Java應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)

　　Java是一種純面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言。Java程序的設(shè)計(jì)思路不同于C語(yǔ)言基于過(guò)程的程序設(shè)計(jì)思路，而是采用面向?qū)ο蟮乃枷搿Ｃ嫦驅(qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，具備更好的模擬現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境的能力和可重用性，將待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題概念化成一組分離的程序?qū)ο螅�這些對(duì)象彼此之間可以進(jìn)行交互。一個(gè)對(duì)象包含了對(duì)應(yīng)實(shí)體應(yīng)有的信息和訪問(wèn)、改變這些信息的方法。通過(guò)這種設(shè)計(jì)方式，使所設(shè)計(jì)出來(lái)的程序更易于改進(jìn)、擴(kuò)展、維護(hù)和重用。Java語(yǔ)言提供類、接口和繼承等原語(yǔ)。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，Java只支持類之間的單繼承，但支持接口之間的多繼承，并支持類與接口間的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，關(guān)鍵字為implements。Java語(yǔ)言全面支持動(dòng)態(tài)綁定，而C++ 語(yǔ)言只對(duì)虛函數(shù)使用動(dòng)態(tài)綁定。

　　3. 分布式

　　Java是一種分布式的語(yǔ)言。傳統(tǒng)的基于C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)的程序，均采用客戶端向服務(wù)器提出服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器再根據(jù)要求執(zhí)行適當(dāng)?shù)某绦虿�將結(jié)果返回，所以服務(wù)器負(fù)荷較重。Java采用Java虛擬機(jī)架構(gòu)，可將許多工作直接交由終端處理，數(shù)據(jù)因此也可以分布式處理。此外，Java類庫(kù)的運(yùn)用，大大減輕了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)荷;Java類庫(kù)包含了支持HTTP和FTP 等基于TCP/IP協(xié)議的子庫(kù)，Java應(yīng)用程序可憑借URL地址打開并訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)上的對(duì)象，其訪問(wèn)方式與訪問(wèn)本地文件系統(tǒng)幾乎完全相同。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是Java大顯身手和進(jìn)一步發(fā)展的地方。

　　4. 高效解釋執(zhí)行

　　Java是高效解釋執(zhí)行的語(yǔ)言。高級(jí)語(yǔ)言程序必須轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言程序才能執(zhí)行，但不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所使用的機(jī)器語(yǔ)言不同。Java為了實(shí)現(xiàn)“一次編譯，隨處運(yùn)行”的目標(biāo)，Java 的源程序在編譯時(shí)，并不直接編譯成特定的機(jī)器語(yǔ)言程序，而是編譯成與系統(tǒng)無(wú)關(guān)的“字節(jié)碼(Byte codes)”，由Java 虛擬機(jī)(Java Virtual Machine，JVM )來(lái)執(zhí)行，如圖1-3所示。JVM使得Java程序可以“一次編譯，隨處運(yùn)行”。任何系統(tǒng)只有安裝了Java虛擬機(jī)后，才可以執(zhí)行Java 程序。

　　JVM能直接在任何機(jī)器上執(zhí)行，為字節(jié)碼提供運(yùn)行環(huán)境。當(dāng)JVM解釋執(zhí)行Java程序時(shí)，Java 實(shí)時(shí)編譯器(Just-In-Time，JIT)會(huì)將字節(jié)碼譯成目標(biāo)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的機(jī)器語(yǔ)言的指令代碼。

　　早先的許多嘗試解決跨平臺(tái)的方案對(duì)性能要求都很高。其他解釋執(zhí)行的語(yǔ)言系統(tǒng)，如BASIC、TCL、PERL 都有無(wú)法克服的性能缺陷。然而，Java 卻可以在非常低檔的CPU上順暢運(yùn)行，這是因?yàn)镴ava字節(jié)碼是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的，能夠直接使用JIT編譯技術(shù)將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成高性能的本機(jī)代碼。事實(shí)上，Java的運(yùn)行速度隨著JIT編譯器技術(shù)的發(fā)展已接近于C++。因而“高效且跨平臺(tái)”對(duì)Java 來(lái)說(shuō)已不再矛盾。

　　5. 健壯

　　Java是健壯的語(yǔ)言。為了更好地理解Java的健壯性，先討論一下在傳統(tǒng)編程環(huán)境下程序設(shè)計(jì)失敗的主要原因：內(nèi)存管理錯(cuò)誤和誤操作引起的異常或運(yùn)行時(shí)異常。

