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JAVA编程语言简单介绍

Tomcat 彭东稳 5577次浏览 已收录 0个评论

一、背景

了解计算机的同学应该都知道,在编程语言中分为这么三类:计算机语言、汇编语言、高级语言;具体解释可以看编程语言的发展过程

在高级语言中按照其运行方式的不同,又分为编译型语言和解释型语言。

编译型语言:就是需要把源码通过编译器编译成计算机可执行的二进制格式,如C、C++、Go、erlang等等;

解释型语言:通过解释器可直接运行源代码,不需要编译源码,如PHP、Python、Perl、Ruby、C#等等;

两种类型的语言各有利弊,根据使用场景的不同可最大地发挥各自的优势。但由于编译型语言性能高,接近计算机语言,一般用于系统级编程;解释型语言由于编程速度快,简单,一般用于应用级编程。

但还有一种语言,那就是JAVA语言,它属于编译型语言,但编译后却不是二进制文件,而是字节码。然后通过在JVM虚拟机中运行编译后的字节码,这也是Java语言最大的特点:跨平台,即“一次编译,到处运行”。同时由于是编译型语言,所以比解释型语言的效率高。Java虽然是编译型语言但却属于应用级的,后端项目构建的首选语言,更是Apache基金会大力支持的应用级编程语言(Apache基金会90%项目都是Java编程)。

有了这些简单的了解后,下面就来详细说说Java语言。

JAVA编程语言简单介绍

二、Java语言介绍

20世纪90年代,硬件领域出现了单片式计算机系统,这种价格低廉的系统一出现就立即引起了自动控制领域人员的注意,因为使用它可以大幅度提升消费类电子产品(如电视机顶盒、面包烤箱、移动电话等)的智能化程度。Sun公司为了抢占市场先机,在1991年成立了一个称为Green的项目小组,帕特里克、詹姆斯·高斯林、麦克·舍林丹和其他几个工程师一起组成的工作小组在加利福尼亚州门洛帕克市沙丘路的一个小工作室里面研究开发新技术,专攻计算机在家电产品上的嵌入式应用。

由于C++所具有的优势,该项目组的研究人员首先考虑采用C++来编写程序。但对于硬件资源极其匮乏的单片式系统来说,C++程序过于复杂和庞大。另外由于消费电子产品所采用的嵌入式处理器芯片的种类繁杂,如何让编写的程序跨平台运行也是个难题。为了解决困难,他们首先着眼于语言的开发,假设了一种结构简单、符合嵌入式应用需要的硬件平台体系结构并为其制定了相应的规范,其中就定义了这种硬件平台的二进制机器码指令系统(即后来成为“字节码”的指令系统),以待语言开发成功后,能有半导体芯片生产商开发和生产这种硬件平台。对于新语言的设计,Sun公司研发人员并没有开发一种全新的语言,而是根据嵌入式软件的要求,对C++进行了改造,去除了留在C++的一些不太实用及影响安全的成分,并结合嵌入式系统的实时性要求,开发了一种称为Oak的面向对象语言。

由于在开发Oak语言时,尚且不存在运行字节码的硬件平台,所以为了在开发时可以对这种语言进行实验研究,他们就在已有的硬件和软件平台基础上,按照自己所指定的规范,用软件建设了一个运行平台,整个系统除了比C++更加简单之外,没有什么大的区别。1992年的夏天,当Oak语言开发成功后,研究者们向硬件生产商进行演示了Green操作系统、Oak的程序设计语言、类库和其硬件,以说服他们使用Oak语言生产硬件芯片,但是,硬件生产商并未对此产生极大的热情。因为他们认为,在所有人对Oak语言还一无所知的情况下,就生产硬件产品的风险实在太大了,所以Oak语言也就因为缺乏硬件的支持而无法进入市场,从而被搁置了下来。

1994年6、7月间,在经历了一场历时三天的讨论之后,团队决定再一次改变了努力的目标,这次他们决定将该技术应用于万维网。他们认为随着Mosaic浏览器的到来,因特网正在向同样的高度互动的远景演变,而这一远景正是他们在有线电视网中看到的。作为原型,帕特里克·诺顿写了一个小型万维网浏览器WebRunner。

