1.1 java語(yǔ)言的發(fā)展史

　　1.1.1java語(yǔ)言在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代獲得巨大成功

　　大家想一想，在PC下用windows編寫的程序能夠不做修改就直接拿到UNIX系統(tǒng)上運(yùn)行嗎？顯然是不可以的，因?yàn)槌绦虻膱?zhí)行最終必須轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)硬件的機(jī)器指令來(lái)執(zhí)行，專門為某種計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)編寫的程序是不能夠直接放到另外的計(jì)算機(jī)硬件上執(zhí)行的，至少要做移植工作。要想讓程序能夠在不同的計(jì)算機(jī)上能夠運(yùn)行，就要求程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是能夠跨越各種軟件和硬件平臺(tái)的，而java滿足了這一需求。

　　1995年，美國(guó)Sun Microsystems公司正式向IT業(yè)界推出了java語(yǔ)言，該語(yǔ)言具有安全、跨平臺(tái)、面向?qū)ο�、�?jiǎn)單、適用于網(wǎng)絡(luò)等顯著特點(diǎn)，當(dāng)時(shí)以web為主要形式的互聯(lián)網(wǎng)正在迅猛發(fā)展，java語(yǔ)言的出現(xiàn)迅速引起所有程序員和軟件公司的極大關(guān)注，程序員們紛紛嘗試用java語(yǔ)言編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，并利用網(wǎng)絡(luò)把程序發(fā)布到世界各地進(jìn)行運(yùn)行。包括IBM、Oracle、微軟、Netscape、Apple、SGI等大公司紛紛與Sun Microsystems公司簽訂合同，授權(quán)使用java平臺(tái)技術(shù)。微軟公司總裁比爾蓋茨先生在經(jīng)過(guò)研究后認(rèn)為"java語(yǔ)言是長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)最卓越的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言"。目前，java語(yǔ)言已經(jīng)成為最流行的網(wǎng)絡(luò)編程語(yǔ)言，截止到2001年中，全世界大約有310萬(wàn)java程序員，許多大學(xué)紛紛開(kāi)設(shè)java課程，java正逐步成為世界上程序員最多的編程語(yǔ)言。

　　在經(jīng)歷了以大型機(jī)為代表的集中計(jì)算模式和以PC機(jī)為代表的分散計(jì)算模式之后，互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使得計(jì)算模式進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算時(shí)代。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式的一個(gè)特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)是異構(gòu)的，即計(jì)算機(jī)的類型和操作系統(tǒng)是不一樣的，例如SUN工作站的硬件是SPARC體系，軟件是UNIX中的Solaris操作系統(tǒng)，而PC機(jī)的硬件是INTEL體系，操作系統(tǒng)是windows或者是Linux，因此相應(yīng)的編程語(yǔ)言基本上只是適用于單機(jī)系統(tǒng)，例如COBOL、FORTRAN、C、C＋＋等等；網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式的另一個(gè)特點(diǎn)是代碼可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在各種計(jì)算機(jī)上進(jìn)行遷移，這就迫切需要一種跨平臺(tái)的編程語(yǔ)言，使得用它編寫的程序能夠在網(wǎng)絡(luò)中的各種計(jì)算機(jī)上能夠正常運(yùn)行，java就是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的。正是因?yàn)閖ava語(yǔ)言符合了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展要求，才使它獲得了巨大的成功。


