一、Java 基礎入門：從 0 到 1 認識 Java（詳細筆記）

1.1 Java 語言簡介與發展歷程

Java 是一門面向對象的高級編程語言，以“跨平臺、安全、穩定”為核心特性，自誕生以來長期占據編程語言排行榜前列，廣泛應用于后端開發、移動端開發、大數據等領域。

1.1.1 起源與核心人物

起源背景：1991 年，Sun 公司（后被 Oracle 收購）的“Green 項目”啟動，目標是開發一種能在嵌入式設備（如電視機頂盒）上運行的語言，核心開發者包括 詹姆斯·高斯林（James Gosling）（被稱為“Java 之父”）。
語言命名：最初名為“Oak”（橡樹），因商標沖突，1995 年正式更名為“Java”（源自印尼爪哇島，象征“活力與廣泛傳播”）。
首次發布：1995 年 Sun 公司在 SunWorld 大會上發布 Java 1.0，同時推出 Java Applet（早期網頁交互技術，后因安全問題逐漸被淘汰）。

1.1.2 關鍵版本迭代（LTS 版本優先）

Java 版本分為“普通版本”和“長期支持版本（LTS）”，LTS 版本提供 5-8 年官方支持，是企業生產環境的首選：

JDK 1.5（2004 年）：里程碑版本，引入泛型、枚舉、注解、foreach 循環、自動裝箱/拆箱等核心特性，奠定現代 Java 基礎。
JDK 8（2014 年）：最經典的 LTS 版本，引入 Lambda 表達式、Stream API、Optional 類、接口默認方法，至今仍是企業主流。
JDK 11（2018 年）：LTS 版本，移除永久代（改用元空間）、支持局部變量類型推斷（var 關鍵字）、自帶 HttpClient 工具類。
JDK 17（2021 年）：最新 LTS 版本，引入密封類（Sealed Classes）、Record 類（簡化實體類編寫）、增強 Switch 表達式，性能大幅優化。

1.1.3 現在與未來

歸屬權：2009 年 Oracle 收購 Sun 公司，獲得 Java 版權與開發權，目前 Oracle 每 6 個月發布一個普通版本，每 3 年發布一個 LTS 版本。
生態地位：Java 生態是編程語言中最完善的之一，擁有海量類庫、框架（Spring、MyBatis）和工具，支持從小型應用到大型分布式系統的開發。

1.2 Java 核心優勢與應用場景

Java 能長期流行，核心在于其獨特的設計理念和廣泛的適用性，具體優勢與場景如下：

1.2.1 四大核心優勢

跨平臺性（一次編寫，到處運行）
這是 Java 最核心的優勢。Java 源文件編譯后生成 字節碼文件（.class），不直接依賴操作系統，而是通過 Java 虛擬機（JVM） 解釋執行——不同操作系統（Windows、macOS、Linux）只需安裝對應版本的 JVM，即可運行同一套字節碼文件。
? 示例：在 Windows 上編寫的 Java 程序，無需修改代碼，復制到 Linux 服務器上（安裝 Linux 版 JVM）即可直接運行。
純面向對象編程（OOP）
Java 嚴格遵循面向對象思想，萬物皆可“類與對象”，支持封裝、繼承、多態三大特性，能更好地模擬現實世界，降低復雜系統的開發與維護成本。
? 例外：基本數據類型（如 int、char）不是對象，但可通過“包裝類”（如 Integer）轉為對象。
安全性與穩定性
- 安全機制：Java 自帶“沙箱機制”（限制程序訪問本地資源）、類加載器（防止惡意代碼篡改核心類）、異常處理（避免程序崩潰），適合開發金融、支付等對安全要求高的系統。
- 內存管理：通過 垃圾回收器（GC） 自動回收無用內存，無需手動釋放（對比 C/C++ 的 free/delete），大幅減少內存泄漏問題。
生態豐富與社區活躍
- 官方提供龐大的 Java 核心類庫（JDK API），涵蓋 IO、集合、多線程、網絡等功能，無需重復造輪子。
- 第三方框架（Spring Boot、MyBatis、Dubbo）、工具（Maven、Git）、社區（Stack Overflow、GitHub）成熟，問題能快速找到解決方案。

