Think Java 2nd Ed.

celem tej książki jest nauczenie myślenia jak informatyk.Ten sposób myślenia łączy w sobie jedne z najlepszych cech matematyki, inżynierii i nauk przyrodniczych.Podobnie jak matematycy, informatycy używają języków formalnych do oznaczania idei-w szczególności obliczeń.Podobnie jak inżynierowie, projektują rzeczy, montując komponenty w systemy i oceniając kompromisy między alternatywami.I podobnie jak naukowcy, obserwują zachowanie złożonych systemów, tworzą hipotezy i testują prognozy.

ważną umiejętnością dla informatyka jest problem solving.It polega na umiejętności formułowania problemów, twórczego myślenia o rozwiązaniach oraz jasnego wyrażania rozwiązań i accurately.As okazuje się, że proces uczenia się programowania komputerów jest doskonałą okazją do rozwijania umiejętności rozwiązywania problemów.Na jednym poziomie nauczysz się pisać programy Java, przydatna umiejętność sama w sobie.Ale na innym poziomie, użyjesz programowania jako środka do end.As idziemy dalej, ten koniec stanie się jaśniejszy.

1.1 Co To jest komputer?

kiedy ludzie słyszą słowo komputer, często myślą o komputerze stacjonarnym lub laptopie.Nic dziwnego, że wyszukiwanie “komputera” w Google Images (https://images.google.com/) wyświetla wiersze i rzędy tego typu maszyn.Jednak w bardziej ogólnym sensie komputer może być dowolnym urządzeniem, które przechowuje i przetwarza dane.

Dictionary.com definiuje komputer jako ” Programowalne urządzenie elektroniczne zaprojektowane do przyjmowania danych, wykonywania określonych operacji matematycznych i logicznych z dużą prędkością i wyświetlania wyników tych operacji.Mainframe, komputery stacjonarne i laptopy, tablety i smartfony to niektóre z różnych typów komputerów.”

każdy typ komputera ma swój unikalny design, ale wewnętrznie wszystkie mają ten sam typ sprzętu.Dwa najważniejsze komponenty sprzętowe to procesory (lub procesory), które wykonują proste obliczenia i pamięć (lub pamięć RAM), która tymczasowo przechowuje informacje.Rysunek 1.1 pokazuje, jak te składniki wyglądają.

rysunek 1.1: przykładowy procesor i sprzęt pamięci.

użytkownicy zazwyczaj widzą ekrany dotykowe, klawiatury i monitory, ale to procesory i pamięć wykonują rzeczywiste obliczenia.Obecnie standardem, nawet dla smartfona, jest posiadanie co najmniej ośmiu procesorów i czterech gigabajtów (cztery miliardy komórek) pamięci.

1.2 Czym Jest Programowanie?

program to sekwencja instrukcji określająca sposób wykonywania obliczeń na sprzęcie komputerowym.Obliczenia mogą być czymś matematycznym, jak rozwiązywanie układu równań lub Znajdowanie pierwiastków wielomianu.Może to być również obliczenia symboliczne, takie jak wyszukiwanie i zastępowanie tekstu w dokumencie lub (co dziwne) kompilowanie programu.

szczegóły wyglądają inaczej w różnych językach, Ale kilka podstawowych instrukcji pojawia się w prawie każdym języku:

wejście: Pobierz dane z klawiatury, pliku, czujnika lub innego urządzenia. wyjście: wyświetlanie danych na ekranie lub wysyłanie danych do pliku lub innego urządzenia. matematyka: wykonuj podstawowe operacje matematyczne, takie jak dodawanie i dzielenie. decyzja: sprawdzić pewne warunki i wykonać odpowiedni kod. repetytorium: Wykonuj czynność wielokrotnie, zwykle z pewną zmiennością.

Wierzcie lub nie, to chyba wszystko.Każdy program, którego kiedykolwiek używałeś, bez względu na to, jak skomplikowany, składa się z małych instrukcji, które wyglądają podobnie do these.So możesz myśleć o programowaniu jako o procesie dzielenia dużego, złożonego zadania na coraz mniejsze podzadania.Proces trwa do czasu, gdy podzadania są wystarczająco proste,aby można je było wykonać za pomocą obwodów elektronicznych dostarczanych przez sprzęt.

