《JAVA核心技术 卷I》第三章 - Java的基本程序设计结构

第三章-Java的基本程序设计结构

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1. 数据类型

1.1 char类型

• char类型的字面量值需要用单引号括起来。如‘A’是编码值为65的字符常量，而"A"为包含一个字符A的字符串

• char类型的值可以表示为16进制值(\u0000~\uFFFF)。例如，'\u2122'表示™

• 转义序列：

  • 类似\u的字符被称为"转义序列"，除了\u外还有许多转义序列（在C语言中它们称为转义字符，如\n）

  转义序列	名称
  \b	退格
  \t	制表
  \n	换行
  \r	回车
  \ "	双引号
  \ '	单引号
  \ \	反斜杠

  • \u比较特殊，它可以出现在加引号的字符常量和字符串之外，这可能会导致一些隐性的错误
    • 如：//\u000A is a newline 这行不会被当作注释，应为\u00A0会被替换为一个换行符
    • 同理：// look inside c:\users 会产生一个语法错误，因为\u后面没有接有效值
    • 转义序列会在解析代码之前处理，也就是说"\u0022+\u0022"实际上会被执行为""+""(空串连接)而不是"+"(包含+号的字符串)

1.2 Unicode和char类型

• **码点：**与一个编码表中的某个字符对应的代码值；码点采用16进制书写(U+0014 = 'A')

• **代码平面：**Unicode的码点可以分成17个代码平面；第一个代码平面被称为基本多语言平面(U+0000~U+FFFF)；其余的16个代码平面瓜分U+10000到U+10FFFF(U+FFFFF + U+FFFF)

• "UTF-16编码"采用不同长度的编码表示所有Unicode码点；在基本多语言平面中，每个字符用16bits表示，这些字符通常称为代码单元；而辅助字符（存在于其余16个代码平面中的字符）被编码为"一对连续的代码单元"，采用这种编码对表示的各个值会落入基本多语言平面中未用的2048个值范围内（基本多语言面并没有用完，多出来的这一部分被划了一部分用于表示辅助字符的编码对，这片区域被称为替代区域）

  • 举例：八元数集O，码点为U+1D546，不位于基本多语言平面，属于辅助字符；在UTF-16下，被编码为U+D835和U+DD46，这个编码对接下来会落入基本多语言平面中

• 在Java中，char类型描述了UTF-16编码中的一个代码单元（也就是说，单个char类型变量，是无法表示辅助字符的）

• 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处理

1.3 boolean类型

• Java中不能通过以下代码if(x = 0)，x=0不会被转化为布尔值，也就无法通过判断

2.变量与常量

2.1 变量

• 变量名必须是由字母开头的，以字母或数字构成的序列。Java中对于字母和数字的定义要比常见的大：字母包括"A-Z"，"a-z"，"_"，"$"或在某种语言中表示字母的任何Unicode字符（这意味着中文名变量理论上是可行的）；数字包括"0~9"和在某种语言中表示数字的任何Unicode字符（但不包括辅助字符）

  • 不推荐在变量名中包含"$"，它只用在Java编译器或者其它工具生成的名字中

• 对于局部变量，如果可以从变量的初始值推断出它的类型，就不需要声明类型。只需要使用关键字var而无需指定类型

  var vacation = 12; //var自动识别为int
  var greeting = "Hello"; //var自动识别为String
  

2.2 常量

• 关键字final表示这个变量只能被赋值一次；可以使用关键字static final设置一个类常量，类常量可以在一个类的多个方法中使用，类常量的定义位于main方法的外部，如果要让其他类也能访问这个常量，可以加一个public

2.3 枚举类型

• **定义：**有时候，变量的取值只在一个有限的集合内，针对这种情况，可以自定义枚举类型。枚举类型包括有限个命名的值。

  enum Size {SMALL,MEDIUM,LARGE,EXTRA_LARGE};
  Size s = Size.MEDIUM;	//输出s显示MEDIUM
  

