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第 1 章: Java 语言概述
1.1 Java 的历史与发展
- 略
1.2 Java 的特点
- 略
1.3 Java 的运行环境(JRE)和开发工具包(JDK)
- 略
1.4 第一个 Java 程序(Hello World 示例)
- 略
1.5 Java 程序的基本结构
Java 程序由以下几个部分组成:
-
包声明:定义类所属的包。
package com.example.myapp;
-
导入声明:导入需要使用的外部类。
import java.util.List; import java.util.ArrayList;
-
类声明:定义Java类。
public class HelloWorld { // 类体 }
-
主方法:程序的入口方法。
public static void main(String[] args) { // 主方法体 }
-
成员变量:类的属性。
private String message;
-
构造方法:初始化对象。
public HelloWorld(String message) { this.message = message; }
-
成员方法:类的行为。
public void printMessage() { System.out.println(message); }
完整示例
package com.example.myapp;
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;
public class HelloWorld {
private String message;
public HelloWorld(String message) {
this.message = message;
}
public void printMessage() {
System.out.println(message);
}
public static void main(String[] args) {
HelloWorld helloWorld = new HelloWorld("Hello, World!");
helloWorld.printMessage();
}
}
第 2 章: 数据类型与运算符
2.1 基本数据类型(整型、浮点型、字符型、布尔型)
Java 提供了八种基本数据类型,每种数据类型都有特定的用途:
-
整型(整数类型):
byte
:8 位有符号整数。范围:-128 到 127。short
:16 位有符号整数。范围:-32,768 到 32,767。int
:32 位有符号整数。范围:-2^31 到 2^31-1。long
:64 位有符号整数。范围:-2^63 到 2^63-1。
-
浮点型(小数类型):
-
float
:32 位单精度浮点数。 -
double
:64 位双精度浮点数。
-
-
字符型:
char
:16 位 Unicode 字符。范围:0 到 65,535。
-
布尔型:
boolean
:表示两个值:true
或false
。
2.2 数据类型转换(自动类型转换、强制类型转换)
数据类型转换可以分为自动类型转换和强制类型转换:
-
自动类型转换(隐式类型转换):
- 由低精度类型向高精度类型的转换。
- 例如:
int
可以自动转换为long
,float
可以自动转换为double
。
-
强制类型转换(显式类型转换):
-
由高精度类型向低精度类型的转换,需要显式声明。
-
语法:
(目标数据类型) 变量/值
。 -
例如:
double
转换为int
:java
double d = 9.78; int i = (int) d; // i 的值为 9
-
2.3 运算符(算术、关系、逻辑、位运算、赋值等运算符)
Java 提供了多种运算符,用于各种计算和逻辑操作:
- 算术运算符:
+
加法;-
减法;*
乘法;/
除法;%
取余;
- 关系运算符:
==
等于;!=
不等于;>
大于;<
小于;>=
大于等于;<=
小于等于;
- 逻辑运算符:
&&
逻辑与;||
逻辑或;!
