Java程序設計

　　前言如今，Java非常適合選擇作為介紹性編程的課程。其理由很多：互聯(lián)網(wǎng)的使用持續(xù)爆炸性地增長；面向Web應用的程序已成為軟件的主流，而Java正是為互聯(lián)網(wǎng)編程的語言；Java還提供了成熟的軟件開發(fā)工具、以及大量包括多線程和高級圖形用戶界面在內(nèi)的各種應用程序的開發(fā)包；而體系結(jié)構(gòu)中立的設計使Java具有很好的可移植性。近年來，安全與可靠的重要性有了新的意義，Java對安全與可靠的支持與其自身的設計融為一體。面向?qū)ο笫笿ava成為現(xiàn)代軟件工程和編程概念的良好教學載體。背景從20世紀90年代早期以來，在國家科學基金會（NationalScienceFoundation）的大力支持下，本系（弗吉尼亞大學計算機科學系——譯者注）發(fā)展、提煉并擴展了新的計算機科學的課程。在考察本課程與同類學校的課程的過程中，經(jīng)常使用的一些重要原則是：*使用一種課堂以外被廣泛接受的編程語言。*使用現(xiàn)代軟件開發(fā)工具。*鼓勵團隊合作。*按照軟件工程原則開發(fā)系統(tǒng)。*鼓勵重用現(xiàn)有的庫和工具。*用圖形用戶界面實現(xiàn)軟件的輸入、輸出。*選用適合各種聽眾的教學法和例子。本書的內(nèi)容及其補充材料都用來支持這些原則的發(fā)展。計算機科學中的許多重要概念和問題，在很好地理解什么是程序以及如何寫程序之前，不會被賞識。遺憾的是，學會編程很困難。如同要寫好文章一樣，好的編程需要多年的實踐。教授編程在很多方面與教授寫作相似。在學習寫作的過程中，學生通過閱讀好散文的范例，反復地練習寫作，學習怎樣組織構(gòu)思，以實現(xiàn)最有效的表達。學生從寫作、編輯一兩個段落開始，直到能寫出很長的文章，如散文、短故事和報告。學生們的寫作技能也隨著不斷地增長。教授程序設計的方法與教授寫作類似。貫穿本書，介紹并討論了很多好的和不好的例子，自我檢測和程序練習，給學生提供了設計、組織和編寫代碼的練習機會。另外，還提供了幫助學習修改代碼這個實用技能的例子，這部分通過專供學生修改的代碼來實現(xiàn)。這種方法很有效，因為，這樣能迫使學生成為積極的參與者，即學生一定要去閱讀并理解所提供的代碼。為支持這一努力，本書所使用代碼的電子版在本書的網(wǎng)站上可以找到。本書的目的本書的目標是成為學生的第一門編程課程，而且適合于各種不同學科的人。本書假定讀者以前沒有編程技能，要求的數(shù)學和科學知識，相當于大學一年級學生的水平。本書的主要目的是：*向?qū)W生介紹Java編程語言；*展示和鼓勵使用面向?qū)ο蠓独?有效地解決問題的技術(shù)示范；*使學生從事現(xiàn)實世界中的例子；*教給學生軟件工程設計的概念；*向?qū)W生介紹Java的核心類庫和圖形庫；*給學生組織和編寫代碼的實踐；*傳授學生修改現(xiàn)有代碼的實際技能；*給出好的，以及不好的編程指導性例子；*提供測試和調(diào)試的有效內(nèi)容。本書的特點及其原因本書深入覆蓋了介紹性課程應有的全部資料，還介紹了許多通常包含在后續(xù)課程中的資料，并對余下的問題指出要點。章節(jié)的篇幅和安排提供了教師講解內(nèi)容和時間安排上的靈活性。章節(jié)的內(nèi)容和擴展的附錄使有能力的讀者可以更上一層樓，并把本書當作一個有價值的參考資源。本書的一些特點如下所述。*詳細介紹面向?qū)ο蟮母拍睿罕緯鴮嵤┝恕斑m時對象”方法。在過去的十多年里，作者把面向?qū)ο蟮姆独糜诮榻B性的課程，已經(jīng)證明Java可以成功地介紹給初學編程的人。并了解到，將自定義的類推遲到課程末尾，會限制學生掌握面向?qū)ο蟮木幊谭独暮诵闹R，會對面向?qū)ο缶幊痰钠渌匾瓌t形成膚淺的認識。因此，本書很早就介紹了對象表示方法。使學生們從一開始就可使用標準包中的對象，很快對一些有興趣的問題開發(fā)出有意義的程序。在堅固基礎的介紹后，提出了基本類和面向?qū)ο笤O計。在探索控制結(jié)構(gòu)之后，對方法、類和面向?qū)ο笤O計進行了更深一步的介紹。*注重解決問題能力：許多初學者面臨的最大障礙，是不知道解決問題的基本方法。對于這個問題，本書在第1章介紹了解決問題的基本技能，在以后的每一章里，把一些新概念用于滿足不同讀者要求而選擇的問題中。學生們先學習這些有效解決問題的例子，然后再提供給他們獨自解決類似問題的機會。