Java学习笔记（1）：语法基础

Java是完全面向对象的语言。通过虚拟机的运行机制，实现“跨平台”的理念。一次编译，永久使用。

先来看一个 HelloWorld.java 程序。这个程序在屏幕上打印出一串字符”Hello World!”:

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

程序中包括Java的一些基本特征：

• 类(class)：上面程序定义了一个 类 HelloWorld，该类的名字与.java文件的名字相同。
• 方法(method)：类的内部定义了该类的一个 方法 main。
• 语句(statement)：真正的“打印”功能由一个语句实现，即: System.out.println(“Hello World!”);

下面两点有关Java的书写方式：

• Java中的语句要以 ; 结尾 (与C/C++相同)。
• 用花括号 {} 来整合语句，形成程序块。通过程序块，我们可以知道程序的不同部分的范围，比如类从哪里开始，到哪里结束。

一、编译与运行

Java程序要经过编译器编译才能执行。在Linux或Mac下，可以下载安装 Java JDK

使用 javac 来编译。在命令行中输入下面语句 编译 :

$javac HelloWorld.java

当前路径下，将有一个名为HelloWorld.class的文件生成。
使用 java 命令来 运行 。

$java HelloWorld

Java会搜寻该类中的main方法，并执行。

二、变量

计算机语言通常需要在内存中存放数据，比如C语言中的变量，Java也有类似的变量。Java和C语言都是静态类型的语言。在使用变量之前，要声明变量的类型。

变量(variable) 占据一定的内存空间。不同类型的变量占据不同的大小。Java中的变量类型如下：

变量类型	存储大小	例值	注释
byte	1byte	3	字节
int	4bytes	3	整数
short	2bytes	3	短整数
long	8bytes	3	长整数
float	4bytes	1.2	单精度浮点数
double	8bytes	1.2	双精度浮点数
char	2bytes	‘a’	字符
boolean	1bit	true	布尔值

在Java中，变量需要先 声明(declare)才能使用。在声明中，我说明变量的类型，赋予变量以特别名字，以便在后面的程序中调用它。你可以在程序中的任意位置声明变量。 比如:

public class Test
{
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("Declare in the middle:");
        int a;
        a = 5;
        System.out.println(a);  // print an integer
    }
}

上面a是变量名。可以在声明变量的同时，给变量赋值，比如 int a = 5;

• “变量”的概念实际上来自于面向过程的编程语言。在Java中，所谓的变量实际上是 “基本类型” (premitive type) 。我们将在类的讲解中更多深入。

上面的程序还可以看到，Java中，可用 // 引领注释。

二、数组

Java中有 数组(array) 。数组包含相同类型的多个数据。我用下面方法来声明一个整数数组:

int[] a;

在声明数组时，数组所需的空间并没有真正分配给数组。我可以在声明的同时，用new来创建数组所需空间:

int[] a = new int[100];

这里创建了可以容纳100个整数的数组。相应的内存分配也完成了。

我还可以在声明的同时，给数组赋值。数组的大小也同时确定。

int[] a = new int[] {1, 3, 5, 7, 9};

2.1 数组初始化

你可以在声明数组的同时进行初始化（静态初始化），也可以在声明以后进行初始化（动态初始化）。例如：

// 静态初始化
// 静态初始化的同时就为数组元素分配空间并赋值
int intArray[] = {1,2,3,4};
String stringArray[] = {"程序员", "http://www.baidu.com", "一切编程语言都是纸老虎"};

// 动态初始化
float floatArray[] = new float[3];
floatArray[0] = 1.0f;
floatArray[1] = 132.63f;
floatArray[2] = 100F;

2.2 数组引用

可以通过下标来引用数组：

arrayName[index];

index从0开始。与C、C++不同，Java对数组元素要进行越界检查以保证安全性。

每个数组都有一个length属性来指明它的长度，例如 intArray.length 指明数组 intArray 的长度。

其他类型的数组与整数数组相似。

2.3 数组的遍历

实际开发中，经常需要遍历数组以获取数组中的每一个元素。最容易想到的方法是for循环，例如：

int arrayDemo[] = {1, 2, 4, 7, 9, 192, 100};
for(int i=0,len=arrayDemo.length; i<len; i++){
    System.out.println(arrayDemo[i] + ", ");
}

不过，Java提供了”增强版“的for循环，专门用来遍历数组，语法为：

for( arrayType varName: arrayName ){
    // Some Code
}

arrayType 为数组类型（也是数组元素的类型）；varName 是用来保存当前元素的变量，每次循环它的值都会改变；arrayName 为数组名称。

每循环一次，就会获取数组中下一个元素的值，保存到 varName 变量，直到数组结束。即，第一次循环 varName 的值为第0个元素，第二次循环为第1个元素……例如：

int arrayDemo[] = {1, 2, 4, 7, 9, 192, 100};
for(int x: arrayDemo){
    System.out.println(x + ", ");
}

