SUSTech CS109 - Java

已完成 · 笔记范围：仅期末复习

Java 简介（Introduction to Java）

Java 的语法基于 C++。

Java 之父：James Gosling。

Java 从源代码到运行：

  1. 编译器：编译源代码到字节码。javac Main.java
  2. 解释器（JVM）：读取，识别，解释，运行字节码。java Main

JVM：Java Virtual Machine，运行程序的虚拟机。
JRE：Java Runtime Environment = JVM + 核心类库。
JDK：Java Development Kit = JRE + 开发工具

变量名，方法名都是标识符（Identifiers）。标识符允许出现字母（含 Unicode）、数字、$ 和 _，不能以数字开头或使用保留关键字。

多行注释在遇到第一个 */ 时结束，不能嵌套。

/*
/* ..... */
*/ （语法错误）

转义字符（Escape Character）：\n 换行，\t Tab，\" 转义 " 字符。

数据类型与计算 (Data Type and Calculation)

  • 基础数据类型（Primitive Data Type），共有八种： 
    byte(8 bits), short(16 bits), int(32 bits), long(64 bits)  // Integral Type
float(32 bits), double(64 bits) // Floating-Point Type
// 注意 float f = 1.2f 要在数字后加个 "f" 显式告诉编译器
boolean(true/false)
char(16 bits, unicode)
  • 引用类型（Reference Type），也叫复杂数据类型（Complex Data Type）。

考虑 ++a or a++ 的区别。

逻辑运算符：与，或，非，异或。
&& or || 和 & or | 的区别：前者会短路，后者不会短路。

运算符优先级： 四则 > 比较 > 赋值。细则看这个图：
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String.format("%d", 1) 返回格式化后的字符串 "1"。

类型强制转换（Explicit Conversion） (double)a * b，其中 b 也会被隐式提升（Implicitly Promoted） 为 double。

拓宽转换不一定保留精度（例如 int/long 转 float 或 long 转 double）；比如 float 可以提升为 double，short 可以提升为 long，反过来却不安全。

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八大基础类型有对应的 Wrapper Classes
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
Map<Integer, String>

控制语句（Control Statement）

注意 if 如果不加花括号的话只看它的下一句

if (a) {
	if (b)
		c;
}
// 没有花括号的话就是这两个匹配 if(b) c; else d;
else
	d;

注意 switch 要有 break，不然会穿透继续执行下面的代码。
switch 中的变量类型不能是浮点数 float / double。

switch (a) {
	case A:
		A1;
		A2;
		break;
	case B:
		B1;
		B2;
		break;
	default:
		D;
}

循环：for, while, do...while。

数组（Array）

数组 int[] a = new int[10]; 其中 10 为数组的大小。
创建后大小不能更改，大小通过 a.length 可以获取。

注意：
数组用 a.length。
String / StringBuilder 用 a.length()。
List / Set / Map 这种东西都用 a.size()。

数组越界会抛 ArrayIndexOutOfBoundsException 异常。

初始化数组的方法：

int[] arr1 = new int[]{1, 2, 3}; // 正确
int[] arr2 = {1, 2, 3}; // 正确
int[] arr3;
arr3 = {1, 2, 3} // 不正确，必须使用 new 关键字

赋值操作只会更改数组的引用。例如：

int[] list1 = {1, 2, 3};
int[] list2 = {4, 5, 6};

list2 = list1; // list2 -> {1, 2, 3}
list1[0] = 0; // list2 -> {0, 2, 3}

多维数组：可以视为数组的嵌套。例如：

int[][] arr = new int[3][4];
int[][] arr1 = {{1, 2}, {3, 4, 5}};

方法（Method）

函数中的传参数：Java 一律按值传参：基础类型复制值，引用类型复制引用值。参数也会隐式提升。

同一个方法不同的签名（Signature，包括方法名与参数类型等，不含返回类型），可实现方法重载（Method Overloading）

可变数量参数 public static double sum(double... numbers)

