第一章 初识Java与面向对象程序设计

1.1 Java概述

Java是一种面向对象的编程语言，它由Sun Microsystems公司于1995年首次发布。以下是关于Java的详细介绍：

语言特点

面向对象：Java支持类、对象、继承、多态等面向对象的概念。

平台无关性：Java程序编译成与体系结构无关的字节码，可以在任何安装了Java虚拟机（JVM）的平台上运行。

安全性：Java提供了多种安全机制，包括类加载器和字节代码校验，以防止恶意代码攻击。

健壮性：Java的强类型机制和异常处理确保了程序的稳定性和可靠性。

多线程：Java内置对多线程的支持，允许并发执行任务。

高性能：通过即时编译器（JIT）将字节码转换为高效的机器码，提高了程序的执行速度。

分布式：Java支持网络应用编程，可以轻松开发分布式系统。

应用领域

企业级应用：用于构建复杂的大型软件系统和网站后台。

大数据平台：Hadoop、Spark等框架大多使用Java编写，支持大规模数据处理。

移动平台：Android应用程序的开发主要使用Java语言。

嵌入式系统：Java ME适用于资源受限的设备，如智能卡和传感器。

发展历程

起源：Java最初被称为Oak，是为了消费类电子产品的嵌入式芯片设计的。

发展：1995年更名为Java，并重新设计用于开发Internet应用程序。

标准化：随着Java SE、Java EE和Java ME的推出，Java逐渐形成了完整的技术体系。

开源：2006年，Sun公司根据GNU通用公共许可证发布了Java的大部分源代码。

收购：2009年，Oracle公司收购了Sun Microsystems，继续推动Java的发展。

1.2 面向对象程序设计思想

面向对象程序设计思想是一种以对象为基础，将数据和操作整合在一起的编程范式。以下是对面向对象程序设计思想的总结：

基本概念

封装：通过将数据和操作封装在一个单独的实体中，从而将数据的访问限制在特定的范围内，保护数据的完整性，提供统一操作接口。

继承：一个类可以派生出其他子类，并继承父类的属性和方法，实现代码复用和不同层次结构中的行为定义。

多态：在不同上下文中，对象可以表现出多种形态，通过方法重写和重载实现动态行为选择，增强程序灵活性和可扩展性。

实际应用

类设计：通过定义类来封装对象的属性和行为，类之间可以通过继承和实现接口建立关系，形成复杂的类层次结构。

消息传递：对象之间通过发送消息进行交互，消息包含方法调用和参数，接收者对象执行相应操作，实现对象之间的解耦。

设计模式：应用设计模式解决常见问题，提供最佳实践，使代码更加灵活、可扩展和易于维护。

1.3 Java开发环境搭建

  安装JDK：从Oracle官网或其他可信的JDK发行商处下载适合你操作系统的JDK版本。确保选择与你的系统架构（如32位或64位）相匹配的JDK。下载完成后，双击下载的JDK安装程序，根据安装向导逐步进行安装。在安装过程中，你可以选择将JDK安装到任何你希望的位置，但请确保记住这个路径，因为后续配置环境变量时需要用到。

配置环境变量：JAVA_HOME环境变量用于指定JDK的安装目录。在Windows系统中，你可以通过“此电脑”或“计算机”的属性窗口来配置JAVA_HOME。在Linux或macOS系统中，你可以通过编辑bash配置文件（如~/.bashrc、~/.bash_profile或~/.zshrc）来设置JAVA_HOME，并添加相应行。Path环境变量用于指定可执行文件的搜索路径。你需要将JDK的bin目录添加到Path中，以便在命令行中直接运行Java命令。

验证JDK安装：配置完环境变量后，你可以通过打开命令行窗口并输入以下命令来验证JDK是否安装成功：java -version。如果命令能够正确执行并显示JDK的版本信息，则说明JDK已经成功安装并配置好了。

选择IDE：虽然你可以使用任何文本编辑器来编写Java代码，但使用一个功能强大的IDE将极大地提高你的开发效率。IntelliJ IDEA是一个功能强大且易于使用的IDE，提供了丰富的代码编辑、调试、重构和版本控制等功能。Eclipse是一个开源的、可扩展的IDE，广泛用于Java开发。NetBeans是另一个流行的Java IDE，它提供了易于使用的界面和强大的功能。