*介紹軟件工程設計的概念：本書通過對問題的研究和軟件項目來介紹軟件工程設計的概念。除了大量的小例子外，每一章都對一個或多個問題的細節(jié)進行考慮。在某種程度上，都有面向?qū)ο蟮姆治龊驮O計，以及實現(xiàn)設計算法的開發(fā)。*測試和調(diào)試的內(nèi)容：程序員的一項重要技能，是對自己設計和實現(xiàn)的程序如何進行測試和調(diào)試。第13章介紹了測試和調(diào)試方面重要的軟件工程概念和實踐。這一章討論的測試技術(shù)，如單元測試、整體測試和代碼檢查。調(diào)試的一節(jié)，注重教會學生怎樣用科學方法去找出錯誤。該章還討論了初學者常犯的錯誤和怎樣識別它們。在介紹了控制結(jié)構(gòu)之后，此章的內(nèi)容可以在授課教師認為合適的時候講解。*生動的實例：學生們喜歡從真實生活中遇到的有趣情況來學習，多元化的研究和編程方案來源于不同的主題，包括：身體鍛煉、兜售信息、醫(yī)療診斷、統(tǒng)計分析、性格類型分析、數(shù)據(jù)可視化、圖形、娛樂和動畫。通過這些不同的例子，本書展示了程序員可以怎樣參與日常生活并為之做出貢獻。*只用標準Java類：本書在介紹Java編程概念時，只使用標準的Java類。特別沒有用外界購入或由作者自己寫的類。選用標準的類和技術(shù)，這樣做，使初學者容易理解。*實驗室手冊：在介紹性課程中，對采用實驗室教學的學校，本書配有打印好的實驗室手冊。實驗室資料提供了動手的經(jīng)驗，以強化Java編程的概念和技能。需要實驗手冊的讀者請與McGraw-Hill出版社的當?shù)卮硖幝?lián)系。*編程和風格的技巧：除了解釋Java和面向?qū)ο缶幊?，本書還對怎樣成為一個更好、更有見地的程序員和設計者提出了忠告。在諸如避免常見的編程錯誤、寫可讀性好的代碼以及遵循軟件工程原則等方面，有一些很重要的技巧。*自測題、練習題和軟件方案：每章都提供帶有答案的自測題，以便學生能評價自己對重要概念的技能掌握。本書還提供了數(shù)百道練習題，授課教師可以通過出版社得到項目。在第1章Java的基本概念介紹之后，第2章和后續(xù)的每章都提供了編程方案，來練習本章的概念。*參考附錄：附錄C、D和E提供近兩百頁對標準JavaAPI的描述，這使得本書在課程結(jié)束后，可以成為一個手頭的參考手冊。章節(jié)概述和特點引言每章的開始都有一個簡短介紹，以引起學生的注意，并為本章的內(nèi)容做好準備。既強調(diào)主題的現(xiàn)時重要性，也強調(diào)每章主題在更廣泛的編程上下文中的地位。目標介紹之后，有一個本章目標的列表，給學生提供了一套明確的學習目標。這一列表，使學生在學習本章內(nèi)容時，可用來衡量自己的進展，也可在學習章節(jié)結(jié)束時，用來評價自己理解的程度。還可作為授課教師準備考試和小測驗的指導。圖標和信息欄圖標和帶陰影的信息欄顯示了警告、風格技巧、推薦閱讀材料和屬于Java語言本身的信息。表明關(guān)于編程的警告，通常是怎樣避免常見編程錯誤的竅門。表明與編程風格有關(guān)的資料。表明與Java程序語言有關(guān)的資料。表明編程竅門，或更具體的討論資料，或現(xiàn)有論題的補充。代碼格式化特殊格式的代碼清單，使代碼部分易于查找和參考。每一個完整的清單是按照所在章節(jié)中的位置編序。代碼段與周圍的文字清晰地分開，而且有很容易識別的作者注釋。UML圖用UML圖幫助闡明類之間的關(guān)系，同時，也使學生熟悉這個廣泛應用的符號系統(tǒng)。案例學習每章都有多個案例學習，用來講解有效解決問題的技能，強化面向?qū)ο缶幊毯蛙浖こ淘O計概念。每個案例學習的開始，都突出明確的學習目標，并用特殊的圖標強調(diào)解決問題的步驟。案例學習的講解可以選擇，只應用本章的概念，而不介紹新概念。章節(jié)評論每章結(jié)尾，都對本章的要點做了全面的、逐點的總結(jié)。自測題每章結(jié)尾，都有帶答案的自測題。自測部分的目的是幫助學生衡量自己是否掌握了本章的目標，并強化本章的關(guān)鍵概念。編程項目除了第1章介紹背景知識外，以后每章都至少有一個有趣的編程項目學習，作為一類作業(yè)的方式給出。編程項目學習包括確定訓練范圍；收集電子郵件的地址；醫(yī)療診斷；汽車貸款計算器；模擬魚缸等。練習每章結(jié)尾的練習部分提供需要努力解決的各種問題。