　　在傳統(tǒng)的編程環(huán)境下，內(nèi)存管理是一項(xiàng)困難、乏味的工作。例如，在C或C++ 中，必須手工分配、釋放所有的動(dòng)態(tài)內(nèi)存。如果忘記釋放原來(lái)分配的內(nèi)存，或是釋放了其他程序正在使用的內(nèi)存時(shí)，就會(huì)出錯(cuò)。在傳統(tǒng)的編程環(huán)境下，異常情況可能經(jīng)常由“被零除”、“Null指針操作”、“文件未找到”等原因引起，必須用既繁瑣又難理解的一大堆指令來(lái)進(jìn)行管理。

　　對(duì)此，Java 通過(guò)自行管理內(nèi)存分配和釋放，從根本上消除了有關(guān)內(nèi)存的問(wèn)題。Java提供垃圾收集器，可自動(dòng)收集閑置對(duì)象占用的內(nèi)存。通過(guò)提供面向?qū)ο蟮漠惓Ｌ幚頇C(jī)制來(lái)解決異常處理的問(wèn)題。通過(guò)類型檢查、Null指針檢測(cè)、數(shù)組邊界檢測(cè)等方法，在開發(fā)早期發(fā)現(xiàn)程序錯(cuò)誤。

　　6. 安全

　　Java是安全的網(wǎng)絡(luò)編程語(yǔ)言。Java常被用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為此，Java提供了一系列的安全機(jī)制以防惡意代碼攻擊，確保系統(tǒng)安全。Java的安全機(jī)制分為多級(jí)，包括Java 語(yǔ)言本身的安全性設(shè)計(jì)以及嚴(yán)格的編譯檢查、運(yùn)行檢查和網(wǎng)絡(luò)接口級(jí)的安全檢查。

　　Java語(yǔ)言是強(qiáng)類型語(yǔ)言，而且每種類型都要求嚴(yán)格定義。首先，每個(gè)變量、表達(dá)式都有類型。其次，所有的數(shù)值傳遞，不管是直接的、還是通過(guò)方法調(diào)用經(jīng)由參數(shù)傳遞，都要進(jìn)行類型相容性檢查。有些語(yǔ)言沒(méi)有自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)類型相容性檢查或?qū)�沖突的類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換的機(jī)制;Java編譯器對(duì)所有的表達(dá)式和參數(shù)都要進(jìn)行類型相容性的檢查以確保類型是兼容的。任何類型的不匹配都是錯(cuò)誤的，在編譯完成之前，錯(cuò)誤必須全部被糾正。此外，Java 摒棄指針類型和數(shù)據(jù)類型的隱式轉(zhuǎn)換，從而對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。在編譯期間，Java 編譯器并不分配內(nèi)存，而是推遲到運(yùn)行時(shí)由解釋器決定，這樣編程人員就無(wú)法通過(guò)指針來(lái)非法訪問(wèn)內(nèi)存。在運(yùn)行期間，Java的運(yùn)行環(huán)境提供了四級(jí)安全保障機(jī)制：字節(jié)碼校驗(yàn)器、類裝載器、運(yùn)行時(shí)內(nèi)存布局和文件的訪問(wèn)限制。在網(wǎng)絡(luò)接口級(jí)，用戶可按自己的需要來(lái)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)權(quán)限。

　　另外，Java的未來(lái)版本將采用公開密鑰法以及其他加密技術(shù)，來(lái)核實(shí)從網(wǎng)絡(luò)上傳輸過(guò)來(lái)的代碼的源主機(jī)及該代碼的完整性。

　　7. 結(jié)構(gòu)中立

　　Java是結(jié)構(gòu)中立的語(yǔ)言。Java的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。一般而言，網(wǎng)絡(luò)是由許多不同的系統(tǒng)構(gòu)成，包括各種CPU與操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了讓Java應(yīng)用程序能夠在網(wǎng)絡(luò)上任何地方執(zhí)行，其編譯器會(huì)產(chǎn)生一種具備結(jié)構(gòu)中立性的對(duì)象文件格式即Java字節(jié)碼文件。Java字節(jié)碼可在任何安裝了Java虛擬機(jī)的平臺(tái)上運(yùn)行。

