任务1.1 搭建开发环境

在计算机上搭建Java程序的开发环境。

知识储备

1.1.1 Java语言概述

1.Java语言背景

20世纪90年代，硬件领域出现了单片式计算机系统，这种价格低廉的系统一出现就立即引起了自动控制领域人员的注意，因为使用它可以大幅度提升消费类电子产品（如电视机顶盒、面包烤箱、移动电话等）的智能化程度。Sun公司为了抢占市场先机，在1991年成立了一个称为Green的项目小组，帕特里克、詹姆斯·高斯林、麦克·舍林丹和其他几个工程师一起组成的工作小组研究开发新技术，专攻计算机在家电产品上的嵌入式应用。

该项目组的研究人员首先考虑采用C++来编写程序。但对于硬件资源极其匮乏的单片式系统来说，C++程序过于复杂和庞大。另外，由于消费电子产品所采用的嵌入式处理器芯片的种类繁杂，如何让编写的程序跨平台运行也是个难题。为了解决困难，他们首先着眼于语言的开发，假设了一种结构简单、符合嵌入式应用需要的硬件平台体系结构并为其制定了相应的规范，其中就定义了这种硬件平台的二进制机器码指令系统（即后来成为“字节码”的指令系统），待语言开发成功后，能有半导体芯片生产商开发和生产这种硬件平台。对于新语言的设计，Sun公司研发人员并没有开发一种全新的语言，而是根据嵌入式软件的要求，对C++进行了改造，去除了C++的一些不太实用及影响安全的成分，并结合嵌入式系统的实时性要求，开发了一种称为Oak的面向对象语言。

因为在开发Oak语言时尚且不存在运行字节码的硬件平台，所以为了在开发时可以对这种语言进行实验研究，他们就在已有的硬件和软件平台基础上，按照自己所制定的规范，用软件建设了一个运行平台。整个系统除了比C++更加简单之外，无较大区别。1992年夏天，当Oak语言开发成功后，研究者们向硬件生产商演示了Green操作系统、Oak语言及其类库和硬件，以说服他们使用Oak语言生产硬件芯片。但是，硬件生产商并未对此产生极大的热情。他们认为，在所有人对Oak语言还一无所知的情况下，就生产硬件产品的风险实在太大了，所以Oak语言也就因为缺乏硬件的支持而无法进入市场，从而被搁置了下来。

1994年六七月间，在经历了一场历时3天的讨论之后，团队决定再一次改变努力目标。这次，他们决定将该技术应用于万维网。他们认为随着Mosaic浏览器的到来，因特网正在向同样的高度互动的远景演变，而这一远景正是他们在有线电视网中看到的。作为原型，帕特里克·诺顿写了一个小型万维网浏览器WebRunner。

1995年，互联网的蓬勃发展给了Oak机会。业界为了使死板、单调的静态网页能够“灵活”起来，急需一种软件技术来开发一种程序，这种程序可以通过网络传播并且能够跨平台运行。于是，世界各大IT企业为此纷纷投入了大量的人力、物力和财力。这个时候，Sun公司想起了被搁置很久的Oak，并且重新审视了那个用软件编写的试验平台。由于它是按照嵌入式系统硬件平台体系结构进行编写的，因此非常小，特别适用于网络上的传输系统，而Oak也是一种精简的语言，用其编写的程序非常小，适合在网络上传输。Sun公司首先推出了可以嵌入网页并且随同网页在网络上传输的Applet（Applet是一种将小程序嵌入到网页中进行执行的技术），并将Oak更名为Java。Java的取名也有一个趣闻。有一天，Java组的几位会员正在讨论给这个新的编程语言取什么名字。当时，他们正在咖啡馆喝着Java（爪哇）咖啡，有一个人灵机一动，说：就叫Java怎样？这个提议得到了其他人的赞赏，于是，Java这个名字就这样传开了。Java标识正是一杯冒着热气的咖啡，如图1-1所示。5月23日，Sun公司在Sun world会议上正式发布Java和HotJava浏览器。IBM、Apple、DEC、Adobe、HP、Oracle、Netscape和微软等各大公司都纷纷停止了自己的相关开发项目，竞相购买了Java使用许可证，并为自己的产品开发了相应的Java平台。

2.Java语言的特点

（1）简单性

Java看起来设计得很像C++，但是为了使语言小和容易熟悉，设计者们把C++语言中许多可用的特征去掉了，这些特征是一般程序员很少使用的。例如，Java不支持go to语句，代之以break和continue语句及异常处理。Java还剔除了C++的操作符过载（Overload）和多继承特征，并且不使用主文件，免去了预处理程序。因为Java没有结构，数组和串都是对象，所以不需要指针。Java能够自动处理对象的引用和间接引用，实现自动的无用单元收集，使用户不必为存储管理问题烦恼，能将更多的时间和精力花在研发上。

