初识Java

JAVA发展简史

JAVA的诞生

1. Java 的起源可追溯到 1991 年，由 Sun Microsystems 公司的 James Gosling、Mike Sheridan 和 Patrick Naughton 主导的 “Green” 项目。
2. 该项目旨在为电视机顶盒开发一门嵌入式编程语言，最初命名为 Oak（取自加州的一棵橡树）。但由于商标冲突，后来更名为 Java ，灵感源自咖啡的名称。
3. Java 之父：Java 之父

JAVA为什么被发明

1. 应用场景：最初的目标是为下一代智能设备（如电视机顶盒、家用电器等）开发一种先进的软件平台。
2. 核心需求：不同厂商的设备使用不同的 CPU 架构（如 Motorola、Intel、MIPS 等）和操作系统。如果使用 C 或 C++ 这类传统语言，程序需要为每种硬件平台单独编译，导致开发和维护成本极高。因此，Java 被设计为一种与平台无关、跨体系结构的语言。
3. 演变与成功：虽然最初的目标市场（智能家电）并未立即成功，但随着 1995 年互联网的兴起，Java 的平台无关性和网络能力使其成为开发 Web 应用（尤其是 Applet）的理想选择，从而迅速流行起来。

JAVA的发展史

诞生与早期阶段（1991–1995）

• 1991年，Sun Microsystems 为探索未来智能家电市场，启动了Green Project，由James Gosling团队开发，最初命名为Oak（橡树）。然而，由于消费电子市场尚未成熟，Sun Microsystems 未能成功推广基于 Oak 的产品。

• 1994 年，随着万维网（WWW）的兴起，团队意识到 Oak 的平台无关性和网络支持特性非常适合互联网。于是放弃嵌入式路线，将 Oak 重新定位为面向网络的编程语言，并更名为 Java（灵感来自印度尼西亚爪哇岛，象征 “热咖啡” 般的活力）。

• 1995 年 5 月，Sun 首次发布JDK 1.0（预览版本），标志着 Java 作为一门通用编程语言的诞生。其核心理念：“Write Once, Run Anywhere”（一次编写，到处运行），依托 Java 虚拟机（JVM）实现跨平台执行。

核心技术

• JVM（Java虚拟机）：实现跨平台。
• Applet：Netscape Navigator 浏览器宣布支持 Java Applet，使 Java 成为早期 Web 动态内容的主流技术（后因安全漏洞，在 Java 9 中被标记为废弃，在 Java 11 中被彻底移除）。

标准化与爆发（1996–2006）

• 1996年：发布 JDK 1.0 首个生产级稳定版本，Java 正式走向大众市场。
• 1997年，JDK 1.1 引入 内部类、JDBC（数据库连接）。
• 1998年，J2SE 1.2 划分三大版本：J2SE（标准版，用于桌面和通用应用）、J2EE（企业版，集成 Servlet、JSP、EJB 等技术，成为企业级 Web 开发主流）、J2ME（微型版，面向手机、PDA 等资源受限设备，在功能机时代广泛应用）。
• 2004年，JDK 1.5（代号 Tiger）革命性更新：泛型、注解、自动装箱/拆箱、枚举、增强 for 循环、并发工具包 java.util.concurrent（由 Doug Lea 贡献，极大提升多线程编程效率）。
• 2005年，JDK 1.6，Java各种版本被更名，取消其中的数字”2”：J2EE更名为Java EE，J2SE更名为Java SE，J2ME更名为Java ME。
• 2006年，Sun 公司宣布将 Java 开源，在 GPLv2 许可下发布大部分 Java 源代码，成立 OpenJDK（Open Java Development Kit）项目。这一举措极大促进了 Java 社区的发展，为后续 Oracle 接管后的生态延续奠定了基础。

现代Java（2010–至今）

• 2010 年：Oracle 收购 Sun Microsystems，接管 Java。
• 2011 年：JDK 1.7 发布，改进 switch 支持字符串、try-with-resources 等语法。
• 2014年，JDK 1.8，引入 Lambda 表达式、Stream API，推动函数式编程。该版本是当前最广泛使用的版本（LTS）。
• 2017年，Java 9 推出 模块化系统（JPMS），解决“JAR 地狱”问题。
• 2018年，Oracle 宣布从 Java 10 开始，每 6 个月（每年 3 月和 9 月）发布一个新版本。
• 2018年9月，Java 11（LTS），首个长期支持的 “现代 Java” 版本，移除 Java EE 和 CORBA 模块。
• 2021年9月，Java 17（LTS），带来 密封类（Sealed Classes）、模式匹配等特性，成为当前新项目推荐使用的 LTS 基线。
• 2023年9月，Java 21（LTS），正式发布 虚拟线程（Virtual Threads），并发性能提升。
• 2024年9月，Java 23，引入字符串模板（String Templates）、类模板（Class Templates 预览），改进虚拟线程与垃圾回收性能。
• 2025年3月，Java 24，计划正式引入外部函数与内存 API（FFM）、继续完善类模板、提升编译器与运行时性能。