　　8. 可移植

　　Java開發(fā)的程序是可移植的。結(jié)構(gòu)中立是確保程序可移植的必要條件，此外還需很多其他條件的配合。Java 在可移植性方面做了許多工作。Java語(yǔ)言規(guī)范中也沒(méi)有任何“同具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)”的內(nèi)容，解決了所有可能會(huì)影響到Java可移植性方面的問(wèn)題。如在Windows 3.1中整數(shù)(Integer)為16位，在Windows 95中整數(shù)為32位，在DEC Alpha中整數(shù)為64位，在Intel 486中為32位，不同的操作系統(tǒng)和CPU對(duì)數(shù)據(jù)類型及長(zhǎng)度都作了不同的定義，給程序的可移植性帶來(lái)了一定的難度。Java通過(guò)定義獨(dú)立于平臺(tái)的基本數(shù)據(jù)類型及其運(yùn)算，使Java數(shù)據(jù)得以在任何硬件平臺(tái)上保持一致。事實(shí)上，幾乎目前使用的所有CPU都能支持以上數(shù)據(jù)類型，都支持8～64位整數(shù)格式的補(bǔ)碼運(yùn)算和單/雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算。Java語(yǔ)言的基本數(shù)據(jù)類型及其表示方式如表1-1所示。

　　9. 高效率

　　Java是高效率的語(yǔ)言。每一次的版本更新，Java在性能上均做出了改進(jìn)。在歷經(jīng)數(shù)個(gè)版本變更后，Java號(hào)稱可以與C/C++擁有同樣甚至更好的運(yùn)行性能。如果解釋器速度不慢，Java可以在運(yùn)行時(shí)直接將目標(biāo)代碼翻譯成機(jī)器指令，來(lái)用JVM一秒鐘內(nèi)可調(diào)用 300 000個(gè)過(guò)程，與C/C++不相上下。

　　10. 多線程

　　Java是支持多線程的語(yǔ)言。多線程是一種應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法。線程是一大進(jìn)程里分出來(lái)的，小的、獨(dú)立的進(jìn)程，使得在一個(gè)程序里可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)小任務(wù)。多線程帶來(lái)的好處是具有更好的交互性能和實(shí)時(shí)控制性能。但采用傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(如：C/C++)實(shí)現(xiàn)多線程程序并非易事。Java實(shí)現(xiàn)了多線程技術(shù)，提供了簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)多線程的方法，并擁有一組高復(fù)雜性的同步機(jī)制。

　　11. 動(dòng)態(tài)

　　Java 語(yǔ)言具有動(dòng)態(tài)特性。Java 動(dòng)態(tài)特性是其面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法的擴(kuò)展，允許程序動(dòng)態(tài)地裝入運(yùn)行過(guò)程中所需的類，這是 C++ 進(jìn)行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。C++ 程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，每當(dāng)在類中增加一個(gè)實(shí)例變量或一種成員函數(shù)后，引用該類的所有子類都必須重新編譯，否則將導(dǎo)致程序崩潰。Java采取如下措施來(lái)解決此類問(wèn)題。

　　(1)Java編譯器不是將對(duì)實(shí)例變量和成員函數(shù)的引用編譯為數(shù)值引用，而是將符號(hào)引用信息在字節(jié)碼中保存后傳遞給解釋器，再由解釋器在完成動(dòng)態(tài)連接類后，將符號(hào)引用信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)偏移量。存儲(chǔ)器生成的對(duì)象不在編譯過(guò)程中決定，而是延遲到運(yùn)行時(shí)由解釋器確定。這樣，對(duì)類中變量和方法進(jìn)行更新時(shí)就不至于影響現(xiàn)存的代碼。解釋執(zhí)行字節(jié)碼時(shí)，這種符號(hào)信息的查找和轉(zhuǎn)換過(guò)程僅在一個(gè)新的名字出現(xiàn)時(shí)才進(jìn)行一次，隨后代碼便可以全速執(zhí)行。

　　(2)在運(yùn)行時(shí)確定引用的好處是可以使用已被更新的類，而不必?fù)?dān)心會(huì)影響原有的代碼。如果程序連接了網(wǎng)絡(luò)中另一系統(tǒng)的某一類，該類的所有者也可以自由地對(duì)該類進(jìn)行更新，而不會(huì)使任何引用該類的程序崩潰。

　　(3)Java還簡(jiǎn)化了使用一個(gè)升級(jí)的或全新的協(xié)議的方法。如果系統(tǒng)運(yùn)行 Java 程序時(shí)遇到了不知怎樣處理的程序，沒(méi)關(guān)系， Java 能自動(dòng)下載你所需要的功能程序。

　　Java是一種比C/C++更具動(dòng)態(tài)特性的語(yǔ)言。在設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)為運(yùn)行中的運(yùn)算環(huán)境提供支持。Java是在運(yùn)行時(shí)為模塊與模塊之間建立連接，并能夠更直接地運(yùn)用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)體系。程序庫(kù)可以自由地增加新方法和實(shí)例變量，而不會(huì)對(duì)它們的客戶產(chǎn)生任何影響。

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