1.3 program Hello World

tradycyjnie pierwszy program, który piszesz podczas nauki nowego języka programowania, nazywa się programem “Hello World”.Wszystko, co robi, to wypowiada słowa Hello, World! do screen.In Java, wygląda to tak:

po uruchomieniu tego programu wyświetla następujące:

Witaj, świecie!

zauważ, że wyjście nie zawiera cudzysłowów.

Programy Java składają się z definicji klas i metod, a metody z instrukcji.Instrukcja to linia kodu, która wykonuje podstawową akcję.W programie Hello World Ta linia jest instrukcją print, która wyświetla komunikat dla użytkownika:

System.Wynocha.println (“Hello, World!”);

System.out.println wyświetla wyniki na ekranie; nazwa printlnoznacza “Drukuj linię”.Co mylące, druk może oznaczać zarówno “wyświetlanie na ekranie”, jak i”wysyłanie do drukarki”. w tej książce spróbujemy powiedzieć” wyświetlanie”, gdy mamy na myśli wyjście na ekran.Podobnie jak większość poleceń, polecenie print kończy się średnikiem (;).

w Javie rozróżniana jest wielkość liter, co oznacza, że wielkie i małe litery nie są takie same.W programie Hello World System musi zaczynać się wielką literą; system i SYSTEM nie będą działać.

metoda jest nazwaną sekwencją instrukcji.Program ten definiuje jedną metodę o nazwie main:

public static void main (String args)

nazwa i format main jest wyjątkowy: gdy program jest uruchomiony, zaczyna się od pierwszego polecenia w main i kończy się, gdy kończy ostatnie polecenie.Później zobaczysz programy, które definiują więcej niż jedną metodę.

ten program definiuje klasę o nazwie Hello.Na razie klasa jest zbiorem metod; więcej na ten temat powiemy później.Możesz nadać klasie dowolną nazwę, ale konwencjonalne jest rozpoczynanie od dużej litery.Nazwa klasy musi odpowiadać nazwie pliku, w którym się znajduje, więc ta klasa musi znajdować się w pliku o nazwie Hello.java.

Java używa nawiasów klamrowych ({ i }) do grupowania rzeczy together.In Witam.zewnętrzne nawiasy klamrowe zawierają definicję klasy, A wewnętrzne nawiasy klamrowe zawierają definicję metody.

linia rozpoczynająca się dwoma ukośnikami (//) jest komentarzem, który jest nieco angielskim tekstem wyjaśniającym kod.Kiedy Java widzi //, ignoruje wszystko od tego momentu aż do końca linii.Komentarze nie mają wpływu na wykonanie programu, ale ułatwiają innym programistom (i Twojemu przyszłemu ja) zrozumienie tego, co chciałeś zrobić.

1.4 Kompilowanie programów Java

językiem programowania, którego nauczysz się w tej książce, jest Java, która jest językiem wysokiego poziomu.Inne języki wysokiego poziomu, o których słyszałeś, to Python, C i C++, PHP, Ruby i JavaScript.

zanim będą mogły działać, programy w językach wysokiego poziomu muszą być przetłumaczone na język niskiego poziomu, zwany także “językiem maszynowym”.Tłumaczenie to zajmuje trochę czasu, co jest niewielką wadą języków wysokiego poziomu.Ale języki wysokiego poziomu mają dwie główne zalety:

• o wiele łatwiej jest programować w języku wysokiego poziomu.Programy zajmują mniej czasu na pisanie, są krótsze i łatwiejsze do odczytania i są bardziej prawdopodobne, że będą poprawne.
• języki wysokiego poziomu są przenośne, co oznacza, że mogą działać na różnych rodzajach komputerów z niewielkimi modyfikacjami lub bez nich.Programy niskiego poziomu mogą działać tylko na jednym rodzaju komputera.