JAVA各版本含义

在 Java 2 平台（1998年发布）时期，Java 被划分为三个主要技术体系，以适应不同应用场景：

1. J2EE（Java 2 Enterprise Edition）

   面向服务器端应用，主要用于构建 大规模、分布式、高可用、多层架构 的企业系统，如银行交易系统、电商平台、ERP、CRM 等。2005年更名为Java EE，2017年移交至 Eclipse 基金会，更名为 Jakarta EE（因 Oracle 商标问题）。

2. J2SE（Java 2 Standard Edition）

   面向桌面和个人计算机应用，提供 Java 的核心功能，是其他版本的基础。2005年更名为 Java SE。

3. J2ME（Java 2 Micro Edition）

   面向移动设备和消费类电子产品（如手机、PDA、机顶盒等），提供精简版的 Java 平台。2018年，Oracle 宣布 Java ME 8 为最后一个主要版本，后续不再重点发展。

Note

JAVA的特点

跨平台

Java 的跨平台性体现在：字节码文件可以在任何安装了 Java 虚拟机（JVM）的设备上运行。JVM 内部的解释器会将字节码转换为对应平台的机器码并执行。因此实现了 “一次编写，到处运行” 的目标。

简单

Java 去掉了 C/C++ 中容易引发错误或增加复杂度的特性，使语言更简洁、安全，也更易于学习和使用。

• 移除了 #include、#define 等复杂的预处理机制。
• 不再支持 struct、union 和 typedef。
• 去掉了指针操作。
• 取消了多重继承，避免继承体系过于复杂。
• 不再允许使用 goto。
• 移除了操作符重载（Operator Overloading）。
• 不再支持全局变量。
• 摆脱了手动内存管理，交由垃圾回收机制（GC）自动处理。

安全

• 取消指针：Java 移除了功能强大但危险的指针，避免了随意访问内存带来的风险（如：破坏数据、干扰其他程序运行等问题）。
• 自动内存管理：通过垃圾回收器（GC）自动回收不再使用的对象，降低了内存泄漏的风险。
• 字节码加密：在字节码传输过程中采用公开密钥加密机制（PKC），增强了传输过程的安全性。
• 多层次安全机制：运行环境提供四级保障 —— 字节码校验器、类装载器、运行时内存布局、文件访问限制。
• 强类型检查：作为强类型语言，Java 在编译阶段就会进行严格的类型检查，有助于减少运行时错误，提高代码的稳定性和安全性。

完全面向对象

• 统一的面向对象理念：Java 和 C++ 都支持面向对象的三大特性 —— 封装、继承和多态。
• 区别于 C++ 的妥协：C++ 为了兼容大量的 C 语言代码，被称作“带类的 C”，在语法和设计上保留了不少非面向对象的特性，影响了其面向对象的彻底性。
• Java 的彻底性：Java 从一开始就被设计为纯粹的面向对象语言，语法简洁、规模更小，学习曲线更平滑。它在借鉴多种语言优点的同时，摒弃了 C++ 的复杂性和不足，从根本上解决了其固有缺陷。

健壮

• Java 在设计之初就强调程序的健壮性。它继承了 C/C++ 的优势，但去掉了那些容易导致错误和不稳定的特性，如：指针操作、手动内存管理（申请与释放）等。
• 同时，Java 提供了：自动垃圾回收机制、异常处理机制 和 强类型检查，进一步保障了程序的稳定性和可靠性。

多线程支持

• 内置多线程机制：Java 从语言层面就支持多线程，Thread 类和 Runnable 接口让开发者能够轻松创建和管理线程。
• 丰富的并发类库：通过 java.util.concurrent 包，Java 提供了线程池、并发集合、原子类、锁机制等工具，帮助开发者更高效、安全地处理多线程问题。
• 平台独立性：Java 的多线程由虚拟机实现，屏蔽了底层操作系统的差异，从而在各平台上保持一致的运行行为。

