Java 基本程序设计结构——从 C++ 到 Java

一个简单的java应用程序

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

• Java 区分大小写，main方法拼写必须正确，否则程序无法运行。public是访问修饰符，class表明程序内容在类中，Java 应用程序所有内容都在类里。
• 类名命名规则宽松，但须以字母开头，不能用 Java 保留字。标准命名用骆驼命名法，源文件名要和公共类名相同且扩展名为.java。编译后生成同名.class文件，运行程序用java命令且不加.class扩展名。
• 按 Java 语言规范，main方法须声明为public，不过早期有些编译器在非public时也能运行，Java 1.4 及以后版本强制要求。每个 Java 应用程序都必须有main方法，其标准格式固定。

C++注释：Java 中所有函数都是类的方法，main方法必须在一个外壳类中且是静态的，这点与 C++ 静态成员函数不同。和 C/C++ 一样，void表示方法无返回值，Java 中main方法正常退出无返回值，若要在终止程序时返回其他退出码，需用System.exit方法。

注释

• 单行注释：最常用的是使用 “//”，注释内容从 “//” 开始到本行结尾。
• 多行注释：当需要较长注释时，可在每行注释前标记 “//”，也能用 “/*” 和 “*/” 界定注释，将一段内容注释起来。
• 文档注释：第三种注释以 “/**” 开始，以 “*/” 结束。

数据类型

Java 是强类型语言，每个变量都必须声明类型，共有 8 种基本类型，包括 4 种整型、2 种浮点类型、1 种字符类型char和 1 种表示真值的boolean类型，此外还有 “大数” 这种 Java 对象。

整形

C++ 注释： C 和 C++ 中整型大小与目标平台相关，而 Java 的数值类型则与平台无关，且 Java 没有无符号整型形式。

浮点类型

char 类型

• 原本用于表示单个字符，现有些 Unicode 字符需两个char值表示。

Unicode 和 char 类型

• Java 采用 Unicode 编码，解释了码点、代码平面等概念，以及char类型在处理 Unicode 字符时的情况 。

boolean 类型

• 只有false和true两个值，用于判定逻辑条件，不能和整数类型转换。

C++注释：在 C++ 中，数值甚至指针可以替代boolean值，值0相当于布尔值false，非0值相当于布尔值true 。在 Java 中，不能像 C++ 那样将整数表达式转换为布尔值。例如if (x = 0)在 Java 中不能通过编译，因为 Java 严格区分数据类型，不允许这种隐式的类型转换 。

变量和常量

声明变量

• 声明变量时要先指定类型，后写变量名，每个声明以分号结束。

• 变量名由字母或数字构成，以字母开头，区分大小写。

• 不能用 Java 保留字，Java 9 后单下划线不能作变量名。

• 虽然可一行声明多个变量，但逐一声明可提高可读性。

double salary;

变量初始化

• 声明后需显式初始化变量，赋值时变量名在等号左侧，值在右侧，也可将声明和初始化放同一行。
• 变量声明应靠近首次使用的地方。
• 从 Java 10 开始，局部变量声明可使用var关键字，由系统根据初始值推断类型。

C++注释：C 和 C++ 区分变量声明与定义，int i = 10;是一个定义，而extern int i是一个声明；Java 不区分。

Java var 仅用于局部变量；C++ auto 用途更广，可用于局部变量、函数返回类型、模板编程等。

// double salary;
// salary = 65000.0;
double salary = 65000.0;

常量

• 用final关键字指示常量，赋值后不能更改，常量名通常全大写。
• 若希望常量在类的多个方法中使用，可用static final设置为类常量，其定义在main方法外部，若声明为public，其他类的方法也能使用。

C++注释：const是 Java 保留关键字，但目前未使用，需用final定义常量。

public class Constants {
    final double CM_PER_INCH1 = 2.54;
    
    public static void main(String[] args) {
        final double CM_PER_INCH2 = 2.54;
    }
}

枚举类型

• 当变量取值在有限集合内时，可自定义枚举类型。
• 枚举类型包含有限个命名值，声明后可声明该类型的变量，变量只能存储给定的枚举值或特殊值null 。

enum Size { SMALL, MEDIUM, LAGRE, EXTRA_LAGRE};

