69、Java编程基础与高级概念解析

Java编程基础与高级概念解析

1. 选择与迭代语句

1.1 条件表达式类型

选择或迭代语句的条件表达式必须计算为布尔类型。这是因为布尔值（true 或 false）决定了程序执行的分支或循环是否继续。

1.2 选择语句目的

选择语句的目的是根据布尔表达式的计算结果改变程序执行的流程。例如， if-else 语句会根据条件判断执行不同的代码块。

1.3 迭代语句目的

迭代语句根据表达式的结果重复执行其主体中的语句。常见的迭代语句有 while 、 do-while 和 for 循环。

1.4 switch 语句值类型

switch 语句的值可以是 int 、 char 、 byte 或 short 类型。

1.5 while 与 do/while 语句区别

while 语句在执行循环体之前先判断条件，而 do/while 语句会先执行一次循环体，再判断条件。所以， do/while 语句的循环体至少会执行一次。

1.6 选择 do/while 语句的情况

当需要至少执行一次迭代语句的主体时，选择 do/while 语句。例如，在用户输入验证的场景中，先获取用户输入，再判断输入是否有效。

1.7 switch 语句与链式 if/else 语句的使用场景

当评估标准基于 int 、 short 、 byte 或 char 类型时，使用 switch 语句更合适，它的代码结构更清晰。

1.8 break 语句在 switch 语句中的作用

在 switch 语句中， break 语句用于防止 case 语句的穿透。如果没有 break ，程序会继续执行下一个 case 语句。

1.9 无标签 break 语句在迭代语句中的效果

无标签的 break 语句会退出最内层的迭代语句。例如：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i == 5) {
        break; // 退出当前 for 循环
    }
    System.out.println(i);
}

1.10 有标签 break 语句在迭代语句中的效果

有标签的 break 语句会退出指定名称的迭代语句。示例如下：

outer: for (int i = 0; i < 3; i++) {
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
        if (i == 1 && j == 1) {
            break outer; // 退出外层 for 循环
        }
        System.out.println("i: " + i + ", j: " + j);
    }
}

1.11 无标签 continue 语句在迭代语句中的效果

无标签的 continue 语句会停止当前迭代的执行，开始下一次迭代。例如：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i % 2 == 0) {
        continue; // 跳过偶数
    }
    System.out.println(i);
}

1.12 有标签 continue 语句在迭代语句中的效果

有标签的 continue 语句会停止当前迭代的执行，开始指定名称迭代语句的下一次迭代。

2. 数组

2.1 数组的内存分配

数组是连续分配的同类型内存元素。这意味着数组中包含的原始类型值或引用在内存中是一个接一个排列的。

2.2 原始类型数组与引用类型数组的区别

原始类型数组的元素包含实际值，而引用类型数组的元素包含对堆中创建对象的引用。

2.3 数组的父类

Java 数组类型直接继承自 java.lang.Object 类。

2.4 数组对应的内存对象类型

每个 Java 数组类型在内存中都有一个对应的 java.lang.Class 对象。

2.5 数组实现的接口

Java 数组类型实现了 Cloneable 和 Serializable 接口。

2.6 确定数组长度

通过访问数组引用的 length 属性可以确定数组的长度。例如：

int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5};
int length = arr.length;
System.out.println(length); // 输出 5

2.7 多维数组

Java 多维数组是数组的数组。

2.8 多维数组创建时的维度要求

创建多维数组时，最左边的维度是必需的，最右边的维度是可选的。

2.9 不规则数组

不规则数组是指多维数组中最右边数组维度长度不同的数组。

2.10 main() 方法 String 数组的目的

main() 方法的 String 数组用于将命令行参数传递给程序。例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        for (String arg : args) {
            System.out.println(arg);
        }
    }
}

3. 问题抽象

3.1 问题抽象的定义与创造性要求

问题抽象是选择问题的关键元素并在软件中对其进行建模的过程。它需要程序员的创造力，因为需要分析问题、提取关键元素，并在软件中进行建模。而且，识别要建模的抽象可能需要创建在问题领域中没有对应物的软件实体。