1995年,互联网的蓬勃发展给了Oak机会。业界为了使死板、单调的静态网页能够“灵活”起来,急需一种软件技术来开发一种程序,这种程序可以通过网络传播并且能够跨平台运行。于是,世界各大IT企业为此纷纷投入了大量的人力、物力和财力。这个时候,Sun公司想起了那个被搁置起来很久的Oak,并且重新审视了那个用软件编写的试验平台,由于它是按照按照嵌入式系统硬件平台体系结构进行编写的,所以非常小,特色适用于网络上的传输系统,而Oak也是一种精简的语言,程序非常小,适合在网络上传输。Sun公司首先推出了可以嵌入网页并且可以随同网页在网络上传输的Applet(Applet是一种将小程序嵌入到网页中进行执行的技术),并将Oak更名为Java(在申请注册商标时,发现Oak已经被人使用了,再想了一系列名字之后,最终,使用了提议者在喝一杯Java咖啡时无意提到的Java词语)。5月23日,Sun公司在Sun world会议上正式发布Java和HotJava浏览器。IBM、Apple、DEC、Adobe、HP、Oracle、Netscape和微软等各大公司都纷纷停止了自己的相关开发项目,竞相购买了Java使用许可证,并为自己的产品开发了相应的Java平台。

JAVA语言发展时间线

1996年1月,Sun公司发布了Java的第一个开发工具包JDK 1.0(Java developerment Kit),这是Java发展历程中的重要里程碑,标志着Java成为一种独立的开发工具。JDK就是用来给程序员开发和调试及运行的研发环境,JDK是一个很复杂的技术,在JDK中包含了一个JAVA虚拟机JVM(Java virtual machine)。9月,约8.3万个网页应用了Java技术来制作。10月,Sun公司发布了Java平台的第一个即时(JIT)编译器,有了即时编译器后就不需要像解释型语言那样每次执行都需要解释器处理一次。

1997年2月,JDK 1.1面世,在随后的3周时间里,达到了22万次的下载量。4月2日,Java One会议召开,参会者逾一万人,创当时全球同类会议规模之纪录。9月,Java Developer Connection社区成员超过10万。

1998年12月8日,Java1.2版本发布。

1999年4月,HotSpot虚拟机发布,Hotsport虚拟机其实是Java买一个小公司的,主要还是由于Sun公司自己的JVM虚拟机性能特别差,是纯解释型的。而HotSpot是迄今为止JDK中仍在使用的Java虚拟机技术。HotSpot虚拟机发布时是作为JDK 1.2的附加程序提供的,后来它成为了JDK 1.3及之后所有版本的Sun JDK的默认虚拟机。

1999年6月,Sun公司发布了第二代Java平台(简称为Java2),并且把Java技术拆分为了3个版本:

J2ME(Java2 Micro Edition,Java2平台的微型版),应用于移动、无线及有限资源的环境;

J2SE(Java 2 Standard Edition,Java 2平台的标准版),应用于桌面环境;

J2EE(Java 2Enterprise Edition,Java 2平台的企业版),应用于基于Java的应用服务器。

Java 2平台的发布,是Java发展过程中最重要的一个里程碑,标志着Java的应用开始普及。

2000年5月,JDK1.3、JDK1.4和J2SE1.3相继发布,几周后其获得了Apple公司Mac OS X的工业标准的支持。2001年9月24日,J2EE1.3发布。2002年2月26日,J2SE1.4发布。自此Java的计算能力有了大幅提升,与J2SE1.3相比,其多了近62%的类和接口。在这些新特性当中,还提供了广泛的XML支持、安全套接字(Socket)支持(通过SSL与TLS协议)、全新的I/OAPI、正则表达式、日志与断言。2004年9月30日,J2SE1.5发布,成为Java语言发展史上的又一里程碑。为了表示该版本的重要性,J2SE 1.5更名为Java SE 5.0(内部版本号1.5.0),代号为“Tiger”,Tiger包含了从1996年发布1.0版本以来的最重大的更新,其中包括泛型支持、基本类型的自动装箱、改进的循环、枚举类型、格式化I/O及可变参数。

