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JavaSE（一）走进Java语言

在当今蓬勃发展的编程语言生态中，Java 始终占据着举足轻重的地位。无论是桌面应用开发、移动应用开发，还是企业级后端系统构建，都能看到 Java 的身影。而 Java SE 作为 Java 生态的基础，更是每一位 Java 学习者必须扎实掌握的核心内容。本文将带大家一同走进 Java 语言的世界，深入探索 Java SE 的奥秘，为后续的 Java 学习之路奠定坚实的基础。

注意： 开始学习JavaSE之前建议学习课程《C语言程序设计》《数据结构》《操作系统》《计算机组成原理》这些前置课程对于你接下来学习JavaSE有着非常重要的帮助。

一、Java 语言的起源与发展：一段传奇的诞生

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Java 语言的诞生并非偶然，它源于 20 世纪 90 年代初 Sun Microsystems 公司（后被 Oracle 公司收购）的一项内部项目。当时，由詹姆斯・高斯林（James Gosling）领导的开发团队，最初的目标是为消费电子产品（如机顶盒、智能家电等）开发一种跨平台的编程语言。由于这些设备的硬件架构和操作系统各不相同，传统的编程语言往往需要针对不同平台进行单独开发和编译，效率极低。

1995 年，Java 语言正式发布，其独特的 “一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere，WORA）理念震惊了整个软件行业。这一理念的核心在于 Java 虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）的引入。开发者只需将 Java 源代码编译成字节码（Bytecode），而字节码可以在任何安装了 JVM 的平台上运行，无需再针对不同平台进行修改和重新编译。这种跨平台特性彻底改变了软件开发的模式，让 Java 迅速在各个领域得到广泛应用。

随着时间的推移，Java 语言不断发展完善。从最初的 Java 1.0 版本，到后来的 Java 5（引入泛型、枚举、注解等重要特性）、Java 8（引入 Lambda 表达式、Stream API 等，极大提升了开发效率），再到如今的 Java 21（持续优化性能、增强安全性，并引入更多实用特性），Java 始终保持着强大的生命力和更新迭代速度。而 Java SE 作为 Java 平台的标准版，也在不断更新中，为开发者提供更稳定、更高效、更安全的开发环境。

二、Java SE 的核心特性：为何 Java 如此受欢迎

Java SE 之所以能成为众多开发者的首选，与其丰富且强大的核心特性密不可分。这些特性不仅让 Java 语言易于学习和使用，还能保证开发出的应用具有高质量、高可靠性和高可扩展性。

（一）跨平台性：Java 的 “灵魂” 特性

如前所述，跨平台性是 Java 最核心、最具竞争力的特性之一，而这一特性的实现完全依赖于 JVM。在不同的操作系统（如 Windows、Linux、macOS）上，只需安装对应的 JVM，Java 程序就能正常运行。这意味着开发者无需为不同的平台编写不同版本的代码，极大地减少了开发工作量，降低了维护成本。例如，一个在 Windows 系统上开发的 Java 桌面应用，无需修改任何代码，就能在 Linux 和 macOS 系统上顺利运行，这种便捷性是许多其他编程语言无法比拟的。

（二）面向对象编程（OOP）：构建灵活的程序结构

Java 是一种纯面向对象的编程语言，它完全支持面向对象的三大基本特征：封装、继承和多态。

  • 封装： 将对象的属性和方法封装在一起，隐藏对象的内部实现细节，只对外提供统一的访问接口。这不仅能保护对象的数据安全，防止外部程序随意修改对象的内部状态，还能提高代码的可维护性。例如，在定义一个 “学生” 类时，我们可以将学生的 “学号”“姓名”“年龄” 等属性设置为私有（private），然后通过公共的（public）getter 和 setter 方法来访问和修改这些属性，确保属性的修改符合一定的逻辑规则。
  • 继承： 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，子类可以复用父类的代码，减少代码冗余，同时还能在父类的基础上扩展新的功能。例如，我们可以定义一个 “动物” 父类，包含 “吃”“睡” 等方法，然后让 “猫”“狗”“鸟” 等子类继承 “动物” 类，子类不仅能直接使用父类的 “吃”“睡” 方法，还能添加自己特有的方法（如 “猫” 的 “抓老鼠” 方法、“鸟” 的 “飞” 方法）。
  • 多态： 指同一个方法在不同的对象上可以有不同的实现方式。多态性使得程序具有更强的灵活性和扩展性，当需要添加新的功能时，只需创建新的子类并实现相应的方法，无需修改原有代码。例如，同样是 “叫” 的方法，“猫” 子类实现为 “喵喵叫”，“狗” 子类实现为 “汪汪叫”，在调用 “叫” 方法时，程序会根据对象的实际类型自动执行对应的实现。