逻辑非;
- 位运算符:
&
按位与;|
按位或;^
按位异或;~
按位非;<<
左移;>>
右移;>>>
无符号右移
- 赋值运算符:
=
赋值;+=
加并赋值;-=
减并赋值;*=
乘并赋值;/=
除并赋值;%=
取余并赋值
2.4 表达式和语句
- 略
第 3 章: 控制流程语句
3.1 顺序结构
顺序结构是程序最基本的控制结构。
程序中的语句按照它们在源代码中的顺序依次执行。
所有流程控制语句的默认执行方式都是顺序结构。
3.2 选择结构(if - else、switch - case)
选择结构用于根据条件的真假来决定程序的执行路径。
-
if - else 语句:
if (condition) { // 当条件为 true 时执行 } else { // 当条件为 false 时执行 }
-
switch - case 语句:
int day = 3; switch (day) { case 1: System.out.println("Monday"); break; case 2: System.out.println("Tuesday"); break; case 3: System.out.println("Wednesday"); break; // 可以有任意数量的 case 语句 default: System.out.println("Invalid day"); break; }
3.3 循环结构(for、while、do - while)
循环结构用于重复执行一段代码块,直到某个条件为假。
-
for 循环:
for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println(i); }
-
while 循环:
int i = 0; while (i < 10) { System.out.println(i); i++; }
-
do - while 循环:
int i = 0; do { System.out.println(i); i++; } while (i < 10);
3.4 跳转语句(break、continue、return)
跳转语句用于控制循环的执行流程或退出函数。
-
break:跳出当前循环或 switch 语句。
for (int i = 0; i < 10; i++) { if (i == 5) { break; // 结束循环 } System.out.println(i); }
-
continue:跳过当前循环的剩余语句并进入下一次循环。
for (int i = 0; i < 10; i++) { if (i == 5) { continue; // 跳过剩余语句,继续下一次循环 } System.out.println(i); }
-
return:结束当前方法并返回一个值(如果方法的返回类型不是
void
)。public int add(int a, int b) { return a + b; // 返回 a 和 b 的和 }
第 4 章: 数组
4.1 数组的概念与定义
数组是用于存储相同类型数据的集合。它使用一个单一变量名,通过索引来访问具体的元素。数组在内存中是连续存储的,每个元素占用相同的存储空间。
4.2 一维数组的初始化与访问
一维数组是最简单的数组类型。它可以通过两种方式进行初始化:
-
静态初始化:
int[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
-
动态初始化:
int[] numbers = new int[5]; // 创建一个长度为5的数组,默认值为0 numbers[0] = 1; numbers[1] = 2; // 依次类推
访问一维数组的元素可以通过索引,索引从0开始。例如:
int firstNumber = numbers[0] //访问第一个元素
4.3 二维数组及多维数组
二维数组可以看作是数组的数组。它通常用于表示矩阵或表格数据:
-
初始化二维数组:
int[][] matrix = { {1, 2, 3}, {4, 5, 6}, {7, 8, 9} }; // 或者 int[][] matrix = new int[3][3]; // 创建一个3x3的矩阵 matrix[0][0] = 1; matrix[0][1] = 2; // 依次类推
访问二维数组的元素也通过索引。例如:
int element = matrix[1][2]; // 访问第二行第三列的元素
4.4 数组的常见操作(排序、查找等)
-
排序:可以使用
Arrays.sort()
方法对数组进行排序。int[] numbers = {5, 3, 8, 1, 2}; Arrays.sort(numbers); // 对数组进行排序
-
查找:可以使用
Arrays.binarySearch()
方法在排序后的数组中查找元素的位置。int index = Arrays.binarySearch(numbers, 3); // 查找元素3的位置
第 5 章: 类与对象
5.1 面向对象编程(OOP)概念引入
面向对象编程(OOP)是一种编程范式,它将程序设计任务分解为一组相互协作的对象。每个对象都是类的实例,类定义了对象的属性和行为。OOP的四大基本原则是:封装、继承、多态和抽象。
5.2 类的定义(成员变量、成员方法)
类是对象的蓝图,它定义了对象的属性(成员变量)和行为(成员方法)。
-
成员变量:用于存储对象的属性。
public class Person { String name; int age; }
-
成员方法:用于定义对象的行为。
public class Person { String name; int age; void introduce() { System.out.println("Hello, my name is " + name); } }
5.3 对象的创建与使用
对象是类的实例,通过 new
关键字创建。
Person person = new Person();
person.name = "Alice";
person.age = 30;
person.introduce();
5.4 构造方法
构造方法用于初始化对象。它的名称与类名相同,没有返回类型。
public class Person {
String name;
int age;
// 构造方法
public Person(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
}
使用构造方法创建对象:
