【Java】基本程序设计结构（一）

前言：现在，假定已经成功安装了JDK，并且能够运行上篇示例程序。本篇将开始介绍Java程序中的基本设计结构，其中包括：一个简单的Java应用，注释，数据类型，变量与常量，运算符，字符串，输入输出，控制流，大数，数组。这些内容将分为上下两篇，希望大家持续关注！

一.一个简单的Java应用程序

二.注释

三.Java中的数据类型

四.变量与常量

4.1声明变量

4.2变量的初始化

4.3常量

4.4枚举类型

五.运算符

5.1算数运算符

5.2关系运算符

5.3位运算符

5.4逻辑运算符

5.5 赋值运算符

5.6其他运算符

六.字符串

6.1子串

6.2拼接

6.3不可变字符串

这样会不会造成内存泄露呢？毕竟，原始字符串在堆中分配。十分幸运，Java将自动地进行垃圾回收。如果一个内存块不再使用了，系统最终会将其回收。

6.4检测字符串是否相等

6.5空串与NULL串

6.6 String API

一.一个简单的Java应用程序

俗话说，再资深的程序员也是从一个神秘代码开始的，那便是——Hello，World！，现在我们同样用Java写一个最简单的Java应用程序，它会向控制台窗口发送一条消息：

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

这个程序虽然简单，但是其“麻雀虽小，五脏俱全”，所有的Java应用程序都具有这种结构。首先，Java严格区分大小写。如果出现了大小写错误，那么程序将无法运行。

下面我们逐行查看这段源代码。关键字public称为访问修饰符（access modifier），这些修饰符用于控制程序的其他部分对这段代码的访问级别。关键字class标明Java程序中的全部内容都包含在类（目前暂时将它理解为程序逻辑的一个容器，程序逻辑定义了应用程序的行为）中。

关键字class后面紧跟类名。Java中定义类名的规则很宽松。名字必须以字母开头，后面可以跟字母和数字的任意组合。长度上基本没有限制，但是不能使用Java保留字（例如public,class）作为类名。保留字如下（有印象即可）：

类名的命名规范——“大驼峰(CamelCase)”，即每个英文单词首字母必须大写，例如：FirstSample...且源代码的文件名必须与公共类的名字相同,并用,java作为扩展名。因此，如果公共类名是FirstSample，存储这段源代码的文件名必须是FirstSample.java（再次提醒注意大小写）。

如果已经正确命名了这个文件，并且源代码中没有任何录入错误，在编译这段源代码之后就会的到一个包含这个类字节码的文件。Java编译器将字节码文件自动地命名为FirstSample.class,并存储在源文件的同一个目录下。

需要注意源代码中的大括号{ },在Java中，像在C/C++中一样，用大括号划分程序的各个部分（通常称为“块”）。Java中的任何方法(这里的“方法”就是Java中的“函数”)的代码都用"{"开始，用"}"结束。

我们暂且不去理睬关键字static void,而仅把它们当做编译Java应用程序的必要部分，之后会详细解释。现在需要记住：每个Java程序都必须有一个main方法，其声明格式如下所示：

public class ClassName{
    public static void main(String[] args) {
        program statements
    }
}

最后，对于System.out.println("Hello,World!");这条语句，与大多数程序设计语言一样，可以将Java语句看成是语言中的句子。在Java中，每个句子都必须用分号结束。示例中的main方法体中只包含了一条语句，其功能是将一个文本行输出到控制台上。在这条语句中，我们使用System.out对象并调用了它的println 方法。注意：点号（.）用于调用方法。Java使用的通用语法如下:

object.method(parameters)

这等价于函数调用。在示例中，调用了println方法并传递给它一个字符串参数。这个方法将传递给它的字符串参数显示在控制台上。需要注意的一点是，Java同C/C++一样，都采用双引号界定字符串。

Java中的方法也可以没有参数，也可以有一个或多个参数，但即使一个方法没有参数，也需要使用空括号。例如：不带参数的println方法只打印一个空行。

二.注释

Java中存在三种注释方法：1.单行注释（//）；2.多行注释(/* */)；3.文档注释(/** */)

