第2章启程：Hello, World！的探索之旅

第2章启程：Hello, World！的探索之旅

"学而不思则罔，思而不学则殆。"

------孔子（古代中国教育家）

在这一章中，我们将踏上一场充满探索的旅程，从一个极其基础的Java程序开始。这个程序虽然简单，但它却是一个起点，一个孕育着无限可能的种子。我们的目的是：

· 引领你初次踏入编程的世界，熟悉你的编程环境。

· 让你体验第一次指挥计算机为你工作的感觉。

因此，我们将介绍程序的概念，并演示如何使用编译器。编译器是一个神奇的工具，它可以将我们易于理解的人类语言转化为机器指令。然后，这些指令会在目标平台上被一一执行，让计算机按照我们的意愿工作。

现在，想象一下，你正坐在电脑前，准备开始你的编程之旅。你打开了一个文本编辑器，准备写下你的第一个Java程序。这个程序非常简单，它只会在屏幕上显示一句话："Hello, World！"。但是，不要小看这个程序，它是你编程之路的起点，是你与计算机交流的第一次尝试。

随着你逐渐深入编程的世界，你会发现，编程不仅仅是一种技能，更是一种思考方式。它需要你不断地学习、思考和实践。就像孔子所说的那样，"学而不思则罔，思而不学则殆。"在编程的道路上，你需要不断地学习和思考，才能不断进步。

所以，让我们开始吧！从Hello, World！开始，踏上你的编程之旅。在这个过程中，你会遇到挑战，也会收获成就。但无论如何，只要你坚持下去，你一定会发现编程的魅力所在。现在，就让我们一起写下第一个Java程序，开启这场充满探索的旅程吧！

2.1 程序之探索

要让计算机执行某项任务，你（或他人）需向其提供详尽无遗的指令，精确到每一个细微步骤。这种对"执行步骤"的详尽描述，我们称之为程序，而编写并测试这些程序的过程，则被称为编程。

从某种意义上而言，我们每个人都曾涉足过编程的领域。毕竟，我们都曾接受过关于如何完成特定任务的指导，例如"如何烘焙一个美味的蛋糕"、"如何组装一台自行车"或"如何使用遥控器操作电视"。然而，这些描述与程序之间的显著差异在于精确度：人与人之间的指示往往较为模糊，但我们可以通过常识来弥补这一不足，计算机则无法做到这一点。以如何烘焙一个美味的蛋糕为例，"取适量面粉、糖和鸡蛋混合，放入烤箱中烘烤"可能是一个简洁明了的描述。但是，当你深入审视这些简单的指令时，你会发现其中存在语法上的不严谨和指令的不完整性。人类可以轻松地进行弥补和解读，例如，你不需要被告知要选择哪种类型的面粉、糖和鸡蛋的具体比例、烤箱应该预热到多少度、烘烤多长时间等细节。

相比之下，计算机则显得尤为"笨拙"。它们执行的每一项任务都需要准确且详细的指令。我们再次以"取适量面粉、糖和鸡蛋混合，放入烤箱中烘烤"为例进行说明。适量的面粉、糖和鸡蛋具体是多少克？什么是混合？如何定义"放入烤箱中烘烤"这个动作？烤箱应该预热到多少度？我该如何判断蛋糕是否烘烤完成？（是观察颜色变化还是使用温度计？）为了向计算机精确描述这些"事物"和"动作"，我们需要一种具有特定语法且定义精确的语言（因为英语等自然语言的结构对于这一目标而言显得过于松散和模糊），同时还需要针对我们要执行的各种操作明确定义的词汇表。这种专门用于编程的语言被称为编程语言，而Java就是一种为各种编程任务而精心设计的编程语言。

2.2 初探：首个Java程序

这是一段经典的初识程序，它的功能是在你的屏幕上显示"Hello, World!"：

java 复制代码

// 该程序在屏幕上输出 "Hello, World!"
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!"); // 输出 "Hello, World!"
    }
}

我们可以把这段代码视作给计算机的一组执行指令，就像我们给厨师的一张菜谱，或是我们组装新玩具时遵循的步骤指南。接下来，我们将探讨这个程序的每一行代码是如何工作的，首先从这行开始：

java 复制代码

System.out.println("Hello, World!"); // 输出 "Hello, World!"

