Java图形用户界面与输入输出编程指南

# Java图形用户界面与输入输出编程指南 ## 1. 图形用户界面基础 在Java中，图形用户界面（GUI）的实现可以借助AWT或Swing。GUI程序是事件驱动的，即用户在界面上的任何操作（如点击按钮）都可视为一个事件。Swing中用于在屏幕上实现独立窗口的类是JFrame。 ### 1.1 组件类型 主要有三种组件类型： - **顶级容器**：例如JFrame，它是界面的最外层容器，相当于一个窗口。 - **中间容器**：如JPanel，可用于组织和布局其他组件。 - **原子组件**：像JButton，是最基本的交互元素。 ### 1.2 事件监听与布局管理 为了让界面响应用户事件，需要为相关组件编写监听器。组件的布局可以使用布局管理器，常见的布局管理器包括BorderLayout、FlowLayout和GridLayout。 ### 1.3 绘图操作 绘图通常在扩展的JPanel对象上进行，需要重写paintComponent方法来实现具体的绘图操作。Graphics类提供了各种绘制形状的方法。 ## 2. 绘制数学图形 绘制数学图形时，会面临将自然的世界坐标转换为绝对像素坐标的挑战。因为屏幕上的垂直像素坐标与世界坐标系统中的y坐标方向相反，所以需要一个类来完成这种转换。 ### 2.1 MyWorld类 MyWorld类可用于将自然的世界坐标转换为绝对像素坐标，其代码如下： ```java public class MyWorld //transforms world coordinates into pixel coordinates { private double xmin; private double xmax; private double ymin; private double ymax; private int xrange; private int yrange; private int topborder; private int leftborder; public MyWorld( double xleft, double xright, double ydown, double yup, int width, int height ) { xmin = xleft; xmax = xright; ymin = ydown; ymax = yup; xrange = width; yrange = height; topborder = 50; leftborder = 50; } public int xp( double xworld ) { return (int) Math.round(leftborder + xrange * (xworld - xmin) / (xmax - xmin)); } public int yp( double yworld ) { return (int) Math.round(topborder + yrange * (yworld - ymax) / (ymin - ymax)); } } ``` 该类的构造函数创建了一个世界坐标的“视图对象”，而xp和yp方法分别将x和y的世界坐标参数转换为绝对的水平和垂直像素坐标。 ### 2.2 MyGraph程序 下面的MyGraph程序使用MyWorld类绘制阻尼振荡函数 $y = e^{-0.1x} \sin x$ 的图形，同时绘制x轴和y轴： ```java import javax.swing.*; import java.awt.*; import java.awt.event.*; public class MyGraph extends JFrame { DrawPanel drawArea = new DrawPanel(); int winWidth; int winHeight; public MyGraph() { setTitle("Mathematical graphs"); getContentPane().add(drawArea); drawArea.setBackground(new Color(0,255,0)); setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE); pack(); } class DrawPanel extends JPanel { public DrawPanel() { winWidth = 400; winHeight = 400; setPreferredSize (new Dimension(winWidth,winHeight)); } protected void paintComponent (Graphics g) { super.paintComponent (g); double xmin = -2*Math.PI; double xmax = 8*Math.PI; double ymin = -2; double ymax = 2; double x, y, xold, yold; MyWorld w2p = new MyWorld( xmin, xmax, ymin, ymax, 300, 300 ); g.drawString( "Damped oscillations", w2p.xp(Math.PI/2), w2p.yp(ymax/2) ); g.drawLine( w2p.xp(xmin), w2p.yp(0), w2p.xp(xmax), w2p.yp(0) ); // x-axis g.drawLine( w2p.xp(0), w2p.yp(ymin), w2p.xp(0), w2p.yp(ymax) ); // y-axis xold = 0; yold = 0; for (x = 0; x < 8*Math.PI; x = x+Math.PI/40) { y = Math.exp( -0.1*x) * Math.sin(x); g.drawLine( w2p.xp(xold), w2p.yp(yold), w2p.xp(x), w2p.yp(y) ); xold = x; yold = y; } } } public static void main(String[] args) { MyGraph d = new MyGraph(); d.setVisible(true); } } ``` 此程序的执行流程如下： ```mermaid graph TD A[创建MyGraph对象] --> B[设置窗口标题] B --> C[添加绘图面板] C --> D[设置面板背景颜色] D --> E[设置关闭操作] E --> F[调整窗口大小] F --> G[显示窗口] G --> H[绘制图形] ``` ### 2.3 绘制流程分析 - 创建MyGraph对象时，会设置窗口标题、添加绘图面板、设置背景颜色和关闭操作，并调整窗口大小。 - 在DrawPanel的paintComponent方法中，首先计算世界坐标范围，创建MyWorld对象。 - 绘制坐标轴和图形标题。 - 通过循环计算函数值，并使用drawLine方法连接相邻的点，从而绘制出函数图形。 ## 3. 分形图形绘制 分形图形近年来备受关注，其中Julia集和Mandelbrot集是比较著名的分形。 ### 3.1 Julia集 Julia集是复多项式 $z^2 - \mu$ 的一个集合，其中 $z$ 是复变量，$\mu$ 是复常数。以下是绘制Julia集的简单程序： ```java import javax.swing.*; import java.awt.*; import java.awt.event.*; public class JuliaSet extends JFrame { DrawPanel drawArea = new DrawPanel(); int winWidth; int winHeight; public JuliaSet() { setTitle("Julia Set"); getContentPane().add(drawArea); drawArea.setBackground(new Color(0,255,0)); setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE); pack(); } class DrawPanel extends JPanel { public DrawPanel() { winWidth = 800; winHeight = 600; setPreferredSize (new Dimension(winWidth,winHeight)); } protected void paintComponent (Graphics g) { super.paintComponent (g); int maxIts = 40; // max number of iterations double r = 10; // infinity double a, b; // real and imag parts of mu double xmin, xmax, ymin, ymax; // range of world coords double x, y, x0, y0, newX, newY; // world coords int n; // iteration counter int xp, yp; // pixel coords int maxX, maxY; // pixel range int R, G, B; // RGB parameters int topBorder = 50; // dont draw on the menubar! xmin = -2; xmax = 2; ymin = -1; ymax = 1; maxX = 790; maxY = 500; a = 1.25; b = 0; for (xp = 0; xp <= maxX; xp++) for (yp = 0; yp <= maxY; yp++) { x0 = (xmax - xmin) * xp / maxX + xmin; y0 = (ymin - ymax) * yp / maxY + ymax; x = x0; y = y0; n = 0; while (n < maxIts && x*x + y*y <= r) { n++; newX = x*x - y*y - a; newY = 2*x*y - b; x = newX; y = newY; } if (x*x + y*y > r) { n = n %7 + 1; B = n % 2; if (n <=3) R = 0; else R = 1; if (n == 2 | n == 3 | n == 6 | n == 7) G = 1; else G = 0; g.setColor( new Color(255*R, 255*G, 255*B) ); g.drawLine( xp, yp+topBorder, xp, yp+topBorder ); } else { // black inside ```