3.2 问题抽象的最终结果

问题抽象的最终结果是识别和创建一个或多个新的数据类型，这些数据类型将以某种方式相互交互，以实现问题的解决方案。

3.3 问题抽象的过程

对于典型的编程问题，问题抽象的过程包括：识别问题领域的对象或实体及其交互，创建实现所需行为的相应软件数据类型。

3.4 UML 类图

3.4.1 目的

UML 类图用于表达应用程序类之间的静态关系。

3.4.2 类的表示

在 UML 中，使用矩形表示类。类的形状分为三个框，最上面的框包含类名，中间的框包含类属性名，下面的框包含类方法名。

3.4.3 空心箭头线的含义

UML 类图中，带有空心箭头的线表示基类和派生类之间的泛化/特化关系。

3.5 Java 类成员的分类

Java 类成员分为四类：静态字段、静态方法、实例字段和实例方法。

3.6 静态字段与非静态字段的区别

所有类的实例共享一个静态字段的副本，而每个实例都有自己的非静态（实例）字段副本。

3.7 静态方法与非静态方法的区别

静态方法只能操作静态字段，而非静态（实例）方法可以操作静态和实例字段。

3.8 静态与非静态成员的替代名称

静态成员也称为类成员，非静态成员也称为实例成员。

3.9 访问修饰符

Java 有三种访问修饰符： public 、 protected 和 private 。
- public ：可以被任何类访问。
- protected ：可以被同一包中的类和不同包中的子类访问。
- private ：只能被同一类中的成员访问。

3.10 水平访问概念

水平访问表示一个类与另一个类之间的客户端 - 服务器关系。客户端类应该只通过公共方法访问服务器类的功能。

3.11 数据封装

3.11.1 目的

数据封装的目的是将类的实现细节隐藏在一组公共接口方法后面。

3.11.2 违反情况

返回对象字段的引用可能会无意中违反数据封装。

3.12 方法

3.12.1 定义

方法是可执行程序功能的命名模块。

3.12.2 理想特性

一个好的方法应该有良好的命名、高度的内聚性和最小的耦合性。

3.12.3 内聚性概念

方法具有内聚性意味着它有明确的目的，不会让人意外。

3.12.4 方法应最大程度内聚

这是正确的，方法应该最大程度地内聚，以提高代码的可维护性和可理解性。

3.12.5 确保方法内聚性的步骤

给方法一个能准确反映其目的的好名字，并使其行为专注于实现其名称所指示的操作。

3.13 方法定义

3.13.1 目的

方法定义用于声明和实现一个方法。

3.13.2 可选部分

方法定义的可选部分包括方法修饰符、返回类型、参数列表和 throws 子句。

3.14 方法签名

3.14.1 定义

方法签名是所有方法都具有的一个特征，编译器和 Java 运行时使用它来解析程序中方法的使用。

3.14.2 包含部分

方法签名包括方法的名称、参数的数量和类型。

3.15 重载方法

重载方法是指具有相同名称但不同签名（即参数的数量和类型不同）的方法。例如：

public class OverloadingExample {
    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public double add(double a, double b) {
        return a + b;
    }
}