2005年6月,在Java One大会上,Sun公司发布了Java SE 6。此时,Java的各种版本已经更名,已取消其中的数字2,如J2EE更名为JavaEE,J2SE更名为JavaSE,J2ME更名为JavaME。

2006年11月13日,在Java one大会上,Java技术的发明者Sun公司宣布,将Java技术作为免费软件对外发布,遵循GPL规范。并且在随后一年多的时间中,Sun公司正式发布的有关JDK的大部分源代码,并且建立了OpenJDK组织来对这些开源的源代码进行管理。OpenJDK就是现在开源社区的JDK版本,与Sun公司内部维护的JDK版本没有什么本质的区别。

Java创始人之一:詹姆斯·高斯林

2009年,甲骨文公司以74亿美元宣布收购Sun,从此Java成为了Oracle公司的了,Oracle公司拿到Java后第一件事就是与那些使用Java代码的公司打起了旷日持久的官司。这其中就包括Google公司,几行代码引发GoogleOracle 之间的官司,当然最后在2016年这场官司已Google胜利结束,Oracle VS Google,法庭宣判谷歌完胜。据说这场官司的法官为了这场官司自学了Java编程语言,两年的时间已成为资深Java工程师。

2010年,Java编程语言的共同创始人之一詹姆斯·高斯林从Oracle公司辞职。2011年,甲骨文公司举行了全球性的活动,以庆祝Java7的推出,随后Java7正式发布。2014年,甲骨文公司发布了Java8正式版 。

三、Java编程环境

JDK(Java Development Kit)称为Java开发包或Java开发工具,是一个编写Java的Applet小程序和应用程序的程序开发环境。JDK是整个Java的核心,包括了Java运行环境(Java Runtime Envirnment),一些Java工具和Java的核心类库(Java API)。不论什么Java应用服务器实质都是内置了某个版本的JDK。主流的JDK是Sun公司发布的JDK,除了Sun之外,还有很多公司和组织都开发了自己的JDK,例如,IBM公司开发的JDK,BEA公司的Jrocket,还有GNU组织开发的JDK。

另外,可以把Java API类库中的Java SE API子集和Java虚拟机这两部分统称为JRE(JAVA Runtime Environment),JRE是支持Java程序运行的标准环境。

JRE是个运行环境,JDK是个开发环境。因此写Java程序的时候需要JDK,而运行Java程序的时候就需要JRE。而JDK里面已经包含了JRE,因此只要安装了JDK,就可以编辑Java程序,也可以正常运行Java程序。但由于JDK包含了许多与运行无关的内容,占用的空间较大,因此运行普通的Java程序无须安装JDK,而只需要安装JRE即可。

JDK1.5工具包图

JAVA编程语言简单介绍

从上图可以看出JDK已经包含了JRE。

四、Java体系结构

JAVA包含四个独立却又彼此相关的技术,如下:

1)Java程序设计语言;

2)Java应用程序编程接口API,也就是各种JDK提供的各种类库;

3)Java class文件格式,将源程序编译成字节码(bytecode),即生成.class文件;

4)JVM(java virtual machine),Java虚拟机用来运行class文件;

为什么说是彼此独立却又彼此相关呢?因为任何时候你要想写一个Java程序,都必须用到这四种技术,这大概也就是Java程序执行原理,如下图:

JAVA编程语言简单介绍

1)使用Java语言结合Java API开发出源程序;

2)然后Java程序再由Java C编译器编译成Java类文件、即字节码(.class),字节码只能在Java虚拟机中运行;为什么还需要单独把class文件格式独立呢?这主要是因为运行class文件的虚拟机有多个,为了兼容各个虚拟机都可以运行class文件,所以就需要对class文件进行标准化;

3)编译完成后,然后在Java虚拟机上运行编译后的程序(JVM虚拟机要先加载公共Java类才能运行Java类文件,而加载类是由Java的class loader执行的);