关于文档注释前篇已经讲解：【Java】基本概念全概述——新手入门必看

/**
 * Created with IntelliJ IDEA.
 * Description:文档注释
 * User:lenovo
 * Date:2024-05-03
 * Time:15:14
 */
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //单行注释：
        //System.out.println("Hello,World!");
        /*多行注释：
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("haha");
        }*/
    }
}

三.Java中的数据类型

Java 是一种静态类型的编程语言，这意味着所有变量必须在使用之前声明好，也就是必须得先指定变量的类型和名称。总的来说，Java的数据类型基本可以分为两类：

（一）基本（内置）数据类型：

基本数据类型是 Java 语言操作数据的基础，包括 boolean、char、byte、short、int、long、float 和 double，共 8 种。

整型：int(4字节),short(2字节),long(8字节),byte（1字节）

注意：长整型long数据有一个后缀L或l（如4000000000L）

浮点型：float(4字节),double(8字节)

注意：float类型类型数据后面有一个后缀F或f（例如3.14F）

char类型：char 类型是一个单一的 16 位 Unicode 字符。char类型的字面量值要用单引号括起来，例如:'A'是编码值为65的字符常量，与1“A”不同。

boolean（布尔）类型：boolean类型有两个值，false和true，用来判定逻辑条件。整型值和布尔值之间不能进行转换！

public class PrimitiveTypeTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        // byte  
        System.out.println("基本类型：byte 二进制位数：" + Byte.SIZE);  
        System.out.println("包装类：java.lang.Byte");  
        System.out.println("最小值：Byte.MIN_VALUE=" + Byte.MIN_VALUE);  
        System.out.println("最大值：Byte.MAX_VALUE=" + Byte.MAX_VALUE);  
        System.out.println();  
  
        // short  
        System.out.println("基本类型：short 二进制位数：" + Short.SIZE);  
        System.out.println("包装类：java.lang.Short");  
        System.out.println("最小值：Short.MIN_VALUE=" + Short.MIN_VALUE);  
        System.out.println("最大值：Short.MAX_VALUE=" + Short.MAX_VALUE);  
        System.out.println();  
  
        // int  
        System.out.println("基本类型：int 二进制位数：" + Integer.SIZE);  
        System.out.println("包装类：java.lang.Integer");  
        System.out.println("最小值：Integer.MIN_VALUE=" + Integer.MIN_VALUE);  
        System.out.println("最大值：Integer.MAX_VALUE=" + Integer.MAX_VALUE);  
        System.out.println();  
  
        // long  
        System.out.println("基本类型：long 二进制位数：" + Long.SIZE);  
        System.out.println("包装类：java.lang.Long");  
        System.out.println("最小值：Long.MIN_VALUE=" + Long.MIN_VALUE);  
        System.out.println("最大值：Long.MAX_VALUE=" + Long.MAX_VALUE);  
        System.out.println();  
  
        // float  
        System.out.println("基本类型：float 二进制位数：" + Float.SIZE);  
        System.out.println("包装类：java.lang.Float");  
        System.out.println("最小值：Float.MIN_VALUE=" + Float.MIN_VALUE);  
        System.out.println("最大值：Float.MAX_VALUE=" + Float.MAX_VALUE);  
        System.out.println();  
  
        // double  
        System.out.println("基本类型：double 二进制位数：" + Double.SIZE);  
        System.out.println("包装类：java.lang.Double");  
        System.out.println("最小值：Double.MIN_VALUE=" + Double.MIN_VALUE);  
        System.out.println("最大值：Double.MAX_VALUE=" + Double.MAX_VALUE);  
        System.out.println();  
  
        // char  
        System.out.println("基本类型：char 二进制位数：" + Character.SIZE);  
        System.out.println("包装类：java.lang.Character");  
        // 以数值形式而不是字符形式将Character.MIN_VALUE输出到控制台  
        System.out.println("最小值：Character.MIN_VALUE="  
                + (int) Character.MIN_VALUE);  
        // 以数值形式而不是字符形式将Character.MAX_VALUE输出到控制台  
        System.out.println("最大值：Character.MAX_VALUE="  
                + (int) Character.MAX_VALUE);  
    }  
}