章節(jié)概要*第1章：背景知識。包括計算機結(jié)構(gòu)、軟件、軟件工程原則、面向?qū)ο筌浖拈_發(fā)、問題求解。*第2章：Java基本概念。包括程序組織、main（）方法、注釋和空格、類、關(guān)鍵詞、標識符和命名習慣、方法、程序執(zhí)行、SDK、常量、變量、操作、簡單類型、操作符、優(yōu)先級、交互式程序、簡單變量賦值。*第3章：使用對象。包括String（字符串）、引用變量、null、插入、截取和連接字符串、引用賦值、String方法。*第4章：類。介紹用戶定義的類、實例變量、構(gòu)造方法、實例方法、檢查員（inspect-tors）、變異器（mutators）、簡易器（facilitators）、簡單圖形。*第5章：分支語句。包括布爾代數(shù)和真值表、邏輯表達式、布爾類型、布爾值相等和操作符順序、檢測浮點數(shù)相等、操作符優(yōu)先級、短路評估、if語句、if-else語句、字符串和字符的測試、排序、switch語句。*第6章：循環(huán)。包括while語句、簡單的字符串和字符處理、for語句、索引變量范圍、do-while語句。*界面圖形：基于GUI的編程。包括圖形用戶界面、swing、awt、基于事件的編程。*第7章：用方法和類編程。包括參數(shù)傳遞、控制的調(diào)用和流程、類變量、范圍、局部范圍、名字重用、方法重載、方法重寫、equals（）、toString（）、clone（）。*第8章：數(shù)組和集合。包括一維數(shù)組、定義、元素的訪問和操縱、顯性初始化、常量數(shù)組、成員、數(shù)組處理、方法、程序參數(shù)、排序、搜索、多維數(shù)組、矩陣、集合框架、ArrayList、集合算法。*第9章：繼承和多態(tài)。包括面向?qū)ο笤O計、重用、父類、子類、單一繼承、super、is－a（是一個）、has－a（有一個）和uses－a（用一個）的關(guān)系、控制繼承、默認、protected和private成員、多態(tài)、抽象的父類、接口的層次。*界面圖形：基于GUI的編程。在個人性格識別和微笑競猜游戲的案例中，學習圖形用戶界面的設計和實施。*第10章：異常，即反常事件。包括異常、拋出（throwing）、嘗試（trying）、捕獲（catching）、異常處理器、finally、流的規(guī)范。*第11章：遞歸問題的求解。包括遞歸方法、排序、搜索、可視化。*第12章：線程，即多個獨立的控制流程。包括進程、線程、調(diào)度和重復線程、Timer、TimerTask、Thread、Date、Calendar、JOptionPane、休眠、激活、系統(tǒng)軟件。*第13章：測試和調(diào)試。包括軟件開發(fā)中的代碼評估、黑箱與白箱測試、檢查、測試工具、說明覆蓋、單元、整體和系統(tǒng)測試、回歸測試、邊界條件、路徑覆蓋、調(diào)試。*附錄A：表和操作符。包括Unicode字符集、保留字、操作符和優(yōu)先級。*附錄B：數(shù)字表示方法。包括二進制數(shù)字、十進制數(shù)字、2的補碼、轉(zhuǎn)換。*附錄C：Applets。即Applet編程。*附錄D：標準Java包。包括java.io、java.lang、java.math、java.net、java.text、java.util。*附錄E：標準Java圖形包。包括java.applet、java.awt和javax.swing。界面圖形通過個人觀察和與同事們交流，發(fā)現(xiàn)不是所有的介紹性編程課程都介紹圖形用戶界面（GUIs），也許時間不允許介紹swingAPI和事件引發(fā)程序，因此，分成兩個階段來介紹圖形編程，作為選講內(nèi)容。然而，如授課教師想強調(diào)這部分，在第4章介紹了類之后，就可以講解GUI。應區(qū)分圖形用戶界面和圖形圖像的生成。Java標準APIs可以很容易地顯示矩形、直線、圓、橢圓、三角形和多邊形。它們的顯示幾乎與控制窗口顯示文字一樣容易。在其他章節(jié)的例子中，都獨立地用到了這些Java特性，這些例子大部分也是可選講的。然而，經(jīng)驗證明，學生們都喜歡生成圖像，而且，當例子有可視化屬性時，面向?qū)ο缶幊痰母拍顣子诶斫?。用好本書本書所涵蓋的內(nèi)容比較多，可能一門課程講授不完。