Java Virtual Machine C語言的開發模式, 是編寫.c的Source Code, 再經由Compiler編譯成Object Code。所謂 Object Code指的是和硬體相關的機器指令, 也就是說當我們想要把C程式移植到不同的硬 體時, 必須要重新Compile,以產生新的執行檔。除了需要重新編譯外,新系統是否具備應 用程式所需的程式庫,include的檔案是否相容, 也是程式能否在新機器上順利編譯和執行 的條件之一。 在實務上,為了讓C程式能在不同的UNIX版本上都能順利編譯,原作者往往必須使用前置處 理器的#ifdef指令,判斷不同環境的適當寫法。如果想把在UNIX上開發的C程式移植到 Windows上,則有用到專屬程式庫的部分(如UNIX的使用者介面可能用到X Window的 API,Windows就沒有支援,必須一台一台灌程式庫才行,很可能還要花錢買),就必須重寫才 行。 解決此類問題的方法之一,是定義一種Virtual Machine(虛擬機器),讓程式語言編譯時不 要翻成實體機器的指令,而是翻成Virtual Machine的目的碼。Virtual Machine一般是以 軟體來模擬的,只要新的平台有Virtual Machine,則原始程式不用Compile,執行舊機器上 已有的Virtual Machine目的碼,就可以了。當然要達到完全不用重新Compile就能執行的 理想,還要配合標準的程式庫才行。 Java語言基於上述理念,定義了Java Virtual Machine,它所用的指令稱為byte code。使 用Virtual Machine的缺點之一,是執行的速度較慢,代價是開發的速度變快了。以現在的 硬體來說,大部分應用程式的執行速度已經沒有那麼重要,反倒是軟體的開發速度和品質越 來越值得重視。 此外JVM的技術不斷進步, 諸如Just In Time(JIT) Compiler, 或HotSpot等技術都可以讓 Java程式以非常接近原生碼(Native Code)的速度執行。因此不要因為某些偏頗的報告或 直覺, 就不使用Java了。 開發Java應用程式的工具中,最常見的是由Java的原創公司Sun Micro所出版的JDK(Java Development Kit)。JDK可以免費下載。以Text Editor寫好的Hello.java原始檔: public class Hello { public static int gvar; public static void say(String s) { int x = 10; System.out.print(s+x); } public static void main(String[] argv) { float y = 0; say("Hello, world\n"); } } 這程式的C版本如下 #include <stdio.h> int gvar; void say(char[] s) { int x = 10; printf("%s%d", s, x); } int main(int argc, char** argv) { float y = 0; say("Hello, world\n"); } 經過: javac Hello.java 編譯完成後會產生byte code格式的Hello.class,然後 java Hello 就可以利用Java Virtual Machine(此處是java這個執行檔)來執行了。 上述過程中幾個比較會發生的問題是 javac找不到: 請設定path這個環境變數。 javac抱怨class Hello找不到: 請確定你的檔名是大寫Hello.java,程式內的public class Hello有沒有大小寫的問題。 java抱怨找不到main: 請確定public static void main(String[] argv)毫無錯誤。 Java是物件導向(Object-Oriented)程式語言 Java是由C++簡化來的。由於C++要和C完全相容,又很注重效能問題,因此C++算是很複雜的 程式語言。Java在設計之初,考量的重點之一就是簡單,因此和C++比起來,不僅更為物件導 向,而且比C++容易學習。 Java許多運算符號和敘述語法都是來自C語言,假設各位已經對C語言有所了解,本章後面的 部分只將Java和C在運算符號和敘述語法上的差異點出來,相同的部分請參見C語言的課程 內容。 資料型別 Java語言所定義的基本資料型別有 型別名稱 位元長度 範圍 boolean 1 true或false byte 8 -128 ~ 127 short 16 -32768 ~ 32767 char 16 Unicode characters int 32 -2147483648 ~ 2147483647 long 64 -9223372036854775808 ~ 9223372036854775807 float 32 +-3.4028237*10+38 ~ +-1.30239846*10-45 double 64 +-1.76769313486231570*10+308 ~ 4.94065645841246544*10-324 Java的資料型態裡沒有unsigned。 Java對數值型態的轉換比C稍微嚴格一點,下列左邊的部分都可以指定(assignment)給右邊 的型別: byte --> short --> int --> long --> float --> double 除上述外,其他型別間的轉換都必須下達型別轉換(Type Casting)命令來處理,其形式為圓 括弧裡寫上型別名稱,如(double) 由於Java在char的型態部分採用Unicode,因此字元常數的表示法,除因循C的規則外,也可 以直接指定16bits Unicode編碼給char型別的變數。Java的變數也可以用Unicode來命名, 換句話說,你可以用中文取變數名稱。 除了這些基本資料型別外,Java還有一個稱為Reference(參考)的型別。Reference用來存 取Object(物件),其功能和C語言的pointer用來存取記憶體有點像,但沒有pointer的&+-等 運算符號,而且Reference只能存取型態相符合的類別。