92、Java核心包功能解析与应用实践-优快云博客

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Java核心包功能解析与应用实践

1. java.awt：抽象窗口工具包

1.1 概述

抽象窗口工具包（AWT）允许我们编写图形用户界面（GUI），并且能在各种系统上合理运行。它默认使用本地平台的外观和感觉来显示GUI组件，例如在Mac上显示Macintosh风格的按钮，在X平台上显示Motif风格的按钮，在Windows系统上显示Windows风格的按钮等。

1.2 布局管理

在使用AWT时，需要改变我们对GUI布局的思考方式。绝对布局在可移植界面中并不适用，因为不同系统上组件的大小可能不同，使用绝对布局可能导致界面在不同系统上显示混乱。

AWT提供了多种布局管理器，它们大多使用相对布局，即组件的位置和大小是相对于其他组件的。所有布局管理器都实现了 LayoutManager 接口或其扩展接口 LayoutManager2 。以下是一些常见的布局管理器：
- FlowLayout ：简单地将组件依次排列在一行，当空间不足时开始新的一行。
- GridBagLayout ：具有很高的灵活性。

我们也可以自定义布局管理器。在设计界面时，应该考虑组件之间的相对位置关系，选择合适的布局管理器，并添加组件以实现预期的布局效果。

1.3 标准组件与容器

AWT包含一系列标准的GUI组件，如标签、按钮、复选框、选择列表、滚动条、文本字段、文本区域等。同时，还有一些顶级容器，如对话框和窗口，我们可以在其中放置其他组件，建议使用相对布局管理器。

1.4 自定义绘图

如果需要在屏幕上绘制自定义图形，最简单的方法是继承 Component 或 Container 类，并重写 paint 方法，使用传递给 paint 方法的 Graphics 对象进行绘制。如果绘制的组件包含其他组件，则应继承 Container 类。

1.5 事件处理

AWT是一个基于事件的系统。当用户执行操作（如移动鼠标、点击鼠标按钮或按键）时，会生成一个事件，该事件会标识出事件的源组件，并封装事件的性质。事件会被放入中央事件队列，由单个事件线程进行处理。事件线程会依次从队列中取出事件，并将其分发给源组件。

我们可以通过编程方式生成事件，例如调用组件的 repaint 方法会将一个 UPDATE 事件放入事件队列，也可以创建事件对象并直接插入事件队列。

组件可以通过事件线程调用其方法来接收事件通知，我们还可以注册监听器对象，当组件内发生事件时，监听器对象会收到通知。以下是一个示例代码，展示了如何为按钮添加动作监听器：

Button b = new Button("Exit");

b.addActionListener(
    new ActionListener() {
        public void actionPerformed(ActionEvent e) {
            System.exit(0);
        }
    }
);
gui.add(b);

动作事件通常来自组件的基本操作，如按下按钮或选择复选框。 ActionEvent 类包含了动作事件的详细信息，如操作发生时按下的键盘修饰键（如 Alt 或 Control 键）。要接收动作事件，需要注册对动作事件的兴趣，可以通过向组件添加 ActionListener 或调用 enableEvents 方法并传入适当的掩码来实现。

1.6 其他功能

java.awt 中的其他类允许我们设置颜色、字体等属性。这些属性默认从外部组件继承，我们可以通过显式指定组件的颜色来覆盖默认设置。此外， java.awt 还有多个子包，用于处理图像、声音和其他媒体，如下所示：
- java.awt.color ：颜色处理工具
- java.awt.datatransfer ：应用程序之间的数据传输，如剪切、复制和粘贴
- java.awt.dnd ：拖放功能
- java.awt.event ：各种事件监听器和适配器类，用于将事件与代码连接
- java.awt.font ：字体处理API
- java.awt.geom ：二维几何
- java.awt.im ：本地化输入设备的输入法接口
- java.awt.image ：用于读取和处理图像的多个接口和类
- java.awt.print ：打印API

2. java.applet：小程序

2.1 概述

小程序（Applets）是一种在其他应用程序（通常是Web浏览器）中运行代码的方式。许多人通过小程序首次接触Java虚拟机及其应用。小程序主要由管理其生命周期的协议和查询、操作其运行时环境的方法定义。

2.2 生命周期

当网页的HTML中出现 <applet> 或 <object> 标签时，浏览器会从URL下载指定类的代码，创建该类的对象，在网页上为该对象创建一个可控制的区域，然后调用对象的 init 方法，通常还会为该小程序创建一个线程组和线程。