　　1.1.2 java語(yǔ)言的產(chǎn)生

　　任何事物的產(chǎn)生既有必然的原因也有偶然的因素，java語(yǔ)言的出現(xiàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。1991年，美國(guó)Sun Microsystems公司的某個(gè)研究小組為了能夠在消費(fèi)電子產(chǎn)品上開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，積極尋找合適的編程語(yǔ)言。消費(fèi)電子產(chǎn)品種類繁多，包括PDA、機(jī)頂盒、手機(jī)等等，即使是同一類消費(fèi)電子產(chǎn)品所采用的處理芯片和操作系統(tǒng)也不相同，也存在著跨平臺(tái)的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)最流行的編程語(yǔ)言是C和C＋＋語(yǔ)言，Sun公司的研究人員就考慮是否可以采用C＋＋語(yǔ)言來(lái)編寫消費(fèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)用程序，但是研究表明，對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品而言C＋＋語(yǔ)言過(guò)于復(fù)雜和龐大，并不適用，安全性也并不令人滿意。于是，Bill Joy先生領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就著手設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出一種語(yǔ)言，稱之為Oak。該語(yǔ)言采用了許多C語(yǔ)言的語(yǔ)法，提高了安全性，并且是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，但是Oak語(yǔ)言在商業(yè)上并未獲得成功。時(shí)間轉(zhuǎn)到了1995年，互聯(lián)網(wǎng)在世界上蓬勃發(fā)展，Sun公司發(fā)現(xiàn)Oak語(yǔ)言所具有的跨平臺(tái)、面向?qū)ο�、安全性高等特點(diǎn)非常符合互聯(lián)網(wǎng)的需要，于是改進(jìn)了該語(yǔ)言的設(shè)計(jì)，要達(dá)到如下幾個(gè)目標(biāo)：

　　　◇ 創(chuàng)建一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，而不是面向過(guò)程的語(yǔ)言；
　　　◇ 提供一個(gè)解釋執(zhí)行的程序運(yùn)行環(huán)境，是程序代碼獨(dú)立于平臺(tái)；
　　　◇ 吸收C和C＋＋的優(yōu)點(diǎn)，使程序員容易掌握；
　　　◇ 去掉C和C＋＋中影響程序健壯性的部分，使程序更安全，例如指針、內(nèi)存申請(qǐng)和釋放；
　　　◇ 實(shí)現(xiàn)多線程，使得程序能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)；
　　　◇ 提供動(dòng)態(tài)下載程序代碼的機(jī)制；
　　　◇ 提供代碼校驗(yàn)機(jī)制以保證安全性；
　　
　　最終，Sun公司給該語(yǔ)言取名為java語(yǔ)言，造就了一代成功的編程語(yǔ)。

　　1.2 java的工作原理

　　1.2.1 java虛擬機(jī)(1)

　　 java虛擬機(jī)是軟件模擬的計(jì)算機(jī)，可以在任何處理器上（無(wú)論是在計(jì)算機(jī)中還是在其它電子設(shè)備中）安全并且兼容的執(zhí)行保存在.class文件中的字節(jié)碼。java虛擬機(jī)的"機(jī)器碼"保存在.class文件中，有時(shí)也可以稱之為字節(jié)碼文件。java程序的跨平臺(tái)主要是指字節(jié)碼文件可以在任何具有java虛擬機(jī)的計(jì)算機(jī)或者電子設(shè)備上運(yùn)行，java虛擬機(jī)中的java解釋器負(fù)責(zé)將字節(jié)碼文件解釋成為特定的機(jī)器碼進(jìn)行運(yùn)行。java源程序需要通過(guò)編譯器編譯成為.class文件（字節(jié)碼文件），java程序的編譯和執(zhí)行過(guò)程

　　1.2.1 java虛擬機(jī)(2)

　　但是，java虛擬機(jī)的建立需要針對(duì)不同的軟硬件平臺(tái)做專門的實(shí)現(xiàn)，既要考慮處理器的型號(hào)，也要考慮操作系統(tǒng)的種類。如下圖所示，目前在SPARC結(jié)構(gòu)、X86結(jié)構(gòu)、MIPS和PPC等嵌入式處理芯片上、在UNIX、Linux、windows和部分實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上都有java虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