宣告Reference的語法是 ClassName varName,例如 String s; 宣告s是一個型態為reference的變數,這表示我們可透過s來存取屬於String類別的物件 (s is a reference to String object)。 要特別強調的是, s並不是物件, 而是用來指向String物件的reference。打個比方, 動物 手指頭; // java 因字元編碼使用unicode, 所以可用中文當變數名稱 變數 "手指頭" 宣告為reference, 可指向屬於 class "動物" 的物件, 手指頭不是動物 , 而是用手指頭指向某隻動物。 java.lang.Float f; java.lang.Double d; java.lang.Integer i; 以上變數的型態都是reference 運算符號(Operator) Java語言在運算式的部分,和C語言極為類似, 除了沒有sizeof, pointer和struct相關的 運算符號外, 另外新增了>>>向右無號shift, 以及用來判斷物件型態的instanceof。Java 的常數的表示法也和C相同,而Java裡的新資料型態boolean的合法值為true和false兩個常 數。 算術(Arithmetic)運算符號 運算符號 功能敘述 + 加 * 乘 - 減 / 除 % 餘數 ++ 加一 -- 減一 邏輯(logic)運算符號 運算符號 功能敘述 > 大於 < 小於 >= 大於等於 <= 小於等於 == 等於 != 不等於 && logic AND || logic OR ! logic NOT instanceof reference instanceof ClassName 判斷reference所指到的物件其型態是否和ClassName相容 Java語言和C語言有關邏輯運算最大的不同,在於Java以boolean資料型態(只有true和 false兩種值)判斷條件是否成立,而C語言只能使用0或非0。 位元(Bit)運算符號 運算符號 功能敘述 & bit AND << left bit shift | bit OR >> right bit shift with sign ^ bit XOR ~ 1補數 >>> 同>>但左邊一律補零 其他運算符號 運算元 功能敘述 = 將右邊的值複製到左邊的變數 (type) 將右邊的數值或reference轉換成type型別 += 將右邊的數值加上左邊的數值然後指定給左邊的變數 ?: 若?左邊成立則做:左邊否則做:右邊 , 合併兩個運算視為一個敘述 (運算式) 表示()內優先運算 . Reference.ObjectMember或ClassName.ClassName 存取物件或類別成員 new 產生物件 優先權 種類 運算符號 結合順序 group (op) left to right postfix [] . (params) op++ op-- right to left prefix ++op --op +op -op ~ ! right to left creation or casting new (type)op right to left multiplicative * / % left to right additive + - left to right shift << >> >>> left to right relational < > <= >= instanceof == left to right equality == != left to right bitwise and & left to right bitwise exclusive or ^ left to right bitwise inclusive or | left to right logical and && left to right logical or || left to right conditional ? : right to left assignment = += -= *= /= %= &= ^= |= <<= >>= >>>= right to left seperator , left to right 流程控制敘述 Java的流程控制敘述和C語言極為類似,不同處在於break和continue兩個指令。Java的 break和continue指令後面可以加上標籤,以指示要跳出或繼續的範圍。 public class BreakContinueExample { public static void main(String[] argv) { int i, j; outerLoop: for (i = 0; i < 100; i++) { innerLoop: for (j = 0; j < 100; j++) { if (j == 50 && i == 50) { break outerLoop; } } } System.out.println("Loop have been terminated."); } } 在上面的例子中,當j==50且i==50時,break指令會跳出最外面的迴圈,直接印出迴圈終止訊 息。如果break後面沒有outerLoop的話, 只會跳出裡面的迴圈,然後i從51繼續做下去。 字串 C語言定義以0結尾的字元陣列就是字串。但對Java來說, 字串是由String類別來表達, 也 就是說String是物件而不是陣列。由於我們經常使用字串, 為了寫作程式方便起見, Java Compiler碰到+符號某一邊的型態是String時, 就會把+翻譯成StringBuffer類別裡 相對應的append Method。例如: public class StringTest { public static void main(String[] argv) { int x = 5; float y = 1.5; System.out.println("x = " + x + ", y = " + y); } } 會翻譯成: public class StringTest { public static void main(String[] argv) { int x = 5; float y = 1.5; System.out.println((new StringBuffer("x = ")).append(x).append(", y = ").append(y).toString()); } } 如果你會C++, 看到Java字串+符號的語法, 千萬不要以為Java支援operator overloading 。