Person person = new Person("Alice", 30
5.5 this 关键字
this
关键字用于引用当前对象的实例。它常用于区分成员变量和局部变量。
public class Person {
String name;
public Person(String name) {
this.name = name; // 使用 this 来区分成员变量和局部变量
}
第 6 章: 封装、继承与多态
6.1 封装(访问控制修饰符: private、protected、public)
封装是面向对象编程的基本原则之一,它通过访问控制修饰符来保护对象的属性和方法。Java 提供了三种访问控制修饰符:
- private:私有,成员只能在类内部访问。
- protected:受保护,成员可以在同一个包内或子类中访问。
- public:公共,成员可以在任何地方访问。
示例:
public class Person {
private String name; // 私有成员变量
protected int age; // 受保护成员变量
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
}
6.2 继承(extends 关键字、super 关键字、方法重写)
继承允许一个类从另一个类继承属性和方法,从而实现代码重用。
- extends 关键字:用于声明一个类继承自另一个类。
- super 关键字:用于调用父类的构造方法或父类的方法。
- 方法重写(Override):子类可以重写父类的方法以提供新的实现。
示例:
public class Animal {
public void eat() {
System.out.println("This animal eats food");
}
}
public class Dog extends Animal {
@Override
public void eat() {
System.out.println("This dog eats bones");
}
}
6.3 多态(方法重载、对象的多态性)
多态性允许一个接口被多种不同类型的对象实现,程序可以动态选择调用哪个方法实现。
- 方法重载(Overloading):同一类中可以有多个同名方法,但它们的参数列表不同。
- 对象的多态性:一个父类的引用可以指向子类对象。
示例:
public class MathOperation {
public int add(int a, int b) {
return a + b;
}
public double add(double a, double b) {
return a + b;
}
}
Animal myDog = new Dog();
myDog.eat(); // 调用 Dog 类的 eat 方法
6.4 抽象类与抽象方法
抽象类是不能被实例化的类,可以包含抽象方法,这些方法必须在子类中实现。
- abstract 关键字:用于声明抽象类和抽象方法。
- 抽象方法:没有方法体,只在抽象类中声明。
示例:
public abstract class Animal {
public abstract void makeSound(); // 抽象方法
}
public class Dog extends Animal {
@Override
public void makeSound() {
System.out.println("Woof");
}
}
6.5 接口(interface)
接口定义了一组方法,但不包含实现。类可以实现多个接口,从而支持多继承的特性。
- interface 关键字:用于声明接口。
- implements 关键字:用于实现接口。
示例:
public interface Animal {
void eat();
void sleep();
}
public class Dog implements Animal {
@Override
public void eat() {
System.out.println("Dog eats");
}
@Override
public void sleep() {
System.out.println("Dog sleeps");
}
}
第 7 章: 异常处理
7.1 异常的概念与分类
异常是程序在运行过程中发生的意外事件,通常是由程序错误或外部因素导致的。异常的处理是确保程序在发生错误时仍能正常运行的重要机制。
- 异常分类:
- 检查型异常(Checked Exception):必须在编译时处理的异常。常见于文件操作、网络通信等。例如:
IOException
。 - 非检查型异常(Unchecked Exception):包括运行时异常和错误。程序可以不显式处理此类异常。例如:
NullPointerException
。 - 错误(Error):通常是系统级别的问题,程序无法恢复。例如:
OutOfMemoryError
。
- 检查型异常(Checked Exception):必须在编译时处理的异常。常见于文件操作、网络通信等。例如:
7.2 异常处理机制(try - catch - finally)
Java提供了 try - catch - finally
结构来处理异常,确保即使在异常发生时,程序也能继续运行或安全退出。
- try 块:包含可能发生异常的代码。
- catch 块:捕获并处理异常。
- finally 块:无论是否发生异常,都会执行的代码块。常用于释放资源。
示例:
try {
// 可能发生异常的代码
int result = 10 / 0;
} catch (ArithmeticException e) {
// 处理异常
System.out.println("Cannot divide by zero");
} finally {
// 必定执行的代码
System.out.println("This block is always executed");
7.3 自定义异常
有时,需要创建自定义异常来表示特定的错误情况。可以通过继承 Exception
类或 RuntimeException
类来实现。
示例:
public class CustomException extends Exception {
public CustomException(String message) {
super(message);
}
}
// 使用自定义异常
public class Main {
