中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是计算机的大脑。它从内存中获取指令，然后执行这些指令。CPU通常由两部分组成：控制单元（control unit）和算术/逻辑单元（arithmetic/logic unit）。控制单元用于控制和协调其他组件的动作。算术/逻辑单元用于完成数值运算（加法、减法、乘法、除法）和逻辑运算（比较）。
每台计算机都有一个内部时钟，该时钟以固定速度发射电子脉冲。这些脉冲用于控制和同步各种操作的步调。时钟速度越快，在给定的时间段内执行的指令就越多。核是指处理器中实现指令读取和执行的部分。

2.2 比特和字节

计算机就是一系列的电路开关。每个开关存在两种状态：关（off）和开（on）。简单而言，在计算机中存储信息就是将一系列的开关设置为开或者关。如果电路是开的，它的值是1。如果电路是关的，它的值是0。这些0和1被解释为二进制数字系统中的数，并且将它们称为比特（bit，二进制数）。
计算机中的字节是最小存储单元。每个字节由8比特组成。各种类型的数据都被编码为字节序列，这些都是系统根据编码模式（schema）来自动完成的。编码模式是一系列的规则，控制计算机将字符、数字和符号翻译成计算机可以实际工作的数量。

2.3 内存

计算机的内存由一个有序的字节序列组成，用于存储程序及程序需要的数据。内存是计算机执行程序的工作区域。一个程序和它的数据在被CPU执行前必须移到计算机的内存中。
每个字节都有一个唯一的地址，使用这个地址确定字节的位置，以便于存储和获取数据。因为可以按任意顺序存取字节，所以内存也被称为随机访问存储器（Random-Access Memory，RAM）

2.4 存储设备

&emsp 计算机的内存（RAM）是一种易失的数据保存形式：断电时存储在内存中的信息就会丢失。程序和数据被永久地存放在存储设备上，当计算机确实要使用它们时在移入内存，因为从内存读取比从存储设备读取要快得多。
存储设备主要类型：

磁盘驱动器
光盘驱动器（CD和DVD）
USB闪存驱动器
驱动器（drive）是对存储介质进行操作的设备。存储介质物理地存储数据和程序指令。驱动器从介质读取数据并将数据写在介质上。

2.5 输入和输出设备

输入设备和输出设备让用户可以和计算机进行通信。最常用的输入设备是键盘（keyboard）和鼠标（mouse），而最常用的输出设备是显示器（monitor）和打印机（printer）。

2.6 通信设备

计算机可以通过通信设备进行联网。

3 编程语言

计算机程序（program）称为软件（software），是告诉计算机该做什么的指令。

3.1 机器语言

计算机的原生语言就是机器语言（machine language），即一套内嵌的原子指令集。这些指令都是以二进制代码的形式存在。

3.2 汇编语言

机器语言进行程序设计非常单调乏味，所编程序也非常难以读懂和修改。由此出现了汇编语言（assembly language），它使用短的描述性单词（称为助记符）来表示每一条机器语言指令。将汇编语言程序转换为机器代码的程序叫汇编器（assembler），这种语言被认为是低级语言。

3.3 高级语言

高级语言中的指令被称为语句。用高级语言编写的程序称为源程序（source program）或源代码（source code）。由于计算机不能运行源程序，源程序必须被翻译成可执行的机器代码。翻译可以由另外一种称为解释器或者编译器的编程工具来完成。

解释器从源代码中读取一条语句，将其翻译为机器代码或者虚拟机器代码，然后立刻运行。
编译器将整个源代码翻译为机器代码，然后执行该机器代码文件。

4 操作系统

要点提示：操作系统（Operating System，OS）是运行在计算机上的最重要的程序，它可以管理和控制计算机的活动。

操作系统的主要任务有：

控制和监视系统的活动
分配和调配系统资源
调度操作

4.1 控制和监视系统的活动

执行基本的任务（如识别来自键盘的输入，向显示器发送输出结果等等）
确保不同的的程序和用户同时使用计算机时不会互相干扰。
负责安全处理，确保未经授权的用户和程序无权访问系统。