这些特性使得 Java 特别适合构建高并发、大规模的分布式系统。

丰富的类库

• 标准库全面：Java 拥有庞大的标准库（Java API），涵盖 IO、网络、数据结构、多线程、GUI、加密、安全、正则表达式等各个方面。
• 第三方生态丰富：除了标准库，Java 拥有成熟的第三方类库和框架（如：Spring Boot、MyBatis、JUnit 等），进一步扩展了语言的能力。

JAVA跨平台原理

虚拟机（JVM）

1. JVM（Java Virtual Machine）是一种规范，可通过软件或硬件实现，是一个用于执行 Java 字节码（bytecode）的虚拟计算机。
2. JVM 定义了虚拟机的结构和运行机制，主要包括：类加载器（Class Loader）、字节码指令集（Instruction Set）、运行时数据区（Runtime Data Areas）、执行引擎（Execution Engine）。
3. Java语言和虚拟机规范：Java虚拟机规范

虚拟机架构

类加载器（Class Loader）

• 负责在运行时将 Java 类（.class 文件）加载到 JVM 内存。
• JVM 通过 双亲委派机制（Parent Delegation Model） 加载类，保证核心类库优先加载，避免重复加载。
• 类加载过程包括：加载（Loading）→ 链接（Linking：验证、准备、解析）→ 初始化（Initialization）。
• 加载后的类信息会存放在 方法区（Method Area）中。

指令集（Instruction Set）

• Java 程序首先被编译为字节码（Bytecode），字节码不是直接面向 CPU 的机器码，而是面向 JVM 的指令集。
• JVM 通过解释执行或JIT 编译，将字节码翻译为底层 CPU 对应的机器码，最终由硬件执行。
• Java字节码指令列表

运行时数据区（Runtime Data Areas）

• JVM 在程序执行时将数据划分到不同的内存区域，以提高访问效率。
• 堆（Heap）：存放对象实例，由垃圾回收器（GC）管理，是所有线程共享的内存区域。
• 方法区（Method Area）：存放类的元数据（Class 信息）、常量池、静态变量以及 JIT 编译后的代码，也是线程共享的区域。
• Java 虚拟机栈（Java Stacks）：每个线程独立，存储方法调用的栈帧，包括局部变量、操作数栈和返回地址。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：每个线程独立，为执行 native 方法提供支持。
• 程序计数器（PC Register）：记录当前线程正在执行的字节码指令的位置。当线程被切换（如操作系统的线程调度）时，程序计数器会保存该线程的执行位置，线程恢复时可以从该位置继续执行。

执行引擎（Execution Engine）

• 核心组件，负责执行字节码指令，将与平台无关的字节码转换为平台相关的执行操作。
• 解释器（Interpreter）：逐条读取并解释字节码执行，启动快、实现简单，但执行速度较慢。
• 即时编译器（JIT, Just-In-Time Compiler）：将热点字节码（经常执行的部分）编译为本地机器码，提高执行效率。

JAVA语言的类型

计算机的高级编程语言类型一般为: 编译型和解释型，而Java语言是两种类型的结合。

编译阶段

• Java 源代码（.java）先通过 javac 编译器编译为字节码文件（.class）。
• 这个过程类似于传统的编译型语言（如 C/C++）——先编译再运行。

解释执行阶段

• 生成的 .class 字节码不会直接由操作系统运行，而是由 Java 虚拟机（JVM）进行解释执行或即时编译执行（JIT）。
• JVM 会将字节码逐条解释执行，也会将运行频繁的热点代码通过 JIT 编译为本地机器码，从而显著提升执行性能。

JAVA和C跨平台原理的比较

JAVA跨平台原理

1. 一次编译，到处运行。同一份字节码可以在不同操作系统和硬件平台的 JVM 上运行，实现真正的跨平台。
2. Java编译器的作用：编译，将 Java 源文件（.java）编译为与平台无关的字节码文件（.class）。
3. Java虚拟机的作用：解释，在运行时解释或即时编译字节码，将其转换为当前平台可执行的机器码。

JAVA跨平台原理

C语言跨平台原理

1. 多次编译，到处运行。每个平台都必须单独编译源代码，生成可执行文件，才能实现跨平台运行。
2. 源代码需在不同操作系统或硬件平台上使用对应的编译器（如 Windows 的 MSVC、Linux 的 GCC、macOS 的 Clang）编译。编译结果是特定平台的二进制文件（如 .exe、.elf、.dylib），只能在对应平台运行。

C语言多次编译

JAVA开发环境

JRE

1. JRE是Java Runtime Environment的缩写，是Java程序的运行环境，包含了：java虚拟机，java基础类库。
2. JRE是使用java语言编写的程序运行所需要的软件环境，是提供给想运行java程序的用户使用的。