创建并运行Java程序：保存上述代码为HelloWorld.java，并在终端中执行以下命令：javac HelloWorld.java和java HelloWorld。运行结果将输出“Hello, World!”。

1.4 第一个Java程序：HelloWorld！

编写代码：通过文本编辑器或IDE（如IntelliJ IDEA、Eclipse等）编写Java源文件，文件扩展名为.java。

编译代码：使用javac命令对Java源文件进行编译，生成字节码文件（.class文件）。

运行程序：通过java命令运行编译后的字节码文件，输出“Hello World!”。

1.5 Java常用开发工具

JDK（Java Development Kit）：JDK是Java语言的软件开发工具包，包含了Java的运行环境（JVM+Java系统类库）和Java工具。它是整个Java开发的核心，用于编写、编译和执行Java应用程序。

IDE（集成开发环境）：IntelliJ IDEA、Eclipse和NetBeans是最常用的三个IDE。IntelliJ IDEA以其智能代码助手、代码自动提示、重构等功能著称；Eclipse拥有大量定制的接口和插件，适合多种编程语言的开发：NetBeans是开源的，支持多平台，功能全面。

第二章Java编程基础

2.1 变量与常量

定义

变量（Variable）：在程序运行过程中，值可以改变的量。变量用于存储数据，以便在程序中使用和操作。

常量（Constant）：在程序运行过程中，值不能改变的量。常量用于存储固定的数据，以确保其在整个程序生命周期中保持不变。

命名规则

变量名和常量名必须以字母、下划线或美元符号开头，后续字符可以是字母、数字、下划线或美元符号。

变量名和常量名区分大小写，且不能是Java的保留关键字。

声明和初始化

变量：使用dataType variableName = value;的形式声明并初始化变量。例如，int num = 10;。

常量：使用final关键字声明常量，确保其值一旦赋值后就不能改变。例如，final int MAX_SIZE = 100;。

作用域

局部变量：在方法或语句块内部声明的变量，只在该方法或语句块内有效。

实例变量：在类中声明但在方法外声明的变量，属于类的实例，每个对象都有自己的副本。

静态变量：使用static关键字声明的变量，属于类本身，而不是某个特定的对象。

常量：常量默认是静态的，可以在类级别访问，但值不能改变。

内存管理

变量在内存中的分配取决于其作用域和类型。局部变量通常分配在栈上，而实例变量和静态变量则分配在堆上。

常量由于其不可变性，通常存储在只读内存区域，以提高性能和安全性。

2.2 运算符与表达式

赋值运算符：用于将右侧表达式的值赋给左侧变量。例如，int a = 5;。

算术运算符：用于执行基本的数学运算。例如，+、-、*、/、%。

关系运算符：用于比较两个值，并返回布尔值。例如，==、!=、>、<、>=、<=。

逻辑运算符：用于组合条件表达式。例如，&&、||、!。

位运算符：用于按位操作整数类型。例如，&、|、^、~、<<、>>。

其他运算符：包括自增自减运算符（如++、--）、三目运算符（如? :）、instanceof运算符等。

优先级和结合性：不同运算符有不同的优先级和结合性。例如，乘除优先于加减，逻辑与优先于逻辑或。当优先级相同时，结合性决定计算顺序，如算术运算符的结合性为从左到右。

表达式：由运算符和操作数组成的有效组合，用于计算结果。表达式可以简单也可以复杂，包含一个或多个运算符。

类型转换：在涉及不同类型的数据时，可能需要进行显式或隐式的类型转换。例如，将浮点数转换为整数。

2.3 选择结构

if 语句：用于根据条件执行不同的代码块。基本语法为if (condition) { // code block }，如果条件为真，则执行代码块。

if-else 语句：在if 语句的基础上添加 else 子句，当条件为假时执行 else 中的代码块。语法为if (condition) { // code block } else { // another code block }。

if-else if-else 语句：允许测试多个条件。语法为if (condition1) { // code block } else if (condition2) { // another code block } else { // default code block }，依次检查每个条件，直到找到为真的条件并执行相应的代码块。

switch 语句：用于基于不同的情况执行不同的代码块。语法为switch (expression) { case value1: // code block break; case value2: // another code block break; default: // default code block }，其中break用于终止 switch 语句。