(二) .引用数据类型：

除了基本数据类型以外的类型，都是所谓的引用类型。常见的有数组（对，没错，数组是引用类型，后面我们会讲）、class（也就是类），以及接口（指向的是实现接口的类的对象）。

来张思维导图感受一下：

在Java中,int 作为成员变量时或者静态变量时的默认值是 0。那不同的基本数据类型，是有不同的默认值和大小的，来个表格感受下。

四.变量与常量

4.1声明变量

不难，和其他语言结构是一样的。根据数据特征选择不同数据类型以及合适的变量名。

//变量声明结构：类型+变量名
        double salary;
        int vacationDays;
        long earthPopulation;
        boolean done;

4.2变量的初始化

声明一个变量之后，必须使用赋值语句对变量进行显式初始化，千万不要使用未初始化的变量的值。有以下两种方法：

 //法一：先声明后初始化
        int vacationDays;
        vacationDays=12;

//法二.声明的同时初始化
        int vacationDays=12;

补充：从Java10开始，对于局部变量，如果可以从变量的初始值判断出它的类型，就不再需要声明类型。只需要使用关键字var而无须指定类型：

var vacationDays=12;//vacationDays is an int
var greeting="Hello!";//greeting is a String

4.3常量

在Java中，利用关键字final指示常量，例如：

public class Constants{
    public static void main(String[] args) {
        final double CM_PER_INCH=2.54;
        double width=8.5;
        double height=11;
        System.out.println("Paper size in centimeters:"+width*CM_PER_INCH+"by"+height*CM_PER_INCH);
    }
}

关键字final表示这个变量只能被赋值一次，一旦赋值后就不能再更改了，习惯上，常量名使用全大写。在Java中，经常希望某个常量可以在一个类的多个方法中使用，通常将这些常量称为类常量（class constant）。可以使用关键字static final 设置一个类常量。下面是一个示例：

 public class Constants2{
        public static final double CM_PER_INCH=2.54; 
        public static void main(String[] args) {
            double width=8.5;
            double height=11;
            System.out.println("Paper size in centimeters:"+width*CM_PER_INCH+"by"+height*CM_PER_INCH);
        }
    }

4.4枚举类型

有时候，变量的取值只在一个有限的集合内。例如，服装的尺寸或者是披萨的大小。当然，可以将这些尺寸分别编码为1,2,3,4或S,M,L,X。但这种设置很容易出错，很可能在变量中保存的是一个错误的值（如0或m）。

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。例如：

enum Size{SMALL,MEDIUM,LARGE,EXTRA_LARGE};
//声明这种类型的变量
Size s=Size.MEDIUM;

Size类型的变量只能存储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。

五.运算符

计算机的最基本用途之一就是执行数学运算，作为一门计算机语言，Java也提供了一套丰富的运算符来操纵变量。我们可以把运算符分成以下几组：

算术运算符
关系运算符
位运算符
逻辑运算符
赋值运算符
其他运算符

5.1算数运算符

public class Test {
  public static void main(String[] args) {
            int a = 10;
            int b = 20;
            System.out.println("a == b = " + (a == b) );//false
            System.out.println("a != b = " + (a != b) );//true
            System.out.println("a > b = " + (a > b) );//false
            System.out.println("a < b = " + (a < b) );//true
            System.out.println("b >= a = " + (b >= a) );//true
            System.out.println("b <= a = " + (b <= a) );//false
            System.out.println(" a++ = "+(a++));//10    1.使用a 2.a=a+1
            System.out.println(" ++a = "+(++a));//12    1.a=a+1 2.使用a
        }
}

补充：数学函数与常量

在计算过程中，我们会需要使用到一些数学公式去解决实际问题，在Math类中，就包含了各种各样的数学函数。具体使用如下：

double x=4;
double y=Math.sqrt(x);
System.out.println(y);//2.0

类似的数学公式还有：

Math.sin Math.exp Math.PI(表示π的近似值)