JDK

1. JDK是Java Development Kit的缩写，是Java开发工具包，是程序员使用Java语言编写Java程序所需的开发工具包，是提供给程序员使用的。
2. JDK包含了JRE，同时还包含了编译Java源码的编译器javac，还包含了很多Java程序调试和分析的工具。
3. 如果你需要运行Java程序，只需安装JRE就可以了。如果你需要编写Java程序，需要安装JDK。
4. 总结：JDK包含了JRE，JRE包含JVM。

JDK

Windows 安装

超详细JDK下载与安装步骤

macOS 安装

使用 Homebrew 安装 OpenJDK 并配置环境变量

Linux 安装

Linux系统中JDK的安装与卸载流程详解

环境变量配置

PATH（系统路径）

• 操作系统用来查找可执行文件（如 .exe、.sh、.bat）。
• 配置 PATH 环境变量后，可在任意目录直接使用 Java 的编译和运行工具（如 java、javac）。
• 系统会按照 PATH 指定的目录顺序查找命令对应的可执行程序。

CLASSPATH（Java 类路径）

• JVM 用于查找 .class 文件和 .jar 包的路径。
• 运行 java MyClass 时，JVM 会按 CLASSPATH 指定的目录查找 MyClass.class。
• 一般无需手动配置，默认从当前目录查找字节码文件。

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CLASSPATH 查找顺序

1. 命令行指定的 -cp 或 -classpath 路径（优先级最高）
   • 使用 ;（Windows）或 :（Linux/macOS）分隔多个路径。
   • 可以包含目录或 JAR 包。

java -cp "路径1;路径2;..." MyClass

2. 环境变量 CLASSPATH 指定的路径
   • 如果命令行未指定，则 JVM 会使用 CLASSPATH 环境变量中的路径查找类文件。

export CLASSPATH=/usr/local/java/classes:/usr/local/java/lib/*

3. 默认当前目录（.）
   • 如果命令行和环境变量都未指定，JVM 默认从当前工作目录查找类文件。
   • ⚠️ 注意：如果 CLASSPATH 设置了其他路径但不包含 .，则当前目录不会自动搜索。此时，运行当前目录下的类文件会失败，JVM 会报 ClassNotFoundException。
   • 为了确保当前目录的类能被正确加载，最好在 CLASSPATH 或命令行路径中包含 .。

PATH vs CLASSPATH 对比总结

属性	PATH	CLASSPATH
用途	告诉操作系统在哪里查找可执行程序 （如 java、javac）	告诉 JVM 在运行时或编译时查找类文件 （.class）和 JAR 包
作用对象	系统命令和可执行文件	Java 类文件和 JAR 包
影响范围	影响命令行能否直接执行 Java 工具	影响 java 命令运行时的类加载路径； 影响 javac 编译时查找引用类路径
默认值	无，需手动设置 （通常包含 JDK bin 目录）	如果不配置，默认使用当前目录（.）
配置方式	环境变量，如： PATH=/usr/local/java/bin:$PATH	环境变量，如： CLASSPATH=.:/path/to/libs/*
命令行覆盖	可以通过命令行直接调用指定路径的工具， 不受 PATH 限制	可以使用 -cp 或 -classpath 参数临时指定， 优先级高于环境变量
常见问题	PATH 未设置或设置错误 → 无法找到 java 或 javac 命令	未包含当前目录或所需 JAR → java 报 ClassNotFoundException 或 javac 报 cannot find symbol

Hello World

Java 入门最经典的示例程序就是 Hello World，它演示了 Java 程序的基本结构和运行方式。

1. 创建 Java 类

   • 在 Java 中，程序由类组成。可以创建一个名为 Main.java 的文件

   public class Main {
       public static void main(String[] args) {
           // 输出 "Hello, World!" 到控制台
           System.out.print("Hello, World!");
       }
   }

2. 代码解析

   • public class Main：定义一个公共类，类名必须和文件名相同。
   • public static void main(String[] args)：程序入口方法，JVM 执行程序时从这里开始。
   • System.out.println("Hello, World!");：打印文本到控制台。

3. 编译与运行

   假设你已经安装好 JDK 并配置了 PATH 环境变量

   • 打开终端或命令行，进入 Main.java 文件所在目录。
   • 编译 Java 文件，编译成功后会生成 Main.class 文件。

   javac Main.java

   • 可以使用javap -c Main来查看生成的字节码。

   

   • 运行程序，控制台输出：Hello, World!

   java Main