dwa rodzaje programów tłumaczą języki wysokiego poziomu na języki niskiego poziomu: tłumaczy i compilers.An interpreter odczytuje program wysokiego poziomu i wykonuje go, co oznacza, że robi to, co program says.It przetwarza program po trochu, na przemian czytając wiersze i wykonując obliczenia.Rysunek 1.2 przedstawia strukturę interpretera.

rysunek 1.2: jak wykonywane są języki interpretowane.

w przeciwieństwie do tego, kompilator czyta cały program i tłumaczy go całkowicie, zanim program zacznie działać.Program wysokiego poziomu nazywa się kodem źródłowym.Przetłumaczony program nazywa się kodem obiektowym lub wykonywalnym.Po skompilowaniu programu można go wielokrotnie wykonywać bez dalszego tłumaczenia źródła code.As w rezultacie skompilowane programy często działają szybciej niż programy interpretowane.

zauważ, że kod obiektowy, jako język niskiego poziomu, nie jest przenośny.Nie można uruchomić pliku wykonywalnego skompilowanego dla laptopa z systemem Windows na telefonie z Androidem, dla example.To uruchom program na różnych typach maszyn, musi być skompilowany wiele times.It może być trudne do napisania kodu źródłowego, który kompiluje się i działa poprawnie na różnych typach maszyn.

aby rozwiązać ten problem, Java jest kompilowana i interpretowana.Zamiast tłumaczyć kod źródłowy bezpośrednio na plik wykonywalny, kompilator Java generuje kod dla maszyny wirtualnej.Ta” wyimaginowana ” maszyna ma funkcjonalność wspólną dla komputerów stacjonarnych, laptopów, tabletów, telefonów itp.Jego język, zwany kodem bajtowym Java, wygląda jak kod obiektowy i jest łatwy i szybki w interpretacji.

w rezultacie możliwe jest skompilowanie programu Java na jednej maszynie, przeniesienie kodu bajtowego na inną maszynę i uruchomienie kodu bajtowego na tej drugiej maszynie.Rysunek 1.3 przedstawia etapy procesu rozwoju.Kompilator Java to program o nazwie javac.It tłumaczy .pliki java do .pliki klas, które przechowują wynikowy kod bajtowy.Interpreter Java to inny program o nazwie java, który jest skrótem od” Java Virtual Machine ” (JVM).

rysunek 1.3: Proces kompilacji i uruchamiania programu Java.

programista zapisuje kod źródłowy w pliku Hello.java i używa javac do jej kompilacji.Jeśli nie ma błędów, kompilator zapisuje kod bajtowy w pliku Hello.class.To uruchom program, programista używa Javy do interpretacji kodu bajtowego.Wynik programu jest następnie wyświetlany na ekranie.

chociaż może się to wydawać skomplikowane, te kroki są zautomatyzowane w większości środowisk programistycznych.Zwykle wystarczy nacisnąć przycisk lub wpisać jedno polecenie, aby skompilować i zinterpretować program.Z drugiej strony ważne jest, aby wiedzieć, jakie kroki mają miejsce w tle, więc jeśli coś pójdzie nie tak, możesz dowiedzieć się, co to jest.

1.5 wyświetlanie dwóch komunikatów

w metodzie main możesz umieścić dowolną liczbę poleceń.Na przykład, aby wyświetlić więcej niż jedną linię wyjścia:

jak pokazuje ten przykład, możesz umieścić komentarze na końcu linii, a także na liniach samodzielnie.

frazy, które pojawiają się w cudzysłowach, nazywane są ciągami znaków, ponieważ zawierają ciąg znaków nawleczonych razem w pamięci.Znaki mogą być literami, cyframi, znakami interpunkcyjnymi, symbolami, spacjami, tabulatorami itp.

System.out.println dodaje znak specjalny, zwany nową linią, który przechodzi na początek następnej linii.Jeśli nie chcesz nowej linii na końcu, możesz użyć print zamiast println:

w tym przykładzie pierwsze polecenie nie dodaje nowej linii, więc wyjście pojawia się w jednej linii:

Goodbye, cruel world

zauważ, że na końcu pierwszego ciągu znajduje się Spacja, która pojawia się na wyjściu tuż przed słowem cruel.