嵌套选择结构：可以在if 或 switch 语句中嵌套另一个 if 或 switch 语句，以处理更复杂的逻辑。

注意事项：在使用选择结构时，应确保所有代码路径都有明确的出口，避免出现悬挂的else 问题，即 else 子句没有明确对应的 if 语句。

2.4 循环结构

while 循环：在给定条件为真时重复执行代码块。基本语法为while (condition) { // code block }，先判断条件，后执行循环体。

do-while 循环：至少执行一次代码块，然后在给定条件为真时重复执行。语法为do { // code block } while (condition);，先执行循环体，后判断条件。

for 循环：用于执行固定次数的循环。语法为for (initialization; condition; increment/decrement) { // code block }，其中 initialization 初始化循环控制变量，condition 是循环继续的条件，increment/decrement 是每次循环后对控制变量的修改。

增强for 循环（for-each 循环）：用于遍历数组或集合。语法为for (dataType item : array) { // code block }，其中 item 是数组或集合中的元素。

嵌套循环：在一个循环体内嵌套另一个循环，用于处理多维数据结构。例如，嵌套while 循环或 for 循环。

循环控制语句：包括break（提前终止循环）、continue（跳过当前迭代，继续下一次循环）和return（从方法中返回）。

循环的应用场景：循环结构广泛应用于需要重复执行任务的场景，如遍历数组、计算总和、执行批量操作等。

注意事项：在使用循环时，应确保循环条件最终会变为假，以避免造成无限循环。同时，避免在循环内部进行不必要的复杂计算，以提高效率。

2.5 方法

方法的定义：方法是一段用于执行特定任务的代码块。在Java中，使用关键字void来定义一个不返回任何值的方法，或者指定返回类型来定义返回值的方法。

方法的返回值：除了void类型的方法外，其他方法都有一个返回类型，表示方法执行完毕后返回的结果。返回语句（return）用于从方法中返回值。

方法的调用：通过对象名或类名加上方法名和括号来调用方法。如果方法是静态的，可以直接通过类名调用；否则，需要通过对象实例来调用。

方法的重载：当多个方法具有相同的名字但参数列表不同（参数个数或类型不同）时，称为方法的重载。这允许在同一个类中定义多个功能相似但参数不同的方法。

方法的递归：当一个方法直接或间接地调用自身时，称为递归。递归通常用于解决可以分解为更小子问题的问题，如阶乘、斐波那契数列等。

方法的继承：子类可以继承父类中非私有的方法，并可以对其进行重写以提供特定的实现。这允许子类根据需要修改或扩展父类的行为。

2.6 数组

数组的定义：数组是一种数据结构，用于存储固定大小的同类型元素。每个元素都有一个索引（或称下标），通过索引可以快速访问任何元素。

数组的声明：在Java中，数组可以通过指定数据类型和数组名来声明，例如int[] arrayName;或者dataType[] arrayName;。

数组的初始化：数组可以在声明时直接初始化，也可以在声明后单独初始化。例如，int[] arrayName = {1, 2, 3};或者先声明后使用循环或其他方式赋值。

数组的长度：数组的长度是固定的，一旦创建就不能改变。可以使用arrayName.length来获取数组的长度。

数组的访问：通过索引访问数组元素，索引从0开始。例如，arrayName[0]表示访问数组的第一个元素。

数组的遍历：可以使用for循环、增强for循环或while循环来遍历数组中的每个元素。

多维数组：Java支持多维数组，即数组的数组。例如，二维数组可以看作是一个表格，其中每个元素本身又是一个一维数组。

数组的复制：可以使用System.arraycopy()方法或Arrays.copyOf()方法来复制数组。深复制和浅复制的概念也适用于多维数组的复制。

数组的排序和搜索：Java提供了Arrays.sort()方法对数组进行排序，以及Arrays.binarySearch()等方法在排序后的数组中搜索元素。

2.7 JVM中的堆内存与栈内存

JVM中的堆内存和栈内存各有其独特的特点和用途。堆内存主要用于存储对象实例，具有动态分配和垃圾回收的特点；而栈内存则主要用于存储方法调用中的临时数据，具有快速存取和自动管理的优势。