运算符

算术运算符

• 在 Java 中，“+、-、*、/” 分别表示加、减、乘、除运算。
• 整数被 0 除会产生异常，浮点数被 0 除结果为无穷大或 NaN。

Java 运算的可移植性与浮点计算细节：可移植性是 Java 语言设计目标之一，但实现浮点数算术运算的可移植性较困难，因为不同处理器存储浮点数的精度有差异 。Java 虚拟机最初规范要求中间计算截断，后因会导致溢出且耗时，在默认情况下允许中间计算采用扩展精度。使用strictfp关键字标记方法或类，其中的浮点计算会采用严格的标准，使用严格计算可能产生溢出，而默认方式一般可避免溢出。

数学函数与常量

• Math类包含各种数学函数，如计算平方根用sqrt方法。

• Math类中的sqrt是静态方法。求幂用pow方法，floorMod可处理一些取模问题 。

数值类型之间的转换

上面展示了数值类型间的合法转换路径，如小范围整数类型可自动转换为大范围整数类型或浮点数类型，转换可能有精度损失 。

强制类型转换

• 必要时int会自动转换为double，但double转int可能丢失信息，需强制类型转换，格式为在圆括号中给出目标类型，紧跟待转换变量名。
• 使用Math.round方法后仍需强制类型转换取整 。

double x = 9.997;
int nx1 = (int)x; // 9

int nx2 = (int)Math.round(x); // 10

C++注释：不要在boolean类型与任何数值类型之间进行强制类型转换，这样做能够防止出现一些常见的错误。只有在极少数情况下，才需要将布尔类型转换为数值类型 ，这时可以使用条件表达式 b?1:0。

运算赋值和运算符

• 在赋值中使用二元运算符简化代码，如x += 4等价于x = x + 4，运算符在=左边类型不同时会发生强制类型转换。

自增与自减运算符

• n++使n值加 1，n--使n值减 1，有前缀和后缀两种形式，前缀形式会先完成加，后缀形式会使用变量原来的值。

关系和 boolean 运算符

• 用==检测相等性，!=检测不相等，还有<、>、<=、>=等关系运算符，&&和||是逻辑运算符，遵循 “短路” 原则 。

三元运算符

• 格式为condition ? expression1 : expression2，条件为真返回expression1的值，否则返回expression2的值 。

位运算符

• 处理整型时可对二进制位操作，包括按位与（&）、按位或（|）、按位异或（^）、取反（~），还有左移（<<）和右移（>>、>>>）运算符，移位操作时需注意数据类型和符号位 。

• >>>会用 0 填充高位，这与>>不同，它会用符号位填充高位。不存在<<<运算符。

C++注释：在 C/C++ 里，右移运算符>>存在不确定性，无法保证是进行算术移位（扩展符号位）还是逻辑移位（填充 0）。而 Java 消这种不确定性。

括号与运算符优先级

C++注释：与 C 或 C++ 不同，Java不使用逗号运算符。不过，可以在for语句的第1部分和第3部分使用逗号分隔表达式列表。

字符串

Java 字符串是 Unicode 字符序列，由标准类库中的String类表示，用双引号括起来的都是String类实例，如String e = ""（空串）和String greeting = "Hello" 。

子串

• String类的substring方法可从大字符串提取子串，该方法从索引 0 开始计数，第二个参数是不复制的第一个位置，子串长度为两参数差值。

C++注释：类似与 C 和 C++，Java字符串中的代码单元从 0 开始计数。

String greeting = "Hello";
String s = greeting.substring(0, 3); // Hel

拼接

• 可使用+连接两个字符串，非字符串值会转换为字符串后拼接 。
• Java 11 新增join方法，用界定符分隔多个字符串；repeat方法可重复字符串 。

int age = 13;
String rating = "PG" + 	age; // PG13

String all = String.join(" / ", "S", "M", "L", "XL"); // S/M/L/XL

String repeated = "Java".repeat(3); // JavaJavaJava		

不可变字符串

• String类没有直接修改字符串中字符的方法，如需修改，通常提取保留子串再与替换字符拼接。

• Java 中String类是不可变的，字符串存于公共存储池，共享带来的效率优势大于拼接等操作的低效。

greeting = greeting.substring(0, 3) + "p!";

C++注释： Java 字符串不是字符数组，实际类似char*指针，赋值操作会重新指向新字符串，原字符串由系统自动回收。C++ 中string对象也能自动管理内存，但 C++ 字符串的单个字符可修改，与 Java 不同 。