这行代码负责实际的输出工作。它会在屏幕上打印出字符串"Hello, World!"，并在其后添加一个换行符，意味着在打印完"Hello, World!"之后，光标会移动到下一行的起始位置。在Java中，字符串常量是由双引号（"）界定的，因此"Hello, World!\n"是一个字符串。需要注意的是，在Java中，换行符可以直接通过println方法实现，无需像C++中那样显式添加\n。

System.out是Java中的一个标准输出流，与C++中的cout类似。使用输出方法println可以将字符发送到屏幕上显示。System.out的发音是"system out"，代表"system output stream"的缩写。在编程过程中，你会经常遇到各种缩写，初次接触时可能需要花点时间去记忆，但随着使用的增多，它们会变得非常自然，对于保持代码的简洁和可控至关重要。

这行代码的末尾：

java 复制代码

// 输出 "Hello, World!"

是一段注释。在Java中，//之后的任何内容都被视为注释，编译器会忽略它。注释是写给需要阅读代码的人看的。在这里，我们使用注释来说明这行代码的实际作用。

注释用于阐述程序的意图，它提供的信息对于理解代码的逻辑非常有帮助，但无法直接在代码中表达。最有可能通过代码中的注释得到帮助的人是你自己------设想你在未来某个时刻回头阅读代码，却忘记了当初为何这样编写时的情景吧。因此，请为你的程序编写清晰的注释。在后续章节中，我们将深入探讨如何编写有效的注释。

程序是写给两类读者看的。显然，我们编写代码是为了在计算机中执行。然而，程序员也需要花费大量时间来阅读和修改代码。从这个角度来看，程序员也是程序的另一个重要读者。因此，编写代码也是人与人之间沟通的一种方式。实际上，将人类视为代码的主要读者是很有意义的：如果他们（我们）发现代码难以理解，那么代码很可能存在错误。所以，请牢记代码是用来阅读的，你应尽可能提高其可读性。值得注意的是，注释只对人类读者有益；计算机不会解析注释中的文本。

这个程序的第一行是一个典型的注释，它简要地告诉人类读者这个程序的目的：

java 复制代码

// 该程序在屏幕上输出 "Hello, World!"

由于代码本身只是描述了程序的具体行为，而没有说明我们的期望，因此这样的注释是非常有用的。通常，向人类（大致）解释一个程序的功能，要比通过代码向计算机（详细）描述同样的功能来得简洁得多。这种注释通常是我们编写程序的第一个步骤。如果没有其他特殊情况，它会提醒我们正在尝试实现的目标。

接下来的代码行：

java 复制代码

public class HelloWorld {

定义了一个名为HelloWorld的公共类。在Java中，每个程序都至少包含一个类，并且程序的执行始终从main方法开始。这个类包含了我们想要程序执行的所有指令。

那么，计算机如何知道从哪里开始执行一个Java程序呢？它会查找一个名为main的方法，并从那里开始执行指令。这是"Hello, World!"程序的main方法：

java 复制代码

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

每个Java程序都必须包含一个名为main的方法，这是程序执行的起点。一个方法本质上是一个具有特定名称的指令序列，计算机会按照指令的编写顺序来执行。一个方法由以下四个部分组成：

一个返回类型，在这里是void，表示该方法不返回任何值。
一个名称，在这里是main。
一个参数列表，封闭在一组圆括号中，在这里是String[] args；这表示main方法可以接受一个字符串数组作为参数。
一个方法体，封闭在一组大括号{}中，列出了这个方法将要执行的动作（称为语句）。

因此，最简单的Java程序可以是这样的：

java 复制代码

public class SimplestProgram {
    public static void main(String[] args) {
    }
}

由于这个程序没有执行任何操作，因此它并没有多少实际用处。我们的"Hello, World!"程序的main方法中包含了一个语句：

java 复制代码

System.out.println("Hello, World!"); // 输出 "Hello, World!"

