Java基礎：語言特性與基本語法

1. 簡介

Java 是一種廣泛使用的程式設計語言，自 1995 年由 Sun Microsystems 公司發布以來，已經成為全球最受歡迎的程式設計語言之一。Java 的發展歷程充滿創新，從最初的 JDK 1.0 到現在的23，每個版本都帶來了新的特性和改進。

Java 的重要特性包括：

跨平台性：「一次編寫，到處執行」的理念。
物件導向：封裝、繼承和多型等物件導向概念。
強型別：嚴格的編譯時期和執行時期類型檢查。
自動記憶體管理：使用垃圾回收機制，減輕開發者的負擔。
豐富的標準函式庫：提供大量可重用的程式碼。

2. Java的基本語言特性

Java 擁有許多獨特的語言特性，以下是 Java 的幾個關鍵特性：

物件導向： Java 是一種純物件導向的程式設計語言。除了基本資料型別外，Java 中的一切都是物件。這種設計促進了程式碼的重用性、可維護性和擴展性。Java 支援封裝、繼承和多型等物件導向的核心概念。
平台獨立性： Java 的「一次編寫，到處執行」理念是通過 Java 虛擬機器（JVM）實現的。Java 程式碼首先被編譯成位元組碼，然後可以在任何安裝了 JVM 的平台上執行。這大大提高了 Java 程式的可移植性。
安全性： Java 設計時就考慮到安全性。它提供安全管理器、存取控制器和類別載入器等機制，以確保程式碼的安全執行。此外，Java 沒有指標概念（這是另外的話題＠Unsafe -- XD），避免了許多與記憶體相關的安全問題。
多執行緒支援： Java 內建對多執行緒程式設計的支援。它提供了同步機制和執行緒間通信的工具，使開發者能夠輕鬆創建高效能的並行應用程式。
自動記憶體管理： Java 使用垃圾回收機制自動管理記憶體。這消除了手動記憶體管理的需求，減少了記憶體洩漏和其他相關錯誤的可能性。
強型別： Java 是一種強型別語言，所有變數都必須先宣告後使用。這有助於在編譯時期捕獲錯誤，提高程式的穩定性。

這些特性使 Java 成為一個強大、安全且靈活的程式設計語言，適用於各種應用場景，從小型應用程式到大型企業系統。

3. Java程式的基本結構

Java 程式的基本結構包含幾個關鍵元素：類別、主方法和套件。讓我們詳細了解這些元素：

類別（Class）：在 Java 中，類別是程式的基本單位。每個 Java 程式至少包含一個類別。類別是物件的藍圖，定義了物件的屬性和行為。
主方法（Main Method）：主方法是 Java 應用程式的入口點。當你執行一個 Java 程式時，JVM 會首先尋找並執行主方法。主方法必須是公開的（public），靜態的（static），沒有回傳值（void），並且接受一個字串陣列作為參數。
套件（Package）：套件用於組織和管理相關的類別。它們提供了一種命名空間機制，幫助避免命名衝突，並提高程式的可維護性。

以下是一個基本的 Java 程式結構示例：

package com.example.myapp;  // 套件宣告

public class HelloWorld {  // 類別宣告
    public static void main(String[] args) {  // 主方法
        System.out.println("Hello, World!");  // 程式邏輯
    }
}

在這個例子中： - package com.example.myapp; 宣告了這個類別所屬的套件。 - public class HelloWorld 定義了一個名為 HelloWorld 的公開類別。 - public static void main(String[] args) 是程式的主方法。 - System.out.println("Hello, World!"); 是實際執行的程式邏輯，這裡是輸出一行文字。

理解這個基本結構對於開始 Java 程式設計至關重要。隨著你的學習深入，你會發現 Java 程式可以變得更加複雜，但這個基本結構始終是核心。

4. 資料型別與變數

在 Java 中，資料型別和變數是程式設計的基礎。Java 是一種強型別語言，這意味著所有變數都必須在使用前宣告其型別。Java 的資料型別分為兩大類：基本資料型別和參考資料型別。