public static void main(String[] args) {
try {
throw new CustomException("This is a custom exception");
} catch (CustomException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}
7.4 异常处理的最佳实践
- 提前捕获和处理异常:尽早在异常发生的位置处理它们。
- 提供有用的错误信息:异常信息应包含足够的信息,帮助调试和解决问题。
- 避免空捕获块:捕获异常后应采取适当的处理措施,不要忽略异常。
- 使用finally块释放资源:确保资源(如文件、数据库连接)在程序结束时得到释放。
- 抛出特定异常:不要使用过于宽泛的异常类型,应尽可能抛出特定的异常类型。
第 8 章: 字符串处理
8.1 String 类的基本操作(创建、连接、比较等)
-
创建字符串:
String str1 = "Hello"; String str2 = new String("World");
-
连接字符串:
String str3 = str1 + " " + str2; // 使用 + 号 String str4 = str1.concat(" ").concat(str2); // 使用 concat 方法
-
比较字符串:
boolean isEqual = str1.equals(str2); // 内容比较 int compareResult = str1.compareTo(str2); // 按字典顺序比较
8.2 StringBuffer 和 StringBuilder 类
-
StringBuffer:线程安全,适用于多线程操作的字符串缓冲区。
StringBuffer sb = new StringBuffer("Hello"); sb.append(" World");
-
StringBuilder:非线程安全,但性能较高,适用于单线程操作的字符串缓冲区。
StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello"); sb.append(" World");
8.3 字符串的格式化输出
-
使用
String.format()
方法:String formattedString = String.format("My name is %s and I am %d years old.", "Alice", 25);
-
使用
System.out.printf()
方法:System.out.printf("My name is %s and I am %d years old.%n", "Alice", 25);
8.4 字符串相关的常用方法与应用场景
-
获取字符串长度:
int length = str1.length();
-
字符串转小写或大写:
String lowerCaseStr = str1.toLowerCase(); String upperCaseStr = str2.toUpperCase();
-
去除字符串两端的空格:
String trimmedStr = str1.trim();
-
获取子字符串:
String subStr = str1.substring(1, 3); // 从索引1开始到索引3(不包括)
-
字符串替换:
String replacedStr = str1.replace("H", "J"); // 替换所有出现的字符
-
字符串拆分:
String[] words = str3.split(" "); // 根据空格拆分字符串
-
检查字符串是否包含某子字符串:
boolean contains = str1.contains("He");
第 9 章: 集合框架
9.1 集合框架概述(接口与实现类)
集合框架提供了用于存储和操作数据的标准方法。它包括多个接口和实现类,主要接口有 List
、Set
、Map
等,每个接口有多个实现类,如 ArrayList
、HashSet
、HashMap
等。
9.2 List 接口(ArrayList、LinkedList)
ArrayList:
- 动态数组实现,支持快速随机访问。
- 添加和删除元素较慢,因为可能需要移动其他元素。
示例:
List<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("Element1");
arrayList.add("Element2");
LinkedList:
- 链表实现,支持快速添加和删除操作。
- 随机访问较慢,因为需要从头部或尾部遍历。
示例:
List<String> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.add("Element1");
linkedList.add("Element2");
9.3 Set 接口(HashSet、TreeSet)
HashSet:
- 基于哈希表的实现,不保证元素的顺序。
- 支持快速插入、删除和查找操作。
示例:
Set<String> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add("Element1");
hashSet.add("Element2");
TreeSet:
- 基于红黑树的实现,保证元素的自然顺序。
- 支持有序遍历。
示例:
Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add("Element1");
treeSet.add("Element2");
9.4 Map 接口(HashMap、TreeMap)
HashMap:
- 基于哈希表的实现,键值对存储。
- 不保证键的顺序,支持快速插入、删除和查找操作。
示例:
Map<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("Key1", 1);
hashMap.put("Key2", 2);
TreeMap:
- 基于红黑树的实现,键值对存储,保证键的自然顺序。
- 支持有序遍历。
示例:
Map<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();
treeMap.put("Key1", 1);
treeMap.put("Key2", 2);
9.5 集合的遍历(迭代器、增强 for 循环等)
迭代器:
- 使用
Iterator