Java只是透過Compiler來做特別的轉換, 稱這種技術為Compiler Sugar比較適合。 Java語言的寫作風格 寫作Java程式時,請注意下列幾種風格 Class Name請首字大寫 Variable Name和Method Name請首字小寫 如果名稱由數個英文字組成,第二個英文字以後首字大寫 內縮四個空格 註解部分如要變成說明文件,請遵照javadoc這個工具的寫作規則 /** * 第一行的兩個**用來告訴javadoc此部份註解要變成HTML文件的一部份 * 這段註解裡的所有文字都會變成此類別一開頭的說明 */ public class Hello { // Class Name首字大寫 /** * 此段註解會變成描述main方法的一部分 * @param argv 使用@param註記會產生參數(parameter)argv的相關說明 * @return 傳回值的意義說明 */ public static void main(String[] argv) { // Method Name首字小寫 // argv: array of references to String object int myVariable; // 變數宣告 int i, sum; for (i = 1, sum = 0; i <= 100; i++) { sum += i; } System.out.println("summation from 1 to 100 is "+sum); } } 運算符號範例 攝氏溫度轉華氏溫度 public class Example { public static void main(String[] argv) { float degree = 100.0; System.out.println("100C=" + (degree * 9.0 / 5.0 + 32.0)); } } 華氏溫度轉攝氏溫度 怎麼寫呢? 1 + 2 + ... + n的總合 public class Example { public static void main(String[] argv) { int n = 100; System.out.println("1+2+...+"+n+" = " + ( n * (n + 1) / 2)); } } 特別注意上述的運算式裡/2要放到最後面,如果寫成n/2*(n+1),從數學式子的角度看好像 沒問題,但別忘了,binary operator的兩邊必須是同樣型別的資料,而且計算的結果也是同 樣的型別。因此n/2*(n+1)會先計算n/2,如果n不能被2整除的話,那麼為了符合計算結果必 須是整數的限制,則小數點的部份就會無條件捨去,使得計算的結果錯誤。下面的範例一樣 要注意相同的問題。 12 + 22 + ... + n2的總合 怎麼寫? 把浮點數四捨五入為整數 Java語言規定浮點數轉整數時,小數點部分無條件捨去。如果要達到浮點數四捨五入為整 數的效果,可以使用下面的小技巧 public class Example { public static void main(String[] argv) { double x = 20.6; System.out.println(x + " 四捨五入成為 " + (int)(x+0.5)); System.out.println(x + " 四捨五入成為 " + round(x)); } static int round(double y) { return (int)(y + 0.5); } } 迴圈範例 寫一程式輸入5個整數數字,計算其總合和平均。解析: 需要1個變數紀錄到目前為止所有inputNum的總和,稱此變數為sum,其初始值為0 以迴圈執行5次,每次輸入數字加總到sum,迴圈執行的次數以變數i來代表 平均數為sum/5 如何讀入資料? import java.util.Scanner; public class Example { public static void main(String[] argv) { int sum = 0, i = 0; Scanner in = new Scanner(System.in); while (i < 5 && in.hasNextInt()) { sum = sum + in.nextInt(); i++; } System.out.println("sum is "+sum", average is "+(sum/5.0)); } } 寫一函數輸入參數int n,傳回1 + 2 + 3 ... + n的總合。解析: 要想辦法拜訪1,2,3...n的每一個數字一次 可用for(i=1; i <= n; i++)的形式達成上述目標 拜訪到這些數字時,就把它們加起來 public class Example { public static int sum(int n) { int total = 0; // 紀錄到目前為止的總和 for (int i = 1; i <= n; i++) { total += i; } return total; } public static void main(String[] argv) { System.out.println(sum(100)); } } 寫一函數輸入參數int n,傳回1 + 3 + 5 ... + n的總合。解析: 要想辦法拜訪1,3,5...n的每一個數字一次,也就是從1開始每次加2 可用for(i = 1; i <= n; i += 2)的形式達成上述目標 拜訪到這些數字時,就把它們加起來 怎麼寫? 寫一函數於螢幕上畫出九九乘法表。解析: 總共有i = 1..9 列, j = 1..9 行, 對第i列第j行元素來說, 其數值為i*j public class Example { public static void main(String[] argv) { for (int i = 1; i <= 9; i++) { for (int j = 1; j <= 9; j++) { System.out.print(" " + (i * j)); } System.out.println(); } } } 輸入參數int size,並在螢幕上印出正方形,size=3的樣子如下 *** *** *** 解析 螢幕上的游標只能由上而下,由左而右,無法回頭。 