这种增强版的for循环也被称为”foreach循环“，它是普通for循环语句的特殊简化版。所有的foreach循环都可以被改写成for循环。

但是，如果你希望使用数组的索引，那么增强版的 for 循环无法做到。

2.4 二维数组

二维数组的声明、初始化和引用与一维数组相似：

int intArray[ ][ ] = { {1,2}, {2,3}, {4,5} };
int a[ ][ ] = new int[2][3];
a[0][0] = 12;
a[0][1] = 34;
// ......
a[1][2] = 93;

Java语言中，由于把二维数组看作是数组的数组，数组空间不是连续分配的，所以不要求二维数组每一维的大小相同。例如：

int intArray[ ][ ] = { {1,2}, {2,3}, {3,4,5} };
int a[ ][ ] = new int[2][ ];
a[0] = new int[3];
a[1] = new int[5];

【示例】通过二维数组计算两个矩阵的乘积。

public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        // 第一个矩阵（动态初始化一个二维数组）
        int a[][] = new int[2][3];
        // 第二个矩阵（静态初始化一个二维数组）
        int b[][] = { {1,5,2,8}, {5,9,10,-3}, {2,7,-5,-18} };
        // 结果矩阵
        int c[][] = new int[2][4];
       
        // 初始化第一个矩阵
        for(int i=0; i<2; i++)
            for(int j=0; j<3 ;j++)
                a[i][j] = (i+1) * (j+2);
       
        // 计算矩阵乘积
        for (int i=0; i<2; i++){
            for (int j=0; j<4; j++){
                c[i][j]=0;
                for(int k=0; k<3; k++)
                    c[i][j] += a[i][k] * b[k][j];
            }
        }

        // 输出结算结果
        for(int i=0; i<2; i++){
            for (int j=0; j<4; j++)
                System.out.printf("%-5d", c[i][j]);
            System.out.println();
        }
    }
}

运行结果：
25   65   14   -65
50   130  28   -130

几点说明

• 上面讲的是静态数组。静态数组一旦被声明，它的容量就固定了，不容改变。所以在声明数组时，一定要考虑数组的最大容量，防止容量不够的现象。
• 如果想在运行程序时改变容量，就需要用到数组列表(ArrayList，也称动态数组)或向量(Vector)。
• 正是由于静态数组容量固定的缺点，实际开发中使用频率不高，被 ArrayList 或 Vector 代替，因为实际开发中经常需要向数组中添加或删除元素，而它的容量不好预估。

三、表达式

表达式 是变量、常量和运算符的组合，它表示一个数据。 1 + 1 是常见的表达式。再比如:

public class Test
{
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("Declare in the middle:");
        int a;
        a = 5 + 1;
        System.out.println(a);  // print an integer
    }
}

上面的5 + 1也是一个表达式，等于6。

3.1 数学表达式

数学运算，结果为一个数值

1 + 2	加法
4 - 3.4	减法
7 * 1.5	乘法
3.5 / 7	除法
7 % 2	求余数

3.2 关系表达式

判断表达式是否成立。即一个boolean值，真假

a > 4.2	大于
3.4 >= b	大于等于
1.5 < 9	小于
6 <= 1	小于等于
2 == 2	等于
2 != 2	不等于

3.3 布林表达式

两个boolean值的与、或、非的逻辑关系

true && false	and
(3 > 1)		(2 == 1)	or
! true	not

3.4 位运算

对整数的二进制形式逐位进行逻辑运算，得到一个整数

&	and
		or
^	xor
~	not
5 << 3	0b101 left shift 3 bits
6 >> 1	0b110 right shift 1 bit

还有下列在C中常见的运算符，我会在用到的时候进一步解释:

m ++	变量m加1
n —	变量n减1
condition ? x1 : x2	condition为一个boolean值。根据condition，取x1或x2的值

四、控制结构

Java中控制结构(control flow)的语法与C类似。它们都使用{}来表达隶属关系。

4.1 选择（if）

condition是一个表示真假值的表达式。statements;是语句。

if (conditon1) {
  statements;
    ...
}
else if (condition2) {
  statements;
    ...
}
else {
  statements;
    ...
}

4.2 循环（while）

while (condition) {

statements;

}

4.2 循环（do…while）

do {
statements;
}while(condition);  // 注意结尾的;

