概述

Java 技术体系¶

Java 技术既是一种编程语言，也是一个平台。

Java 编程语言¶

Java 编程语言是一种高级语言。

在 Java 编程语言中，所有源代码首先以纯文本文件的形式编写，文件扩展名为 .java 。这些源文件随后由 javac 编译器编译成 .class 文件。 .class 文件不包含特定于你的处理器的本地代码，而是包含字节码（bytecode）— Java 虚拟机（Java VM）的机器语言。 java 启动工具随后使用 Java 虚拟机的一个实例来运行你的应用程序。

由于 Java VM 可在许多不同的操作系统上使用，相同的 .class 文件能够在 Microsoft Windows、Solaris™ 操作系统（Solaris OS）、Linux 或 Mac OS 上运行。某些虚拟机（如 Java SE HotSpot）在运行时执行额外的步骤以提升应用程序的性能。这包括各种任务，例如查找性能瓶颈和重新编译（编译为本地代码）经常使用的代码段。

Java 平台¶

Java 平台有两个组件：

• Java 虚拟机
• Java 应用编程接口 (API)

API 是一个庞大的现成软件组件集合，提供许多有用的功能。它被组织成相关类和接口的库；这些库被称为包 (Package)。

作为一个平台无关的环境，Java 平台的运行速度可能比本地代码慢一些。然而，编译器和虚拟机技术的进步正在使性能接近本地代码的水平，同时不会牺牲可移植性。

核心特性¶

简单易学¶

C 语言功能强大但陷阱众多：手动管理内存、指针操作容易越界、没有内置字符串和集合类型。Java 的设计目标之一就是「去掉 C/C++ 中容易出错的特性」：

• 没有指针运算——你操作的是对象引用，而非裸内存地址
• 没有手动内存释放——垃圾回收器自动处理
• 统一的字符串和数组——String 是内置类型，数组自带长度信息
• 布尔类型独立——boolean 不能与 int 互相转换，杜绝 if (a = 0) 这类拼写错误

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// ❌ C 语言：忘记 free 导致内存泄漏
int* arr = (int*) malloc(100 * sizeof(int));
// ... 使用 arr
// 如果忘记 free(arr)，内存永远不会被回收

// ✅ Java：无需手动释放，GC 自动回收
int[] arr = new int[100];
// 离开作用域后，GC 会自动回收

面向对象¶

Java 是「纯」面向对象语言——除基本类型（int、boolean 等）外，一切皆对象。与 C++ 不同，Java 不支持多重继承和全局函数，强制用类和接口组织代码。

三大核心机制：

• 封装：通过访问修饰符（private/protected/public）控制内部状态的可见性
• 继承：子类继承父类的属性和方法，实现代码复用（Java 只允许单继承）
• 多态：同一接口的不同实现，运行时动态绑定

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Animal dog = new Dog();
Animal cat = new Cat();
dog.speak();  // "汪汪"
cat.speak();  // "喵喵"

平台无关性（Write Once, Run Anywhere）¶

这是 Java 最著名的卖点——Write Once, Run Anywhere（一次编译，到处运行）。

C/C++ 编译后生成的是特定平台的机器码，Windows 编译的程序无法直接在 Linux 上运行。而 Java 编译后生成的是字节码（.class 文件），由 JVM 在运行时解释或编译为本地代码。只要目标平台安装了 JVM，同一份字节码就能运行。

整个流程在「Java 编程语言」一节中已有图示，核心链路为：

.java → javac → .class（字节码）→ JVM → 任意操作系统

安全性¶

Java 从四个层面保障安全：

• 字节码校验器：加载 .class 文件时检查字节码是否合法，防止篡改
• 沙箱模型：不受信任代码运行在受限环境中，无法随意访问本地文件系统
• 无指针运算：程序无法直接操作内存地址，杜绝缓冲区溢出攻击
• 数组边界检查：每次访问都会验证索引范围，越界时抛出异常

高性能（JIT 即时编译）¶

Java 的「解释型语言一定慢」的印象早已过时。现代 JVM 的 HotSpot 编译器在运行时将热点代码（被频繁执行的代码段）即时编译 （JIT，Just-In-Time Compilation）为本地机器码，使其性能接近 C/C++。

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字节码 ──解释执行──→ 首次运行（较慢）
    │
    └──热点检测──→ JIT 编译为本地码 ──→ 后续运行（接近原生速度）

此外，JVM 还会持续进行内联优化、逃逸分析、循环展开等编译优化，程序运行时间越长，优化效果越好。

多线程支持¶

C 语言的多线程依赖操作系统 API（如 POSIX pthread），不同平台写法不同，调试困难。Java 在语言级别内置多线程支持：

• Thread 类和 Runnable 接口：创建线程的基础 API
• synchronized 关键字：语言级互斥锁
• java.util.concurrent 包：线程池、并发集合、原子操作等高级工具
• 虚拟线程（Java 21+）：轻量级线程，可轻松创建百万级并发任务

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// ❌ C 语言（POSIX）
pthread_t thread;

pthread_create(&thread, NULL, &my_function, NULL);

pthread_join(thread, NULL);

// ✅ Java
Thread thread = new Thread(() -> System.out.println("Hello"));
thread.start();

自动垃圾回收（GC）¶

C/C++ 中，程序员必须手动 malloc/free 或 new/delete 来管理内存。忘记释放会内存泄漏，重复释放会程序崩溃 ——据统计，C/C++ 程序中约 40% 的 bug 与内存管理有关。

Java 的垃圾回收器（GC，Garbage Collector）自动追踪对象的引用关系，回收不再被引用的对象所占内存：

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public void processData() {
    // 创建大对象
    byte[] data = new byte[1024 * 1024 * 100];  // 100MB

    // 使用 data 处理业务...