检测字符串是否相等

• 可使用equals方法判断两个字符串内容是否相等，字符串变量或字面量都能参与比较，相等返回true，否则返回false。
• 若要不区分大小写比较，可使用equalsIgnoreCase方法。
• 强调不能用==运算符检测字符串相等，因为==判断的是字符串是否存于同一位置，而内容相同的字符串副本可能在不同位置。

String greeting = "Hello";
if (greeting == "Hello") // probably true
if (greeting.substring(0, 3) == "Hel") // probably false

C++ 注释：在 Java 中需注意，Java 没有像 C++ 那样重载==运算符来检测字符串内容相等，其==更像指针比较；C 语言用strcmp函数比较字符串，Java 的compareTo方法类似，但使用equals方法更清晰 。

空串与 Null 串

• 空串是长度为 0 的字符串，可通过str.length() == 0或str.equals("")来判断一个字符串是否为空串。
• null表示字符串变量未关联任何对象，检查字符串是否为null用if (str == null) 。同时检查字符串既非null又非空串，需使用if (str != null && str.length() != 0) ，在null值上调用方法会出错。

码点与代码单元

• Java 字符串由char值序列组成，char类型采用 UTF - 16 编码表示 Unicode 码点，多数常用 Unicode 字符用一个代码单元表示，辅助字符需两个。
• length方法返回的是代码单元数量，获取实际长度（码点数量）用codePointCount方法 。charAt方法返回指定位置的代码单元，获取指定位置码点用codePointAt方法。

String 类 API

• Java 的String类包含 50 多个方法，实用性强、使用频率高。

阅读联机 API 文档

• Java SE 9 API

构建字符串

• 需要由较短字符串构建字符串，若用普通字符串拼接方式，每次拼接都会创建新的String对象，效率低且浪费空间。而StringBuilder类可避免该问题。

StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append(ch);
builder.append(str);
String completedString = builder.toString();

StringBuilder类在 Java 5 中引入，其前身是StringBuffer，StringBuffer效率稍低，但允许多线程方式添加或删除字符。若所有字符串编辑操作都在单线程中执行，应使用StringBuilder，且这两个类的 API 相同。

输入和输出

读取输入

• 在 Java 中，输出到控制台很容易，调用System.out.println即可，但读取 “标准输入流”System.in则需构造与System.in关联的Scanner对象（Scanner in = new Scanner(System.in);） 。
• 可以使用Scanner类的多种方法读取输入，如nextLine读取一行，nextInt读取一个整数，nextDouble读取一个浮点数等。同时要注意导入java.util.*包。

因为输入是可见的，Scanner类不适用于读取密码，Java 6 引入Console类实现此目的，其readPassword方法返回的密码存于字符数组而非字符串，以增强安全性。

格式化输出

• 使用System.out.print(x)可将数值x输出到控制台，按x类型允许的最大非 0 位数打印。

文件输入与输出

• 文件读取：读取文件时，先构造Scanner对象，如Scanner in = new Scanner(Path.of("myfile.txt"), "UTF-8") ，若文件名含反斜杠需转义。

• 文件写入：写入文件需构造PrintWriter对象，如PrintWriter out = new PrintWriter("myfile.txt", "UTF-8") ，若文件不存在则创建。可像使用System.out一样使用print、println等方法进行输出。

控制流程

块作用域

• 块（复合语句）由多条 Java 语句组成，用大括号括起，它定义了变量的作用域，一个块可以嵌套在另一个块中，但不能在嵌套的两个块中声明同名变量。

C++注释：在C++中，可以在嵌套块中重定义一个变量，在内存定义的变量会覆盖 外层定义的变量，Java 中不能允许这样做。

条件语句

• if 语句：形式为if (condition) statement，当条件为真时执行语句，若要执行多条语句，需用大括号括起来形成块语句。
• if/else 语句：形式是if (condition) statement1 else statement2，当条件为真执行statement1，否则执行statement2 ，else部分是可选的。在多个if/else嵌套时，else与最邻近的if配对，使用大括号可使代码更清晰。

循环

• while 循环：形式为while (condition) statement，条件为真时循环执行语句（可以是块语句），若开始时条件就为假，则循环一次也不执行。
• do/while 循环：形式为do statement while (condition);，先执行语句，再检测循环条件，条件为真则重复执行，适用于至少要执行一次循环体的情况。

确定循环

• for 循环的基本语法和使用方式，如for (int i = 10; i > 0; i--) 。
• 在 for 语句第 1 部分声明的变量，作用域扩展到循环体末尾，且该变量不能在循环体外使用。
• 不同 for 循环中可定义同名变量，for 循环是 while 循环的简化形式，两者可相互改写。

