java基础知识入门

一、java简介及原理图

Java的前世今生

Java之父詹姆斯·高斯林:

1967年, 12岁用报废的电话机和电视做了一台电子游戏机;

1983年, 获得卡内基梅隆大学计算机科学博士学位;

1983年, 毕业后设计了IBM第一代工作站;

1990年, 领导开发Sun用于数字家电的编程语言Oak(橡树);

1994年, Oak被更名为Java, 在硅谷发布并引发热潮;

2000年, Java成为世界上最流行的编程语言

JDK（Java Development Kit）

　　JDK是Java开发工具包，是Sun Microsystems针对Java开发员的产品。

　　JDK中包含JRE，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，里面有两个文件夹bin和lib，在这里可以认为bin里的就是jvm，lib中则是jvm工作所需要的类库，而jvm和 lib和起来就称为jre。

　　JDK是整个JAVA的核心，包括了Java运行环境JRE（Java Runtime Envirnment）、一堆Java工具（javac/java/jdb等）和Java基础的类库（即Java API 包括rt.jar）。

　　①SE(J2SE)，standard edition，标准版，是我们通常用的一个版本，从JDK 5.0开始，改名为Java SE。

　　②EE(J2EE)，enterprise edition，企业版，使用这种JDK开发J2EE应用程序，从JDK 5.0开始，改名为Java EE。

　　③ME(J2ME)，micro edition，主要用于移动设备、嵌入式设备上的java应用程序，从JDK 5.0开始，改名为Java ME。

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　　　金字塔结构 JDK=JRE+JVM+其它 运行Java程序一般都要求用户的电脑安装JRE环境（Java Runtime Environment）；没有jre，java程序无法运行；而没有java程序，jre就没有用武之地。

Java原理图如下

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二、数据类型

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注意：java的关键字和标识符是不可更改的

boolean 只有两个值：true、false，可以使用 1 bit 来存储，但是具体大小没有明确规定。JVM 会在编译时期将 boolean 类型的数据转换为 int，使用 1 来表示 true，0 表示 false。JVM 支持 boolean 数组，但是是通过读写 byte 数组来实现的。

• Primitive Data Types
• The Java® Virtual Machine Specification

三、Java的心脏-JVM

JVM就是一台虚拟的机器, Java程序编译成字节码就能在所有JVM上运行.  JVM可以说是整个Java生态系统的心脏, 它提供了两大核心优势:
强的跨平台性: 除Windows和OS X之外, 还支持全部的Linux发行版和Solaris等较小 众的操作系统
超强的运行效率: JVM在编译和运行时会对程序做大量优化, 提高程序运行效率

由于JVM显著的技术优势, 除Java外, 还有一系列现代编程语言是基于 JVM技术的, 这极大地扩展了Java程序员未来的发展空间

Java虚拟机的体系结构

·每个JVM都有两种机制：

①类装载子系统：装载具有适合名称的类或接口

②执行引擎：负责执行包含在已装载的类或接口中的指令

·每个JVM都包含：

方法区、Java堆、Java栈、本地方法栈、指令计数器及其他隐含寄存器

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对于JVM的学习，在我看来这么几个部分最重要：

Java代码编译和执行的整个过程

JVM内存管理及垃圾回收机制

下面分别对这几部分进行说明：

2、Java代码编译和执行的整个过程

也正如前面所说，Java代码的编译和执行的整个过程大概是：开发人员编写Java代码(.java文件)，然后将之编译成字节码(.class文件)，再然后字节码被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。

（1）Java代码编译是由Java源码编译器来完成，也就是Java代码到JVM字节码（.class文件）的过程。 流程图如下所示：

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（2）Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示：

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Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制:

·Java源码编译机制

·类加载机制

·类执行机制

（1）Java源码编译机制

Java 源码编译由以下三个过程组成：

①分析和输入到符号表

②注解处理

③语义分析和生成class文件

流程图如下所示：

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最后生成的class文件由以下部分组成：

①结构信息：包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息

②元数据：对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池

③方法信息：对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息

（2）类加载机制
JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

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①Bootstrap ClassLoader

负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类

②Extension ClassLoader

负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包

③App ClassLoader

负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

④Custom ClassLoader

属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader

加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

（3）类执行机制

JVM是基于堆栈的虚拟机。JVM为每个新创建的线程都分配一个堆栈.也就是说,对于一个Java程序来说，它的运行就是通过对堆栈的操作来完成的。堆栈以帧为单位保存线程的状态。JVM对堆栈只进行两种操作:以帧为单位的压栈和出栈操作。

JVM执行class字节码，线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。栈的结构如下图所示：

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四、JRE和JDK

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JRE(Java Runtime Enviroment)是Java的运行环境。面向Java程序的使用者，而不是开发者。如果你仅下载并安装了JRE，那么你的系统只能运行Java程序。JRE是运行Java程序所必须环境的集合，包含JVM标准实现及 Java核心类库。它包括Java虚拟机、Java平台核心类和支持文件。它不包含开发工具(编译器、调试器等)。