（三）安全性：为应用保驾护航

Java 在设计之初就非常注重安全性，其安全机制贯穿于程序开发和运行的整个过程。

  • 字节码验证： 当 Java 程序被加载到 JVM 中时，JVM 会对字节码进行严格的验证，检查字节码是否符合 Java 语言规范，是否存在安全隐患（如非法访问内存、破坏栈结构等）。只有通过验证的字节码才能被执行，这有效防止了恶意代码的执行。
  • 沙箱机制： Java 程序在运行时会受到沙箱（Sandbox）的限制，沙箱规定了程序可以访问的资源范围（如文件系统、网络资源等）。默认情况下，Java 小程序（Applet）只能在沙箱内运行，无法访问本地系统的敏感资源，从而保护本地系统的安全。虽然随着技术的发展，Applet 的应用逐渐减少，但沙箱机制的安全思想仍然在 Java 的其他领域得到广泛应用。
  • 垃圾回收机制（Garbage Collection，GC） ：Java 的垃圾回收机制会自动管理内存，回收不再被使用的对象所占用的内存空间，避免了内存泄漏问题。内存泄漏是许多编程语言中常见的安全隐患，一旦发生内存泄漏，程序会逐渐消耗大量内存，最终导致程序崩溃或系统故障。而 Java 的 GC 机制让开发者无需手动管理内存，大大降低了内存泄漏的风险，提高了程序的稳定性和安全性。

三、Java SE 的核心组成：搭建 Java 开发的基础框架

Java SE 并非单一的组件，而是由一系列核心组件构成的完整开发平台。这些组件相互配合，为开发者提供了从代码编写、编译、运行到调试的全流程支持。

（一）Java Development Kit（JDK）：Java 开发的核心工具包

JDK 是 Java Development Kit 的缩写，它是 Java 开发的基础，包含了 Java 编译器（javac）、Java 运行时环境（JRE）、Java 文档生成工具（javadoc）、Java 调试工具（jdb）等一系列开发工具和类库。对于 Java 开发者来说，JDK 是必不可少的工具，只有安装了 JDK，才能进行 Java 程序的开发、编译和调试。

JDK 的主要组成部分包括：

  • javac（Java Compiler）： Java 编译器，用于将 Java 源代码（.java 文件）编译成字节码文件（.class 文件）。字节码文件是一种与平台无关的二进制文件，只能在 JVM 中运行。
  • java（Java Interpreter）： Java 解释器，用于启动 JVM，并加载和执行字节码文件。当我们在命令行中输入 “java 类名” 时，实际上就是调用 java 命令，启动 JVM 来运行对应的 Java 程序。
  • JRE（Java Runtime Environment）： Java 运行时环境，包含 JVM 和 Java 核心类库（如 java.lang、java.util、java.io 等）。JRE 是 Java 程序运行的必要环境，对于只需要运行 Java 程序的用户（而非开发人员），只需安装 JRE 即可，无需安装完整的 JDK。
  • javadoc： Java 文档生成工具，用于从 Java 源代码中提取注释信息，生成 HTML 格式的 API 文档。这些 API 文档详细描述了 Java 类、方法、属性的功能、参数、返回值等信息，是开发者学习和使用 Java 类库的重要参考资料。例如，我们可以通过 javadoc 工具为自己编写的类生成 API 文档，方便其他开发者使用我们的代码。
  • 其他开发工具： 如 jdb（Java Debugger），用于调试 Java 程序，帮助开发者查找和修复程序中的错误；jar（Java Archive），用于将多个字节码文件和其他资源（如图片、配置文件等）打包成一个 JAR 文件，方便程序的发布和部署。