它在屏幕上输出"Hello, World!"。在Java程序中，用于描述一个行为的代码，并且它不是一个注释或其他特殊的指令，被称为一条语句。

2.3 编译过程

Java是一种编译型语言。这意味着，为了让程序运行，我们需要将人类可读的格式转换为机器能够理解的形式。这一转换任务由编译器完成。人类编写和阅读的部分被称为源代码或程序文本，而计算机能够执行的部分则被称为字节码或机器代码。典型的Java源代码文件后缀为.java（例如HelloWorld.java），编译后的字节码文件后缀为.class（例如HelloWorld.class）。因此，"代码"一词可能引发歧义，应谨慎使用；除非明确指出，我们通常用"代码"来指代"源代码"，甚至是"不包含注释的源代码"，因为注释仅供人类阅读，编译器在生成字节码时会忽略它们。

Java源代码->Java编译器->字节码

编译器会读取你的源代码，并尝试理解其内容。它会检查程序语法是否正确，每个单词是否具有预定含义，以及是否能在不实际执行程序的情况下检测到明显错误。你会发现，计算机对语法要求非常严格。忽略源代码中的某些细节（如import语句、分号或大括号）将导致编译错误。同样，编译器对拼写错误也毫不留情。接下来，我们将通过一系列示例来解释这些概念，每个示例中都包含一个小错误，这些错误是我们常见的错误类型：

java 复制代码

// 此处缺少import语句
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!"); // 输出 "Hello World!"
    }
}

我们没有导入任何包来告诉编译器System是什么，因此编译器会报错。为了修正这个错误，我们添加一个import语句：

java 复制代码

import java.lang.*;

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

不幸的是，编译器仍然报错：我们实际上不需要显式导入java.lang包，因为它默认被导入。编译器同样不支持以下代码：

java 复制代码

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!"; // 字符串未正确终止
    }
}

我们没有使用双引号来终止字符串。编译器也不接受以下代码：

java 复制代码

public class HelloWorld {
    public static integer main(String[] args) { // 使用了错误的返回类型
        System.out.println("Hello World!");
        return 0;
    }
}

在Java中，应使用int而不是integer作为返回类型。编译器同样不支持以下代码：

java 复制代码

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out < "Hello World!\n"; // 使用了错误的运算符
    }
}

我们使用了<（小于运算符）而不是println方法来输出字符串。编译器也不支持以下代码：

java 复制代码

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!\n'; // 字符串使用了错误的引号
    }
}

我们使用了单引号而不是双引号来界定字符串。最后，编译器会发现这样的错误：

java 复制代码

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!\n") // 缺少分号
    }
}

我们忘记了使用分号来终止输出语句。需要注意的是，许多Java语句都以分号（;）结束。编译器通过这些分号来识别语句的结束和新语句的开始。关于何处需要分号，没有简短、完全正确且非技术性的总结。目前，请遵循我们的模式："在每个不由右侧大括号（}）结束的表达式后放置一个分号。"

为什么我们要花费时间来展示这些包含琐碎错误的小程序示例呢？和其他程序员一样，你会在源代码中花费大量时间查找错误。很多时候，我们都在处理包含错误的代码。毕竟，如果我们确信某些代码是正确的，我们通常会去查看其他代码或休息片刻。令早期的计算机先驱们惊讶的是，他们会犯很多代码错误，并不得不花费大量时间来查找。现在，这也是大多数编程新手感到惊讶的地方。

当你编程时，有时可能会对编译器感到恼火。有时，编译器会抱怨无关紧要的细节（如缺少分号），或者一些你认为"显然正确"的东西。但是，编译器通常是正确的：当它给出错误消息并拒绝为你的源代码生成字节码时，你的程序中确实存在不正确之处；这意味着你编写的程序不符合Java标准的精确定义。