第三章面向对象程序设计（基础）

3.1 面向对象的概念

一、基本概念

对象（Object）：

对象是面向对象编程中的基本单元，代表现实世界中的一个实体或概念。

它包含属性（数据）和方法（行为），用于描述对象的状态和行为。

类（Class）：

类是对一组具有相同属性和方法的对象的描述，是创建对象的模板。

类可以包含成员变量（属性）和成员方法（行为）。

二、核心特性

封装（Encapsulation）：

封装是将对象的属性和方法私有化，仅通过公共接口与外部交互。

这有助于保护对象的内部状态，防止外部代码直接访问或修改，从而提高了代码的安全性和可维护性。

继承（Inheritance）：

继承允许一个类（子类）继承另一个类（父类）的属性和方法，从而实现代码的重用和扩展。

继承关系可以通过泛化和实现来表达，其中泛化关系表示一般与特殊的关系。

多态（Polymorphism）：

多态允许不同类的对象对同一消息作出不同的响应，即同一个方法可以有不同的实现。

多态分为运行时多态（动态多态）和编译时多态（静态多态），分别通过继承和接口实现。

三、其他重要概念

抽象（Abstraction）：

抽象是将复杂问题简化，只关注问题的本质特征，忽略不相关的细节。

在面向对象编程中，抽象通常通过抽象类和接口来实现。

关联（Association）：

关联描述对象之间的联系，如一对一、一对多、多对一等关系。

这些关系可以通过继承、聚合、组合等方式实现。

3.2 面向对象编程

3.3 构造方法

名称与类名相同：构造方法的名称必须与它所在的类名完全相同。

无返回值类型：构造方法没有返回值，并且不能指定为void或其他任何类型。

自动调用：当使用new关键字创建一个类的实例时，构造方法会自动被调用。

可重载性：构造方法可以重载，即同一个类中可以有多个构造方法，只要它们的参数列表不同即可。

定义构造方法：构造方法的名称必须与类名完全相同，并且没有返回类型。

调用构造方法：当使用new关键字创建一个对象实例时，会调用相应的构造方法来初始化对象的状态。

重载构造方法：构造方法可以重载，即一个类可以有多个构造方法，但它们必须有不同的参数列表。

3.4 this关键字

引用当前对象的实例变量：在一个类的方法内部，可以使用this关键字来引用当前对象的实例变量。这样做可以避免局部变量与实例变量同名时产生的冲突。

调用当前类的其他构造方法：在Java中，一个构造方法可以调用另一个构造方法，这种调用必须放在构造方法体的第一行，并且只能使用this关键字。

作为方法的参数传递当前对象的引用：在某些情况下，可能需要将当前对象的引用作为参数传递给其他方法或构造器。

返回当前对象的引用：在一些设计模式（如建造者模式）中，方法可能会返回this关键字，以便支持链式调用。

3.5 static关键字

静态变量：

静态变量也称为类变量，属于整个类，而不是某个对象实例。无论创建多少个类的实例，静态变量在内存中只有一份。

静态变量可以通过类名直接访问，也可以通过对象实例访问。

静态方法：

静态方法属于类，而不是某个对象实例。静态方法可以通过类名直接调用，而不需要创建类的实例。

静态方法不能访问类的实例变量和实例方法，但可以访问类的静态变量和其他静态方法。

静态代码块：

静态代码块用于在类加载时初始化静态变量或执行其他静态操作。静态代码块只会在类第一次被加载到内存时执行一次。

静态代码块可以直接定义在类中，也可以是静态方法中的代码块。

3.6 包

在Java中，包（Package）是用于组织类和接口的一种机制。包可以帮助我们更好地管理和组织代码，避免命名冲突，并提供访问控制。

第四章 面向对象程序设计（进阶）

4.1 封装

封装是一种将数据（属性）和操作这些数据的方法（行为）绑定在一起的机制。

通过封装，可以保护对象内部的状态不被外部系统意外改变，同时简化代码的维护和理解。

private

描述：private是最低级别的访问修饰符，表示成员只能在其所在的类内部访问。

适用场景：用于封装类的实现细节，防止外部类直接访问和修改。

protected

描述：protected介于public和private之间，表示成员对其所在包内的类以及所有子类（即使子类在另一个包中）可见。