调用栈（Method-Call Stack）：调用方法时会创建栈帧，推入调用栈，然后在栈顶执行，执行完会弹出栈顶。

字符串与包装类（String and Wrapper Classes）

不可变字符串 String 是 Java 预定义的类（Predefined Class），也是引用类型。

String s1 = new String("hello");
String _s1 = new String("hello");
String s2 = new String();
String s3 = new String(s1);
char[] charArray = {'h', 'e', 'l', 'l', 'o'};
String s4 = new String(charArray);
String s5 = new String(charArray, 3, 2); // "lo"
String s6 = "hello";
String _s6 = "hello";
/*
注意，s6 是用字面常量（String Literals）创建的字符串，相同的字面常量会指向同一个地址。
s1 使用 new 关键字创建一个新的实例。
那么，会导致 s1 == _s1 为 false，而 s6 == _s6 为 true。
要比较字符串的值是否相同，要用 s1.equals(_s1) -> true
忽略大小写用 s1.equalsIgnoreCase("Hello") -> true
*/
s6 = "world";
// 注意字符串具有不可变性（Immutability），这个操作会让 s6 指向 "world" 这个常量的地址，但没有删掉 "hello" 这个常量的地址。
int len = s6.length(); // 5
char c = s6.charAt(0); // w
char[] charCopy = new char[3];
s6.getChars(0, 2, charCopy, 1); // charCopy -> {\u0000, w, o};

System.out.println("hello".compareTo("HELLO")); // 32 （'h' - 'H')
System.out.println("he".compareTo("hello")); // -3 (2 - 5)
// 字符串的 compareTo 方法：找到第一个不同的字符，返回它们的 Unicode 编码差值。特别地， 如果一个字符串是另一个字符串的前缀，那么返回它们长度的差值。

boolean r1 = "hello".startsWith("he"); // true
boolean r2 = "hello".endsWith("lo"); // ture
boolean r3 = "hello".startsWith("ell", 1); // true

String s = "abcdcba";
int index1 = s.indexOf('c'); // 2
int index2 = s.indexOf('p'); // -1
int index3 = s.indexOf('c', 3); // 4 (从 index = 3 开始搜)
// lastIndexOf 为反向搜索，其余一样

String ss1 = "abcdefg".substring(2); // cdefg
String ss2 = "abcdefg".substring(2, 4); // cd

String sss = "hello".replace("ll", "LL"); // heLLo

String upper = "hello".toUpperCase(); // HELLO
String lower = "HELLO".toLowerCase(); // hello

String trimed = "  hello   ".trim(); // "hello"

String concated = "hello".concat(" world"); // "hello world"
String concated1 = "hello" + " world";

可变字符串 StringBuilder 的操作效率比较高。

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包装类（Wrapper Class）可以将八大基础类型作为对象处理：

Boolean, Character, Double, Float, Byte, Short, Integer, Long

也提供了一些静态方法，比如：

Character.isDigit('c'); // false
Integer.parseInt("8"); // 8
Double.parseDouble("3.3"); // 3.3
String.valueOf(123); // "123"

自动装箱（Auto-boxing）和自动拆箱（Auto-unboxing）：

int a = 1;
Integer b = a; // auto-boxing
int c = b; // auto-unboxing

类与对象（Class and Object）

类（Class）的属性（Attributes）：

  1. 生命周期（Lifespan）：实例从创建到销毁的时间。
  2. 变量 / 字段（Variables / Fields）
  3. 方法

包（Package）：例如 java.util ，edu.sustech.xiangqi。
可以导入包中的类，例如 import java.util.*。
还可以导入类的静态成员，例如 import static java.lang.Math.*。
但导入了同名的静态成员会有编译错误。

枚举类（Enumerations）：

public enum Direction {
	NORTH, SOUTH, EAST, WEST
}
// 用普通类示意枚举常量（不完全等价）
public final class Direction {
	private Direction() {} 
	public static final Direction EAST = new Direction();
	public static final Direction WEST = new Direction();
	public static final Direction SOUTH = new Direction();
	public static final Direction NORTH = new Direction();
}

那么 Direction 类型的变量只能赋予这四种，或者 null。

ArrayList<T>：可变长度数组。

// import java.util.ArrayList;
// import java.util.Collections;
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
System.out.println(list.get(1)); // 2
Collections.sort(list);
Collections.reverse(list);

考虑 static 关键字修饰变量或修饰方法的作用。

继承（Inheritance）

子类（Subclass）继承自超类（Superclass）。
子类可以被当成超类（is-a relationship）。也就是说，父类变量可以放子类对象。
所有类都直接或间接继承自 Object。
一个类只能有一个直接超类。
修饰符：

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子类不继承超类的 private 成员，但对象仍保留超类的私有状态。
子类可以通过 super 关键字调用（invoke）超类的构造方法。
没有标识符（no modifier）相当于 package-private。
使用 extends 关键字继承。

重写（Overriding）比如

@Override
public String toString() {
	...
}

重写方法的访问级别只能比超类 相同或更高，例如，超类中的 protected 方法可以重写为 public 方法，但不能重写为 private 方法。
重写方法的返回值需要是超类返回类型的 相同或子类型。不过，如果父类方法的返回类型是基本数据类型（如 int, double）或 void，则子类重写方法的返回类型必须完全相同。