附加的內(nèi)容是有準備的，即可讓授課教師在編程和軟件開發(fā)方面選擇主題。這本書是為靈活教學而設計的。例如，如果授課教師想推遲對類的介紹，可以先講解控制結(jié)構(gòu)的大部分內(nèi)容（5.1~5.9小節(jié)和6.1~6.5小節(jié)）；類似地，如果授課教師想在類之前介紹數(shù)組，數(shù)組的基本內(nèi)容（8.1~8.3小節(jié)和8.7小節(jié)），可以在討論類之前進行。除了9.2小節(jié)中的例子，對繼承的討論可以放在數(shù)組之前。在介紹了類與數(shù)組之后，可以隨時開始第13章測試和調(diào)試的內(nèi)容。下面是課程的布局。每周主題閱讀1計算和面向?qū)ο笤O計第1章2編程基礎第2章3對象的操縱第3章（3.1～3.5小節(jié)）4類的基本概念第4章4～5條件語句第5章（5.1～5.7、5.10小節(jié)）5～6循環(huán)語句第6章（6.1～6.5小節(jié)）7圖形用戶界面界面圖形：I8~9類第7章10～11數(shù)組和列表第8章12～13繼承和多態(tài)第9章13異常第10章（10.1小節(jié)）14測試和調(diào)試第13章（13.1～13.2小節(jié)）補充資料出版商的網(wǎng)站www.javaprogramprogramdesign.com提供了書中所有例子的源代碼和數(shù)據(jù)文件，還有一整套PowerPoint和PDF格式的幻燈片，以及對不同Java編程IDEs的介紹。其他教學輔助材料可以在網(wǎng)站http：//www.cs.virginia.edu/javaprogramdesign上找到。關(guān)于作者JamesCohoon是弗吉尼亞大學計算機科學系的教授，并曾經(jīng)是AT&T貝爾實驗室的技術(shù)人員，他從明尼蘇達大學取得博士學位后就加入了這里。他兩次被系里提名為大學最佳教師獎的得主。1994年，Cohoon教授獲得Fulbright獎，去德國講授面向?qū)ο缶幊毯蛙浖こ?。Cohoon教授的研究興趣包括算法、電子系統(tǒng)的計算機輔助設計、優(yōu)化策略和計算機科學教育。他在這些領(lǐng)域發(fā)表了70多篇文章。他是美國計算機學會（ACM）、ACM設計自動化專業(yè)組（SIGDA）、ACM計算科學教育專業(yè)組（SIGCSE）、電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）和IEEE電路與系統(tǒng)協(xié)會等組織的成員。他同時擔任ACM委員會、SIG管理執(zhí)行委員會的委員，并曾擔任過ACM出版社董事和SIGDA的主席。他的聯(lián)系地址：cohoon@virginia.edu，個人主頁：http：//www.cs.virginia.edu/cohoon。JackDavidson也是弗吉尼亞大學計算機科學系的教授，他從亞利桑那大學獲取博士學位后就來到這里工作。Davidson教授因在教學中的創(chuàng)新而獲得了NCR教員創(chuàng)新獎。Davidson教授的研究興趣包括編譯器、計算機結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件和計算機科學教育。他在這些領(lǐng)域發(fā)表了80多篇文章。他是美國計算機學會（ACM）、ACM編程語言專業(yè)組（SIGPL-AN）、ACM計算機結(jié)構(gòu)專業(yè)組（SIGARCH）、ACM計算科學教育專業(yè)組（SIGCSE）、電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）和IEEE計算機學會等組織的成員。從1994年到2000年，他是ACM在編程語言和系統(tǒng)方面的王牌雜志：TransactionsonProgrammingLanguagesandSystems的副主編。他是1998年程序語言設計和實現(xiàn)大會（PLDI'98）的主席，2000年SIGPLAN語言、編譯器和嵌入系統(tǒng)工具工作會議（LCTES2000）的聯(lián)合執(zhí)行主席。他的聯(lián)系地址：jwd@virginia.edu，個人主頁：http：//www.cs.virginai.edu/~jwd。