可能会与注释产生冲突，如：

// C:\users
// \u00A 是换行的转义表示

上面两个注释在Java中都会报错，分别是因为\u后面没有接十六进制，不是可识别的转义表示；\u00A被直接解析成换行，导致后续内容识别成位定义的代码语句。想要解决这个问题其实也很简单，使用/* */这样的注释就可以了。

UTF-16编码采用不同长度的代码表示所有Unicode码点（code point，指某个字符对应的代码值）。在基本多语言平面中，每个字符用16位表示，通常称为代码单元（codeunit）；而辅助字符编码为一对连续的代码单元。采用这种编码对表示的每个值都属于基本多语言平面中未用的2048个值范围，通常称为替代区域（surrogatearea）（U+D800～U+DBFF用于第一个代码单元，U+DC00～U+DFFF用于第二个代码单元）。这样设计十分巧妙，因为我们可以很快知道一个代码单元是一个字符的编码，还是一个辅助字符的第一或第二部分。例如，𝕆是八元数集的数学符号，码点为U+1D546，编码为两个代码单元U+D835和U+DD46。（关于编码算法的具体描述见 https://tools.ietf.org/html/rfc27810 ）。
在Java中，char类型描述了采用UTF-16编码的一个代码单元。强烈建议不要在程序中使用char类型，除非确实需要处理UTF-16代码单元。最好将字符串作为抽象数据类型来处理。
——《Java核心技术（原书第12版，机械工业出版社）》P32

4.布尔类型

布尔类型（boolean）有两个值：false和true，用于逻辑判断。整型值与布尔值之间不能转换。

因此在C/C++中常用的while(n--)在Java中就行不通了，因为Java中的n--作为整型数据无法转换成布尔值。不过也有好处，至少避免了不小心写出if (n = 0)而使得这段代码永远为false的情况了（我本人经常不小心写错…）

5.枚举类型

在编写程序时，我们通常需要给一些成组的数据编号，如一周的七天编号为1_{7、方向的上下左右编号为1}4、尺寸的小中大号编号为1~3等。这样做有两个缺点：

• 对不熟悉程序的人来说，看到突然出现的编号（magic number,魔法数字）会造成困扰，如if (direction == 3)，这样意义不明的表达会降低代码的可读性，在协作开发时造成一些麻烦。
• 有时编号可能会由于一些错误原因超出范围，使得程序出现意料之外的情况，难以进行管理和限制。

为了解决这些麻烦，人们提出了 枚举(enum) 这样的概念，通过给予一组编号有意义的名称来进行管理，有效缓解了代码可读性与范围限制的问题：

enum size { small, medium, large, extra_large};

size s = size.medium;

size类型的变量s只能存储上面声明的一些枚举值，或者是null，表示这个变量没有设置任何值。

五、整型与常量

1.声明变量

变量的声明通常需要先指定类型，然后是这个变量的名称。如：

int a;
double money;
boolean is_done;

2. 变量的赋值

可以在变量声明后为其赋值，也可以在声明的同时直接赋予初始值，这一点与大多数编程语言相同。

int a;
a = 1;
int a = 1;

从Java 10开始，局部变量可以使用var声明，这样编译器能够通过初始值自动判断变量的类型，如：

var month = 7;
var name = "Xiao Ming";

赋值语句也是一个表达式，其值等于被赋予的数值，如int a = 3这个表达式的值为3。

3.常量

在Java中，使用final来声明一个常量。尽管const作为Java的保留字（目前没有使用为关键字，但保留以后使用的可能性），但是目前仍然只能使用final来定义常量。常量只能被赋值一次，后面无法进行修改。通常对常量采取全大写的命名方式。如：

final PI = 3.1415926;

如果想定义一个常量以在同一个类的多个方法中使用，可以使用关键字static final将其设置为一个类常量。

public class ConstDemo
{
    public static final double CM_PER_INCH = 2.54;   // 英寸 - 厘米 换算关系

    public static void main (String[] args) {
        double inchs = 3.25;
        System.out.println(inchs + "英寸等于" + inchs * CM_PER_INCH + "厘米");
    }
}

// 输出：3.25英寸等于8.255厘米

类常量的定义通常位于main方法的外部。当其被声明为public时，其他类也可以访问到这个常量。

六、算数逻辑运算

1.算术运算符

与很多编程语言相同，Java也使用+ - * /来完成四则运算，其中两个整数相除会进行整除操作，得到的是结果的整数部分；有浮点数参与除法运算时，得到的是完整的商值。整数的求余（也称为取模）运算使用%。