适用场景：适用于需要被子类访问但不希望被包外的其他类访问的情况。

默认访问修饰符

描述：如果没有指定访问修饰符，则成员具有包级私有访问权限，即只能在同一包内的类访问。

适用场景：适用于不需要对外公开但需要在同一包内共享的成员。

public

描述：public是最高级别的访问修饰符，表示成员对所有其他类都是可见的。

适用场景：通常用于公开的API或库，允许任何其他类访问这些成员。

get方法：用于获取对象的私有属性值，并返回该值。通常，get方法的名称以“get”开头，后面跟着属性名的首字母大写的形式。

set方法：用于设置对象的私有属性值。通常，set方法的名称以“set”开头，后面跟着属性名的首字母大写的形式，并接受一个参数，即要设置的属性值。

4.2 继承
4.2.1 什么是继承

继承是面向对象编程（OOP）的核心概念之一，允许一个类（子类）继承另一个类（父类）的属性和方法。通过继承，子类可以重用父类的代码，从而实现代码的复用和扩展。

4.2.2 继承的使用

在Java中，使用extends关键字来实现继承。子类可以添加自己的属性和方法，也可以重写父类的方法。

4.2.3 方法重写

方法重写是指子类提供与父类具有相同名称和参数的方法，但实现不同。这通常用于修改或扩展父类的行为。使用@Override注解可以确保正确重写父类方法。

4.3 super关键字

4.3.1 super关键字的使用

super关键字用于引用父类的成员变量和方法。在子类的构造函数中，super用于调用父类的构造函数。

4.3.2 super与this对比

super用于访问父类的成员，而this用于访问当前对象的成员。两者都可以用来调用构造函数，但super必须在子类构造函数的第一行。

4.4 final关键字

4.4.1 final关键字介绍

final关键字用于修饰类、方法和变量，表示这些元素不能被继承、重写或修改。

4.4.2 final关键字的使用

当一个类被声明为final时，它不能被继承。当一个方法被声明为final时，它不能被子类重写。当一个变量被声明为final时，它的值一旦初始化后就不能改变。

4.5 Object类

4.5.1 Object类介绍

Object类是Java中所有类的超类（根类），它提供了一些基本的方法，如toString()、equals()和hashCode()等。

4.5.2 Object类的常见方法

toString()：返回对象的字符串表示形式。

equals()：比较两个对象是否相等。

hashCode()：返回对象的哈希码值。

4.6 多态

4.6.1 什么是多态

多态允许不同的对象以统一的方式处理，即同一个方法可以根据不同的输入执行不同的操作。它是面向对象编程的重要特性之一。

4.6.2 多态的实现

多态主要通过方法重写实现。父类的引用可以指向子类的对象，从而调用子类的方法。

4.6.3 引用类型数据转换

向上转型（Upcasting）：将子类对象转换为父类对象。

向下转型（Downcasting）：将父类对象转换为子类对象，需要强制类型转换。

4.6.4 多态中变量与方法的调用

在多态中，变量的类型决定了调用哪个方法。如果变量是父类类型，则调用父类的方法；如果变量是子类类型，则调用子类的方法（如果子类重写了该方法）。

4.7 抽象类

4.7.1 什么是抽象类

抽象类是不能实例化的类，通常包含一个或多个抽象方法（没有实现的方法），必须由子类实现。

4.7.2 抽象类的定义与使用

使用abstract关键字定义抽象类和抽象方法。抽象类可以包含具体的方法，但不能包含静态方法。

4.8 接口

4.8.1 什么是接口

接口是一种引用类型，类似于抽象类，但只能包含抽象方法（Java 8以后可以有默认方法和静态方法）。接口用于定义对象必须实现的方法，但不提供实现。

4.8.2 接口的定义与使用

使用interface关键字定义接口。类实现接口使用implements关键字。

4.8.3 接口的多实现

一个类可以实现多个接口，从而实现多重继承的功能。

4.8.4 接口的继承

接口可以继承其他接口，形成接口之间的层次结构。