4.2 分配和调配系统资源

操作系统负责确定一个程序需要使用哪些计算机资源（例如，CPU、内存、磁盘、输入和输出设备），并进行资源分配和调配以运行程序。

4.3 调度操作

操作系统负责调度程序的活动，以便有效利用系统资源。为了提高系统的性能，有多道程序设计（multiprogramming）、多线程（multithreading）和多处理（multiprocessing）技术。

多道程序设计允许多个程序通过共享CPU同时运行（原因：CPU的速度比其他组件快得多）
多线程允许单个程序同时执行多个任务。
多处理也称为并行处理（parallel processing），是指使用两个或多个处理器共同并行执行子任务，然后将子任务的结果合并以得到整个任务的结果。

5 Java

要点提示：Java是一种功能强大和多用途的编程语言，可用于开发运行在移动设备、台式计算机以及服务器端的软件。

Java是简单的（simple）、面向对象的（object oriented）、分布式的（distributed）、解释型的（interpreted）、健壮的（robust）、安全的（secure）、体系结构中立的（architecture neutral）、可移植的（portable）、高性能的（high performance）、多线程的（multithreaded）和动态的（dynamic）。

6 Java语言规范、API、JDK、IDE

要点提示：Java语言规范定义了Java语法，Java库则在Java API中定义。JDK则是用于开发和运行Java程序的软件。IDE是快速开发程序的集成开发环境。

Java语言规范（Java language specification）是对语言的技术定义，包括Java程序设计语言的语法和语义。
应用程序接口（Application Program Interface，API）也称为库，包括为开发Java程序而预定义的类和接口。
Java的三个版本：

Java标准版（Java Standard Edition，Java SE）可以用来开发客户端的应用程序。应用程序可以独立运行或作为applet在Web浏览器中运行。
Java企业版（Java Enterprise Edition，Java EE）可以用来开发服务器端的应用程序，例如Java servlet、Java Server Page（JSP）和Java Server Faces（JSF）。
Java微型版（Java Micro Edition，Java ME）用来开发移动设备的应用程序。
Java开发工具包（Java Development Toolkit，JDK）是由一套独立程序构成的集合，每个程序都是从命令行调用的，用于开发和测试Java程序。

7 一个简单的Java程序

要点提示：Java是从类中的main方法开始执行的。

控制台（console）指计算机的文本输入和显式设备。控制台输入指从键盘上接收输入，而控制台输出是指在显示器上显示输出。以下是一个简单的程序示例：

package topic00;
/**
 * FileName: A0welcome.java
 * @author victor
 * date:2020.02.16
 */

public class A0welcome {

	public static void main(String args[]) {
		//Display message "Welcome to Java!" on the console
		System.out.println("Welcome to Java!");
	}
}

第8行定义了一个类。每个Java程序至少应该有一个类，每个类都有一个名字。按照惯例，类名（class name）都是以大写字母开头的。
第10行定义主方法（main method）。程序是从main方法开始执行的，一个类可以包含几个方法。main方法是程序开始执行的入口。
方法是包含语句的结构体。Java中每条语句都以分号结束，也称为语句结束符（statement terminator）。
保留字（reserved word）或关键字（keyword）对编译器而言都是有特定含义的，所以不能在程序中用于其他目的。
第11行是注释（comment），他标注该程序是干什么的，以及它是如何构建的。注释帮助程序员进行相互沟通以及理解程序。在Java中，在单行上用两个斜杆（//）引导注释，称为行注释（line comment）；在一行或多行用/和/括住注释，称为块注释（block comment）。下面是两个注释的例子：

//This is line comment
/*This is block comment */
/*This is 
block comment*/

程序中的一对花括号将程序的一些组成部份组合起来，形成一个块（block）。在Java中，每个块以左花括号（{）开始，以右花括号（}）结束。每个类都有一个将该类的数据和方法放在一起的类块（class block）。每个方法都有一个将该方法中的语句放在一起的方法块（method block）。块是可以嵌套的，即一个块可以放在另一个块内。