1.6 formatowanie kodu źródłowego

w kodzie źródłowym Javy wymagane są pewne spacje.Na przykład potrzebujesz co najmniej jednej spacji między słowami, więc ten program nie jest legalny:

publicclassGoodbye{ publicstaticvoidmain (String args) { System.Wynocha.print (“Goodbye,”); System.Wynocha.println (“okrutny świat”); }}

ale większość innych przestrzeni jest opcjonalna.Na przykład ten program jest legalny:

nowe linie są opcjonalne, too.So możemy po prostu napisać to:

to nadal działa, ale program jest coraz trudniejszy do odczytania.Nowe linie i spacje są ważne dla wizualnej organizacji programu, dzięki czemu łatwiej jest zrozumieć program i znaleźć błędy, gdy występują.

wielu edytorów automatycznie formatuje kod źródłowy ze spójnym wcięciem i podziałem linii.Na przykład w DrJava (Patrz Dodatek A. 1) możesz wciąć kod, wybierając cały tekst (Ctrl+A) i naciskając klawisz Tab.

organizacje, które zajmują się tworzeniem oprogramowania, zwykle mają ścisłe wytyczne dotyczące formatowania kodu źródłowego.Na przykład Google publikuje swoje standardy kodowania Java do użytku w projektach open source: https://google.github.io/styleguide/javaguide.html.

prawdopodobnie teraz nie zrozumiesz tych wytycznych, ponieważ odnoszą się one do funkcji językowych, których jeszcze nie widziałeś.Ale może warto odwoływać się do nich okresowo podczas czytania tej książki.

1.7 używając sekwencji specjalnych

możliwe jest wyświetlenie wielu linii wyjścia z tylko jedną linią kodu.Musisz tylko powiedzieć Javie, gdzie umieścić podziały linii:

wyjście to dwie linie, każda zakończona znakiem nowej linii:

Halo!Jak się masz?

każdy \n jest sekwencją specjalną lub dwoma znakami kodu źródłowego, które reprezentują jeden znak.(Odwrotny ukośnik pozwala na wyjście z ciągu znaków w celu zapisania znaków specjalnych.) Zauważ, że nie ma spacji między \n i How.Jeśli dodasz tam spację, będzie Spacja na początku drugiej linii.

\n	newline
\t	tab
\"	podwójny cytat
\	backslash

tabela 1.1: wspólne sekwencje ucieczki

Java ma w sumie osiem sekwencji specjalnych, a cztery najczęściej używane są wymienione w tabeli 1.1.Na przykład, aby napisać cudzysłów wewnątrz łańcuchów, musisz uciec od nich za pomocą odwrotnego ukośnika:

System.Wynocha.println (“she said \” Hello!\” do mnie.”);

wynik jest następujący:

powiedziała ” cześć!”do mnie.

1.8 Czym Jest Informatyka?

ta książka celowo pomija pewne szczegóły dotyczące języka Java (takie jak inne sekwencje ucieczki), ponieważ naszym głównym celem jest nauczenie Cię, jak myśleć jak informatyk.Umiejętność zrozumienia obliczeń jest o wiele cenniejsza niż tylko nauka pisania kodu.

jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o samej Javie, Oracle utrzymuje oficjalny zestaw samouczków na swojej stronie internetowej (https://thinkjava.org/tutorial).Samouczek” Podstawy języka”, znajdujący się w sekcji” Nauka języka Java”, jest dobrym miejscem na rozpoczęcie.

jednym z najciekawszych aspektów pisania programów jest decydowanie o tym, jak rozwiązać dany problem, zwłaszcza gdy istnieje wiele rozwiązań.Na przykład istnieje wiele sposobów sortowania listy liczb, a każdy sposób ma swoją advantages.In aby określić, która droga jest najlepsza dla danej sytuacji, potrzebujemy technik opisu i analizy rozwiązań formalnie.