由于Java程序编译后直接运行在Java虚拟机中,而Java虚拟机可以安装在任何平台上,所以Java语言才有良好的可移植性,也就是“一次编译、到处运行”。

五、Java语言特点

1)简单性

Java看起来设计得很像C++,但是为了使语言小和容易熟悉,设计者们把C++语言中许多可用的特征去掉了,这些特征是一般程序员很少使用的。例如,Java不支持go to语句,代之以提供break和continue语句以及异常处理。Java还剔除了C++的操作符过载(overload)和多继承特征,并且不使用主文件,免去了预处理程序。因为Java没有结构,数组和串都是对象,所以不需要指针。Java能够自动处理对象的引用和间接引用,实现自动的无用单元收集,使用户不必为存储管理问题烦恼,能更多的时间和精力花在研发上。

2)面向对象

Java是一个面向对象的语言。对程序员来说,这意味着要注意应中的数据和操纵数据的方法(method),而不是严格地用过程来思考。在一个面向对象的系统中,类(class)是数据和操作数据的方法的集合。数据和方法一起描述对象(object)的状态和行为。每一对象是其状态和行为的封装。类是按一定体系和层次安排的,使得子类可以从超类继承行为。在这个类层次体系中有一个根类,它是具有一般行为的类。Java程序是用类来组织的。

Java还包括一个类的扩展集合,分别组成各种程序包(Package),用户可以在自己的程序中使用。例如,Java提供产生图形用户接口部件的类(java.awt包),这里awt是抽象窗口工具集(abstract windowing toolkit)的缩写,处理输入输出的类(java.io包)和支持网络功能的类(java.net包)。

3)分布性

Java设计成支持在网络上应用,它是分布式语言。Java既支持各种层次的网络连接,又以Socket类支持可靠的流(stream)网络连接,所以用户可以产生分布式的客户机和服务器。
网络变成软件应用的分布运载工具。Java程序只要编写一次,就可到处运行。

4)编译和解释性

Java编译程序生成字节码(byte-code),而不是通常的机器码。Java字节码提供对体系结构中性的目标文件格式,代码设计成可有效地传送程序到多个平台。Java程序可以在任何实现了Java解释程序和运行系统(run-time system)的系统上运行。
在一个解释性的环境中,程序开发的标准“链接”阶段大大消失了。如果说Java还有一个链接阶段,它只是把新类装进环境的过程,它是增量式的、轻量级的过程。因此,Java支持快速原型和容易试验,它将导致快速程序开发。这是一个与传统的、耗时的“编译、链接和测试”形成鲜明对比的精巧的开发过程。

5)稳健性

Java原来是用作编写消费类家用电子产品软件的语言,所以它是被设计成写高可靠和稳健软件的。Java消除了某些编程错误,使得用它写可靠软件相当容易。

Java是一个强类型语言,它允许扩展编译时检查潜在类型不匹配问题的功能。Java要求显式的方法声明,它不支持C风格的隐式声明。这些严格的要求保证编译程序能捕捉调用错误,这就导致更可靠的程序。

可靠性方面最重要的增强之一是Java的存储模型。Java不支持指针,它消除重写存储和讹误数据的可能性。类似地,Java自动的“无用单元收集”预防存储漏泄和其它有关动态存储分配和解除分配的有害错误。Java解释程序也执行许多运行时的检查,诸如验证所有数组和串访问是否在界限之内。

异常处理是Java中使得程序更稳健的另一个特征。异常是某种类似于错误的异常条件出现的信号。使用try/catch/finally语句,程序员可以找到出错的处理代码,这就简化了出错处理和恢复的任务。

6)安全性

Java的存储分配模型是它防御恶意代码的主要方法之一。Java没有指针,所以程序员不能得到隐蔽起来的内幕和伪造指针去指向存储器。更重要的是,Java编译程序不处理存储安排决策,所以程序员不能通过查看声明去猜测类的实际存储安排。编译的Java代码中的存储引用在运行时由Java解释程序决定实际存储地址。