不可以重写超类的静态方法和实例变量。但是可以在子类中定义一个与超类实例变量名相同的变量 / 与超类静态方法签名一样的方法，来隐藏超类的这些方法和变量。

class Parent {
    protected int value = 10;
    public static void staticMethod() {
        System.out.println("Parent static");
    }
}

class Child extends Parent {
	private int value = 20; // 隐藏父类的value

	public static void staticMethod() { // 隐藏父类的静态方法
		System.out.println("Child static");
	}

	public void printValues() {
		System.out.println(super.value); // 10（父类的value）
		System.out.println(this.value); // 20（子类的value）
	}
}
Parent.staticMethod(); // 输出 "Parent static"
Child.staticMethod(); // 输出 "Child static"

多态（Polymorphism）

父类变量可以放子类对象。

使用多态时，如果子类和父类有同名的方法，那么调用的是子类还是父类的方法，取决于绑定的模式：

  • 动态绑定 (Dynamic Binding)：方法调用基于运行时的实际类型，而不是变量的声明类型。 
    Animal animal;
animal = new Fish(); // 隐式转换（Implicit Casting）
animal.move(); // 动态绑定，调用的是 Fish 的 move 方法
animal.swim(); // 编译错误，因为 animal 本身没有 swim 这个方法
if (animal instanceof Fish) {
  Fish fish = (Fish) animal; // 显式转换（Explicit Casting）
  fish.swim(); // 可以正常运作
}
  • 静态绑定（Static Binding）：static 方法按编译时类型选择，不能动态重写；private 方法不被继承，final 方法不可重写。可重写的实例方法按运行时对象类型动态绑定。 
    // 考虑上面写的 Parent 和 Child 类，虽然子类隐藏了父类的 staticMethod 方法，但由于静态绑定，还是会调用父类的静态方法
Parent p = new Child();
p.staticMethod(); // 输出 "Parent static"

final 关键字：

  • 可以修饰变量，使其赋值后不能重新赋值；引用变量指向的对象仍可能被修改；
  • 可以修饰方法，让它不能被子类重写（private 方法不能被重写；static 方法可被隐藏，并不隐式声明为 final）；
  • 可以修饰类，让它不能被继承（String / System 都是 final 类）。

abstract 关键字：

  • 修饰类，让它变成抽象类。包含抽象方法的类必须声明为抽象类。抽象类也可以不包含抽象方法，可以包含具体方法，也可以包含构造方法（但不能直接调用，只能被子类间接调用）。
  • 修饰方法，规定方法必须被（不抽象的）子类实现。显然抽象方法不能是 static 或 final 的。 
    public abstract class Animal {
	public abstract void move();
}

接口（Interface）

接口与公共的抽象类类似。使用 interface 关键字。
接口不可以包含构造方法。
接口中的常量都隐式被 public static final 修饰。
接口可以包含抽象方法（Abstract） / 默认方法（Default） / 静态方法（Static）。普通无方法体的方法隐式为 public abstract。
不可以直接实例化一个接口，但接口变量可以指向实现了接口的类的实例。

Payable p1 = new Alipay();

一个类只能继承 extends 一个类，但可以实现 ` implements ` 很多个接口。

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泛型（Generic Methods）

注意 T 只能是引用类型。

public static <T> void printArray(T[] array) {
	for (T element : array) {
		...
	}
}

public static <T extends Comparable<T>> T maximum(T a, T b, T c) {
	T m = a;
	if (b.compareTo(m) > 0) m = b;
	if (c.compareTo(m) > 0) m = c;
	return m;
}

这里的 extends 声明类型参数的上界：T 必须是 Comparable<T> 的子类型（类通过实现接口满足此条件）。

泛型类（Generic Classes）例如 ArrayList<T>, Stack<T>。
泛型通过类型擦除（Erasure）实现：编译时将类型参数替换为其上界，并插入必要的类型转换。

需要注意泛型的类型安全：

String s = "abc";
Object o = s; // ok
List<String> ls = new ArrayList<String>();
List<Object> lo = ls; // compile error

也就是说，List<String> 并不是 List<Object> 的子类型。
要怎么遍历各种类型的 List 呢，除了使用泛型类型参数（Type Parameter）T，还可以使用通配符（Wildcard）? 。

public void processList(List<?> list) {
	for (Object element : list) {
		...
	}
}

今年不考异常处理。