需要注意的是，前面提到Java中整数被0除会产生一个除零异常；浮点数被0除会得到无穷大或者NaN的结果。

2. Math类

我们经常需要进行一些数学运算，如求幂、计算三角函数、使用圆周率pi、自然对数e等。Math类很好地完成了这些工作，我们只需调用相关的属性或方法即可：

属性/方法	描述
Math.sqrt(x)	求x的平方根
Math.pow(x, a)	求x的a次幂
Math.sin(x)	计算 x（弧度）的正弦值（sine），返回值范围 [-1, 1]。
Math.cos(x)	计算 x（弧度）的余弦值（cosine），返回值范围 [-1, 1]。
Math.tan(x)	计算 x（弧度）的正切值（tangent），返回值范围是全体实数。
Math.atan(x)	计算 x 的反正切值（arctangent），返回弧度值，范围 [-π/2, π/2]。
Math.atan2(y, x)	计算 y/x 的反正切值（arctangent），返回弧度值，范围 [-π, π] ，能正确处理象限问题。
Math.toRadians(d)	将角度制的d转换成弧度制
Math.exp(x)	计算 $e^{x}$，当 x 很大或很小时会返回 Infinity 或 -Infinity
Math.log(x)	计算 $ln(x)$，当 x <= 0 时会返回 NaN
Math.log10(x)	计算 $log_{10}x$，当 x <= 0 时会返回 NaN
Math.PI	接近圆周率π的常量，值约为3.1415926
Math.E	接近自然常数e的常量，值约为2.71828

如果在一段程序中需要大量使用Math类的属性或方法，可以在程序的头部添加引入Math类的声明即可，需要使用时直接写对应的属性或方法即可：

import static java.lang.Math.*;

final π = PI;
System.out.println("sin(20)的值为：" + sin(20));

另外，Math类中的floorMod方法保证了余数不为负，这在一些进位处理中有很大的帮助，例如我们处理一个分钟的迭加逻辑时，会采用 int currentMin = (oldMin + addMin) % 60; 这样的写法，但是当 addMin 为负时，currentMin 也可能会减少到负值，需要额外的逻辑来规范处理，但是Java中可以这样解决：

int currentMin = floorMod(oldMin + addMin, 60);

这样就会保证 currentMin 的值始终在0 ~ 59 之间。

3.数据类型转换

上图示意了Java中的数据类型转换关系，其中实线箭头表示转换时无精度损失；虚线箭头则表示可能会发生精度损失。与大多数编程语言相同，将两个不同类型的数据用于算术运算时，Java会自动转换成较大数据类型，如 int + double -> double、int + long -> long。

需要手动转换数据类型时，可以使用强制类型转换（cast）。例如 int a = (int) 3.76 。需要注意以下两点：

• 当前数值超过目标类型的表示范围时会发生截断，即会得到一个不同的数值。例如 (byte) 300 == 44。
• 不要试图直接将布尔类型的值转换成数值，应该使用三元表达式 b ? 1 : 0 进行转换。

Java支持二元运算符，可以使用+=、-=这样的符号。如果运算符右侧的数值与左值的类型不同，会发生强制类型转换，即如果对int类型的x执行x+=3.5的操作，得到的结果是(int) x + 3.5，即结果为3。

4.自增与自减运算符

与C/C++类似，Java支持 ++ 和 -- 这两个自增/减运算符，并且同样可以前置和后置。

int a = 3;
int b = a++;  // 先取值再++，此时 b == a == 3, a == 4;
int c = ++a;  // 先++再取值，此时 c == a+1 ==  5, a == 5;

5.逻辑运算符

Java采用了C++的做法，使用 == 判断两边是否相等；分别使用 && 、 || 、 ！ 表示逻辑与、逻辑或和逻辑非，!= 表示不等于，>、<、<=、>=这样司空见惯的比较符号更是无需多言了。

需要注意的是，Java中同样存在逻辑短路的机制，即不会计算逻辑与在一端为 false 情况下、逻辑或在一端为 true 情况下，多余的表达式结果。例如：

if (x!=0 && 1 / x > x + y) {
	// 省略
}

这个判断中，如果 x 为0时，逻辑与运算的左边为0，无论右边是否为真都不会使得整个表达式为真，所以不会计算右边的表达式，也正好就避免了发生除零异常。

6.位运算符

指定两个整数进行位运算时，实现的是两个数字的按位运算（先转换成二进制表达，然后从低位开始逐位运算）。类似地，Java也是用下面几个符号来定义按位运算：

• &：按位与（and）
• |：按位或（or）
• ^：按位异或（xor）
• ~：按位非（not）
• <<：左移操作

• ：右移操作，高位以符号位补充，又称算数移位

• ：右移操作，高位以0补充，又称逻辑移位

7.条件运算符（三元表达式）

条件 ? 条件为真的操作 : 条件为假的操作;

（有人用x == y ? x : y描述自己作为x的"家庭地位"，感觉挺有意思的，大家可以仔细揣摩一下…）

8.运算符优先级

一般情况下，为了避免出现优先级问题，在复杂逻辑中添加括号明确定义运算顺序即可，不过要注意以下几点：

• 括号的优先级是最高的，会最先处理最内层括号的内容
• +=系列的优先级是从右向左，即a += b += c的处理顺序是a += (b += c)，先处理b += c,即 b = b + c,然后把现在 b 完成加法操作之后的值加到 a 上。除此之外，+= 这个系列的符号也是从右往左处理的。
• &&的优先级高于 ||。

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参考资料

1. 廖雪峰的官方网站.Java教程[EB/OL].(2025-06-07)[2025-08-20]. https://www.cnblogs.com/echolun/p/12709761.html ↩