（二）Java 核心类库（Java API）：丰富的 “代码宝库”

Java 核心类库（也称为 Java API，Application Programming Interface）是 Java SE 的重要组成部分，它包含了大量预先编写好的类和接口，涵盖了数据结构、输入输出、网络通信、图形界面、多线程、安全等各个领域。这些类库为开发者提供了丰富的功能支持，开发者无需从零开始编写代码，只需调用类库中的相关类和方法，就能快速实现所需的功能，极大地提高了开发效率。

Java 核心类库按照功能可以分为多个包（Package），常见的核心包包括：

  • java.lang：Java 语言的核心包，包含了 Java 程序运行必不可少的类，如 Object 类（所有 Java 类的父类）、String 类（字符串处理）、Integer 类（整数类型的包装类）、Thread 类（多线程编程）等。该包中的类不需要手动导入，Java 编译器会自动导入。
  • java.util： 工具类包，包含了大量实用的工具类和数据结构类，如 ArrayList（动态数组）、HashMap（哈希表）、Date（日期处理）、Scanner（输入处理）、Collections（集合操作工具类）等。这些类在日常开发中使用频率极高，例如，我们可以使用 ArrayList 来存储一组动态变化的数据，使用 HashMap 来实现键值对的存储和查找。
  • java.io： 输入输出包，用于处理文件和流的输入输出操作，如 File 类（文件和目录的操作）、FileReader/FileWriter（字符流的读写）、BufferedInputStream/BufferedOutputStream（缓冲流的读写）等。通过 java.io 包，开发者可以实现文件的创建、删除、读取、写入等操作，以及网络数据的传输等功能。
  • java.net： 网络编程包，用于实现网络通信功能，如 Socket（套接字，用于客户端和服务器端的通信）、ServerSocket（服务器端套接字，用于监听客户端的连接请求）、URL（统一资源定位符，用于访问网络资源）等。通过java.net包，开发者可以开发客户端 / 服务器（C/S）架构或浏览器 / 服务器（B/S）架构的网络应用程序，如聊天软件、文件传输工具、Web 服务器等。
  • java.awt 和 javax.swing： 图形用户界面（GUI）开发包，用于开发桌面应用程序的图形界面。其中，java.awt 是早期的 GUI 包，依赖于本地操作系统的图形界面组件；javax.swing 是在 java.awt 基础上发展起来的轻量级 GUI 包，不依赖于本地操作系统的组件，具有更好的跨平台性和外观一致性。通过这两个包，开发者可以创建窗口、按钮、文本框、菜单等 GUI 组件，构建出美观、易用的桌面应用程序。

（三）Java Virtual Machine（JVM）：Java 跨平台的 “基石”

JVM 是 Java Virtual Machine 的缩写，它是 Java 程序运行的核心，也是 Java 实现跨平台特性的关键。JVM 本质上是一个虚拟的计算机，它具有自己的指令集、寄存器、栈、堆等内存区域，能够模拟计算机的运行过程，执行 Java 字节码文件。

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当我们运行一个 Java 程序时，JVM 会完成以下几个主要步骤：

  1. 类加载（Class Loading）： JVM 通过类加载器（ClassLoader）将字节码文件（.class 文件）加载到内存中，并将其转换为 JVM 可以识别的内部数据结构（如运行时常量池、方法区等）。类加载器按照一定的规则（如双亲委派模型）查找和加载类，确保类的加载安全和有序。
  2. 字节码验证（Bytecode Verification）： 在类加载完成后，JVM 会对字节码进行严格的验证，检查字节码是否符合 Java 语言规范，是否存在安全隐患（如非法访问内存、破坏栈结构等）。只有通过验证的字节码才能进入下一步的执行过程。
  3. 解释执行（Interpretation）： JVM 中的解释器会将字节码指令逐条翻译成机器指令，并交给计算机的 CPU 执行。这种解释执行的方式虽然实现简单，但执行效率相对较低。为了提高执行效率，现代的 JVM 还引入了即时编译（Just-In-Time Compilation，JIT）技术，将频繁执行的字节码片段（热点代码）编译成机器码并缓存起来，后续执行时直接使用缓存的机器码，从而大幅提升程序的运行速度。
  4. 内存管理（Memory Management）： JVM 负责管理 Java 程序运行过程中的内存分配和回收。JVM 将内存划分为不同的区域，如方法区（存储类信息、常量、静态变量等）、堆（存储对象实例）、栈（存储方法调用过程中的局部变量、操作数栈等）、程序计数器（记录当前线程执行的字节码指令地址）等。同时，JVM 的垃圾回收机制（GC）会自动识别并回收不再被使用的对象所占用的内存空间，避免内存泄漏问题。

