第 1 章 · Java 概述

学 Java 的第一晚,我印象最深的不是语言本身,而是配环境变量的痛苦:装完 JDK 敲 java -version 有反应、javac 却「不是内部或外部命令」,上网一查才知道 Java 把「能跑」和「能编译」拆成了两个东西。这一章就从这个困惑开始,把 Java 的家底讲清楚:它凭什么「一次编写,到处运行」、JDK/JRE/JVM 三个缩写到底谁包含谁、第一个程序怎么写,以及每个初学者都会撞上的那几条编译错误。

1.1 三十年简史:为什么会有 Java

1991 年,Sun 公司的 James Gosling 团队想给机顶盒、家电写通用软件,搞出一门叫 Oak 的语言;机顶盒市场没成,赶上互联网爆发,1995 年更名 Java 转身杀入 Web(Applet 小程序当年红极一时),后来成为企业级开发的事实标准。2010 年 Sun 被 Oracle 收购,Java 归了 Oracle。

版本史里值得记四个节点,每个都改变了这门语言:JDK 1.2(1998)拆出 J2SE/J2EE/J2ME 三个方向(平台化);JDK 1.5(2004)泛型、枚举、增强 for、注解齐发(语法现代化);JDK 1.8(2014)Lambda 与 Stream(函数式编程入场,今天企业代码的半壁江山);JDK 11/17/21(LTS 长期支持版,模块化落地,也是你该装的那个)。选版本的经验法则:跟 LTS 走,17 或 21,别用 8 之外的老古董,也别追最新非 LTS 版(生产环境少有人陪).

1.2 WORA:一次编写,到处运行的代价与收益

Java 的招牌是「Write Once, Run Anywhere」,机制一句话:Java 编译成字节码(bytecode),由各平台的 JVM 翻译执行。同一份 .class 文件,Linux 的 JVM 和 Windows 的 JVM 都认,平台差异被 JVM 吸收掉了。

学过计组课的同学会发现这个设计和 ISA 惊人地像:JVM 定义了一套「虚拟指令集」(字节码),这份合同之下,任何平台只要实现 JVM,就能跑所有 Java 程序。C 语言编译成各平台原生机器码(快,但换平台要重编),Java 编译成一份字节码(跨平台,但要 JVM 中转)。天下没有免费的抽象,Java 付的账单有三张:启动和执行多一层(JIT 即时编译追平不少,但冷启动仍慢)、内存被 GC 接管(省心,但不可控,计组第 9 章 C 的 malloc 惨案在 Java 里不存在,换来的是 GC 暂停)、没有指针运算(安全,计组第 14 章的 UB 案卷在 Java 里整个消失)。值不值?企业级市场已经投票:稳定、人多、生态大,值。

1.3 JDK、JRE、JVM:套娃关系

三个缩写的包含关系:JDK ⊃ JRE ⊃ JVM。

JVM(Java 虚拟机):执行字节码的引擎,1.2 节的主角。
JRE(Java 运行环境):JVM + 核心类库。只跑程序,JRE 够了。
JDK(Java 开发工具包):JRE + 编译器 javac + 调试器 jdb + 打包工具 jar 等。写代码必须 JDK。

我当年那个「java 有反应 javac 没反应」的谜题,答案就是:装的是 JRE(或只配了 java 的路径)。装 JDK、配 JAVA_HOME 指向 JDK 根目录、把 %JAVA_HOME%\bin(Windows)或 $JAVA_HOME/bin(Linux/Mac)加进 PATH,一套流程走完,java -version 和 javac -version 都有输出才算就绪。

1.4 第一个程序与第一波报错

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

$ javac Hello.java      # 生成 Hello.class(字节码)
$ java Hello            # JVM 执行(注意:不带 .class 后缀)
Hello Java!

三个规矩和三波报错,提前踩坑:

public 类名必须和文件名一致。类叫 Hello,文件必须叫 Hello.java,否则:class Hello is public, should be declared in a file named Hello.java。
main 签名一个字都不能少。写成 void main(String[] args)(少 static)会得到「main method not found in class Hello」;写成 String args (丢中括号)直接编译不过。初学就背标准签名 public static void main(String[] args),第 6 章(方法)会解释每个词的意思。
运行时不带 .class。java Hello.class 会报「Could not find or load main class」,因为 JVM 要的是类名不是文件名。

System.out.println 这行先当咒语用:System 是个类,out 是它的标准输出流,println 是「打印并换行」。等学完第 8 章(面向对象下),这句话的每个点都会被拆开解释。

1.5 和其他语言对个账

维度	Java	C(指针课)	Python	C++
编译目标	字节码 → JVM	原生机器码	解释执行	原生机器码
内存	GC 全管	手动 malloc/free	GC	手动/智能指针
指针	无(引用受控)	裸指针	无	有
类型检查	编译期,强	编译期,可绕过(强转)	运行期,弱	编译期,强

这张表里每一格都是前面课程讲过的故事:C 列的每一项都能在指针课找到对应的血泪章节;Python 的弱类型灵活但运行期才爆炸;Java 的选择是「编译期把错误拦住 + 运行期有 GC 和边界检查兜底」。作为学生,我的真实体验是:Java 写起来啰嗦(打印一行字要 System.out.println,第 14 章你会看到它连多线程都要显式同步),但它的报错信息确实教养很好,栈回溯直接指到行号,配合 IDE 几乎无死角。

常见错误

环境变量配了没生效。Windows 改完 PATH 要重开终端;Linux 的 ~/.bashrc 改完要 source。验证方式永远是重开终端跑 javac -version。
类名和文件名不一致。多类的文件里,public 类只能有一个且必须同名文件;非 public 类可以共存一个文件(第 8 章讲访问权限时回收这个伏笔)。
用记事本+记不住的命令行硬磕。初学就装 IntelliJ IDEA(社区版免费)或 VS Code + Java 插件,IDE 会替你处理 90% 的环境痛苦;命令行编译的本事,在理解了 1.3 的层次之后再回头练也不迟。

练习

动手:装 JDK(选 17 或 21 LTS),完成 java -version 和 javac -version 双验证;故意把文件名改成 hello.java 编译,抄录报错原文。
动手:javap -c Hello.class 反汇编你的第一个类,看看「字节码」长什么样(会看到 aload_0、invokevirtual 之类的虚拟指令),和计组课第 4 章的 RISC-V 指令对照,感受「虚拟 ISA」。
思考:Java 把「编译产物」设计成与平台无关的字节码,而 C 直接编译成平台机器码。从「软件分发」(当年靠光盘/U盘)的历史背景想想 WORA 为什么在 1996 年是杀手锏,在 Docker 容器(本站 Linux/Docker 课程)普及的今天,这个卖点还剩多少?
思考:对比 System.out.println("hi") 和 C 的 printf("hi\n") 和 Python 的 print("hi"),三者的语法复杂度和背后的机制(类库调用 vs 可变参数函数 vs 内置函数)各是什么?Java 的啰嗦换来了什么?