  Size类型的变量只能储存这个类型声明中给定的某个枚举值，或者特殊值null，null表示这个变量没有设置任何值

3.运算符

• floorMod（Math类的一种方法），可以让负数取模时仍返回一个正的余数（符合一般数学定律）；但如果取模的数是一个负数，则仍会返回一个负的余数

• 如果希望得到一个更加准确的结果而不在意性能的话，可以使用StrictMath类；Math类还提供了一些方法使整数由更好的运算安全性

  • 例：常规运算下1000000000 * 3的计算结果将是一个负数（int类型溢出）；但如果使用Math.multiplyExact(1000000000 * 3)，就会生成一个异常。此外对于其它数据类型和运算类型还有对应的方法（addExact，substrateExact等）

• 当用一个二元运算符连接两个值时，先要将两个操作数转换为同一种类型，然后再进行计算

  • 转化的优先级为double > float > long > int

• Math库提供对浮点数进行四舍五入运算的方法Math.round()，该方法返回的数据类型为long类型

• 如果试图将一个数值从一种类型强制转换为另一种类型，而又超出了目标类型的表示范围，结果就会截断成一个完全不同的值

• &&和||运算符是按照**"短路"**方式来求值的：如果第一个操作数已经能够确定表达式的值，第二个操作数就不必计算

  • 在一些特殊的题目中，这个特性会用来替代循环（比如作为递归的判断条件）

• 位运算符

  • 处理整型类型时，可以直接对组成整数的各个位完成操作，这意味可以使用掩码技术得到整数中的各个位。位运算符包括：&(and)，|(or)，^(xor)，-(not)
  • ">>"和"<<"运算符可以将位模式左移或右移，需要建立位模式来完成位掩码的时候，这两个运算符会很方便；">>>"运算符会使用0填充高位
  • 移位运算符的右操作数（位于运算符右边的数字）需要完成模32(2⁵)的运算；若左操作数为long类型，则需要对右操作数模64(2⁶)

  运算符	结合性
  [].() （方法调用）	从左向右
  !，~，++，--，+（一元运算），-（一元运算），()，new，()（强制类型转换）	从右向左
  *，/，%	从左向右
  +，-	从左向右
  <<，>>，>>>	从左向右
  <，<=，>，>=，instanceof	从左向右
  ==，!=	从左向右
  &	从左向右
  ^	从左向右
  |	从左向右
  &&	从左向右
  ||	从左向右
  ?:	从右向左
  =，+=，-=，*=，/=，%=，&=，|=，^=，<<=，>>=，>>>=	从右向左

  **一元运算：**从一个已知数中得出新的数，+-号的一元运算指的是其正负号的职能

  **结合性：**决定同级的运算符的运算方向，如从左向右结合性的运算符，运算的时候顺序是从左向右运算

4.字符串

4.1 字符串特性

• String类中没有提供修改字符串中某个字符的方法；由于这一特性，String类对象被称为是不可变的；不可变字符串有一个优点：编辑器可以让字符串共享，这一点优化了性能

  • 如果复制一个字符串变量，原始字符串与复制字符串共享相同的字符

• 检查字符串之间是否相等可以使用equals方法，而如果要忽略大小写则可以使用equalsIgnoreCase

  "Hello".equalsIgnoreCase("hello"); //不要使用"=="比较字符串!
  

4.2 字符串相关方法

• substring()

String类的substring方法可以从一个较大的字符串中提取出一个子串

String greeting = "Hello";
String s = greeting.substring(0,3); //s为"Hel"
//substring方法的第二个参数是不想复制的第一个位置，以上个例子为例，在substring中从0开始计数，直到3为止，但不包含3

• join()

如果需要把多个字符串放在一起，并用一个界定符分隔，可以使用静态join方法

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

• repeat()

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

• StringBuilder()

  有时候需要使用较短的字符串构建字符串，传统的字符串拼接方式效率比较低，此时可以使用StringBuilder，在构建完后使用toString方法返回一个String对象即可

  StringBuilder builder = new StringBuilder();
  builder.append(ch);	//拼接一个字符
  builder.append(str);	//拼接一个字符串
  String compString = builder.toString();
  

4.3 代码单元

• 字符串由char值序列组成，这意味着码点和代码单元的知识点也可以应用于字符串中；length方法将返回采用UTF-16编码表示给定字符串所需要的代码单元数量；想要得到码点数量（实际的长度）。可以使用codePointCount()方法

  String greeting = "Hello";
  int n = greeting.length(); //n == 5
  int cpCount = greeting.codePointCount(0,greeting.length());
  