小程序的生命周期包括四个方法：
1. init ：初始化方法，在小程序启动时调用。
2. start ：告诉小程序它处于活动状态，应执行其功能。
3. stop ：当浏览器认为用户不再对小程序感兴趣时（如用户离开小程序所在页面），调用该方法让小程序停止当前操作。
4. destroy ：当浏览器认为小程序不再需要时（如用户离开多个页面），调用该方法释放小程序使用的资源。

小程序类通常会重写这些生命周期方法。例如，如果小程序使用线程来执行任务， init 方法通常会创建线程， start 方法会启动线程， stop 方法会暂停线程以避免在页面不可见时消耗资源， destroy 方法会中断线程。

2.3 参数获取与安全

小程序可以从 <param> 标签获取参数，以自定义其行为，例如获取颜色、字体或要显示的图像的URL。

小程序通常在高度受限的安全环境中运行，以保护计算机和网络免受恶意小程序的侵害。默认情况下，一些便利功能（如本地临时磁盘）可能不可用。我们可以通过指定适当的安全策略为单个小程序授予执行特定操作的权限。

2.4 优势

小程序模型展示了Java平台的强大之处。相同的代码可以在各种系统上以相同的方式运行，允许单个小程序在不同的浏览器、窗口系统和操作系统上运行。Java字节码的可移植性使得我们可以根据需要将应用程序的一部分在服务器上执行，另一部分在客户端系统上通过下载的代码执行。

3. java.beans：组件

3.1 概述

JavaBeans组件架构帮助独立供应商编写可以被用户组装成更大系统的组件类。 java.beans 包提供了编写此类组件所需的有用类。一个Bean可以导出属性、生成事件并实现方法。通过遵循特定的设计模式或实现提供行为描述的方法，我们可以使用交互式工具组合Bean，构建用户所需的系统。

3.2 设计模式与信息提供

如果遵循预期的设计模式，Bean的很多行为会得到简化。例如，如果我们的Bean类名为 Ernest ，并提供一个实现 BeanInfo 接口的类 ErnestBeanInfo ，JavaBeans工具将使用 ErnestBeanInfo 作为获取Bean行为信息的来源，如它支持的事件、使用的图标等。

提供 BeanInfo 对象是可选的，JavaBeans系统会使用反射来推断事件和属性。例如，如果 Ernest 类有 getImportance 和 setImportance 方法，JavaBeans系统会认为存在一个可以设置的 importance 属性。构建工具会向用户展示这些属性和事件，用户可以使用它们将Bean作为组件连接起来，构建自定义应用程序。

3.3 与AWT的关系及架构特点

AWT组件也是Bean，AWT组件的事件模型也是JavaBeans的事件模型。JavaBeans组件架构旨在与现有组件架构互操作，扩展了“一次编写，到处运行”的能力，创建了一个统一的组件平台。 java.beans.beancontext 子包定义了用于描述Bean或一组Bean执行上下文的接口和类，Bean上下文可以嵌套。

4. java.math：数学计算

4.1 概述

java.math 包提供了用于数学计算的类。目前，它包含三个类： BigInteger 、 BigDecimal 和 MathContext ，以及一个枚举 RoundingMode ，用于定义不同的舍入模式。

4.2 BigInteger类

BigInteger 类提供任意精度的整数运算，除了 >>> 操作（在任意精度整数中， >>> 等同于 >> ，因为没有符号位需要复制），它提供了与所有整数操作类似的操作。提供的单比特操作（ clearBit 和 setBit ）不会改变操作数的符号。 BigInteger 对象是不可变的，所有操作都会产生新的 BigInteger 对象。

以下是一个使用 BigInteger 进行质因数分解的示例代码：

static final BigInteger ONE = BigInteger.valueOf(1);
static final BigInteger TWO = BigInteger.valueOf(2);
static final BigInteger THREE = BigInteger.valueOf(3);
public static Iterator<BigInteger> factors(BigInteger num) {
    ArrayList<BigInteger> factors = 
        new ArrayList<BigInteger>();
    if (num.compareTo(ONE) <= 0) { // num<=ONE means skip it
        factors.add(num);
        return factors.iterator();
    }
    BigInteger div = TWO;                     // divisor
    BigInteger divsq = BigInteger.valueOf(4); // div squared
    while (num.compareTo(divsq) >= 0) {
        BigInteger[] res = num.divideAndRemainder(div);
        if (res[1].signum() == 0) { // if remainder is zero
            factors.add(div);
            num = res[0];
        } else {                    // try next divisor
            if (div == TWO)
                div = THREE;
            else
                div = div.add(TWO);
            divsq = div.multiply(div);
        }
    }
    if (!num.equals(ONE))   // leftover must be a factor
        factors.add(num);
    return factors.iterator();
}