} // ← 方法返回后，data 不再被引用，GC 会在适当时机自动回收这 100MB

开发者无需（也无法）手动释放内存，从根源上消除了内存泄漏和悬垂指针问题。

发展史¶

诞生：从嵌入式到互联网¶

Java 诞生于 1990 年 Sun Microsystems 的一个内部项目。工程师 James Gosling 起初为嵌入式设备开发一种 C++ 的替代语言，命名为 Oak（源自他窗外的橡树）。

嵌入式项目未能商业化，团队在 1994 年将方向转向万维网——用 Java 编写的 applet 可以在浏览器中运行，这在当时是革命性的。 1995 年 5 月 23 日，Sun 在 SunWorld 大会上正式发布 Java，Netscape 同日宣布浏览器支持 Java，语言迅速引发行业关注。

发布后的头两年，Java 的普及速度惊人：1996 年 4 月，10 家主要操作系统供应商声明将嵌入 Java 技术；1996 年 9 月，已有约 8.3 万个网页采用 Java 技术制作；1997 年 4 月首届 JavaOne 大会吸引逾万人参会，创当时全球同类会议规模纪录；2001 年 Nokia 宣布到 2003 年将售出 1 亿部支持 Java 的手机。

版本演进¶

以下仅列出对语言和平台有重大影响的里程碑版本：

从 Sun 到 Oracle¶

2010 年 Oracle 收购 Sun Microsystems，Java 的开发和维护由 Oracle 接手。收购后 Oracle 对 Java 社群的态度引发争议—— 2010 年 11 月，Apache 威胁退出 JCP（Java Community Process），抗议 Oracle 对 TCK（技术兼容性包）授权的限制。

自 Java 11 起，Oracle JDK 采用商业许可证，同时社区驱动的 OpenJDK 成为免费开源的替代方案。两个发行版在代码上完全一致，区别仅在于许可协议和少量商业特性。

从零编写第一个 Java 程序¶

JDK 下载与环境配置¶

Java 开发工具包（JDK）包含了编译器、运行时环境和各种开发工具。你可以从 Oracle 官方网站或 OpenJDK 社区下载适合你操作系统的版本。

安装目录说明：

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$JAVA_HOME/
├── bin/        # 可执行工具目录（java/javac/jstack 等命令均在此）
├── conf/       # 运行时配置文件（安全策略/网络/日志等）
├── include/    # C/C++ 头文件（JNI/JVMTI 开发时 #include 此处）
├── jmods/      # 模块化 JDK 包（.jmod 文件，jlink 构建自定义 JRE 的原料）
├── legal/      # 各模块开源协议声明（LICENSE/NOTICE，发布合规用）
├── lib/        # JVM 核心库(JDK类库)与内部数据（非用户 classpath，勿混淆）
├── man/        # 命令手册页（man java 等，部分发行版/平台才有）
└── release     # 纯文本版本描述文件（JAVA_VERSION/OS_ARCH 等 KV 信息）

将 bin 目录配置到环境变量：

• Windows：系统属性 → 高级系统设置 → 环境变量 → Path → 新建 %JAVA_HOME%\bin

Hello World¶

编写 HelloWorld 源码

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public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

编译源码

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# 在命令行中，进入 HelloWorld.java 所在目录，执行：
javac HelloWorld.java

运行编译后会生成一个 HelloWorld.class 文件，包含 Java 字节码。执行以下命令运行程序：

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java HelloWorld

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# 命令行输出
Hello, World!

public class 与 class 的区别¶

一个 Java 源文件中可以定义多个 class。编译之后，一个 class 就会对应生成一个 class 字节码文件。

如果一个类是 public 的，类名必须和源文件名保持一致。public 的类可以没有。如果有的话，也只能有一个。

加载与执行原理¶

• 编译阶段
  • Java 源代码（.java）通过 javac 命令编译成字节码（.class）
• 运行阶段
  • 通过 java 命令启动 JVM，JVM 加载 .class 文件，执行字节码
    • JVM 包含类加载器（ClassLoader）负责加载 .class 文件。类加载器根据CLASSPATH环境变量寻找.class文件。
    • 字节码通过解释器或 JIT 编译器转换为本地机器码执行。

CLASSPATH 加载机制¶

JVM 启动时，ClassLoader 按以下顺序加载 .class 文件：

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Bootstrap ClassLoader   → JDK核心库 (rt.jar, $JAVA_HOME/lib)
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Extension ClassLoader   → 扩展库 ($JAVA_HOME/lib/ext)
    ↓
Application ClassLoader → CLASSPATH 指定路径

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# 手动设置时必须带上 .，否则当前目录失效
CLASSPATH=.;C:\libs\foo.jar

Java 注释类型¶

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// 单行注释

/*
多行注释
多行注释
 */

/**
 * 文档注释（JavaDoc）
 * 用于生成 API 文档，支持 HTML 标签和特殊标记（@param/@return 等）
 * javadoc -d doc/ HelloWorld.java
 */