Math.cos Math.log Math.E（表示e的近似值）

Math.atan Math.log10

Math.atan2

5.2关系运算符

关系运算符的结果是一个布尔值，即true或false。

5.3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。这意味着可以使用掩码技术得到整数中的各个位。位运算符包括：

对于A和B来说，它们的二进制格式如下：

注意：没有无符号左移。（因为无符号左移和左移本质是一样的，都是向尾端补0）

public class Test {
  public static void main(String[] args) {
     int a = 60; /* 60 = 0011 1100 */ 
     int b = 13; /* 13 = 0000 1101 */
     int c = 0;
     c = a & b;       /* 12 = 0000 1100 */
     System.out.println("a & b = " + c );
 
     c = a | b;       /* 61 = 0011 1101 */
     System.out.println("a | b = " + c );
 
     c = a ^ b;       /* 49 = 0011 0001 */
     System.out.println("a ^ b = " + c );
 
     c = ~a;          /*-61 = 1100 0011 */
     System.out.println("~a = " + c );
 
     c = a << 2;     /* 240 = 1111 0000 */
     System.out.println("a << 2 = " + c );
 
     c = a >> 2;     /* 15 = 1111 */
     System.out.println("a >> 2  = " + c );
  
     c = a >>> 2;     /* 15 = 0000 1111 */
     System.out.println("a >>> 2 = " + c );
  }
}

那么位运算符如何体现掩码技术呢？例如，如果n是一个整数变量，而且用二进制表示的n从右边数第4位为1，则

int fourthBitFromRight=(n&0b1000)/0b1000;

会返回1，否则返回0。利用&并结合使用适当的2的幂，可以把其他位掩掉，而只留下其中的某一位。

5.4逻辑运算符

这里需要注意的是！运算符后面跟的一定是一个布尔表达式，不能是一个变量值或常量值。

int a=0;
if(!a)//error{
    ...//Operator '!' cannot be applied to 'int'
}

短路运算：

当使用与逻辑运算符时，在两个操作数都为true时，结果才为true，但是当得到第一个操作为false时，其结果就必定是false，这时候就不会再判断第二个操作了。就像电路中的短路截断一样，前面电路断了后面电路就不会执行了。（&和|运算符不采用“短路方式”来求值，也就是说，得到一个布尔值之前的两个操作数都需要计算）

public class LuoJi{
    public static void main(String[] args){
        int a = 5;//定义一个变量；
        boolean b = (a<4)&&(a++<10);
        System.out.println("使用短路逻辑运算符的结果为"+b);
        System.out.println("a的结果为"+a);
    }
}

运行结果如下：

使用短路逻辑运算符的结果为false
a的结果为5

5.5 赋值运算符

这个很简单，大家实际使用的时候根据具体情况使用可以简化代码，但一定注意的是等号一般是放在右边的，顺序不要颠倒。

5.6其他运算符

1.条件运算符（？：）：

条件运算符也被称为三元运算符。该运算符有3个操作数，并且需要判断布尔表达式的值。该运算符的主要是决定哪个值应该赋值给变量。

variable x = (expression) ? value if true : value if false
//a=5>3?5:3;
//a=5

2.instanceof 运算符:

该运算符用于操作对象实例，检查该对象是否是一个特定类型（类类型或接口类型）。instanceof运算符使用格式如下：

( Object reference variable ) instanceof  (class/interface type)

示例如下：

String name = "James";
boolean result = name instanceof String; // 由于 name 是 String 类型，所以返回真

以上就是Java的运算符概述，但是了解了运算符之后我们还需要知道各个运算符的优先级，这样我们才能使各个运算符按正确的顺序执行程序：

六.字符串

从概念上讲，Java字符串就是Unicode字符序列。例如，字符串“Java\u2122”由5个Unicode字符组成。Java没有内置的字符串类型，而是在标准Java类库中提供了一个预定义类，很自然地叫作String。每个用双引号括起来的字符串都是String类的一个实例：

String e="";//an empty string
String greeting="Hello";