1.2.2 四大主流應用場景

應用領域	核心技術/框架	典型案例
后端開發	Java EE、Spring Boot、Spring Cloud	電商系統（淘寶、京東）、金融系統（銀行核心系統）
移動端開發	Android 原生開發	手機 APP（早期微信、抖音核心模塊）
大數據開發	Hadoop、Spark、Flink	數據計算（用戶行為分析、實時推薦）
桌面應用開發	Swing、AWT（傳統）、JavaFX	企業內部工具（如報表系統、管理端）

1.3 開發環境搭建（JDK 下載、安裝、環境變量配置）

Java 開發的基礎是 JDK（Java Development Kit，Java 開發工具包），必須先完成 JDK 安裝與環境變量配置，才能編譯和運行 Java 程序。以下以 JDK 17（LTS 版本，Windows 10/11 系統） 為例，步驟詳細到“小白可follow”：

1.3.1 第一步：下載 JDK

訪問官方地址：打開 Oracle 官網 JDK 下載頁（鏈接），建議用 LTS 版本（如“Java SE 17 LTS”）。
選擇系統版本：
- Windows 系統：根據電腦位數選擇（64 位選“Windows x64 Installer”，exe 格式；32 位選“Windows x86 Installer”，目前主流電腦均為 64 位）。
- macOS 系統：選“macOS x64.dmg”（Intel 芯片）或“macOS AArch64.dmg”（M1/M2 芯片）。
- Linux 系統：選“Linux x64 RPM Package”或“Linux x64 Compressed Archive”（解壓版）。
登錄 Oracle 賬號：Oracle 要求登錄后才能下載，若無賬號，點擊“Create Account”注冊（免費，填寫郵箱、密碼即可）。
開始下載：登錄后點擊對應版本的“Download”，等待 exe 文件下載完成（約 200-300MB）。

1.3.2 第二步：安裝 JDK

雙擊運行安裝包：打開下載的 jdk-17_windows-x64_bin.exe，彈出安裝向導，點擊“下一步”。
選擇安裝路徑（關鍵！）：
- 建議 自定義路徑（默認路徑在 C 盤，若 C 盤空間不足可改到其他盤），例如：D:\Program Files\Java\jdk-17（路徑中不能有中文、空格或特殊字符，否則后續會報錯）。
- 記住這個路徑（后續配置環境變量要用），點擊“下一步”。
等待安裝完成：安裝過程約 1-2 分鐘，無需額外操作，最后點擊“關閉”。

?? 注意：JDK 11 及以上版本無需單獨安裝 JRE（JRE 已集成在 JDK 中，可通過 jlink 工具生成獨立 JRE，新手暫無需關注）。

1.3.3 第三步：配置環境變量（Windows 系統）

環境變量的作用是讓系統“找到”JDK 的編譯工具（javac.exe）和運行工具（java.exe），否則在命令行輸入 javac 會提示“不是內部或外部命令”。

步驟 1：打開環境變量設置

方法 1：右鍵“此電腦” → “屬性” → “高級系統設置” → “環境變量”。
方法 2：Win + R 輸入 sysdm.cpl → 回車 → “高級” → “環境變量”。

步驟 2：配置“JAVA_HOME”變量（用戶變量/系統變量均可，推薦用戶變量）

在“用戶變量”欄點擊“新建”，彈出“新建用戶變量”窗口：
- 變量名：JAVA_HOME（大小寫敏感，必須全大寫）。
- 變量值：粘貼第一步的 JDK 安裝路徑（例如 D:\Program Files\Java\jdk-17）。
點擊“確定”保存。

步驟 3：配置“Path”變量

在“用戶變量”欄找到“Path”變量，雙擊打開（或選中后點擊“編輯”）。
點擊“新建”，輸入 %JAVA_HOME%\bin（%JAVA_HOME% 是引用上一步的 JAVA_HOME 變量，自動指向 JDK 的 bin 目錄）。
再點擊“新建”，輸入 %JAVA_HOME%\jre\bin（JDK 17 無單獨 JRE 目錄，可省略此步，若后續報錯再補充）。
點擊“上移”，將這兩個路徑移到最頂部（避免與其他軟件的 Java 版本沖突），然后依次點擊“確定”關閉所有窗口。