在这个方法中，我们首先创建了常量 ONE 、 TWO 和 THREE ，因为它们经常被使用。如果要分解的数小于或等于1，我们将其视为自身的因数。然后，我们从2开始尝试所有可能的除数，直到除数的平方大于当前数。如果除数能整除该数，则它是一个质因数，我们继续对商进行分解。

4.3 BigDecimal类

BigDecimal 提供任意精度的有符号十进制数，由任意精度的整数和一个表示小数点右边小数位数的 int 类型的 scale 组成。实际所需的精度可以通过 MathContext 对象设置，可以在创建 BigDecimal 对象时关联该对象，也可以在执行操作时作为参数传递。

十进制除法和改变数字的精度需要进行舍入操作，我们可以在每个操作中指定舍入方式，也可以通过关联的 MathContext 对象指定。 RoundingMode 枚举定义了八种不同的舍入模式，我们可以要求向上舍入、向下舍入、向零舍入、远离零舍入或向最近的值舍入，也可以断言不需要舍入，如果实际需要舍入则会抛出 ArithmeticException 异常。

5. java.net：网络编程

5.1 概述

java.net 包提供了与网络基础设施相关的类，如套接字、网络地址、统一资源标识符（URI）和统一资源定位符（URL）。

5.2 套接字编程

java.net 包以 Socket 类为核心，它表示与另一个套接字（可能在另一台机器上）的连接，通过该连接可以传输字节。我们通常使用主机名或 InetAddress 和端口号创建套接字，也可以指定本地的 InetAddress 和端口。

ServerSocket 类允许我们在指定端口监听传入的连接请求，并为每个请求创建一个套接字。以下是一个简单的示例代码，展示了如何接受套接字输入：

import java.net.*;
import java.io.*;
public class AcceptInput {
    public static final int PORT = 0xCAFE;
    public static void main(String[] args) 
        throws IOException
    {
        ServerSocket server = new ServerSocket(PORT);
        byte[] bytes = new byte[1024];
        for (;;) {
            try {
                System.out.println("---------------------");
                Socket sock = server.accept();
                InputStream in = sock.getInputStream();
                int len;
                while ((len = in.read(bytes)) > 0)
                    System.out.write(bytes, 0, len);
                in.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

相应的客户端代码如下，用于将标准输入发送到服务器：

import java.net.*;
import java.io.*;
public class WriteOutput {
    public static void main(String[] args) 
        throws IOException
    {
        String host = args[0];

        Socket sock = new Socket(host, AcceptInput.PORT);
        OutputStream out = sock.getOutputStream();
        int ch;
        while ((ch = System.in.read()) != -1)
            out.write(ch);
        out.close();
    }
}

一旦建立了实际的套接字连接，就可以像处理其他I/O一样，使用适当的输入或输出流进行I/O操作。

5.3 URL处理

URL 对象用于存储URL，并提供了检查和设置其各个部分（协议、主机、端口号和文件）的方法。要连接到指定的资源，需要调用 openConnection 方法，该方法返回一个 URLConnection 对象，通过该对象可以获取资源的头部字段和内容作为输入或输出流。以下是一个读取URL内容的示例代码：

import java.net.*;
import java.io.*;
public class ReadURL {
    public static void main(String[] args) {
        for (String url : args) {
            try {
                readURL(url);
            } catch (Exception e) {
                System.err.println(url + ":");
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    private static void readURL(String name)
        throws MalformedURLException, IOException
    {
        URL url = new URL(name);
        URLConnection connect = url.openConnection();
        InputStream in = connect.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len;        // number of bytes actually read
        while ((len = in.read(bytes)) >= 0)
            System.out.write(bytes, 0, len);
    }
}

5.4 其他功能

URLEncoder 类可以将ISO Latin - 1字符串（如用户输入的查询）转换为可以包含在URL中的形式，ASCII字母和数字保持不变，空格字符转换为 + ，其他字符用其低8位的十六进制表示，并在前面加上 % 。