4.8.5 接口的static方法和default方法

Java 8引入了static方法和default方法，允许接口拥有具体的方法实现。

4.8.6 抽象类与接口的区别

抽象类可以提供部分方法的实现，而接口只能提供抽象方法（除非使用default或static）。类可以实现多个接口，但只能继承一个抽象类（Java不支持多重继承）。

4.9 内部类概述

成员内部类：这是最常见的内部类形式，它可以是静态的或非静态的。非静态内部类需要外部类的实例来创建，而静态内部类则不需要。

静态内部类：静态内部类与外部类的关系类似于静态方法和静态变量，它不依赖于外部类的实例。静态内部类只能访问外部类的静态成员。

局部内部类：这种内部类定义在方法或代码块内部，作用域非常有限，仅在该方法或代码块内部可见。局部内部类通常用于实现特定的算法或逻辑。

匿名内部类：匿名内部类没有名字，通常用于简化代码，特别是在需要实现接口或继承一个类时。它们可以在需要的地方直接实例化。

第五章 异常

5.1异常概述

什么是异常：介绍异常的基本概念，解释异常是程序运行时出现的错误或非正常情况。

异常与错误：区分异常和错误的概念，异常是可以被捕获和处理的，而错误通常是系统级的严重问题。

Throwable与异常体系：介绍Java中的Throwable类及其子类Exception和Error，以及它们在异常体系中的角色。

Exception：详细讲解Exception类及其常用方法。

5.2异常处理

抛出异常：讲解如何在代码中显式抛出异常。

声明异常：介绍如何通过throws关键字声明一个方法可能抛出的异常类型。

捕获异常：讲解如何使用try-catch块来捕获和处理异常。

5.3异常进阶

自定义异常：介绍如何创建和使用自定义异常类。

方法重写中的异常：讨论方法重写时异常处理的规则和注意事项。

第六章 Java常用类

6.1包装类

什么是包装类：介绍包装类的基本概念，解释为什么需要包装类。

基本数据类型与包装类：详细讲解Java中的基本数据类型及其对应的包装类。

自动装箱与拆箱：介绍自动装箱和拆箱机制，以及它们的工作原理。

大数字运算：讲解如何使用BigInteger和BigDecimal类进行高精度计算。

6.2String类概述

String类：详细介绍String类的构造方法和常用属性。

String类查找方法：讲解String类中用于查找子字符串的方法，如indexOf()、contains()等。

String类转换方法：介绍String类中用于转换字符串的方法，如toUpperCase()、toLowerCase()等。

String类中的其他方法：讲解String类中的其他常用方法，如trim()、split()等。

6.3StringBuffer类与StringBuilder类

StringBuffer类：介绍StringBuffer类的构造方法和基本特性。

StringBuffer类常见方法：详细讲解StringBuffer类的常用方法，如append()、insert()、delete()等。

StringBuilder类：介绍StringBuilder类的构造方法和基本特性。

字符串拼接效率比较：比较StringBuffer和StringBuilder在字符串拼接操作中的效率差异。

链式编程：讲解如何使用链式编程风格来简化代码。

6.4时间和日期相关类

时间戳：介绍时间戳的概念及其在Java中的应用。

Date类：详细介绍Date类的构造方法和常用方法，如getTime()、setTime()等。

SimpleDateFormat类：讲解SimpleDateFormat类的使用方法，包括格式化和解析日期。

Calendar类：介绍Calendar类的构造方法和常用方法，如add()、get()、set()等。

6.5其他常用类

Math类：介绍Math类中的常用数学方法，如abs()、sqrt()、pow()等。

Random类：讲解Random类的使用方法，包括生成随机数的各种方式。

UUID类：介绍如何生成唯一标识符（UUID）。

枚举类：讲解枚举类型的定义和使用，以及如何在Java中使用枚举。