　　1.2.2 無(wú)用內(nèi)存自動(dòng)回收機(jī)制
　　在程序的執(zhí)行過(guò)程中，部分內(nèi)存在使用過(guò)后就處于廢棄狀態(tài)，如果不及時(shí)進(jìn)行無(wú)用內(nèi)存的回收，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在C＋＋語(yǔ)言中是由程序員進(jìn)行內(nèi)存回收的，程序員需要在編寫程序的時(shí)候把不再使用的對(duì)象內(nèi)存釋放掉；但是這種人為的管理內(nèi)存釋放的方法卻往往由于程序員的疏忽而致使內(nèi)存無(wú)法回收，同時(shí)也增加了程序員的工作量。而在java運(yùn)行環(huán)境中，始終存在著一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的線程，專門跟蹤內(nèi)存的使用情況，定期檢測(cè)出不再使用的內(nèi)存，并進(jìn)行自動(dòng)回收，避免了內(nèi)存的泄露，也減輕了程序員的工作量。

　　1.2.3 代碼安全性檢查機(jī)制
　　安全和方便總是相對(duì)矛盾的。java編程語(yǔ)言的出現(xiàn)使得客戶端機(jī)器可以方便的從網(wǎng)絡(luò)上下載java程序到本機(jī)上運(yùn)行，但是如何保證該java程序不攜帶病毒或者不懷有其它險(xiǎn)惡目的呢？如果java語(yǔ)言不能保證執(zhí)行的安全性，那么它就不可能存活到今天。雖然有時(shí)候少數(shù)程序員會(huì)抱怨說(shuō)applet連文件系統(tǒng)也不能訪問(wèn)，但是正是各種安全措施的實(shí)行才確保了java語(yǔ)言的生存

　　字節(jié)碼的執(zhí)行需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟，首先由類裝載器（class loader）負(fù)責(zé)把類文件（.class文件）加載到j(luò)ava虛擬機(jī)中，在此過(guò)程需要檢驗(yàn)該類文件是否符合類文件規(guī)范；其次字節(jié)碼校驗(yàn)器（bytecode verifier）檢查該類文件的代碼中是否存在著某些非法操作，例如applet程序中寫本機(jī)文件系統(tǒng)的操作；如果字節(jié)碼校驗(yàn)器檢驗(yàn)通過(guò)，由java解釋器負(fù)責(zé)把該類文件解釋成為機(jī)器碼進(jìn)行執(zhí)行。java虛擬機(jī)采用的是"沙箱"運(yùn)行模式，即把java程序的代碼和數(shù)據(jù)都限制在一定內(nèi)存空間里執(zhí)行，不允許程序訪問(wèn)該內(nèi)存空間外的內(nèi)存，如果是applet程序，還不允許訪問(wèn)客戶端機(jī)器的文件系統(tǒng)。

　　1.2.4 Java語(yǔ)言的特點(diǎn)(1)

　　1． 簡(jiǎn)單、面向?qū)ο蠛蜑槿怂�熟�?
　　java的簡(jiǎn)單首先體現(xiàn)在精簡(jiǎn)的系統(tǒng)上，力圖用最小的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)足夠多的功能；對(duì)硬件的要求不高，在小型的計(jì)算機(jī)上便可以良好的運(yùn)行。和所有的新一代的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言一樣，java也采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)并更加徹底，所有的java程序和applet程序均是對(duì)象，封裝性實(shí)現(xiàn)了模塊化和信息隱藏，繼承性實(shí)現(xiàn)了代碼的復(fù)用，用戶可以建立自己的類庫(kù)。而且java采用的是相對(duì)簡(jiǎn)單的面向?qū)ο蠹夹g(shù)，去掉了運(yùn)算符重載、多繼承的復(fù)雜概念，而采用了單一繼承、類強(qiáng)制轉(zhuǎn)換、多線程、引用（非指針）等方式。無(wú)用內(nèi)存自動(dòng)回收機(jī)制也使得程序員不必費(fèi)心管理內(nèi)存，是程序設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，同時(shí)大大減少了出錯(cuò)的可能。java語(yǔ)言采用了C語(yǔ)言中的大部分語(yǔ)法，熟悉C語(yǔ)言的程序員會(huì)發(fā)現(xiàn)java語(yǔ)言在語(yǔ)法上與C語(yǔ)言極其相似。