algorytm to sekwencja kroków określająca sposób rozwiązania problemu.Niektóre algorytmy są szybsze od innych, a niektóre zużywają mniej miejsca w pamięci komputera.Informatyka to nauka o algorytmach, w tym ich odkrywaniu i analysis.As nauczysz się opracowywać algorytmy problemów, których wcześniej nie rozwiązałeś, nauczysz się myśleć jak informatyk.

projektowanie algorytmów i pisanie kodu jest trudne i podatne na błędy.Ze względów historycznych błędy programowania nazywane są błędami, a proces ich śledzenia i korygowania nazywany jest debugging.As nauczysz się debugować swoje programy, rozwiniesz nowe umiejętności rozwiązywania problemów.Będziesz musiał myśleć kreatywnie, gdy pojawią się nieoczekiwane błędy.

chociaż może to być frustrujące, debugowanie jest intelektualnie bogatą, wymagającą i interesującą częścią komputera science.In w niektórych przypadkach debugowanie jest jak praca detektywa.Masz do czynienia ze wskazówkami i musisz wywnioskować procesy i wydarzenia, które doprowadziły do wyników, które widzisz.Myślenie o tym, jak poprawić programy i poprawić ich wydajność, czasami prowadzi nawet do odkrycia nowych algorytmów.

1.9 programy do debugowania

dobrym pomysłem jest przeczytanie tej książki przed komputerem, dzięki czemu można wypróbować przykłady w trakcie.Wiele przykładów można uruchomić bezpośrednio w Panelu interakcji Drjavy (patrz Dodatek A. 2).Ale jeśli umieścisz kod w pliku źródłowym, łatwiej będzie wypróbować odmiany.

ilekroć eksperymentujesz z nową funkcją, powinieneś również próbować popełniać błędy.Na przykład w programie Hello World, co się stanie, jeśli pominiesz jeden ze znaków cudzysłowu?A jeśli pominiesz oba?Co jeśli źle napisałeś println?Tego rodzaju eksperymenty pomagają zapamiętać to, co czytasz.Pomagają również w debugowaniu, ponieważ dowiesz się, jakie komunikaty o błędach mean.It lepiej popełniać błędy teraz i celowo niż później i przypadkowo.

debugowanie jest jak eksperymentalna nauka: gdy masz już pojęcie o tym, co idzie nie tak, modyfikujesz swój program i próbujesz ponownie.Jeśli twoja hipoteza była poprawna, możesz przewidzieć wynik modyfikacji i zrobić krok bliżej do programu roboczego.Jeśli twoja hipoteza była błędna, musisz wymyślić nową.

programowanie i debugowanie powinny iść w parze.Nie pisz po prostu trochę kodu, a następnie wykonuj debugowanie prób i błędów, dopóki wszystko nie zadziała.Zamiast tego zacznij od programu, który coś robi i wprowadzaj małe modyfikacje, debugując je w miarę upływu czasu, aż program zrobi to, co chcesz.W ten sposób zawsze będziesz mieć działający program, a izolowanie błędów będzie łatwiejsze.

doskonałym przykładem tej zasady jest system operacyjny Linux, który zawiera miliony linii code.It zaczynał jako prosty program Linus Torvalds używany do eksploracji Układu Intel 80386.Według Larry’ ego Greenfielda w Linux Users ‘ Guide, “jednym z wcześniejszych projektów Linusa był program, który przełączał się między drukowaniem AAAA i BBBB.Ten później ewoluował do Linuksa.”

wreszcie, programowanie czasami wywołuje silne emocje.Jeśli zmagasz się z trudnym błędem, możesz czuć się zły, przygnębiony lub zakłopotany.Pamiętaj, że nie jesteś sam i praktycznie każdy programista miał podobne doświadczenia.Nie wahaj się skontaktować z przyjacielem i zadać pytania!