6.1子串

String类的substring方法可以从一个较大的字符串提前出一个子串，例如：

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

创建一个由字符“Hel”组成的字符串。

substring方法的第二个参数是不想赋值的第一个位置。这里要复制的位置为0,1,2的字符。

substring的工作方式有一个优点：容易计算子串的长度。例如：s.substring(a,b)的长度为b-a。例如，资产“Hel”的长度为3-0=0。

6.2拼接

与绝大多数程序设计语言一样，Java语言允许使用+号连接两个字符串。

拼接是一个非常常用的一种字符串处理方式。

String expletive="Expletive";
String PG13="deleted";
String message=expletive+PG13;
//将"Expletivedeleted"赋给message

当将一个字符串与一个非字符串的值进行拼接时，后者会转换成字符串（任何一个Java对象都可以转换成字符串），例如：

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

这种特性通常用在输出语句中，例如：

int answer=1;
System.out.println("The answer is "+answer);
//The answer is 1

如果需要把多个字符串放在一起，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 is the string "S/M/L/XL"

在Java11中，还提供了一个repeat方法：

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

6.3不可变字符串

String类没有提供修改字符串中某个字符的方法。如果希望将上文greeting("Hel")的内容修改为“Help”，不能直接将greeting最后两个位置的字符修改为'p'和'!'。在Java中其实是非常容易实现的：

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

由于不能修改Java中的单个字符，所以Java文档中将String类对象称为是不可变的（immutable），如同数字3永远是数字3一样,字符串“Hello”永远包含字符H,e,l,l,o的代码单元序列。你不能修改这些值，不过，可以修改字符串变量greeting，让它引用另外一个字符串，这就如同可以让原本存放3的数值变量改成存放4的一样。

在学习完C之后，当我们第一次接触Java字符串的时候，总是会将字符串认为是字符数组：
char greeting[]="Hello";
这种认识是错误的,Java字符串大致类似于char*指针,
char* greeting="Hello";
当把greeting替换为另一个字符串的时候，Java代码大致进行下列操作：
char* temp=malloc(6);
strncpy(temp,greeting,3);
strncpy(temp+3,"p!",3);
greeting=temp;
这样一系列操作之后，现在greeing就指向了字符串“Help!”。不过，如果对greeting做另一个赋值会怎样呢？
greeting="Howdy";
这样会不会造成内存泄露呢？毕竟，原始字符串在堆中分配。十分幸运，Java将自动地进行垃圾回收。如果一个内存块不再使用了，系统最终会将其回收。

6.4检测字符串是否相等

在C语言中我们使用strcmp函数来检测两字符串是否相等。在Java中我们也有类似的函数实现该功能。

可以使用equals方法检测两个字符串是否相等，对于表达式：

s.equals(t);

如果字符串s和t相等，则返回true;否则返回false。需要注意的是,s和t可以是字符串变量，也可以是字符串字面量，例如，以下表达式是合法的：

"Hello".equals(greeting);

要想检测两个字符串是否相等，而不区分大小写，可以使用equalsIgnoreCase方法。

if(str==null)

切记一定不要使用“==”运算符检测两个字符串是否相等！这个运算符仅仅能确定两个字符串是否存在在同一个位置上。当然，如果字符串在同一个位置上，它们必然相等。但是，完全有可能将内容相同的多个字符串副本放在不同位置上。

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

6.5空串与NULL串

空串（" "）是长度为0的字符串。可以用下面代码检查一个字符串是否为空：

if(str.length()==0)
//或
if(str.equals(""))

空串是一个Java对象，有自己的串长度（0）和内容（空）。

String变量还可以存放一个特殊的值，名为Null，表示目前没有任何对象与该变量关联，要检查一个字符串是否为Null，要使用下列条件：

if(str==null)

有时还需要检查一个字符串既不是null也不是空串：

if(str!=null&&str.length()!=0)

注意先后顺序：首先要检查str不为null。

6.6 String API

API：应用编程接口。每一个API的注释都是以类名开始，如：java.lang.String。类名之后是一个或多个方法的名字,解释和参数描述。

Java中的String类包含了50多种方法。

API可以通过官方的Java帮助手册查询：Java SE API 和文档