步驟 4：驗證配置是否成功

打開 新的命令提示符（CMD）（注意：必須關閉舊 CMD 重新打開，否則環境變量不生效）。
輸入以下兩個命令，若輸出類似結果，則配置成功：
- 命令 1：java -version（查看 Java 運行環境版本）
  ? 成功輸出：java version "17.0.9" 2023-10-17 LTS（版本號可能因下載的 JDK 版本略有不同）。
- 命令 2：javac -version（查看 Java 編譯器版本）
  ? 成功輸出：javac 17.0.9。

? 常見錯誤與解決：

若提示“‘javac’ 不是內部或外部命令”：檢查 JAVA_HOME 路徑是否正確，Path 中是否添加 %JAVA_HOME%\bin，且是否打開新 CMD。
若提示“找不到或無法加載主類”：暫不涉及，后續編寫程序時再排查。

1.4 主流 IDE 使用（IntelliJ IDEA / Eclipse 基礎操作）

IDE（集成開發環境）能簡化 Java 開發（自動補全、語法檢查、一鍵運行），主流工具是 IntelliJ IDEA（簡稱 IDEA） 和 Eclipse，新手推薦 IDEA 社區版（免費、功能足夠入門）。

1.4.1 IntelliJ IDEA（社區版）使用教程

1. 下載與安裝

官網地址：IntelliJ IDEA 下載頁，選擇“Community”（社區版，免費），下載對應系統版本。
安裝步驟：
- 雙擊安裝包，勾選“Create Desktop Shortcut”（創建桌面快捷方式）、“Associate .java files”（關聯 .java 文件），點擊“Next”。
- 安裝路徑建議自定義（如 D:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA Community Edition 2023.2），點擊“Install”，等待完成。

2. 首次啟動配置

首次打開 IDEA，選擇“Skip Remaining and Set Defaults”（跳過默認配置，新手無需修改）。
主題選擇：可在“Appearance & Behavior → Appearance”中切換“Light”（淺色）或“Darcula”（深色，保護眼睛）。
配置 JDK：
- 打開“File → Project Structure → SDKs”，點擊“+”號，選擇“JDK”。
- 瀏覽到 JDK 安裝路徑（如 D:\Program Files\Java\jdk-17），點擊“OK”，IDEA 會自動識別 JDK 版本。

3. 創建第一個 Java 項目

點擊“New Project”，進入項目創建界面：
- 左側選擇“Java”，右側“Project SDK”選擇已配置的 JDK 17，點擊“Next”。
- 取消勾選“Create project from template”（不使用模板，從零開始），點擊“Next”。
- 項目命名：例如“JavaHelloWorld”，項目路徑自定義（如 D:\JavaProjects\JavaHelloWorld），點擊“Finish”。
創建“包（Package）”：
- 包用于分類管理 Java 類（避免類名沖突），右鍵 src 目錄 → “New → Package”，輸入包名（命名規范：全小寫，多層級用點分隔，如 com.example.demo），點擊“OK”。
創建“Java 類（Class）”：
- 右鍵包名（com.example.demo） → “New → Java Class”，類名輸入“HelloWorld”（命名規范：首字母大寫，駝峰式），點擊“OK”。

4. 編寫與運行代碼

在 HelloWorld 類中輸入代碼（IDEA 會自動補全）：

package com.example.demo; // 包名，必須在類的最頂部public class HelloWorld {// main 方法：程序入口，固定格式public static void main(String[] args) {// 輸出語句：在控制臺打印“Hello World!”System.out.println("Hello World!");}
}

運行程序：
- 方法 1：右鍵代碼編輯區 → “Run ‘HelloWorld.main()’”。
- 方法 2：點擊類名旁的綠色三角形圖標（??），選擇“Run ‘HelloWorld’”。
查看結果：底部“Console”面板會輸出 Hello World!，表示運行成功。

5. 常用快捷鍵（提升效率）

psvm + 回車：快速生成 main 方法（public static void main(String[] args)）。
sout + 回車：快速生成輸出語句（System.out.println();）。
Ctrl + D：復制當前行到下一行。
Ctrl + Y：刪除當前行。
Ctrl + /：單行注釋（//）或取消注釋。