Java运行系统使用字节码验证过程来保证装载到网络上的代码不违背任何Java语言限制。这个安全机制部分包括类如何从网上装载。例如,装载的类是放在分开的名字空间而不是局部类,预防恶意的小应用程序用它自己的版本来代替标准Java类。

7)可移植性

Java使得语言声明不依赖于实现的方面。例如,Java显式说明每个基本数据类型的大小和它的运算行为(这些数据类型由Java语法描述)。

Java环境本身对新的硬件平台和操作系统是可移植的。Java编译程序也用Java编写,而Java运行系统用ANSIC语言编写。

8)高性能

Java是一种先编译后解释的语言,所以它不如全编译性语言快。但是有些情况下性能是很要紧的,为了支持这些情况,Java设计者制作了“及时”编译程序,它能在运行时把Java字节码翻译成特定CPU(中央处理器)的机器代码,也就是实现全编译了。Java字节码格式设计时考虑到这些“及时”编译程序的需要,所以生成机器代码的过程相当简单,它能产生相当好的代码。

9)多线索性

Java是多线索语言,它提供支持多线索的执行(也称为轻便过程),能处理不同任务,使具有线索的程序设计很容易。Java的lang包提供一个Thread类,它支持开始线索、运行线索、停止线索和检查线索状态的方法。

Java的线索支持也包括一组同步原语。这些原语是基于监督程序和条件变量风范,由C.A.R.Haore开发的广泛使用的同步化方案。用关键词synchronized,程序员可以说明某些方法在一个类中不能并发地运行。这些方法在监督程序控制之下,确保变量维持在一个一致的状态。

10)动态性

Java语言设计成适应于变化的环境,它是一个动态的语言。例如,Java中的类是根据需要载入的,甚至有些是通过网络获取的。

六、JVM运行时区域

JAVA编程语言简单介绍

1)线程私有的内存区

程序计数器:负责保存java代码中的指令执行到第几条;

Java栈:负责保存线程局部变量等信息;

2)线程共享内存区

方法区:用于存储被虚拟加载的类信息、常亮、静态变量等;

堆:存放实例化出来的对象(数据),是jvm所管理的内存中最大的一部分,也是GC管理的主要区域;

本地方法栈:存放调用外部方法

3)GC垃圾回收器

java高级之处在于可自动回收内存区域,回收已死的对象,根据引用计数器的记录回收没有被引用对象。

垃圾回收算法

标记-清除:把已死的对象都标记定期清除,会产生碎片;

  • 复制:把对象内存分两份,避免碎片占用内存
  • 标记-清理

垃圾回收器

  • Serial
  • Parnew
  • Parallel scavenge
  • Serial old
  • CMS:特点并发收集、低停顿、缺点无法回收浮动垃圾由于基于标记-清除会产生碎片

七、Java技术流派

Java从1.2版本开始,就拆分了如下三个技术流派:

J2ME(Java2 Micro Edition,Java2平台的微型版),应用于移动、无线及有限资源的环境;

J2SE(Java 2 Standard Edition,Java 2平台的标准版),应用于桌面环境,可写C/S架构程序,主要就是JDK提供的,可以简单理解为JDK就是J2SE技术;

J2EE(Java 2Enterprise Edition,Java 2平台的企业版),应用于基于Java的应用服务器,J2EE技术包含了J2SE技术,也就是在JDK的基础之上同时还包含了Servlet、JSP、EJB、JMS、JMX、JavaMail等类库,这是一个浩大的工程,它们都是以类库的形式提供,但默认没有被JDK所包含,所以也就在J2SE技术之外了,属于J2EE。

什么意思呢?

如果你学习J2SE那么你可以写这种C/S架构的程序是没有问题的,但是如果你想写B/S架构的Web应用程序那么就需要在J2SE的基础上还要会Servlet技术、JSP技术等才可能写出一个Web应用程序。如果应用于大型网站开发技术的话,还会用到EJB、JMS、JMX等技术。

具体可以看Java是如何构建一个动态网站?

八、Java相关工具

Hotspot:Java虚拟机

JRE:Java程序运行环境

JDK:Java程序开发(支持编译)加运行环境

OpenJDK:Java虚拟机的开源实现 


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