JDK(Java Development Kit)又称J2SDK(Java2 Software Development Kit)，是Java开发工具包，它提供了Java的开发环境(提供了编译器javac等工具，用于将java文件编译为class文件)和运行环境(提 供了JVM和Runtime辅助包，用于解析class文件使其得到运行)。如果你下载并安装了JDK，那么你不仅可以开发Java程序，也同时拥有了运 行Java程序的平台。JDK是整个Java的核心，包括了Java运行环境(JRE)，一堆Java工具tools.jar和Java标准类库 (rt.jar)。

2. 区别

JRE主要包含：java类库的class文件(都在lib目录下打包成了jar)和虚拟机(jvm.dll)；JDK主要包含：java类库的 class文件(都在lib目录下打包成了jar)并自带一个JRE。那么为什么JDK要自带一个JRE呢？而且jdk/jre/bin下的client 和server两个文件夹下都包含jvm.dll(说明JDK自带的JRE有两个虚拟机)。

记得在环境变量path中设置jdk/bin路径麽？老师会告诉大家不设置的话javac和java是用不了的。确实jdk/bin目录下包含了所有的命令。可是有没有人想过我们用的java命令并不是jdk/bin目录下的而是jre/bin目录下的呢？不信可以做一个实验，大家可以把jdk /bin目录下的java.exe剪切到别的地方再运行java程序，发现了什么？一切OK！(JRE中没有javac命令，原因很简单，它不是开发环境)那么有人会问了？我明明没有设置jre/bin目录到环境变量中啊？试想一下如果java为了提供给大多数人使用，他们是不需要jdk做开发的，只需 要jre能让java程序跑起来就可以了，那么每个客户还需要手动去设置环境变量多麻烦啊？所以安装jre的时候安装程序自动帮你把jre的 java.exe添加到了系统变量中，验证的方法很简单，去Windows/system32下面去看看吧，发现了什么？有一个java.exe。

3. 难点

如果安装了JDK，你的电脑就有两套JRE(JRE本身和JDK中的JRE)，前面这套比后面那套少了Server端的Java虚拟机。

(1)为什么Sun要让JDK安装两套相同的JRE？这是因为JDK里面有很多用Java所编写的开发工具(如javac.exe、jar.exe 等)，而且都放置在/lib/tools.jar里。如果我们将tools.jar改名为tools1.jar，然后运行javac.exe，显示如下结 果：Exception in thread "main" java.lang.NoClassDefFoundError: com/sun/tools/javac/Main。这个意思是说，你输入javac.exe与输入java -cp c:/jdk/lib/tools.jar com.sun.tools.javac.Main 是一样的，会得到相同的结果。从这里我们可以证明javac.exe只是一个包装器（Wrapper），而制作的目的是为了让开发者免于输入太长的指命。 而且可以发现/lib目录下的程序都很小，不大于29K，从这里我们可以得出一个结论。就是JDK里的工具几乎是用Java所编写，所以也是Java应用 程序，因此要使用JDK所附的工具来开发Java程序，也必须要自行附一套JRE才行，所以位于JDK目录下的那套JRE就是用来运行一般Java程序 的。

(2)如果一台电脑安装两套以上的JRE，谁来决定呢？这个重大任务就落在java.exe身上。java.exe的工作就是找到合适的JRE来运 行Java程序。java.exe依照以下的顺序来查找JRE：1)自己的目录下有没有JRE；2)父目录有没有JRE；3)查询注册表： [HKEY_LOCAL_MACHINE/SOFTWARE/JavaSoft/Java Runtime Environment]。所以java.exe的运行结果与你的电脑里面哪个JRE被执行有很大的关系。

(3)JDK-->JRE-->Bin目录下有两个文件夹：server与client，这是真正的jvm.dll所在。 jvm.dll无法单独工作，当jvm.dll启动后，会使用explicit的方法(就是使用Win32 API之中的LoadLibrary()与GetProcAddress()来载入辅助用的动态链接库)，而这些辅助用的动态链接库(.dll)都必须位 于jvm.dll所在目录的父目录之中。因此想使用哪个JVM，只需要设置PATH，指向JRE所在目录下的jvm.dll。

4. 最主流的JDK是Sun公司发布的JDK，除了Sun之外，还有很多公司和组织都开发了自己的JDK，例如IBM公司开发的JDK，BEA公司的Jrocket，还有GNU组织开发的JDK等等。

普及：Java 与 C++ 的区别

• Java 是纯粹的面向对象语言，所有的对象都继承自 java.lang.Object，C++ 为了兼容 C 即支持面向对象也支持面向过程。
• Java 通过虚拟机从而实现跨平台特性，但是 C++ 依赖于特定的平台。
• Java 没有指针，它的引用可以理解为安全指针，而 C++ 具有和 C 一样的指针。
• Java 支持自动垃圾回收，而 C++ 需要手动回收。
• Java 不支持多重继承，只能通过实现多个接口来达到相同目的，而 C++ 支持多重继承。
• Java 不支持操作符重载，虽然可以对两个 String 对象执行加法运算，但是这是语言内置支持的操作，不属于操作符重载，而 C++ 可以。
• Java 的 goto 是保留字，但是不可用，C++ 可以使用 goto。
• Java 不支持条件编译，C++ 通过 #ifdef #ifndef 等预处理命令从而实现条件编译。

What are the main differences between Java and C++?

JRE or JDK

• JRE is the JVM program, Java application need to run on JRE.
• JDK is a superset of JRE, JRE + tools for developing java programs. e.g, it provides the compiler "javac"