1.4.2 Eclipse（開源免費）簡要對比

Eclipse 是老牌 IDE，開源免費，但界面和操作流暢度略遜于 IDEA，適合習慣輕量級工具的用戶：

下載：官網 Eclipse 下載頁，選擇“Eclipse IDE for Java Developers”。
核心操作：創建項目（File → New → Java Project）、創建類（New → Class）、運行（右鍵 → Run As → Java Application），流程與 IDEA 類似。
優缺點：占用內存小，但自動補全、代碼提示功能不如 IDEA 智能，新手建議優先選 IDEA 社區版。

1.5 第一個 Java 程序：HelloWorld（代碼解析 + 運行流程）

“Hello World”是所有編程語言的入門案例，通過它可理解 Java 程序的基本結構、編譯與運行邏輯。

1.5.1 完整代碼與逐行解析

以下是標準的 HelloWorld 代碼（基于 IDEA 中的 com.example.demo.HelloWorld 類）：

// 1. 包聲明：指定當前類所在的包，必須放在代碼最頂部
package com.example.demo;// 2. 類聲明：public 是訪問修飾符，HelloWorld 是類名（必須與文件名一致）
public class HelloWorld {// 3. main 方法：程序的“入口”，JVM 運行程序時會首先執行此方法// public：公開訪問權限，JVM 可調用// static：靜態方法，無需創建對象即可調用// void：無返回值（不需要向調用者返回結果）// main：方法名（固定，不能修改）// String[] args：參數數組，用于接收命令行傳入的參數（新手暫無需使用）public static void main(String[] args) {// 4. 輸出語句：調用 System 類的 out 對象的 println 方法，在控制臺打印字符串// System：Java 核心類庫中的類（位于 java.lang 包，無需手動導入）// out：System 類的靜態成員變量（類型是 PrintStream）// println：PrintStream 類的方法，作用是“打印字符串并換行”System.out.println("Hello World!");}
}

?? 必須遵守的語法規則：

類名與文件名一致：若類用 public 修飾，文件名必須和類名完全相同（大小寫敏感），例如 HelloWorld.java 對應 public class HelloWorld。
分號結尾：Java 語句必須以 ; 結束（println("..."); 后的分號不能漏）。
大括號配對：class、main 方法的代碼塊必須用 {} 包裹，且要對齊（IDE 會自動格式化）。

1.5.2 兩種運行方式（IDE 可視化 + 命令行）

方式 1：IDE 中運行（推薦新手）

如 1.4.1 節所述，右鍵類 → Run，直接在 Console 面板查看結果，IDE 會自動完成“編譯 → 運行”的全過程，無需手動操作。

方式 2：命令行運行（理解底層流程）

通過命令行運行，能清晰看到 Java 程序“源文件 → 字節碼 → 運行”的步驟，適合理解原理：

找到 .java 源文件路徑：
若 IDEA 項目路徑是 D:\JavaProjects\JavaHelloWorld，則 .java 文件路徑為 D:\JavaProjects\JavaHelloWorld\src\com\example\demo\HelloWorld.java（包名對應文件夾層級）。
編譯：javac 命令生成 .class 字節碼文件：
- 打開 CMD，通過 cd 命令進入 .java 文件所在目錄：
  cd D:\JavaProjects\JavaHelloWorld\src\com\example\demo。
- 輸入編譯命令：javac HelloWorld.java（javac 是 JDK 的編譯器工具）。
- 若代碼無語法錯誤，執行后會在當前目錄生成 HelloWorld.class 文件（字節碼文件，JVM 可識別的格式）。
運行：java 命令執行字節碼：
- 注意：運行時需要“帶包名”執行，因此不能在 demo 目錄下直接運行，需回到 src 目錄（包名的根目錄）：
  cd ../../../../（從 demo 目錄回到 src 目錄）。
- 輸入運行命令：java com.example.demo.HelloWorld（java 是 JVM 的運行工具，后面跟“包名.類名”，無需加 .class 后綴）。
- 執行后，CMD 會輸出 Hello World!，表示運行成功。