3.16 方法重载的用途

当一个方法对不同数据类型的参数执行类似操作时，方法重载很有用。

3.17 构造方法与普通方法的区别

构造方法没有返回类型，用于创建类的实例。

3.18 参数传递

在 Java 中，参数是通过值（副本）传递给所有方法的。

3.19 方法返回类型的使用

在需要特定类型对象的编程场景中，可以使用返回该类型的方法。

4. 对象关系

4.1 依赖关系

依赖关系是指两个类之间的一种关系，其中一个类的更改会影响依赖于它的类的行为。

4.2 关联关系

关联关系表示两个类之间的连接，意味着参与关联的类之间是对等关系。

4.3 聚合

聚合是两个对象之间的关联，形成整体/部分关系。

4.4 聚合的类型

聚合分为简单聚合和复合聚合。

4.5 两种聚合的区别

在简单聚合中，整体对象不控制其部分对象的生命周期；在复合聚合中，整体对象控制其部分对象的生命周期。

4.6 简单聚合的 UML 表示

在 UML 类图中，简单聚合用一条连接整体类和部分类的线表示，线的最靠近整体类的一端有一个空心菱形。

4.7 复合聚合的 UML 表示

复合聚合也用一条连接整体类和部分类的线表示，但线的最靠近整体类的一端有一个实心菱形。

4.8 表示 “使用” 关系的聚合类型

简单聚合表示两个对象之间的 “使用” 关系。

4.9 表示 “拥有” 关系的聚合类型

复合聚合表示两个对象之间的 “拥有” 关系。

4.10 UML 序列图的目的

UML 序列图展示应用程序对象之间的消息顺序。

4.11 类型安全枚举模式的用途

在 Java 1.4.2 编码实践中，类型安全枚举模式用于替代枚举类型。从 Java 5 开始，Java 语言引入了枚举类型。

4.12 复合类

由其他类类型构建的类称为复合类。

4.13 部分对象仅属于整体类的聚合类型

复合聚合中，部分对象仅属于整体或包含类。

4.14 部分对象生命周期不受整体类控制的聚合类型

简单聚合中，部分对象的生命周期不受整体或包含类的控制。

4.15 UML 类图中聚合菱形靠近的类

在 UML 类图中，聚合菱形最靠近整体类。

5. 继承

5.1 继承的目的

继承有三个基本目的：作为推理程序行为的一种方式、逐步构建程序功能的一种方式以及在程序中实现一定程度的重用。

5.2 继承层次中的类与基类的关系

属于继承层次的类与基类之间是 “is a” 关系。

5.3 接口、类和类型的关系

接口引入了一种新的数据类型和可以对该类型调用的一组授权操作（方法）；类引入了一种新的数据类型并为其一个或多个方法指定行为；类型指特定对象支持的一组方法。

5.4 泛化和特化的 UML 表示

在 UML 类图中，泛化和特化用一条从派生类指向基类的空心箭头线表示。

5.5 重写基类方法

在派生类中重写基类方法，需要定义一个与基类方法具有相同签名的方法。

5.6 重写基类方法的原因

重写基类方法是为了提供该方法的特定实现。

5.7 普通方法与抽象方法的区别

普通方法有方法体，而抽象方法被声明为抽象的，没有方法体。

5.8 抽象类的声明条件

一个类至少有一个抽象方法时，必须声明为抽象类。

5.9 类与接口的区别

• 类只能继承一个其他类，但可以实现一个或多个接口。
• 接口可以扩展任意数量的接口。
• 接口可以没有方法实现。

5.10 抽象类的 UML 表示

在 UML 类图中，抽象类的名称用斜体表示，并带有 <<abstract>> 原型。

5.11 声明接口方法但未提供实现的类

这种类是抽象类。

5.12 接口的授权成员

接口的授权成员包括常量字段、抽象方法、嵌套类声明和嵌套接口声明。

5.13 实现的 UML 表示

在 UML 类图中，实现可以用简单形式（棒棒糖图）或扩展形式（带有空心箭头虚线表示实现的普通类图）表示。

5.14 调用基类构造方法

在派生类的构造方法中，可以使用 super() 调用基类的构造方法。

5.15 调用基类非构造方法

在派生类的方法中，可以使用 super.methodName() 调用基类的非构造方法。

5.16 访问修饰符对类的影响

访问修饰符 public 、 package 、 private 和默认访问修饰符 package 对属于同一包和不同包的类的影响，从水平和垂直成员访问的角度来看，请参考相关图示。

5.17 防止类被继承

在类声明中使用 final 关键字可以防止类被继承。

5.18 防止方法被重写

将方法声明为 final 可以防止它在派生类中被重写。

5.19 多态的定义

多态是指以相同的方式处理不同的事物。

6. 图形用户界面相关

6.1 屏幕坐标系与代数笛卡尔坐标系的区别

计算机屏幕可以看作是一个二维笛卡尔坐标系，水平的 x 轴和垂直的 y 轴，原点 (x = 0, y = 0) 是屏幕的左上角，x 轴坐标向右增加，y 轴坐标向下增加。而典型的代数坐标系原点在中心，y 轴向上增加。

6.2 LayoutManager2 与 LayoutManager 的区别

LayoutManager 接口定义了部分基于组件添加到容器的顺序来布局组件的方法。 LayoutManager2 接口扩展了 LayoutManager ，添加了允许在组件添加到容器时将其与约束对象关联的方法。这个约束对象相当于一组关于组件应如何在容器中调整大小和定位的建议。

6.3 组件与容器的区别

组件是 java.awt.Component 的实例或后代，在屏幕上有可见表示，可能会也可能不会响应用户输入。容器是 java.awt.Container 的实例或后代，它只是一个可以 “包含” 其他组件的组件。

6.4 Swing 组件是否为容器

除了顶级 Swing 容器外，所有 Swing 组件都继承自 javax.swing.JComponent ，而 JComponent 继承自 Container 。这意味着 JComponents 理论上可以用作容器，但通常不建议这样做，因为这违背了它们的预期用途。如果需要添加组件的容器，应该使用 JPanel 。