此圖形共有1..size列,每列有size個*,因此可用兩層迴圈來做。 要讓一個敘述執行size次,可用for(i = 1; i <= size; i++)的形式來達成 public class Example { public static void print(int size) { int i, j; // 第i列,第j行 for (i = 1; i <= size; i++) { // 印出第i列 for (j = 1; j <= size; j++) { // 第i列有size個* System.out.print("*"); } System.out.println(); } } public static void main(String[] argv) throws Exception { BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); print(Integer.parseInt(in.readLine())); } } 輸入參數int size,並在螢幕上印出直角三角形,size=3的樣子如下 * ** *** 解析 螢幕上的游標只能由上而下,由左而右,無法回頭。 此圖形共有1..size列,第i列有個*,因此可用兩層迴圈來做。 怎麼寫? 撰寫一函數輸入int size,並在螢幕上印出等腰的三角形,size=3的樣子如下 * *** ***** 解析 總共有1..size列,對第i列而言,有size-i個空格,以及(2 * i- 1)個* 怎麼寫? 寫一函數求兩個整數的最大公因數,解析: 此函數需要兩個參數x,y 當y不能整除x時,將x設成為y,y設為x%y, 重複此步驟直到x%y為0 此時y就是這兩個數的最大公因數 public class Example { public static void main(String[] argv) { System.out.println(gcd(12,18)); } public static int gcd(int x, int y) { int tmp; // 如果x < y 則下面的迴圈執行第一次時就會交換x,y了 while (x % y != 0) { tmp = y; y = x % y; x = tmp; } return y; } } 寫一函數求兩個整數的最小公倍數 怎麼寫? 寫一函數求費氏數,解析: F(n)=n, if n<=1; F(n)=F(n-1)+F(n-2), otherwise 可定義兩變數fn_1,fn_2表示最近兩個找出的費氏數 下一個費氏數依定義為fn_1 + fn_2 找到最新的費氏數後,最近的兩個費氏數就變成了fn_1+fn_2以及fn_1 以變數i紀錄目前要求的是哪一個費氏數 以變數tmp作為更新最新兩個費氏數所需的記憶體空間 public class Example { public static void main(String[] argv) { System.out.println(fab(5)); } public static int fab(int n) { int fn_1 = 1, fn_2 = 0; // 紀錄最近找到的兩個費氏數 int i, tmp; // i表示目前要找F(i) if (n <= 1) return n; for (i = 2; i <= n; i++) { tmp = fn_1; // 先把fn_1紀錄在tmp fn_1 += fn_2; // 最新的費氏數是前面兩個相加 fn_2 = tmp; // 第二新的就是原先的fn_1 } return fn_1; } } 遞迴(recursion)範例 求1+2+3+...+n 解析 邊際條件是n=1時,總合為1 該函數可定成int sum(int n) sum(n) = n + sum(n - 1) public class Example { public static void main(String[] argv) { System.out.println(sum(100)); } public static int sum(int n) { if (n == 1) { return 1; } return n + sum(n - 1); } } 以遞迴計算1*2+2*3+3*4+…+(n-1)*n之和 怎麼寫? 利用遞迴求得A的B次方 public class Example { public static void main(String[] argv) { System.out.println(power(2, 6)); } public static int power(int a, int b) { switch(b) { case 0: return 1; case 1: return a; default: return (a * power(a, b - 1)); } } 以遞迴求兩個整數m,n的最大公因數 解析 如果n==0,則最大公因數為m 如果n不等於0,則最大公因數為gcd(m,n)==gcd(n, m%n) 怎麼寫? 費式數列 解析 費氏數列的定義為F(n)=n, if n<= 1 F(n) = F(n-1)+F(n-2), if n > 1。 public class Example { public static void main(String[] argv) { System.out.println(fab(5)); } public static int fab(int num) { if (num <= 1) { return num; } return fab(num - 1) + fab(num - 2); } } Ackerman函數 A(m, n)定義為 n + 1, if m = 0 A(m - 1, 1), if n = 0 A(m - 1, A(m, n - 1)), otherwise 怎麼寫? --

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