四、Java SE 开发环境搭建：开启 Java 编程之旅

要进行 Java SE 开发，首先需要搭建好 Java 开发环境。下面将详细介绍在 Windows、Linux 和 macOS 三种常见操作系统上搭建 Java SE 开发环境的步骤。

（一）下载 JDK

首先，需要从 Oracle 官方网站（https://www.oracle.com/java/technologies/downloads/）下载适合自己操作系统的 JDK 版本。需要注意的是，Oracle JDK 从 Java 11 开始，商业用途需要付费，但个人学习和开发可以免费使用。此外，也可以选择开源的 OpenJDK（如 Adoptium Temurin、Amazon Corretto 等），这些 OpenJDK 版本与 Oracle JDK 功能基本一致，且完全免费，适合个人学习和企业开发使用。

在下载 JDK 时，需要根据操作系统的位数（32 位或 64 位）选择对应的安装包。目前，大多数计算机都采用 64 位操作系统，因此建议下载 64 位的 JDK 版本。

（二）安装 JDK（以 Windows 系统为例）

  1. 双击下载的 JDK 安装文件，进入安装向导。
  2. 在安装向导中，点击 “下一步”，选择 JDK 的安装路径。建议将 JDK 安装在一个简单、无中文和空格的路径下（如 “D:\Java\jdk-21”），避免后续出现路径相关的错误。
  3. 继续点击 “下一步”，JDK 会自动安装，同时会提示是否安装 JRE。由于 JDK 中已经包含了 JRE，因此可以选择不安装独立的 JRE，直接点击 “下一步” 即可。
  4. 等待安装完成后，点击 “关闭”，JDK 安装完成。

（三）配置环境变量

安装完 JDK 后，还需要配置 Java 的环境变量，以便在命令行中能够直接使用 javac、java 等命令。以 Windows 系统为例，配置步骤如下：

  1. 右键点击 “此电脑”，选择 “属性”，进入 “系统” 窗口。
  2. 在 “系统” 窗口中，点击 “高级系统设置”，进入 “系统属性” 窗口。
  3. 在 “系统属性” 窗口中，点击 “环境变量”，进入 “环境变量” 窗口。
  4. 在 “系统变量” 区域，点击 “新建”，创建一个名为 “JAVA_HOME” 的环境变量，变量值为 JDK 的安装路径。

1758417613834 5. 找到 “Path” 环境变量，点击 “编辑”，在 “编辑环境变量” 窗口中点击 “新建”，分别添加 “% JAVA_HOME%\bin” 和 “% JAVA_HOME%\jre\bin”（如果安装了独立的 JRE，则添加对应的 JRE 路径），然后点击 “确定” 保存。

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注意： 有时候操作系统不同，在这块会弹出类似下图所示的弹出，此时注意千万不能有分号。

1758417698090 6. （可选）创建一个名为 “CLASSPATH” 的环境变量，变量值为 “.;% JAVA_HOME%\lib\dt.jar;% JAVA_HOME%\lib\tools.jar”（注意前面的 “.” 表示当前目录）。在 Java 5 及以后的版本中，CLASSPATH 环境变量不是必须。

使用快捷键win+R，在弹出的运行命令窗口输入CMD回车运行，光标后输入以下几条命令，然后回车，看到如下图所示，表示环境变量安装成功。

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