進一步閱讀下列是Java語言的主要參考書：*KenArnold，JamesGosling，andDavidHolmes，TheJavaProgrammingLanguage，ThirdEdition，Addison-WesleyPubCo;ISBN：0201704331，June2000.*BillJoy（Editor），GuySteele，JamesGosling，andGiladBracha，TheJavaLanguageSpecification，SecondEdition，Addison-Wesley，ISBN：0201310082，June2000.下面是關(guān)于標準庫和更進一步的面向?qū)ο笤O計及程序開發(fā)的資源*DavidM.Geary，GraphicJava1.2，MasteringtheJFC：AWT，Volume1，PrenticeHall，ISBN：0130796662;September1998.*DavidM.Geary，GraphicJava2，Volume2，Swing，PrenticeHall，ISBN：0130796670，March1999.*JoshuaEngel，ProgrammingfortheJavaVirtualMachine，Addison-Wesley，ISBN：0201309726，June1999.*CayS.HorstmannandGaryCornell，CoreJava2，VolumeI，F(xiàn)undamentals，PrenticeHallPTR，ISBN：0130894680，December2000.*CayS.HorstmannandGaryCornell，CoreJava2：VolumeII，AdvancedFeatures，PrenticeHall，ISBN：0130927384，December2001.*MatthewRobinsonandPavelA.Vorobiev，Swing，ManningPublicationsCompany;ISBN：1884777848，December1999.*StephenA.SteltingandOlavMaassen，AppliedJavaPatterns，PrenticeHall;ISBN：0130935387，December2001.*SunMicrosystems，JavaLookandFeelDesignGuidelines：AdvancedTopics，AddisonWesleyProfessional;ISBN：0201775824，December2001.*AlVermeulen（Editor），ScottW.Ambler，GregBumgardner，EldonMetz，AlanVermeulen，TrevorMisfeldt，JimShur，andPatrickThompson，TheElementsofJavaStyle，CambridgeUniversityPress;ISBN：0521777682，January2000.*JohnZukowski，JavaCollections，APress;ISBN：1893115925，April2001.感謝我們感謝弗吉尼亞大學為本書的完成提供了環(huán)境。我們要特別感謝JackStankovic，他的不懈地努力使得計算機科學系處于國內(nèi)領(lǐng)先的地位。我們感謝JennaCohoon、JoanneCohoon和TomHorton的評論，我們還要感謝HannahCohoon對魚的藝術(shù)設計和JJCohoon對圖標的藝術(shù)設計。我們感謝為本書的出版做出貢獻的McGraw-Hill的全體員工。特別地，我們感謝BetsyJones的支持與鼓勵；TomCason的明智建議；KayBrimeyer的幕后產(chǎn)品管理技能；DavidHash對藝術(shù)和封面設計隊伍的領(lǐng)導；PatSteele的編輯和DawnBercier的市場創(chuàng)意。我們向下列人員提出特別感謝：我們的編輯KellyLowery，她支持、指導并關(guān)注了這一項目的全過程；我們的開發(fā)編輯MelindaDougharty，她管理并匯總了審閱過程；還有MaryCahall和她的組織能力。

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