接口遍历集合元素。
示例:
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Element1");
list.add("Element2");
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next());
}
增强 for 循环:
- 简化了遍历集合的代码。
示例:
for (String element : list) {
System.out.println(element);
}
第 10 章: 输入/输出(I/O)流
10.1 I/O 流的概念与分类
I/O(输入/输出)流是Java中处理读写数据的机制,主要用于文件操作、网络通信等场景。I/O流按照数据处理方式和数据类型分类:
- 按数据处理方式分类:
- 输入流:从数据源读取数据。
- 输出流:向数据目标写入数据。
- 按数据类型分类:
- 字节流:处理字节数据(8位)。
- 字符流:处理字符数据(16位)。
10.2 字节流(InputStream、OutputStream)
字节流用于处理二进制数据(如图像、音频文件等)。
-
InputStream:字节输入流的抽象基类,表示从数据源读取字节的类。
FileInputStream fis = new FileInputStream("input.txt"); int data = fis.read(); while (data != -1) { System.out.print((char) data); data = fis.read(); } fis.close();
-
OutputStream:字节输出流的抽象基类,表示向数据目标写入字节的类。
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("output.txt"); String str = "Hello, World!"; fos.write(str.getBytes()); fos.close();
10.3 字符流(Reader、Writer)
字符流用于处理文本数据(如文本文件)。
-
Reader:字符输入流的抽象基类,表示从数据源读取字符的类。
FileReader fr = new FileReader("input.txt"); int data = fr.read(); while (data != -1) { System.out.print((char) data); data = fr.read(); } fr.close();
-
Writer:字符输出流的抽象基类,表示向数据目标写入字符的类。
FileWriter fw = new FileWriter("output.txt"); String str = "Hello, World!"; fw.write(str); fw.close();
10.4 文件操作(文件读取、写入、复制等)
文件读取:
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("input.txt"));
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
br.close();
文件写入:
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("output.txt"));
bw.write("Hello, World!");
bw.newLine();
bw.write("Goodbye, World!");
bw.close();
文件复制:
FileInputStream fis = new FileInputStream("input.txt");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("output.txt");
byte[] buffer = new byte[1024];
int length;
while ((length = fis.read(buffer)) > 0) {
fos.write(buffer, 0, length);
}
fis.close();
fos.close();
10.5 缓冲流和对象流
缓冲流:用于提高I/O操作的效率,通过减少直接对物理设备的读写次数来实现。
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("input.txt"));
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("output.txt"));
对象流:用于读写Java对象,实现对象的序列化和反序列化。
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("object.dat"));
oos.writeObject(new Person("Alice", 30));
oos.close();
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("object.dat"));
Person person = (Person) ois.readObject();
ois.close();
第 11 章: 多线程编程
11.1 线程的基本概念
线程是程序中的一个单独执行路径。多线程编程允许程序同时执行多个操作,提高程序的并发性和性能。
11.2 线程的创建(继承 Thread 类、实现 Runnable 接口)
继承 Thread 类:
public class MyThread extends Thread {
public void run() {
System.out.println("Thread is running");
}
}
MyThread t1 = new MyThread();
t1.start();
实现 Runnable 接口:
public class MyRunnable implements Runnable {
public void run() {
System.out.println("Thread is running");
}
}
Thread t2 = new Thread(new MyRunnable());
t2.start();
11.3 线程的生命周期与状态转换