编译器没有常识（它不是人类），它对细节非常挑剔。由于编译器没有常识，因此你不能让它尝试猜测那些"看起来正确"但不符合Java定义的东西的含义。如果编译器这样做，并且它的猜测与你的设想不同，那么你需要花费大量时间来找出为什么程序没有按你的要求工作。总的来说，编译器会将你从许多自己造成的问题中解脱出来。与由此产生的问题相比，编译器将我们从更多问题中拯救出来。因此，请记住：编译器是你的朋友，可能是你在编程时最好的朋友。

2.4 类加载和链接

Java程序通常由多个独立的部分构成，这些部分往往由不同的开发者负责。以"Hello，Java！"程序为例，它既包括我们自行编写的代码，也涵盖了Java标准库的内容。这些独立的部分（在Java中常被称为类或包）必须经过编译，随后生成的字节码需要被链接（在Java中，这一过程更多地体现在类加载和链接阶段），以形成一个可以执行的应用程序。负责执行这一链接步骤的程序，自然而然地，被称作链接器，在Java中，编译过程是在程序执行之前完成的，它将源代码转换为字节码。随后，当Java程序运行时，Java虚拟机（JVM）的类加载器负责加载这些字节码，并进行链接，以形成一个可执行的应用程序。这一过程（类加载和链接）通常在JVM运行时进行。

需要留意的是，字节码和执行程序（即Java应用程序）并不具备跨系统移植的能力。例如，为Windows系统编译的字节码，其内含的对Windows平台的特定支持，无法在Linux系统上直接运行。

库在Java中表现为一系列代码的集合，这些代码通常由第三方编写，我们通过import语句来访问库中的类或接口。import语句在这里起到了声明的作用，它指明了程序将如何使用某个库中的特定部分，我们将在后续的章节（特别是涉及包和访问控制的章节）中对此进行详尽的探讨。

编译器检测到的错误被归类为编译时错误，而链接器（或更准确地说，是JVM的类加载器和链接器）在加载和链接类时发现的错误，则被称为链接时错误。那些只有在程序实际运行时才会浮现的错误，被称为运行时错误或逻辑错误。通常，编译时错误相较于链接时错误而言，更易于理解和修正；而链接时错误，相较于运行时错误和逻辑错误，又更容易被发现和修正。

2.5 编程环境

在Java编程的世界里，我们利用编程语言来编织程序。编译器成为了我们的桥梁，将编写的源代码转化为字节码，随后链接器（在Java中，这一角色通常由Java虚拟机（JVM）在运行时担任）将这些字节码联结成一个可执行的应用程序。此外，我们还需要一些特定的程序来在计算机中输入和编辑源代码文本。这些核心且不可或缺的工具，共同构建了程序员的"程序开发环境"。

如果你倾向于使用命令行界面，就像众多资深程序员那样，那么你将需要亲自执行编译和链接的指令。同时，也有许多专业程序员选择使用IDE（即"交互式开发环境"或"集成式开发环境"）。在IDE的辅助下，只需轻轻点击相应的按钮，一切便能轻松搞定。

IDE通常配备了一个功能丰富的编辑器，它能帮助我们通过颜色区分源代码中的注释、关键字和其他组成部分，从而极大地提升了代码的可读性。除此之外，IDE还提供了诸多实用的功能，如代码调试、编译和运行等，为我们的开发工作带来了极大的便利。调试，作为编程中不可或缺的一环，它能帮助我们发现并修正程序中的错误；在编程的道路上，你将频繁地与它打交道。

在学习本教程的过程中，你可以选择任何一种最新且符合标准的Java实现作为你的开发工具。我们所介绍的大部分内容（仅需进行微小的调整）都适用于所有的Java实现，并且你的代码将能够在任何Java支持的平台上顺畅运行。在我们的日常工作中，我们也会根据需求选择不同的Java实现来进行开发。

第2章 启程：Hello, World！的探索之旅

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