1.5.3 常見錯誤與解決

錯誤現象	原因分析	解決方法
編譯時提示“找不到符號”	變量名/方法名拼寫錯誤（如 `sout` 寫成 `soutt`）	檢查代碼拼寫，確保與標準語法一致
運行時提示“找不到或無法加載主類”	運行命令未帶包名，或包名與路徑不匹配	回到 src 目錄，用“包名.類名”格式運行（如 `java com.example.demo.HelloWorld`）
編譯時提示“類 HelloWorld 是公共的，應在名為 HelloWorld.java 的文件中聲明”	文件名與 public 類名不一致（如文件名是 `helloworld.java`）	將文件名改為與類名完全一致（大小寫敏感）

1.6 Java 運行機制（JVM、JRE、JDK 關系 + 跨平臺原理）

理解 Java 運行機制，是掌握 Java 跨平臺特性的核心，也是后續學習 JVM 調優、性能優化的基礎。

1.6.1 JVM、JRE、JDK 三者的關系

首先明確三個核心概念的定義，再通過“包含關系”和“比喻”理解它們的作用：

組件	英文全稱	核心作用	包含內容
JDK	Java Development Kit	Java 開發工具包，供開發者編寫、編譯程序	JRE + 開發工具（javac、java、javadoc 等）
JRE	Java Runtime Environment	Java 運行環境，供用戶運行 Java 程序	JVM + 核心類庫（java.lang、java.util 等）
JVM	Java Virtual Machine	Java 虛擬機，負責將字節碼轉為機器碼執行	類加載器、執行引擎、垃圾回收器等

包含關系（從大到小）：

JDK ? JRE ? JVM + 核心類庫
（JDK 包含 JRE，JRE 包含 JVM 和運行所需的核心類庫）

通俗比喻：

把 Java 程序比作“蛋糕”：
- JDK 是“全套烘焙工具 + 食材 + 烤箱”（開發者用它做蛋糕）。
- JRE 是“食材 + 烤箱”（用戶用它加熱蛋糕吃，不需要烘焙工具）。
- JVM 是“烤箱”（核心設備，負責把“生蛋糕坯（字節碼）”烤成“熟蛋糕（運行結果）”）。

1.6.2 Java 程序完整運行流程

Java 程序從編寫到運行，需經歷 4 個步驟，每個步驟的作用如下：

編寫：創建 .java 源文件
開發者用文本編輯器（或 IDE）編寫 Java 代碼，保存為 .java 后綴的源文件（人類可讀的文本格式）。
編譯：javac 編譯為 .class 字節碼
JDK 的 javac 編譯器讀取 .java 文件，檢查語法錯誤后，將其轉換為 字節碼文件（.class）——字節碼是一種“中間代碼”，既不是機器碼，也不是源文件，只能被 JVM 識別。
? 關鍵：字節碼文件是“平臺無關”的，在 Windows 上編譯的 .class 文件，可直接復制到 Linux 上運行。
加載：JVM 類加載器加載 .class
運行 java 類名 命令時，JVM 的“類加載器（ClassLoader）”會根據類名找到對應的 .class 文件，將其加載到 JVM 的內存中（方法區），并創建對應的 Class 對象（用于后續實例化）。
執行：JVM 執行字節碼
JVM 的“執行引擎”會將字節碼轉換為當前操作系統能識別的 機器碼（平臺相關），然后交給 CPU 執行，最終輸出運行結果。
優化：為提升性能，JVM 會對“熱點代碼”（頻繁執行的代碼）采用 JIT（即時編譯） 技術，將其直接編譯為機器碼緩存起來，避免每次都解釋執行。

流程示意圖（文字版）：

.java 源文件 → [javac 編譯] → .class 字節碼文件 → [JVM 類加載] → [JVM 執行引擎（解釋/編譯為機器碼）] → 操作系統執行 → 輸出結果

1.6.3 跨平臺原理（為什么“一次編寫，到處運行”）

Java 跨平臺的核心在于 “字節碼 + JVM”的分離設計：

字節碼平臺無關：無論在哪個操作系統上編譯，生成的 .class 字節碼格式都是統一的，不存在“Windows 字節碼”“Linux 字節碼”的區別。
JVM 平臺相關：Oracle 為不同操作系統提供了對應的 JVM 實現（如 Windows 版 JVM、Linux 版 JVM），這些 JVM 能將統一的字節碼轉換為當前系統的機器碼。

例如：