线程的生命周期包含以下几种状态:新建(New)、就绪(Runnable)、运行(Running)、阻塞(Blocked)、等待(Waiting)、计时等待(Timed Waiting)和终止(Terminated)。
- 新建:线程对象被创建。
- 就绪:线程被调度器选中,准备运行。
- 运行:线程正在执行任务。
- 阻塞:线程被阻塞,等待资源。
- 等待:线程等待另一线程通知或中断。
- 计时等待:线程等待一定时间后自动恢复。
- 终止:线程执行完毕或被终止。
11.4 线程同步(synchronized 关键字、Lock 接口)
synchronized 关键字:
public class Counter {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
count++;
}
}
Lock 接口:
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Counter {
private int count = 0;
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void increment() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
11.5 线程间通信(wait、notify、notifyAll)
线程间通信用于协调多个线程之间的操作。
-
wait() 方法:使当前线程等待,直到其他线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法。
synchronized(obj) { while (condition) { obj.wait(); } // 执行操作 }
-
notify() 方法:唤醒在等待该对象监视器上的某个线程。
synchronized(obj) { obj.notify(); }
-
notifyAll() 方法:唤醒在等待该对象监视器上的所有线程。
synchronized(obj) { obj.notifyAll(); }
第 12 章: Java 图形用户界面(GUI)编程
12.1 GUI 编程概述(AWT 和 Swing 简介)
AWT(Abstract Window Toolkit):Java最早的GUI工具包,提供了一些基本的GUI组件,如按钮、文本框等。AWT直接依赖于本地平台的GUI组件,因此具有较好的性能,但其跨平台表现较差。
Swing:基于AWT开发的更先进的GUI工具包,提供了一套更加丰富的组件,如表格、树、标签等。Swing是纯Java实现的,具有良好的跨平台兼容性,并提供了更多的外观和感觉。
12.2 简单的窗口创建(JFrame)
JFrame
是Swing提供的顶层容器,用于创建窗口。
示例:
import javax.swing.JFrame;
public class SimpleWindow {
public static void main(String[] args) {
JFrame frame = new JFrame("My First Swing Application");
frame.setSize(400, 300);
frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
frame.setVisible(true);
}
}
12.3 布局管理器(FlowLayout、BorderLayout 等)
布局管理器用于管理组件在容器中的布局。
-
FlowLayout:组件按添加顺序排列,默认居中对齐。
frame.setLayout(new FlowLayout());
-
BorderLayout:将容器分为五个区域(上、下、左、右、中)。
frame.setLayout(new BorderLayout()); frame.add(new JButton("North"), BorderLayout.NORTH);
-
GridLayout:将容器分为均匀的网格。
frame.setLayout(new GridLayout(2, 2)); frame.add(new JButton("Button 1")); frame.add(new JButton("Button 2"));
12.4 常用组件(按钮、文本框、标签等)
按钮(JButton):
JButton button = new JButton("Click Me");
frame.add(button);
文本框(JTextField):
JTextField textField = new JTextField(20);
frame.add(textField);
标签(JLabel):
JLabel label = new JLabel("This is a label");
frame.add(label);
12.5 事件处理机制(ActionListener 等)
事件处理机制用于响应用户的操作,如点击按钮、输入文本等。
-
ActionListener:用于处理按钮点击事件。
button.addActionListener(new ActionListener() { public void actionPerformed(ActionEvent e) { System.out.println("Button Clicked"); } });
示例:
import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
public class SimpleGUI {
public static void main(String[] args) {
JFrame frame = new JFrame("Simple GUI");
frame.setSize(400, 300);
frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
frame.setLayout(new FlowLayout());
JButton button = new JButton("Click Me");
button.addActionListener(new ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
System.out.println("Button Clicked");
}
});
frame.add(button);
frame.setVisible(true);
}
}