6.5 允许用户输入文本的 JComponents

允许用户输入文本的 JComponents 包括 JTextField 、 JPasswordField 和 JTextArea 。

6.6 表示布尔值的 JComponents

表示布尔值的 JComponents 包括 JToggleButton 、 JCheckBox 和 JRadioButton 。

6.7 允许用户从离散选项中选择的 JComponents

允许用户从离散选项中选择的 JComponents 包括 JComboBox 、 JList 和 JMenu 。

6.8 三个顶级 Swing 容器及其区别

• JWindow ：没有边框和菜单栏，只是一个用默认背景色填充的矩形屏幕区域，供应用程序使用。
• JFrame ：通常是我们所说的 “窗口”，通常包括关闭框、标题栏、可拖动调整大小的边框和可选的菜单栏。
• JDialog ：通常用于从用户那里获取某种形式的输入。它与 JFrame 类似，但依赖于父框架或对话框。当父窗口隐藏或关闭时， JDialog 也会隐藏或关闭。而且， JDialog 可以是模态的，这意味着它可以在关闭之前阻止用户对应用程序其他部分的输入。

6.9 自动调整组件大小的布局管理器

GridLayout 、 BorderLayout 和 GridBagLayout 布局管理器会自动调整它们包含的组件大小，而 FlowLayout 不会。

6.10 GridBagConstraints 对象的字段

• gridx 和 gridy ：整数，确定组件左上角的列和行。
• gridwidth 和 gridheight ：整数，确定组件应跨越的列数和行数。
• fill ：整数，确定如果分配给组件的空间大于其首选大小时，组件应如何填充其空间。
• ipadx 和 ipady ：整数，确定要添加到组件宽度和高度的最小填充量。
• insets ： java.awt.Insets 的实例，确定组件各边应有的空间。
• weightx 和 weighty ：浮点值，范围从 0.0 到 1.0。如果 GridBagLayout 计算出所有组件的组合面积小于容器的可用面积，它将根据 weightx 和 weighty 值将额外的空间分配给每一行和每一列。
• anchor ：整数，确定组件在其空间内的位置。

6.11 使用布局管理器的原因

通过 Container.setLayout() 方法在容器中安装布局管理器，可以避免手动管理容器布局的麻烦。

6.12 JMenu 与 JComboBox 的相似之处

JMenu 类似于 JComboBox ，因为它们本质上都是一个按钮，点击后会弹出一个选项列表。

6.13 根据添加顺序布局组件的布局管理器

FlowLayout 和 GridLayout 布局管理器根据组件添加到容器的顺序进行布局。

6.14 基于约束的布局管理器

BorderLayout 和 GridBagLayout 是基于约束的布局管理器。

下面通过一个 mermaid 流程图展示一个简单的 Java 程序流程：

graph TD;
    A[开始] --> B{条件判断};
    B -- 真 --> C[执行代码块 1];
    B -- 假 --> D[执行代码块 2];
    C --> E[结束];
    D --> E;

通过以上内容，我们对 Java 编程的基础和高级概念有了更深入的理解，包括选择与迭代语句、数组、问题抽象、对象关系、继承以及图形用户界面相关知识。这些知识对于编写高质量的 Java 程序至关重要。

7. 总结与应用示例

7.1 知识总结

为了更好地理解和掌握上述 Java 编程知识，我们可以通过一个表格来总结关键概念：
| 主题 | 关键知识点 |
| — | — |
| 选择与迭代语句 | 条件表达式为布尔类型； while 先判断后执行， do/while 至少执行一次； switch 语句值类型； break 和 continue 语句的使用 |
| 数组 | 连续分配同类型内存元素；原始类型与引用类型数组区别；多维数组创建规则； length 属性确定长度 |
| 问题抽象 | 选择关键元素建模；结果是创建新数据类型；UML 类图表达类关系；访问修饰符控制访问 |
| 对象关系 | 依赖、关联、聚合关系；简单聚合和复合聚合区别；UML 图表示方法 |
| 继承 | “is a” 关系；重写方法；抽象类和接口的区别；多态概念 |
| 图形用户界面 | 屏幕坐标系与代数坐标系区别；布局管理器类型和作用；顶级 Swing 容器特点 |