多重选择：switch 语句

• 当处理多重选择时，使用 switch 语句比 if/else 结构更合适。
• switch 语句从与选项值匹配的 case 标签开始执行，遇到 break 语句或 switch 结束处停止。若无匹配 case 标签且有 default 子句，则执行 default 子句。case 分支若缺少 break 语句会导致意外执行后续分支，存在风险。
• case 标签可以是 char、byte、short、int 的常量表达式，从 Java 7 开始还可以是字符串字面量。使用枚举类型时，switch 表达式可直接得出枚举值 。

中断控制流程的语句

• Java 中保留 goto 关键字但未使用其作为程序设计语句，因为随意使用 goto 可能使程序逻辑混乱，不过在某些复杂情况下，其他语言（如 C）可能会用到类似功能。
• break 语句用于跳出循环或 switch 语句，可带标签用于跳出多重嵌套循环；continue 语句用于中断当前循环体剩余部分，跳到循环首部继续执行 。

大数

当基本整数和浮点数精度无法满足需求时，可使用java.math包中的BigInteger和BigDecimal类。BigInteger实现任意精度的整数运算，BigDecimal实现任意精度的浮点数运算。

数组

声明数组

• 数组用于存储相同类型值的序列，是一种数据结构，通过整型下标访问元素。
• 声明数组变量时需指出数组类型（数据元素类型紧跟[]）和变量名，如int[] a; 。
• 使用new操作符创建数组，如int[] a = new int[100]; ，数组长度不必是常量。
• 可采用简写形式在创建数组时初始化，如int[] smallPrimes = { 2, 3, 5, 7, 11, 13 }; ，还能重新初始化数组而无需创建新变量。
• Java 允许创建长度为 0 的数组，其与null不同。

访问数组元素

• 数组元素下标从 0 开始，创建数组后可填充元素。
• 数字数组元素初始值为 0，boolean数组为false，对象数组为null。
• 可通过array.length获取数组元素个数。
• 访问数组时若下标越界，会引发 “array index out of bounds” 异常。

for each 循环

• 功能很强的循环结构，用于依次处理数组或实现了Iterable接口的集合中的每个元素，无需考虑下标值。语法为for (variable : collection) statement 。

for (int element : a)
    System.out.println(element);

数组拷贝

• 直接将一个数组变量赋值给另一个数组变量，两个变量将引用同一个数组。
• 若要将一个数组的所有值拷贝到新数组，需使用Arrays类的copyOf方法 ，该方法也常用于增加数组大小。
• 若新数组长度大于原数组，数值型元素额外部分赋值为 0，布尔型赋值为false；若新数组长度小于原数组，则只拷贝前面的值 。

int[] LuckNumbers = smallPrimes;
LuckNumbers[5] = 12;

int[] copiedLuckyNumbers = Arrays.copyOf(luckyNumbers, luckyNumbers.length);

LuckyNumbers = Arrays.copyOf(luckyNumbers, 2 * luckyNumbers.length);

C++注释：Java 数组与 C++ 堆栈上的数组不同，Java 数组类似于在堆上分配的数组指针。且 Java 的[]运算符预定义了越界检查，没有指针运算 。

命令行参数

• 每个 Java 应用程序都有一个带String[] args参数的main方法，该参数是一个字符串数组，用于接收命令行上指定的参数。

C++注释：在 Java 应用程序的main方法中，args数组用于接收命令行参数，程序名并不存储在args数组中。

数组排序

• 使用Arrays类的sort方法可对数值型数组进行排序，该方法采用优化的快速排序算法。

Array.sort(result);

多维数组

• 多维数组通过多个下标访问元素，适用于表示表格或复杂排列的数据。

double[][] balances;
balances = new double[YEARS][RATES];

int[][] magicSquare = { 
    {16, 3, 2, 13}, 
    {5, 10, 11, 8}, 
    {9, 6, 7, 12}, 
    {4, 15, 14, 1} };

不规则数组

• Java 实际上没有真正的多维数组，而是由数组组成的数组。

C++注释： Java 中二维数组的声明方式double[][] balances = new double[10][6]; 。

不同与 C++ 中，double balances[10][6];的声明方式与 Java 不同；也不同与(*balances)[6] = new double[10];而类似于：

double** balances = new double*[10];
for (i = 0; i < 10; i++) 
	balances[i] = new double[6];
```**加粗样式**