4.3 循环（for）

for (initial; condition; update) {
statements;
}

4.4 跳出或跳出循环

在循环中，可以使用

break; // 跳出循环
continue; // 直接进入下一循环

4.5 选择（switch）

switch(expression) {
case 1:
    statements; 
    break; 
case 2:
    statements; 
    break; 
...
default:
    statements; 
    break; 
}

五、字符串

从表面上看，字符串就是双引号之间的数据，例如“java”等。在Java中，可以使用下面的方法定义字符串：
String stringName = “string content”;

String webName = "java学习";

字符串可以通过“+”连接，基本数据类型与字符串进行“+”操作一般也会自动转换为字符串，例如：

public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        String stuName = "小明";
        int stuAge = 17;
        float stuScore = 92.5f;
       
        String info = stuName + "的年龄是 " + stuAge + "，成绩是 " + stuScore;
        System.out.println(info);
    }
}

String字符串与数组有一个共同点，就是它们被初始化后，长度是不变的，并且内容也不变。如果要改变它的值，就会产生一个新的字符串，如下所示：

String str = "Hello ";
str += "World!";

这个赋值表达式看起来有点像简单的接龙，在str后面直接加上一个“World!”字符串，形成最后的字符串“Hello World!”。其运行原理是这样的：程序首先产生了str1字符串，并在内存中申请了一段空间。此时要追加新的字符串是不可能的，因为字符串被初始化后，长度是固定的。如果要改变它，只有放弃原来的空间，重新申请能够容纳“Hello World!”字符串的内存空间，然后将“Hello World!”字符串放到内存中。

实际上，String 是java.lang包下的一个类，按照标准的面向对象的语法，其格式应该为：

String stringName = new String("string content");

例如

String url = new String("http://www.baidu.com");

但是由于String特别常用，所以Java提供了一种简化的语法。

使用简化语法的另外一个原因是，按照标准的面向对象的语法，在内存使用上存在比较大的浪费。例如String str = new String(“abc”);实际上创建了两个String对象，一个是”abc”对象，存储在常量空间中，一个是使用new关键字为对象str申请的空间。

5.1 常用的String对象方法

5.1.2 length()方法

length() 返回字符串的长度，例如：

String str1 = "微学苑";
String str2 = "weixueyuan";
System.out.println("The lenght of str1 is " + str1.length());
System.out.println("The lenght of str2 is " + str2.length());

输出结果为：

The lenght of str1 is 3
The lenght of str2 is 10

5.1.2 charAt()方法

charAt() 方法的作用是按照索引值获得字符串中的指定字符。Java规定，字符串中第一个字符的索引值是0，第二个字符的索引值是1，依次类推。例如：

String str = "123456789";
System.out.println(str.charAt(0) + "    " + str.charAt(5) + "    " + str.charAt(8))

输出结果为：

1    6    9

5.1.3 contain()方法

contains() 方法用来检测字符串是否包含某个子串，例如：

String str = "baidu";
System.out.println(str.contains("bai"));

输出结果：

true

5.1.4 replace()方法

字符串替换，用来替换字符串中所有指定的子串，例如：

ring str1 = "The url of baidu is www.google.com!";
String str2 = str1.replace("baidu", "google");
System.out.println(str1);
System.out.println(str2);

输出结果：

The url of baidu is www.google.com!
The url of google is www.google.com!

注意：replace() 方法不会改变原来的字符串，而是生成一个新的字符串。

5.1.5 split()方法

以指定字符串作为分隔符，对当前字符串进行分割，分割的结果是一个数组，例如：

import java.util.*;
public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        String str = "wei_xue_yuan_is_good";
        String strArr[] = str.split("_");
        System.out.println(Arrays.toString(strArr));
    }
}

运行结果：

[wei, xue, yuan, is, good]

以上仅仅列举了几个常用的String对象的方法，更多方法和详细解释请参考API文档。

5.2 StringBuffer与StringBuider

String 的值是不可变的，每次对String的操作都会生成新的String对象，不仅效率低，而且耗费大量内存空间。

StringBuffer类和String类一样，也用来表示字符串，但是StringBuffer的内部实现方式和String不同，在进行字符串处理时，不生成新的对象，在内存使用上要优于String。

StringBuffer 默认分配16字节长度的缓冲区，当字符串超过该大小时，会自动增加缓冲区长度，而不是生成新的对象。

StringBuffer不像String，只能通过 new 来创建对象，不支持简写方式，例如：

StringBuffer str1 = new StringBuffer();  // 分配16个字节长度的缓冲区
StringBuffer str2 = =new StringBuffer(512);  // 分配512个字节长度的缓冲区
// 在缓冲区中存放了字符串，并在后面预留了16个字节长度的空缓冲区
StringBuffer str3 = new StringBuffer("www.baidu.com");