7.2 综合应用示例

以下是一个简单的 Java 程序示例，结合了上述多个知识点，创建一个图形用户界面，让用户输入两个整数，然后计算它们的和：

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;

// 主类，继承自 JFrame
public class CalculatorGUI extends JFrame {
    private JTextField num1Field;
    private JTextField num2Field;
    private JLabel resultLabel;

    public CalculatorGUI() {
        // 设置窗口标题
        setTitle("简单计算器");
        // 设置窗口大小
        setSize(300, 200);
        // 设置关闭窗口时的操作
        setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        // 设置布局管理器
        setLayout(new FlowLayout());

        // 创建输入框和标签
        JLabel num1Label = new JLabel("第一个数字:");
        num1Field = new JTextField(10);
        JLabel num2Label = new JLabel("第二个数字:");
        num2Field = new JTextField(10);
        JButton calculateButton = new JButton("计算");
        resultLabel = new JLabel("结果: ");

        // 添加组件到窗口
        add(num1Label);
        add(num1Field);
        add(num2Label);
        add(num2Field);
        add(calculateButton);
        add(resultLabel);

        // 为按钮添加事件监听器
        calculateButton.addActionListener(new ActionListener() {
            @Override
            public void actionPerformed(ActionEvent e) {
                try {
                    // 获取用户输入的数字
                    int num1 = Integer.parseInt(num1Field.getText());
                    int num2 = Integer.parseInt(num2Field.getText());
                    // 计算两个数字的和
                    int sum = num1 + num2;
                    // 更新结果标签
                    resultLabel.setText("结果: " + sum);
                } catch (NumberFormatException ex) {
                    // 处理输入非数字的异常
                    resultLabel.setText("输入无效，请输入整数");
                }
            }
        });
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 在事件调度线程中创建和显示 GUI
        SwingUtilities.invokeLater(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                CalculatorGUI calculator = new CalculatorGUI();
                // 显示窗口
                calculator.setVisible(true);
            }
        });
    }
}

7.3 代码解释

• 类和继承 ： CalculatorGUI 类继承自 JFrame ，这是一个顶级 Swing 容器，用于创建窗口。
• 组件和布局 ：使用 FlowLayout 布局管理器布局组件，包括 JLabel 、 JTextField 和 JButton 。
• 事件处理 ：为 JButton 添加 ActionListener ，当按钮被点击时，获取用户输入的数字，计算它们的和，并更新 JLabel 显示结果。
• 异常处理 ：使用 try-catch 块捕获 NumberFormatException ，处理用户输入非数字的情况。

7.4 进一步学习建议

• 深入学习设计模式 ：设计模式可以帮助你更好地组织代码，提高代码的可维护性和可扩展性。例如，单例模式、工厂模式等。
• 数据库编程 ：学习如何使用 Java 与数据库进行交互，如 JDBC 编程，将数据持久化到数据库中。
• 多线程编程 ：了解 Java 多线程的概念和使用方法，提高程序的性能和响应速度。

以下是一个简单的多线程示例：

// 实现 Runnable 接口
class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            try {
                // 线程休眠 1 秒
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

public class MultiThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建两个线程
        Thread thread1 = new Thread(new MyRunnable(), "线程 1");
        Thread thread2 = new Thread(new MyRunnable(), "线程 2");

        // 启动线程
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

7.5 多线程示例解释

• Runnable 接口 ： MyRunnable 类实现了 Runnable 接口，并重写了 run() 方法，该方法定义了线程要执行的任务。
• 线程创建和启动 ：创建两个 Thread 对象，分别传入 MyRunnable 实例，并调用 start() 方法启动线程。
• 线程休眠 ：使用 Thread.sleep() 方法让线程休眠，模拟耗时操作。

通过以上的学习和实践，你可以逐步掌握 Java 编程的核心知识，不断提高自己的编程能力。

下面通过一个 mermaid 流程图展示多线程程序的执行流程：

graph LR;
    A[主线程开始] --> B[创建线程 1 和线程 2];
    B --> C[启动线程 1];
    B --> D[启动线程 2];
    C --> E{线程 1 执行任务};
    D --> F{线程 2 执行任务};
    E --> G{线程 1 任务完成};
    F --> H{线程 2 任务完成};
    G --> I[主线程继续执行];
    H --> I;
    I --> J[主线程结束];

希望这些内容能帮助你更好地理解和应用 Java 编程知识，不断探索和实践，你将在 Java 编程的道路上取得更大的进步。