（2）面向对象

Java是一个面向对象的语言。对程序员来说，这意味着要注意操纵数据的方法（Method），而不是严格地用过程来思考。在一个面向对象的系统中，类（Class）是数据和操作数据的方法的集合。数据和方法一起描述对象（Object）的状态和行为。每个对象是其状态和行为的封装。类是按一定体系和层次安排的，使得子类可以从超类继承行为。在这个类层次体系中有一个根类，它是具有一般行为的类。Java程序是用类来组织的。

Java还包括一个类的扩展集合，分别组成各种程序包（Package），用户可以在自己的程序中使用。例如，Java提供产生图形用户接口部件的类（java.awt包）、处理输入输出的类（java.io包）和支持网络功能的类（java.net包）。

（3）分布性

Java设计成支持在网络上应用，它是分布式语言。所以，Java程序只要编写一次，就可以广泛应用，节省大量人力物力。

（4）编译和解释性

Java编译程序生成字节码（Byte-code），而不是通常的机器码。Java程序可以在任何实现了Java解释程序和运行时系统（Run-time System）的系统上运行。

在一个解释性的环境中，程序开发的标准“链接”阶段基本消失了。如果说Java还有链接阶段，它只是把新类装进环境的过程，它是增量式的、轻量级的过程。这是一个与传统的、耗时的“编译、链接和测试”形成鲜明对比的精巧的开发过程。

（5）稳健性

Java原来是用作编写消费类家用电子产品软件的语言，所以它是被用来设计高可靠和稳健软件的。Java消除了某些编程错误，使得用它编写可靠软件相当容易。

Java是一个强类型语言，它允许扩展编译时检查潜在类型不匹配问题。Java要求显式的方法声明，不支持C语言风格的隐式声明。这些严格的要求保证编译程序能捕捉调用错误，使得用Java编写的程序更可靠。

可靠性方面最重要的增强之一是Java的存储模型。Java不支持指针，它消除重写存储和错误数据的可能性。类似地，Java自动的“无用单元收集”功能可以预防存储泄漏和其他有关动态存储分配和解除分配的有害错误。Java解释程序也执行许多运行时的检查，诸如验证所有数组和串访问是否在界限之内。

异常处理是Java中使得程序更稳健的另一个特征。异常是某种类似于错误的异常条件出现的信号。使用try/catch/finally语句，程序员可以找到出错的代码，简化了出错处理和恢复的任务。

（6）安全性

Java的存储分配模型是它防御恶意代码的主要方法之一。Java没有指针，所以程序员不能得到隐蔽起来的内幕和伪造指针去指向存储器。更重要的是，Java编译程序不处理存储安排决策，所以程序员不能通过查看声明去猜测类的实际存储安排。编译的Java代码中的存储引用在运行时由Java解释程序决定实际存储地址。

Java运行系统使用字节码验证过程来保证装载到网络上的代码不违背任何Java语言限制。这个安全机制包括类如何从网上装载，例如，装载的类是放在分开的名字空间而不是局部类，预防恶意的小应用程序用它自己的版本来代替标准Java类。

（7）可移植性

Java使得语言声明不依赖于实现的方面。例如，Java显式说明每个基本数据类型的大小和它的运算行为（这些数据类型由Java语法描述）。

Java环境本身对新的硬件平台和操作系统是可移植的。Java编译程序也使用Java编写，而Java运行系统使用ANSIC语言编写。

（8）高性能

Java是一种先编译后解释的语言，所以它不如全编译性语言快。但是有些情况下性能是很要紧的，为了支持这些情况，Java设计者制作了“及时”编译程序。它能在运行时把Java字节码翻译成特定CPU（中央处理器）的机器代码，实现全编译。

Java字节码格式设计时考虑到这些“及时”编译程序的需要，生成机器代码的过程相当简单，能产生相当好的代码。

（9）多线索性

Java是多线索语言，它提供支持多线索的执行（也称为轻便过程），能处理不同任务，使具有线索的程序设计很容易。Java的lang包提供一个Thread类，它支持开始线索、运行线索、停止线索和检查线索状态的方法。

Java的线索支持也包括一组同步原语。这些原语是基于监督程序和条件变量风范、由C.A.R.Haore开发的广泛使用的同步化方案。使用关键词synchronized，程序员可以说明某些方法在一个类中不能并发运行。这些方法在监督程序控制下，确保变量维持在一个一致的状态。

（10）动态性

Java语言可适应于变化的环境，它是一个动态的语言。例如，Java中的类可根据需要载入，甚至有些可通过网络获取。

1.1.2 安装JDK

在搭建Java开发环境之前，需要知道什么是JRE，什么是JDK。

JRE（Java Runtime Environment，Java运行时环境）是Sun公司的产品。JRE包含JVM标准实现及Java核心类库，是运行Java程序所必需的环境的集合。如果需要运行Java程序，计算机中只需要有JRE（JRE包含JVM和核心类库）即可。