8 创建、编译和执行Java程序

要点提示：Java源程序保存为.java文件，编译为.class文件。.class文件有Java虚拟机（JVM）执行。

在执行程序之前，必须创建程序并进行编译。这个过程是反复执行的，如下图所示。如果程序有编译错误，必须修改程序来纠正错误，然后重新编译它。如果程序有运行时错误或者不能产生正确的结果，必须修改这个程序，重新编译，然后重新执行。
在这里插入图片描述
如果没有语法错误，编译器（compiler）就会生成一个扩展名为.class的字节码文件。Java语言是高级语言，而Java字节码是低级语言。字节码类似于机器指令，但它是体系结构中立的，是可以在任何带了Java虚拟机（JVM）的平台上运行的，虚拟机不是物理机器，而是一个可以解释Java字节码的程序。这是Java的主要优点之一：Java字节码可以在不同硬件平台和操作系统上运行。

警告：在命令行执行程序时，不要使用扩展名.class。使用java ClassName来运行程序。如果在命令行使用java ClassName.class，系统就会尝试读取ClassName.class.class。
提示：如果要运行一个不存在的类，就会出现NoClassDefFoundError的错误。如果执行的类文件中没有main方法或敲错了main方法，则会出现提示NoSuchMethodError。
提示：在执行一个Java程序时，JVM首先会用一个称为类加载器（class loader）的程序将类的字节码加载到内存中。如果你的程序中使用其他类，类加载程序会在需要它们之前动态地加载它们。当加载该类后，JVM使用一个称为字节码验证器（bytecode verifier）的程序来检验字节码的合法性，确保字节码不会违反Java的安全规范。Java强制执行严格的安全规范，以确保来自网络的Java程序不会篡改和危害你的计算机。

9 程序设计风格和文档

要点提示：良好的程序设计风格和正确的文档使程序更易阅读，并且能帮助程序员避免错误。

程序设计风格（programming style）决定程序的外观。例如整个一堆的代码，虽然可以正确编译和运行，但是其可读性非常差。文档（documentation）是关于程序的解释性评注和注释的一个结构体。程序设计风格与文档和编写代码一样重要。良好的程序设计风格和适当的文档可以减少出错的机率，并提高程序的可读性。

9.1 正确的注释和注释风格

Java文档注释（javadoc comment）。以/**开头，*/结尾。它们能使用JDK的javadoc命令提取成一个HTML文件。一般用来注释整个类或整个方法。

9.2 正确的缩进和空白

保持一致的缩进风格会使程序更加清晰、易读、易于调试和维护。缩进（identation）用于描述程序中组成部分或语句之间的结构性关系。对齐不影响JVM，但是正确的对齐能够使人们更易读懂和维护代码。

9.3 块的风格

块是由花括号围起来的一组语句。块的书写方式有两种常用方式：次行（next-line）风格和行尾（end-of-line）风格，如下所示：

//次行风格
public class Test
{
  //your code
}

//行尾风格
public class Test{
  //your code
}

10 程序设计错误

要点提示：程序设计错误可以分为三类：语法错误、运行时错误和逻辑错误。

10.1 语法错误

在编译过程中出现的错误称为语法错误（syntax error）或编译错误（compile error）。语法错误是由创建代码时的错误引起的。这类错误很容易发现，因为编译器会告诉你错误在哪，以及是什么原因造成的。

10.2 运行时错误

运行时错误（runtime error）是引起程序非正常中断的错误。运行应用程序时，当环境检测到一个不可能执行的操作时，就会出现运行时错误。

10.3 逻辑错误

当程序没有按预期的方式执行时就会发生逻辑错误。

参考文献

[1] 梁勇.Java语言程序设计(基础篇)[M].原书第十版. 北京:机械工业出版社

雨凊

发布了35 篇原创文章 · 获赞 11 · 访问量 739

私信关注

00 00Java基础之计算机、程序和Java概述

文章目录

应知应会

1 引言

2 什么是计算机

2.1 中央处理器