　　2． 魯棒并且安全
　　java語(yǔ)言在編譯及運(yùn)行程序時(shí)，都要進(jìn)行嚴(yán)格的檢查。作為一種強(qiáng)制類型語(yǔ)言，java在編譯和連接時(shí)都進(jìn)行大量的類型檢查，防止不匹配問(wèn)題的發(fā)生。如果引用一個(gè)非法類型、或執(zhí)行一個(gè)非法類型操作，java將在解釋時(shí)指出該錯(cuò)誤。在java程序中不能采用地址計(jì)算的方法通過(guò)指針訪問(wèn)內(nèi)存單元，大大減少了錯(cuò)誤發(fā)生的可能性；而且java的數(shù)組并非用指針實(shí)現(xiàn)，這樣就可以在檢查中避免數(shù)組越界的發(fā)生。無(wú)用內(nèi)存自動(dòng)回收機(jī)制也增加了java的魯棒性。

　　作為網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言，java必須提供足夠的安全保障，并且要防止病毒的侵襲。java在運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，嚴(yán)格檢查其訪問(wèn)數(shù)據(jù)的權(quán)限，比如不允許網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序修改本地的數(shù)據(jù)。下載到用戶計(jì)算機(jī)中的字節(jié)代碼在其被執(zhí)行前要經(jīng)過(guò)一個(gè)核實(shí)工具，一旦字節(jié)代碼被核實(shí)，便由java解釋器來(lái)執(zhí)行，該解釋器通過(guò)阻止對(duì)內(nèi)存的直接訪問(wèn)來(lái)進(jìn)一步提高java的安全性。同時(shí)java極高的魯棒性也增強(qiáng)了java的安全性。

　　3． 結(jié)構(gòu)中立并且可以移植
　　網(wǎng)絡(luò)上充滿了各種不同類型的機(jī)器和操作系統(tǒng)，為使java程序能在網(wǎng)絡(luò)的任何地方運(yùn)行，java編譯器編譯生成了與體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的字節(jié)碼結(jié)構(gòu)文件格式。任何種類的計(jì)算機(jī)，只有在其處理器和操作系統(tǒng)上有java運(yùn)行時(shí)環(huán)境，字節(jié)碼文件就可以在該計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。即使是在單一系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，結(jié)構(gòu)中立也有非常大的作用。隨著處理器結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展變化，程序員不得不編寫各種版本的程序以在不同的處理器上運(yùn)行，這使得開(kāi)發(fā)出能夠在所有平臺(tái)上工作的軟件集合是不可能的。而使用java將使同一版本的應(yīng)用程序可以運(yùn)行在所有的平臺(tái)上。

　　體系結(jié)構(gòu)的中立也使得java系統(tǒng)具有可移植性。java運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)可以移植到不同的處理器和操作系統(tǒng)上，java的編譯器是由java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，解釋器是由java語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，因此可以較為方便的進(jìn)行移植工作。


　　1.2.4 Java語(yǔ)言的特點(diǎn)(2)

　　4． 高性能
　　雖然java是解釋執(zhí)行的，但它仍然具有非常高的性能，在一些特定的CPU上，java字節(jié)碼可以快速的轉(zhuǎn)換成為機(jī)器碼進(jìn)行執(zhí)行。而且java字節(jié)碼格式的設(shè)計(jì)就是針對(duì)機(jī)器碼的轉(zhuǎn)換，實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)相當(dāng)簡(jiǎn)便，自動(dòng)的寄存器分配與編譯器對(duì)字節(jié)碼的一些優(yōu)化可使之生成高質(zhì)量的代碼。隨著java虛擬機(jī)的改進(jìn)和"即時(shí)編譯"（just in time）技術(shù)的出現(xiàn)使得java的執(zhí)行速度有了更大的提高。