JDK是Java语言的软件开发工具包，主要用于开发移动设备、嵌入式设备上的Java应用程序。JDK是整个Java开发的核心，它包含了Java的运行环境（JVM+Java系统类库）和Java工具。所以，安装了JDK后就不需要再单独安装JRE了。

接下来以Windows 10系统为例来演示JDK的安装过程，具体步骤如下。

1）通过网址https://www.oracle.com下载JDK 8。双击从官网下载的安装文件，进入JDK安装界面，如图1-2所示。

2）单击图1-2所示安装界面中的“下一步”按钮，进入JDK的自定义安装界面，如图1-3所示。在图1-3所示界面的左侧有三个功能模块可供选择，开发人员可以根据自己的需求选择所要安装的模块。选择某个模块后，在界面的右侧会出现对该模块功能的说明。具体如下。

● 开发工具：JDK的核心功能模块，包含一系列可执行程序，如javac.exe、java.exe等，还包含JRE环境。

● 源代码：Java提供公共API类的源代码。

● 公共JRE：Java程序的运行环境。由于开发工具已经包含JRE，因此可以不作选择。

在图1-3所示的界面右侧有一个“更改”按钮，单击该按钮会弹出选择安装目录的界面，如图1-4所示。通过单击右侧的按钮进行选择或者直接输入路径的方式确定JDK的安装目录，在这里采用默认安装目录，因此直接单击“确定”按钮即可。

3）单击图1-3中的“下一步”按钮即开始安装JDK。安装完毕后会进入安装完成界面，如图1-5所示。

1.1.3 JDK目录介绍

JDK安装完成后，会形成JDK的安装目录，如图1-6所示。为了更好地学习JDK，必须先对JDK安装目录下的各个子目录有所了解，接下来分别对JDK安装目录下的部分子目录进行介绍。

● bin目录：该目录存放了一些可执行程序，比如javac.exe（Java编译器）、java.exe（Java运行工具）、jar.exe（打包工具）和javadoc.exe（文档生成工具）。

● jre目录：jre是Java程序运行时环境，该目录包含Java虚拟机、运行时的类包、Java应用启动器及一个bin目录，但不包含开发工具。

● include目录：由于JDK是通过C和C++实现的，因此在启动时需要引入一些C语言的头文件，该目录就是用于存放这些头文件的。

● lib目录：lib是library的缩写，是开发工具使用的归档包文件。

bin目录中有很多可执行程序，其中最重要的就是javac.exe和java.exe，接下来对这两个可执行程序进行详细的讲解。

● javac.exe是Java编译器，它可以将编写好的Java文件编译成Java字节码文件（可执行的Java程序）。Java源文件的扩展名为.java，编译后的Java字节码文件的扩展名为.class。

● java.exe是Java运行工具，它会启动一个Java虚拟机（JVM）进程。Java虚拟机负责运行由Java编译器生成的字节码文件（.class文件）。

图1-7展示了Java程序的执行过程。

任务实施

按照本书第1.1.2节所介绍的方法安装JDK。

任务演练

【任务描述】

熟练掌握常用cmd指令。命令提示符是在操作系统中提示进行命令输入的一种工作提示符。在不同的操作系统环境下，命令提示符各不相同。在Windows环境下，命令行程序为cmd.exe。它是一个32位的命令行程序，类似微软的DOS操作系统。

【任务目的】

直到今天的Windows系统，还是离不开DOS命令的操作，大多数程序员也都擅长在DOS系统下的操作。所以，新手在学习编程时一定要掌握一些常用cmd命令。

【任务内容】

操作步骤如下。

1）运行操作CMD命令：在“开始”菜单中选择“运行”命令，输入“cmd”或“command”（在命令行中可以看到系统版本、文件系统版本）。

2）进入计算机的D盘：输入“D:”，按〈Enter〉键。

3）列出D盘中的目录：输入“dir”，按〈Enter〉键。

4）在D盘中新建文件夹，命名为“test”：输入“md test”，按〈Enter〉键后，即在D盘中新建名为“test”的空白文件夹。

5）进入test文件夹，新建一个文本文件，命名为“123”，并在文本文件中输入文字“Java程序设计”：输入“cd test”，按〈Enter〉键，进入test文件夹；输入“copy con 123.txt”，按〈Enter〉键，继续输入“Java程序设计”；按〈Ctrl+Z〉组合键，按〈Enter〉键后test文件夹下就会生成一个文本文件“123.txt”。

6）删除文件：输入“del 123.txt”，按〈Enter〉键后，123.txt文本文件就会被删除掉。