基本資料型別

Java 有 8 種基本資料型別：

整數型別：byte（8位元）、short（16位元）、int（32位元）、long（64位元）
浮點數型別：float（32位元）、double（64位元）
字元型別：char（16位元）
布林型別：boolean

參考資料型別

參考資料型別包括列舉 (enum)、介面 (interface)、介面、陣列 (Array)、自定義的類別 (class)等。最常用的參考型別是 String（字串）。

變數宣告與初始化

在 Java 中，變數的宣告語法為：

資料型別 變數名稱 [= 初始值];

以下是一些變數宣告和初始化的例子：

// 基本資料型別
int age = 25;
double salary = 50000.50;
char grade = 'A';
boolean isStudent = true;

// 參考資料型別
String name = "張小明";
int[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

型別轉換

Java 支援兩種型別轉換：隱式轉換（自動轉換）和顯式轉換（強制轉換）。

隱式轉換：當較小的型別轉換為較大的型別時，可以自動進行。例如：int x = 10; long y = x;
顯式轉換：當較大的型別轉換為較小的型別時，需要明確指定。例如：double x = 10.5; int y = (int) x;

了解並正確使用這些資料型別和變數是編寫高品質 Java 程式的基礎。在實際編程中，選擇適當的資料型別可以提高程式的效能和可讀性。

5. 運算子與運算式

Java 提供了豐富的運算子，用於執行各種運算。理解這些運算子對於編寫有效的 Java 程式至關重要。以下是 Java 中主要的運算子類型：

算術運算子

用於執行基本的數學運算： - 加法 (+) - 減法 (-) - 乘法 (*) - 除法 (/) - 取餘數 (%)

範例：

int a = 10, b = 3;
System.out.println("a + b = " + (a + b));  // 輸出：13
System.out.println("a % b = " + (a % b));  // 輸出：1

比較運算子

用於比較兩個值： - 等於 (==) - 不等於 (!=) - 大於 (>) - 小於 (<) - 大於等於 (>=) - 小於等於 (<=)

範例：

int x = 5, y = 8;
System.out.println("x < y: " + (x < y));  // 輸出：true

邏輯運算子

用於組合布林表達式： - 與 (&&) - 或 (||) - 非 (!)

範例：

boolean a = true, b = false;
System.out.println("a && b: " + (a && b));  // 輸出：false
System.out.println("a || b: " + (a || b));  // 輸出：true

位元運算子

用於執行位元級別的運算： - 位元與 (&) - 位元或 (|) - 位元異或 (^) - 位元反轉 (~) - 左移 (<<) - 右移 (>>) - 無符號右移 (>>>)

範例：

int a = 5, b = 3;
System.out.println("a & b: " + (a & b));  // 輸出：1
System.out.println("a << 1: " + (a << 1));  // 輸出：10

賦值運算子

用於給變數賦值： - 簡單賦值 (=) - 加法賦值 (+=) - 減法賦值 (-=) - 乘法賦值 (*=) - 除法賦值 (/=) - 取餘數賦值 (%=)

範例：

int x = 10;
x += 5;  // 等同於 x = x + 5
System.out.println("x: " + x);  // 輸出：15

6. 控制流程

控制流程是程式設計中的基本概念，決定程式的執行順序。Java 有多種控制流程結構，以下是 Java 中主要的控制流程結構：

if-else 條件判斷

用於根據條件執行不同的程式碼區塊。

int score = 85;
if (score >= 90) {
    System.out.println("優");
} else if (score >= 80) {
    System.out.println("良");
} else if (score >= 70) {
    System.out.println("普通");
} else {
    System.out.println("需要改進");
}

switch 陳述句

用於多重條件判斷，特別適合處理多個離散值的情況。

int dayOfWeek = 3;
switch (dayOfWeek) {
    case 1:
        System.out.println("星期一");
        break;
    case 2:
        System.out.println("星期二");
        break;
    case 3:
        System.out.println("星期三");
        break;
    // ... 其他情況
    default:
        System.out.println("無效的日期");
}

for 迴圈

用於已知迭代次數的情況。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    System.out.println("迭代 " + i);
}

while 迴圈

用於不確定迭代次數，但知道結束條件的情況。

int count = 0;
while (count < 5) {
    System.out.println("計數: " + count);
    count++;
}

do-while 迴圈

類似 while 迴圈，但保證至少執行一次。

int num = 1;
do {
    System.out.println("數字: " + num);
    num *= 2;
} while (num < 100);

