Java问题解决指南

### Java 问题解决指南 #### 1. 引言 在以往的编程中，我们常常将所有代码都写在 `main` 方法里。然而，随着程序变得愈发复杂，这种做法会变得难以管理。因此，我们需要一种更好的代码结构方式，而面向对象编程就是一个不错的选择。采用更好的代码结构有诸多原因： - 当问题变得复杂时，将其分解成小部分逐个解决，比一次性解决整个问题要容易得多。 - 逻辑清晰的代码不仅便于我们自己阅读和理解，也方便其他程序员。 特别是当我们采用面向对象的方式来组织代码时，还会带来更多好处： - 以对象而非过程的方式思考问题，往往更加自然。虽然对于习惯过程式编程的人来说，一开始可能会觉得不适应，但随着学习的深入，你会逐渐体会到面向对象编程的优势。 - 对象将数据和操作这些数据的方法封装在一起，形成一个逻辑单元。这样的对象是一个独立的单元，其他程序员可以很容易地将其作为组件重复使用，而无需了解其具体实现细节。 - 我们可以使用继承，这是一个强大的概念。 #### 2. 类提供者、类使用者和最终用户 在编写程序时，我们会扮演不同的角色，具体如下表所示： | 角色 | 描述 | | ---- | ---- | | 类提供者 | 编写供其他程序员使用的类的程序员。有时你需要扮演这个角色，编写通用代码供他人（包括你自己）使用。 | | 类使用者 | 也是程序员，使用类提供者编写的类。有时你可能先扮演类提供者的角色，然后再扮演类使用者的角色来测试类是否正常工作。 | | 最终用户 | 不是程序员，而是使用最终程序的人。他们通过用户界面与程序交互，只能看到程序的最终产品，而看不到源代码。所有程序员都应该专注于编写满足最终用户需求的程序。 | 例如，程序员 Andy 编写了 `Graph` 类，此时他扮演的是类提供者的角色。当我们编写使用 `Graph` 类的程序时，我们就是类使用者。而当我们运行程序并查看输出（图形窗口）时，我们就成了最终用户。 #### 3. 对象和类的概念 在声明变量时，我们必须指定类型。类型可以是基本数据类型（如 `int`、`char` 或 `float`），也可以是类（如 `Turtle` 或 `Graph`）。基本数据类型以小写字母开头，而类以大写字母开头。当我们声明一个类类型的变量时，我们称其为对象。例如： ```java int x; // 变量 x 是整数类型 Turtle fred; // 变量 fred 是 Turtle 类型 ``` 在上述例子中，`fred` 是一个对象，而 `x` 是一个基本数据变量。对象与基本变量主要有两点不同： 1. 基本数据变量只包含数据，而对象既包含数据又包含方法，即对象可以执行操作。例如，`fred` 可以向前移动或右转，而基本变量 `x` 没有方法。 2. 对象和基本变量在内存中的存储方式不同。 下面我们深入了解一下 `Turtle` 类。在之前的学习中，我们使用过其他程序员编写的类，无需查看其 Java 源代码，只需知道可以使用哪些方法即可。这些方法列表被称为类的接口。以 `Turtle` 类为例，我们可以在不查看源代码的情况下使用它。类的内部实现是隐藏的，我们只需要知道可用的方法就能使用该类。 一个 `Turtle` 对象由以下变量组成： - `xCoordinate` 和 `yCoordinate`：存储 `Turtle` 对象在显示窗口中的当前位置，初始值都为 0（窗口原点），随着 `Turtle` 的移动而改变。 - `angle`：存储 `Turtle` 所面对的当前方向，初始值为 0，会根据 `right` 和 `left` 方法（以及 `home` 方法）而改变。 - `draw`：布尔型变量，存储 `Turtle` 对象移动时是否绘制，初始值为 `true`，调用 `penUp` 方法后变为 `false`。 - `colour`：存储 `Turtle` 对象绘制的颜色。 类中存储的变量有多种称呼，我们通常称其为数据成员，也可称为数据属性或字段。 #### 4. 编写和使用简单类 下面我们通过一个简单的例子，来展示如何编写、编译和使用一个类。注意，这里我们编写的不是包含 `main` 方法的类，而是一个可以被其他类的 `main` 方法使用的类。 **步骤如下**： 1. 在名为 `Square.java` 的文件中输入以下 Java 代码： ```java class Square { int size = 2; char pattern = '*'; void draw() { for(int row = 1; row <= size; row++) { for(int col = 1; col <= size; col++) System.out.print(pattern); System.out.println(); } System.out.println(); } // draw method } // Square class ``` 2. 编译这个文件，但不要运行它。因为没有 `main` 方法，运行会产生错误。 3. 在名为 `UseSquare.java` 的文件中输入以下代码： ```java public class UseSquare { public static void main (String[] args) { Square s1 = new Square(); s1.draw(); s1.size = 5; s1.draw(); s1.pattern = '&'; s1.draw(); } // main method } // UseSquare class ``` 4. 编译并运行 `UseSquare` 类，你将看到相应的输出。 `Square` 类定义了 `Square` 对象的模板，即描述了对象的外观和行为。代码中的 `int size = 2;` 和 `char pattern = '*';` 定义了类的数据成员，通过声明这些属性，我们定义了一个新的类型 `Square`，它包含一个整数和一个字符两个基本数据变量。 在 `UseSquare` 类的 `main` 方法中，首先创建了一个 `Square` 对象 `s1`，此时 `s1` 的 `size` 为 2，`pattern` 为 `*`。然后调用 `draw` 方法绘制正方形。接着，将 `size` 修改为 5 后再次调用 `draw` 方法，会绘制一个更大的正方形。最后，将 `pattern` 修改为 `&` 并再次调用 `draw` 方法，会绘制一个由 `&` 组成的正方形。 #### 5. 内存工作原理 理解内存的工作原理非常重要，因为基本数据变量和对象的行为会因其存储方式的不同而有所差异。 **内存的概念**： 内存是计算机硬件的一部分，用于存储数据。计算机中有两种主要的数据存储方式：内存和磁盘存储。 - 磁盘存储即计算机的硬盘，是一个圆形磁盘，开机时会旋转。磁盘存储具有持久性，即保存到磁盘上的任何数据在关机后仍然存在。文件存储在硬盘上，目前大多数 PC 的硬盘容量以千兆字节（约 10⁹ 字节）为单位衡量。 - 内存通常以兆字节为单位衡量，也称为随机存取存储器（RAM）。内存是临时存储，计算机关机后数据会丢失。当你使用程序（如文字处理器）时，文档会存储在内存中，按下保存按钮后，数据会写入磁盘，从而避免因停电而丢失。现在很多程序都有定期自动备份功能。你可以将内存想象成一个大表格，每个格子都有一个地址，用于存储数据。 **对象和基本数据在内存中的存储方式**： 当我们声明一个基本数据变量时，会为该变量预留一小部分内存，预留的内存量取决于变量的类型。例如，存储一个布尔型变量只需要 1 位（1 表示 `true`，0 表示 `false`），而存储一个 `int` 则需要 32 位。当创建一个对象时，会为类中的所有数据成员分配内存。 以下是一个示例程序： ```java public class Memory { public static void main(String[] args) { int x = 25; Square s1 = new Square(); s1.size = 5; Square s2; s2 = new Square(); s2.pattern = '$'; } } ``` 在这个程序中，第一个语句声明并初始化了一个基本数据变量 `x