1.10 słownictwo

w całej książce staramy się zdefiniować każdy termin przy pierwszym użyciu it.At na końcu każdego rozdziału zamieszczamy nowe terminy i ich definicje w kolejności ich pojawienia się.Jeśli poświęcisz trochę czasu na naukę tego słownictwa, będziesz miał łatwiejszy czas na czytanie następujących rozdziałów.

rozwiązywanie problemów: proces formułowania problemu, znajdowania rozwiązania i wyrażania rozwiązania. Sprzęt: Elektroniczne i mechaniczne elementy komputera, takie jak procesory, PAMIĘĆ RAM i dyski twarde. procesor: Chip komputerowy, który wykonuje proste instrukcje, takie jak podstawowa arytmetyka i logika. pamięć: obwody, które przechowują dane, dopóki komputer jest włączony.Nie mylić z trwałymi urządzeniami pamięci masowej, takimi jak dyski twarde i flash. program: Sekwencja instrukcji określająca sposób wykonywania zadań na komputerze.Znany również jako “oprogramowanie”. programowanie: zastosowanie rozwiązywania problemów do tworzenia wykonywalnych programów komputerowych. Instrukcja: część programu, która określa jeden krok algorytmu. Instrukcja print: instrukcja, która powoduje wyświetlenie wyjścia na ekranie. metoda: Określona sekwencja wypowiedzi. Klasa: Na razie zbiór powiązanych metod.(Zobaczysz później, że jest w tym o wiele więcej.) komentarz: część programu, która zawiera informacje o programie, ale nie ma wpływu, gdy program działa. język wysokiego poziomu: język programowania, który został zaprojektowany tak, aby był łatwy dla ludzi do czytania i pisania. język niskiego poziomu: język programowania, który został zaprojektowany tak, aby był łatwy do uruchomienia przez komputer.Zwany także “językiem maszynowym”. przenośny: możliwość uruchamiania programu na więcej niż jednym rodzaju komputera. interpretować: Aby uruchomić program w języku wysokiego poziomu, tłumacząc go jedną linijką na raz i natychmiast wykonując odpowiednie instrukcje. kompilacja: aby przetłumaczyć program na język wysokiego poziomu na język niskiego poziomu, wszystko naraz, w ramach przygotowań do późniejszego wykonania. kod źródłowy: program w języku wysokiego poziomu, przed kompilacją. kod obiektu: wyjście kompilatora, po przetłumaczeniu programu. wykonywalny: inna nazwa kodu obiektowego, który jest gotowy do uruchomienia na określonym sprzęcie. maszyna wirtualna: emulacja prawdziwej maszyny. JVM umożliwia komputerowi uruchamianie programów Java. kod bajtowy: specjalny rodzaj kodu obiektowego używanego w programach Java.Kod bajtowy jest podobny do kodu obiektowego, ale jest przenośny jak język wysokiego poziomu. string: ciąg znaków; podstawowy typ danych dla tekstu. nowa linia: znak specjalny oznaczający koniec wiersza tekstu.Znany również jako “koniec linii”, “koniec linii” (EOL) lub “przerwa linii”. sekwencja ucieczki: Sekwencja kodu, która reprezentuje znak specjalny, gdy jest używana wewnątrz ciągu znaków. algorytm: procedura lub formuła rozwiązania problemu, z komputerem lub bez niego. Informatyka: Naukowe i praktyczne podejście do obliczeń i ich zastosowań. błąd: błąd w programie. debugowanie: proces znajdowania i usuwania błędów.

1.11 ćwiczenia

na końcu każdego rozdziału zamieszczamy ćwiczenia, które możesz wykonać z rzeczy, których się nauczyłeś.Zachęcamy do przynajmniej spróbowania każdego problemu.Nie można nauczyć się programować tylko czytając o tym; trzeba ćwiczyć.

zanim będziesz mógł skompilować i uruchomić programy Java, być może będziesz musiał pobrać i zainstalować kilka narzędzi.Istnieje wiele dobrych opcji, ale zalecamy DrJava, które jest” zintegrowanym środowiskiem programistycznym ” (IDE) dobrze nadającym się dla początkujących.

Kod tego rozdziału znajduje się w katalogu ch01 thinkjavacode2.Zobacz stronę ?? instrukcje jak pobrać repozytorium.Przed rozpoczęciem ćwiczeń zalecamy skompilowanie i uruchomienie przykładów.