5.2.1 StringBuffer类的主要方法

StringBuffer类中的方法主要偏重于对于字符串的操作，例如追加、插入和删除等，这个也是StringBuffer类和String类的主要区别。实际开发中，如果需要对一个字符串进行频繁的修改，建议使用 StringBuffer。

• 1) append() 方法

append() 方法用于向当前字符串的末尾追加内容，类似于字符串的连接。调用该方法以后，StringBuffer对象的内容也发生改变，例如：

StringBuffer str = new StringBuffer(“biancheng100”);
str.append(true);

则对象str的值将变成”biancheng100true”。注意是str指向的内容变了，不是str的指向变了。

字符串的”+“操作实际上也是先创建一个StringBuffer对象，然后调用append()方法将字符串片段拼接起来，最后调用toString()方法转换为字符串。

这样看来，String的连接操作就比StringBuffer多出了一些附加操作，效率上必然会打折扣。

但是，对于长度较小的字符串，”+“操作更加直观，更具可读性，有些时候可以稍微牺牲一下效率。

• 2) deleteCharAt()

deleteCharAt() 方法用来删除指定位置的字符，并将剩余的字符形成新的字符串。例如：

StringBuffer str = new StringBuffer("abcdef");
str. deleteCharAt(3);

该代码将会删除索引值为3的字符，即”d“字符。

你也可以通过delete()方法一次性删除多个字符，例如：

StingBuffer str = new StringBuffer("abcdef");
str.delete(1, 4);

该代码会删除索引值为1~4之间的字符，包括索引值1，但不包括4。

• 3) insert()方法

insert() 用来在指定位置插入字符串，可以认为是append()的升级版。例如：

StringBuffer str = new StringBuffer("abcdef");
str.insert(3, "xyz");

最后str所指向的字符串为 abcdxyzef。

• 4) setCharAt() 方法

setCharAt() 方法用来修改指定位置的字符。例如：

StringBuffer str = new StringBuffer("abcdef");
str.setCharAt(3, 'z');

该代码将把索引值为3的字符修改为 z，最后str所指向的字符串为 abczef。

以上仅仅是部分常用方法的简单说明，更多方法和解释请查阅API文档。

5.2.2 String和StringBuffer的效率对比

为了更加明显地看出它们的执行效率，下面的代码，将26个英文字母加了10000次。

public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        String fragment = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
        int times = 10000;
       
        // 通过String对象
        long timeStart1 = System.currentTimeMillis();
        String str1 = "";
        for (int i=0; i<times; i++) {
            str1 += fragment;
        }
        long timeEnd1 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("String: " + (timeEnd1 - timeStart1) + "ms");
       
        // 通过StringBuffer
        long timeStart2 = System.currentTimeMillis();
        StringBuffer str2 = new StringBuffer();
        for (int i=0; i<times; i++) {
            str2.append(fragment);
        }
        long timeEnd2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("StringBuffer: " + (timeEnd2 - timeStart2) + "ms");
    }
}

运行结果：

String: 5287ms
StringBuffer: 3ms

结论很明显，StringBuffer的执行效率比String快上千倍，这个差异随着叠加次数的增加越来越明显，当叠加次数达到30000次的时候，运行结果为：

String: 35923ms
StringBuffer: 8ms

所以，强烈建议在涉及大量字符串操作时使用StringBuffer。

5.2.3 StringBuilder类

StringBuilder类和StringBuffer类功能基本相似，方法也差不多，主要区别在于StringBuffer类的方法是多线程安全的，而StringBuilder不是线程安全的，相比而言，StringBuilder类会略微快一点。

StringBuffer、StringBuilder、String中都实现了CharSequence接口。CharSequence是一个定义字符串操作的接口，它只包括length()、charAt(int index)、subSequence(int start, int end) 这几个API。

StringBuffer、StringBuilder、String对CharSequence接口的实现过程不一样。String直接实现了CharSequence接口；StringBuilder 和 StringBuffer都是可变的字符序列，它们都继承于AbstractStringBuilder，实现了CharSequence接口。

总结一下：

• 线程安全：
  • StringBuffer：线程安全
  • StringBuilder：线程不安全

• 速度：

  • 一般情况下，速度从快到慢为 StringBuilder > StringBuffer > String，当然这是相对的，不是绝对的。

• 使用环境：

  • 操作少量的数据使用 String；
  • 单线程操作大量数据使用 StringBuilder；
  • 多线程操作大量数据使用 StringBuffer。