　　5． 解釋執(zhí)行、多線程并且是動(dòng)態(tài)的
　　如果你了解C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言，可以參考下列java與C/C++語(yǔ)言的比較，如果不了解C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言，可以忽略本部分知識(shí)。
　　a． 全局變量
　　java程序不能定義程序的全局變量，而類中的公共、靜態(tài)變量就相當(dāng)于這個(gè)類的全局變量。這樣就使全局變量封裝在類中，保證了安全性，而在C/C++語(yǔ)言中，由于不加封裝的全局變量往往會(huì)由于使用不當(dāng)而造成系統(tǒng)的崩潰。

　　b． 條件轉(zhuǎn)移指令
　　C/C++語(yǔ)言中用goto語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)無(wú)條件跳轉(zhuǎn)，而java語(yǔ)言沒(méi)有g(shù)oto語(yǔ)言，通過(guò)例外處理語(yǔ)句try、catch、finally來(lái)取代之，提高了程序的可讀性，也增強(qiáng)了程序的魯棒性。

　　c． 指針
　　指針是C/C++語(yǔ)言中最靈活，但也是最容易出錯(cuò)的數(shù)據(jù)類型。用指針進(jìn)行內(nèi)存操作往往造成不可預(yù)知的錯(cuò)誤，而且，通過(guò)指針對(duì)內(nèi)存地址進(jìn)行顯示類型轉(zhuǎn)換后，可以類的私有成員，破壞了安全性。在java中，程序員不能進(jìn)行任何指針操作，同時(shí)java中的數(shù)組是通過(guò)類來(lái)實(shí)現(xiàn)的，很好的解決了數(shù)組越界這一C/C++語(yǔ)言中不做檢查的缺點(diǎn)。

　　d． 內(nèi)存管理
　　在C語(yǔ)言中，程序員使用庫(kù)函數(shù)malloc()和free()來(lái)分配和釋放內(nèi)存，C++語(yǔ)言中則是運(yùn)算符new和delete。再次釋放已經(jīng)釋放的內(nèi)存塊或者釋放未被分配的內(nèi)存塊，會(huì)造成系統(tǒng)的崩潰，而忘記釋放不再使用的內(nèi)存塊也會(huì)逐漸耗盡系統(tǒng)資源。在java中，所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是對(duì)象，通過(guò)運(yùn)算符new分配內(nèi)存并得到對(duì)象的使用權(quán)。無(wú)用內(nèi)存回收機(jī)制保證了系統(tǒng)資源的完整，避免了內(nèi)存管理不周而引起的系統(tǒng)崩潰。

　　e． 數(shù)據(jù)類型的一致性
　　在C/C++語(yǔ)言中，不同的平臺(tái)上，編譯器對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)類型如int、float等分別分配不同的字節(jié)數(shù)。例如：int在IBM PC上為16位，在VAX-11上就為32位，導(dǎo)致了代碼數(shù)據(jù)的不可移植。在java中，對(duì)數(shù)據(jù)類型的位數(shù)分配總是固定的，而不管是在任何的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上。因此就保證了java數(shù)據(jù)的平臺(tái)無(wú)關(guān)性和可移植性。

　　f． 類型轉(zhuǎn)換
　　在C/C++語(yǔ)言中，可以通過(guò)指針進(jìn)行任意的類型轉(zhuǎn)換，不安全因素大大增加。而在java語(yǔ)言中系統(tǒng)要對(duì)對(duì)象的處理進(jìn)行嚴(yán)格的相容性檢查，防止不安全的轉(zhuǎn)換。

　　g． 頭文件
　　在C/C++語(yǔ)言中使用頭文件聲明類的原型和全局變量及庫(kù)函數(shù)等，在大的系統(tǒng)中，維護(hù)這些頭文件是非常困難的。java不支持頭文件，類成員的類型和訪問(wèn)權(quán)限都封裝在一個(gè)類中，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)對(duì)訪問(wèn)進(jìn)行控制，防止非法的訪問(wèn)。同時(shí)，java中用import語(yǔ)句與其它類進(jìn)行通信，以便訪問(wèn)其它類的對(duì)象。

　　h． 結(jié)構(gòu)和聯(lián)合
　　C/C++語(yǔ)言中用結(jié)構(gòu)和聯(lián)合來(lái)表示一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是由于其成員均為公有的，安全性上存在問(wèn)題。java不支持結(jié)構(gòu)和聯(lián)合，通過(guò)類把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及對(duì)該數(shù)據(jù)的操作都封裝在類里面。