File.toURL 方法可以为 File 对象指定的路径创建文件URL。

我们还可以创建 DatagramSocket 对象，用于发送和接收包含字节数组的 DatagramPacket 对象。数据报是一种无连接的数据包传输服务，数据包可以单独寻址和路由，可能以任意顺序接收。 DatagramSocket 的子类 MulticastSocket 可以创建一个能够向多个地址发送和接收数据包的套接字。

综上所述，Java的这些核心包为我们提供了丰富的功能，涵盖了图形界面、小程序、组件化开发、数学计算和网络编程等多个领域，帮助我们构建功能强大、可移植的应用程序。在实际开发中，我们可以根据具体需求选择合适的包和类，灵活运用它们的功能。

6. 各包功能总结与对比

6.1 功能总结表格

包名	主要功能	核心类/接口	应用场景
java.awt	提供图形用户界面（GUI）开发能力，支持布局管理、事件处理等	Component、Container、ActionListener	开发桌面应用程序的界面
java.applet	允许在Web浏览器中运行小程序，有特定的生命周期管理	Applet	在网页中嵌入小型的Java应用
java.beans	实现组件化开发，使组件可被用户组装成更大系统	BeanInfo、ActionListener	构建可复用的组件系统
java.math	提供任意精度的数学计算功能	BigInteger、BigDecimal	处理需要高精度计算的场景，如金融计算
java.net	支持网络编程，包括套接字、URL处理等	Socket、ServerSocket、URL	开发网络应用程序，如服务器端和客户端程序

6.2 对比分析

6.2.1 图形与交互方面

java.awt 侧重于提供丰富的GUI组件和布局管理，让开发者可以创建出各种复杂的桌面界面。而 java.applet 主要用于在网页环境中运行小型的Java程序，其界面功能相对受限，更强调与网页的集成和交互。

6.2.2 组件化与复用性

java.beans 通过定义组件的属性、事件和方法，实现了组件的可复用性和可组装性，适合构建大型的、模块化的系统。而 java.awt 中的组件虽然也可以复用，但 java.beans 提供了更规范的组件开发模式。

6.2.3 计算精度与网络通信

java.math 专注于高精度的数学计算，为需要精确计算的场景提供了支持。 java.net 则专注于网络编程，使开发者可以方便地实现网络连接、数据传输等功能。

7. 实际应用案例与操作流程

7.1 开发一个简单的桌面应用（使用java.awt）

7.1.1 需求分析

开发一个简单的桌面应用，包含一个按钮，点击按钮可以退出程序。

7.1.2 操作流程

创建窗口和按钮 ：

import java.awt.*;
import java.awt.event.*;

public class SimpleDesktopApp {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建窗口
        Frame frame = new Frame("Simple Desktop App");
        // 创建按钮
        Button exitButton = new Button("Exit");

        // 为按钮添加动作监听器
        exitButton.addActionListener(new ActionListener() {
            @Override
            public void actionPerformed(ActionEvent e) {
                System.exit(0);
            }
        });

        // 将按钮添加到窗口
        frame.add(exitButton);
        // 设置窗口大小
        frame.setSize(300, 200);
        // 设置窗口可见
        frame.setVisible(true);
    }
}

代码解释 ：
- 首先创建一个 Frame 对象作为窗口。
- 然后创建一个 Button 对象，并为其添加 ActionListener ，当按钮被点击时，调用 System.exit(0) 退出程序。
- 最后将按钮添加到窗口，设置窗口大小并使其可见。

7.2 开发一个简单的网络服务器和客户端（使用java.net）

7.2.1 需求分析

开发一个简单的网络服务器，接收客户端的输入并打印，客户端将标准输入发送到服务器。

7.2.2 操作流程

服务器端代码 ：

import java.net.*;
import java.io.*;

public class AcceptInput {
    public static final int PORT = 0xCAFE;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server = new ServerSocket(PORT);
        byte[] bytes = new byte[1024];
        for (;;) {
            try {
                System.out.println("---------------------");
                Socket sock = server.accept();
                InputStream in = sock.getInputStream();
                int len;
                while ((len = in.read(bytes)) > 0)
                    System.out.write(bytes, 0, len);
                in.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

客户端代码 ：

import java.net.*;
import java.io.*;

public class WriteOutput {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String host = args[0];
        Socket sock = new Socket(host, AcceptInput.PORT);
        OutputStream out = sock.getOutputStream();
        int ch;
        while ((ch = System.in.read()) != -1)
            out.write(ch);
        out.close();
    }
}