  调用s.charAt(n)将返回位置n的代码单元，想要得到第i个码点，可以使用codePointAt(n)

  char first = greeting.charAt(0);
  int index = greeting.offsetByCodePoints(0,1);
  int cp = greeting.charAt(index);
  

  如此关注码点和代码单元，是因为如果字符串中存在辅助字符，可能会造成charAt()等方法的出错，因为这类字符占用了两个代码单元。为了避免这一问题，尽量不要使用char类型

5.输入与输出

5.1 Scanner相关

• 若要读取用户的输入，首先需要新建一个对象，然后再指定接收的类型；若要读取一整行输入，可以使用nextLine()；若要读取一个单词，可以使用next()；读取整数使用nextInt()，读取浮点数使用nextDouble

  Scanner in = new Scanner(System.in);
  String name = in.nextLine();
  String firstName = in.next();
  int age = in.nextInt();
  

• 因为输入是可见的，Scanner类不适合从控制台读取密码（因为可能会暴露用户信息），可以使用Console类来实现

  Console cons = System.console();
  String username = cons.readLine("user name:");
  char[] password = cons.readPassword("Password:");
  

  为了安全起见，返回的密码应该存放在一个字符数组中，而不是字符串中。在对密码处理完成后，应该马上用一个填充覆盖数组元素。Console对象只能每次读取一行输入，而没有能读取单个单词或者数值的方法

  • Console API相关：

    static char[] readPassword(String prompt, Object ... args)

    static String readLine(String prompt, Object ... args)

    显示字符串prompt（提示符）并读取用户输入，直到输入行结束。args可以用来提供格式参数

  • Scanner API相关：

    boolean hasNext()：检测输入中是否还有其它单词

    boolean hasNextInt()，boolean hasNextDouble()：检测是否还有下一个表示整数或浮点数的字符序列

5.2 格式化字符串(printf)相关

• Java沿用了C语言的printf方法来格式化数值

  System.out.printf("8.2%f",x);
  

转换符	类型
d	十进制整数
x	十六进制整数
o	八进制整数
f	定点浮点数
e	指数浮点数
g	通用浮点数
a	十六进制浮点数
s	字符串
c	字符
b	布尔
h	散列码
tx/Tx	日期时间
%	百分号
n	与平台有关的行分隔符

• 此外，可以指定控制格式化输出外观的各种标志

  System.out.printf(""%.2f",10000.0/3.0);	//打印3,333.33
  

标志	目的
+	打印正数和负数的符号
空格	在正数之前添加空格
0	数字前面补0
-	左对齐
(	将负数括在括号内
,	添加分组分隔符
#(对于f格式)	包含小数点
#(对于x或0格式)	添加前缀0x或0
$	指定要格式化的参数索引(具体解释见P58)
<	格式化前面说明的数值(具体解释见P58)

• 注意事项：

  1. 参数索引值从1开始，而非从0开始

  2. 可以使用s转换符格式化任意的对象。对于实现了Formattable接口的对象，将调用这个对象的formatTo方法；对于未实现这个接口的对象，将调用toString方法将这个对象转换为字符串

  3. 可以使用静态的String.format方法创建一个格式化的字符串，而不打印输出

     String message = String.format("Hello, %s",name);
     

  4. 对于日期与时间的格式化，应当使用java.time包中的方法，而不是过时的格式化语句

  5. 格式说明符语法图：

5.3 文件的输入与输出

• 读取一个文件也需要构造一个Scanner对象

  Scanner in = new Scanner(Path.of("mylife.txt"),StandardCharsets.UTF_8);
  

  • 如果路径中包含反斜杠符号，就需要在每个反斜杠符号前面额外加一个反斜杠

    • 例:Path.of("C:\\myfile.txt");

  • 上述例子中制定了UTF_8编码，如果省略字符编码，则会使用运行这个Java程序的机器的"默认编码"，这可能带来兼容性之类的问题。因此，读取文件前最好先知道文件的编码类型

• 写入文件需要构造一个PrintWriter对象，构造器中需要提供文件名和字符编码

  PrintWriter out = new PrintWriter("myfile.txt",StandardCharsets.UTF_8);
  //若文件不存在，则会自动创建该文件
  

• 当指定一个相对文件名（相对路径）时，文件位于Java虚拟机启动目录的位置。如果在命令行下执行以下命令启动程序：java MyProg，启动目录就是命令解释器的当前目录（cmd的当前运行目录）