跳轉陳述句

break：用於跳出迴圈或 switch 陳述句
continue：用於跳過當前迭代，繼續下一次迭代
return：用於從方法中返回，並可選擇性地返回一個值

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i == 5) {
        continue;  // 跳過 5
    }
    if (i == 8) {
        break;  // 在 8 時結束迴圈
    }
    System.out.println(i);
}

7. 陣列

陣列是 Java 中用於儲存多個相同類型元素的資料結構，以下是關於 Java 陣列的重要概念：

一維陣列

一維陣列是最基本的陣列類型，是一個線性的資料集合。

宣告和初始化一維陣列：

// 宣告
int[] numbers;

// 宣告並指定大小
int[] scores = new int[5];

// 宣告並初始化
int[] ages = {25, 30, 35, 40, 45};

存取陣列元素：

int firstAge = ages[0];  // 獲取第一個元素
ages[1] = 31;  // 修改第二個元素

多維陣列

Java 支援多維陣列，最常見的是二維陣列。

宣告和初始化二維陣列：

// 宣告
int[][] matrix;

// 宣告並指定大小
int[][] grid = new int[3][3];

// 宣告並初始化
int[][] points = {{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};

存取二維陣列元素：

int value = points[1][0];  // 獲取第二行第一列的元素
grid[0][2] = 5;  // 修改第一行第三列的元素

陣列的常用操作

獲取陣列長度：
```
int length = ages.length;
```

遍歷陣列：

for (int i = 0; i < ages.length; i++) {
    System.out.println(ages[i]);
}

使用增強型 for 迴圈（for-each）：

for (int age : ages) {
    System.out.println(age);
}

複製陣列：

int[] copyOfAges = Arrays.copyOf(ages, ages.length);

排序陣列：
```
Arrays.sort(ages);
```

陣列是 Java 程式設計中的基礎概念，需要注意的是，Java 的陣列是固定大小的。如果需要動態大小的資料結構，可以考慮使用 Java 集合框架中的 ArrayList 或 LinkedList。

8. 方法

方法是 Java 中執行特定任務的程式碼區塊。它們是物件導向程式設計的核心元素，提供了程式碼重用和模組化的機制。以下是關於 Java 方法的重要概念：

方法的定義與呼叫

方法的基本結構：

修飾符 回傳型別 方法名稱(參數列表) {
    // 方法體
    return 回傳值;  // 如果有的話
}

範例：

public static int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 呼叫方法
int result = add(5, 3);
System.out.println("結果：" + result);  // 輸出：結果：8

參數傳遞

Java 使用「傳值」的方式傳遞參數。對於基本型別，傳遞的是值的副本；對於物件，傳遞的是參考的副本。

public static void modifyValues(int x, int[] arr) {
    x = 100;  // 不會影響原始變數
    arr[0] = 100;  // 會影響原始陣列
}

int num = 10;
int[] numbers = {1, 2, 3};
modifyValues(num, numbers);
System.out.println(num);  // 輸出：10
System.out.println(numbers[0]);  // 輸出：100

回傳值

方法可以回傳一個值，或者使用 void 表示不回傳任何值。

public static String greet(String name) {
    return "你好，" + name;
}

public static void printGreeting(String name) {
    System.out.println("你好，" + name);
}

方法重載

Java 支援方法重載，允許在同一個類別中定義多個同名但參數不同的方法。

public static int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

public static double multiply(double a, double b) {
    return a * b;
}

int result1 = multiply(5, 3);  // 呼叫 int 版本
double result2 = multiply(5.5, 3.2);  // 呼叫 double 版本

可變參數

Java 允許方法接受不定數量的參數。

public static int sum(int... numbers) {
    int total = 0;
    for (int num : numbers) {
        total += num;
    }
    return total;
}

int result = sum(1, 2, 3, 4, 5);  // 可以傳入任意數量的參數
System.out.println("總和：" + result);  // 輸出：總和：15

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