代码解释 ：
- 服务器端使用 ServerSocket 在指定端口监听客户端的连接请求，当有客户端连接时，创建一个 Socket 对象，从输入流中读取客户端发送的数据并打印。
- 客户端使用 Socket 连接到服务器，将标准输入的数据通过输出流发送到服务器。

7.3 高精度计算示例（使用java.math）

7.3.1 需求分析

计算一个大整数的质因数分解。

7.3.2 操作流程

import java.math.BigInteger;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;

public class PrimeFactorization {
    static final BigInteger ONE = BigInteger.valueOf(1);
    static final BigInteger TWO = BigInteger.valueOf(2);
    static final BigInteger THREE = BigInteger.valueOf(3);

    public static Iterator<BigInteger> factors(BigInteger num) {
        ArrayList<BigInteger> factors = new， ArrayList<BigInteger>();
        if (num.compareTo(ONE) <= 0) {
            factors.add(num);
            return factors.iterator();
        }
        BigInteger div = TWO;
        BigInteger divsq = BigInteger.valueOf(4);
        while (num.compareTo(divsq) >= 0) {
            BigInteger[] res = num.divideAndRemainder(div);
            if (res[1].signum() == 0) {
                factors.add(div);
                num = res[0];
            } else {
                if (div == TWO)
                    div = THREE;
                else
                    div = div.add(TWO);
                divsq = div.multiply(div);
            }
        }
        if (!num.equals(ONE))
            factors.add(num);
        return factors.iterator();
    }

    public static void main(String[] args) {
        BigInteger number = BigInteger.valueOf(123456789);
        Iterator<BigInteger> factorIterator = factors(number);
        while (factorIterator.hasNext()) {
            System.out.println(factorIterator.next());
        }
    }
}

7.3.3 代码解释

定义了常量 ONE 、 TWO 和 THREE ，用于简化计算。
在 factors 方法中，首先判断输入的数是否小于等于1，如果是则将其作为自身的因数。然后从2开始尝试所有可能的除数，直到除数的平方大于当前数。如果除数能整除该数，则它是一个质因数，继续对商进行分解。
在 main 方法中，创建一个大整数并调用 factors 方法进行质因数分解，最后打印出所有的质因数。

8. 总结与展望

8.1 总结

Java的这些核心包为开发者提供了强大而丰富的功能，涵盖了图形界面开发、小程序应用、组件化开发、高精度计算和网络编程等多个领域。通过合理使用这些包，开发者可以构建出功能强大、可移植的Java应用程序。

8.2 展望

随着技术的不断发展，这些核心包可能会不断进行优化和扩展。例如，在图形界面方面，可能会提供更现代化、更美观的界面组件和布局方式；在网络编程方面，可能会更好地支持新兴的网络协议和技术。同时，组件化开发也可能会朝着更加智能化、自动化的方向发展，进一步提高开发效率和代码的复用性。

在未来的开发中，开发者可以更加深入地研究这些核心包的功能，结合新的技术和需求，创造出更加优秀的Java应用程序。

9. 附录：关键流程的mermaid流程图

9.1 服务器端接收客户端连接流程

graph TD;
    A[创建ServerSocket] --> B[监听端口];
    B --> C{有连接请求?};
    C -- 是 --> D[创建Socket];
    D --> E[获取输入流];
    E --> F[读取数据];
    F --> G[处理数据];
    G --> C;
    C -- 否 --> B;

9.2 大整数质因数分解流程

graph TD;
    A[输入大整数num] --> B{num <= 1?};
    B -- 是 --> C[将num作为因数];
    B -- 否 --> D[初始化除数div = 2];
    D --> E[计算div的平方divsq];
    E --> F{divsq <= num?};
    F -- 是 --> G{num能被div整除?};
    G -- 是 --> H[将div作为因数];
    H --> I[更新num为num / div];
    I --> E;
    G -- 否 --> J{div == 2?};
    J -- 是 --> K[div = 3];
    J -- 否 --> L[div = div + 2];
    K --> E;
    L --> E;
    F -- 否 --> M{num != 1?};
    M -- 是 --> N[将num作为因数];
    M -- 否 --> O[结束];
    C --> O;
    N --> O;

通过以上的总结、案例分析和流程图，我们对Java的这些核心包有了更全面、深入的了解，希望能帮助开发者在实际项目中更好地运用这些知识。