  如果使用IDE，那么启动目录由IDE决定，可以使用下列代码找到目录位置：String dir = System.getProperty("user.dir");

  嫌麻烦也可以使用绝对路径，但兼容性较差

6.流程控制

• switch-case中case的标签可以是：类型为char，byte，short，int的常量表达式；枚举常量；字符串字面量

• Java提供了一种带标签的break/continue语句，类似于goto可以跳出多层嵌套的语句，非常方便

      public void labelTest(){
          Scanner in = new Scanner(System.in);
          int n;
  
          read_data:	//标签
          while(true)
          {
              for(;true;)
              {
                  System.out.print("Enter a number >= 0:");
                  n = in.nextInt();
                  if(n < 0){	//如果n<0则break出外层循环
                      break read_data;
                  }
              }
          }
  
          System.out.println("Break Success!!");
      }
  //事实上标签可以应用于几乎任何的语句块，可以方便的跳出（但不能跳入）。但并不提倡过多的使用这个特性
  

• 注意事项

  • 在C中，允许在嵌套的块中定义一个重名变量，在内层定义的变量会覆盖在外层定义的变量。而在Java中不允许这么做

  • for语句的3个部分应该对同一个计数器变量进行初始化，检测和更新。若不遵守这一规则，编写的循环常常晦涩难懂

  • 在循环中，检测两个浮点数是否相等需要额外小心

    • 例如这个for循环：for(double x = 0;x != 10;x+=0.1)，由于舍入的误差，可能永远达不到精确的最终值从而一直循环下去。在这个循环中，由于0.1无法精确的用二进制表示，所以x将从9.999...跳到10.099...

7.大数

• 浮点数值不适用于无法接受舍入误差的金融计算。如果在数值计算中不允许有任何舍入误差，就应该使用BigDecimal类

• 如果基本的整数和浮点数精度不能够满足要求，那么可以使用Math包中的两个类：BigInteger和BigDecimal，这两个类可以处理包含任意长度数字序列的数值。BigInteger类实现任意精度的整数运算；BigDecimal可以实现任意精度的浮点数计算

• 使用静态的valueOf方法可以将普通的数值转换为大数：BigInteger a = BigInteger.valueOf(100); 对于更大的数，可以使用一个带字符串参数的构造器：BigInteger("25554648464846468468468");

• 不能使用算术运算符(+或*)处理大数，而需要使用大数类提供的add和multiply方法

8.数组

• 定义数组

  • 在Java中，提供了一种创建数组对象并同时提供初始值的简写形式。这个语法中不需要使用new，甚至不用指定长度
    • 例：int[] smallPrimes = {2,3,5,6,8};
  • 使用初始化数组时，最后一个值后面允许有逗号，这样方便以后手动添加新代码
  • 在Java中允许有长度为0数组；但长度为0的数组与null并不同
  • for(variable : collection) statement；foreach循环定义一个变量用于暂存集合中的每一个元素，并执行相应的语句(statement)。collection这一集合表达式必须是一个数组或者是实现了Iterable接口的类对象

• 打印数组

  • 使用Arrays.toString(a)，可以快速简单的打印数组中的元素

  • foreach循环语句不能自动处理二维数组的每一个元素。要想访问二位数组a的所有元素，需要使用两个嵌套的循环

    • 例：for(double[] row : a)

      ​ for(double value : row)

    • 想要快速的打印一个二位数组的数据元素列表，可以调用：Arrays.deeptoString(a)

• 拷贝数组

  • 直接使用“=”进行拷贝，两个变量将引用同一个数组

    int[] luckyNumbers = smallPrimes;
    luckyNumbers[5] = 12; //现在smallPrimes[5]也等于12
    

  • 如果希望将一个数组的所有值拷贝到一个新的数组中去，就要使用Arrays类的copyOf方法

    int copied = Arrays.copyOf(luckyNumbers,luckyNumbers.length);
    //第二个参数是新数组的长度,这个方法也可以用来调整数组的大小
    luckyNumbers = Arrays.copyOf(luckNumbers,luckNumbers.length * 2);
    

• 与C类似，Java的应用程序也可以在运行开始时添加命令行参数

  • 例：java Message -g cruel world

    ​ args数组将会包含以下内容：args[0]:"-g"; args[1]:"cruel"; args[2]:"world";