Java语言程序设计与数据结构(基础篇)(原书第11版)

本书是Java语言的经典教材，中文版分为基础篇和进阶篇，主要介绍程序设计基础、面向对象程序设计、GUI程序设计、数据结构和算法、高级Java程序设计等内容。本书以示例讲解解决问题的技巧，提供大量的程序清单，每章配有大量复习题和编程练习题，帮助读者掌握编程技术，并应用所学技术解决实际应用开发中遇到的问题。基础篇主要介绍基本程序设计、语法结构、面向对象程序设计、继承和多态、异常处理和文本I/O、抽象类和接口等内容。

梁勇（Y. Daniel Liang） 现为阿姆斯特朗亚特兰大州立大学计算机科学系教授。之前曾是普度大学计算机科学系副教授，并曾两次获得普度大学杰出研究奖。他所编写的Java教程在美国大学Java课程中采用率极高，同时他还兼任Prentice Hall Java系列丛书的编辑。他是“Java Champion”荣誉得主，并在世界各地给在校学生和程序员做Java语言及技术方面的讲座。

前　言Introduction to Java Programming and Data Structures, Comprehensive Version, Eleventh Edition许多读者就本书之前的版本给出了很多反馈。这些评论和建议极大地改进了本书。这一版在表述、组织、示例、练习题以及附录方面都有大幅提高。
本书采用基础优先的方法，在设计用户自定义类之前，首先介绍基本的程序设计概念和技术。选择语句、循环、方法和数组这样的基本概念和技术是程序设计的基础，它们为学生进一步学习面向对象程序设计和高级Java程序设计做好准备。
本书以问题驱动的方式来教授程序设计，将重点放在问题的解决而不是语法上。我们通过使用在各种应用情景中引发思考的问题，使得程序设计的介绍变得更加有趣。前面章节的主线放在问题的解决上，引入合适的语法和库以支持编写解决问题的程序。为了支持以问题驱动的方式来教授程序设计，本书提供了大量不同难度的问题来激发学生的积极性。为了吸引各个专业的学生来学习，这些问题涉及很多应用领域，包括数学、科学、商业、金融、游戏、动画以及多媒体等。
本书将程序设计、数据结构和算法无缝整合在一起，采用一种实用的方式来教授数据结构。首先介绍如何使用各种数据结构来开发高效的算法，然后演示如何实现这些数据结构。通过实现，学生可以深入理解数据结构的效率，以及如何和何时使用某种数据结构。最后，我们设计和实现了针对树和图的用户自定义数据结构。
本书广泛应用于全球各大学的程序设计入门、数据结构和算法课程中。完全版包括程序设计基础、面向对象程序设计、GUI程序设计、数据结构、算法、并行、网络、数据库和Web程序设计。这个版本旨在把学生培养成精通Java的程序员。基础篇可用于程序设计的第一门课程（通常称为CS1）。基础篇包含完全版的前18章内容，本书还有一个AP版本，适合学习AP计算机科学（AP Computer Science）课程的高中生使用。
教授编程的最好途径是通过示例，而学习编程的唯一途径是通过动手练习。本书通过示例对基本概念进行了讲解，并提供了大量不同难度的练习题供学生进行练习。在我们的程序设计课程中，每次课后都布置了编程练习。
我们的目标是编写一本可以通过各种应用场景中的有趣示例来教授问题求解和程序设计的教材。如果您有任何关于如何改进本书的评论或建议，请给我发邮件。
Y. Daniel [email protected]/liangwww.pearsonhighered.com/liangACM/IEEE课程体系2013版和ABET课程评价新的ACM/IEEE课程体系2013版将知识体系组织成18个知识领域。为了帮助教师基于本书设计课程，我们提供了示例教学大纲来确定知识领域和知识单元。作为一个常规的定制示例，示例教学大纲用于三学期的课程系列。示例教学大纲可以从教师资源配套网站获取。
许多读者来自ABET认证计划。ABET认证的一个关键组成部分是，通过针对课程效果的持续的课程评价确定薄弱环节。我们在教师资源配套网站中提供了课程效果示例，以及用于衡量课程效果的示例考试。
本版新增内容本版对各个细节都进行了全面修订，以增强其清晰性、表述、内容、示例和练习题。本版主要的改进如下：
书名改为了“Java语言程序设计与数据结构”，以体现在数据结构方面的增强。本书使用一种实用的方式来介绍、实现和使用数据结构，并涵盖了一门典型的数据结构课程中的所有主题。另外，还提供了额外的奖励章节来介绍高级的数据结构，比如2-4树、B树以及红黑树等。
针对最新的Java技术进行了更新。使用Java 8版本中的新特征对示例和练习进行了改进和简化。
在第13章的接口介绍中，引入了默认方法和静态方法。
GUI相关章节都更新到JavaFX 8。改写了所有示例。示例和练习中的用户界面现在都是可以改变尺寸并且居中显示的。
在第15章的示例中，涵盖了内部类、匿名内部类以及lambda表达式的内容。
数据结构相关章节中，更多的示例和练习采用了lambda表达式来简化编程。方法引用在20.6节介绍Comparator接口时进行了介绍。
在第20章中介绍了forEach方法，作为对集合中每个元素应用一个动作而进行的循环的简单替代方法。
在第24～29章中，使用了Java 8中接口的默认方法重新设计和简化了MyList、MyArrayList、MyLinkedList、Tree、BST、AVLTree、MyMap、MyHashMap、MySet、MyHashSet、Graph、UnweightedGraph和WeightedGraph的实现。
第30章为全新章节，介绍集合流的聚合操作。
第31章介绍了FXML和Scene Builder可视化工具。
重新设计了配套网站，增加了新的交互式测试题、复习题、动画以及现场编程。
在教师资源网站上为教师额外提供了200多道编程练习题，并给出了答案。这些练习题没有出现在教材中。
可以访问www.pearsonhighered.com/liang，获得和前一版本的关联以及新特征的完整列表。
教学特色本书使用以下要素组织素材：
教学目标：在每章开始列出学生学习本章应该掌握的内容，学完这章后，学生能够判断自己是否达到这个目标。
引言：提出引发思考的问题以展开讨论，激发读者深入探讨该章内容。
要点提示：突出每节中涵盖的重要概念。
复习题：按节组织，帮助学生复习相关内容并评估掌握的程度。
示例学习：通过精心挑选示例，以容易理解的方式教授问题求解和程序设计概念。本书使用多个小的、简单的、激发兴趣的例子来演示重要的概念。
本章小结：回顾学生应该理解和记住的重要主题，有助于巩固该章所学的关键概念。
测试题：可以在线访问，按照章节组织，让学生可以就编程概念和技术进行自我测试。
编程练习题：按章节组织，为学生提供独立应用所学新技能的机会。练习题的难度分为容易（没有星号）、适度（*）、难（**）和具有挑战性（***）四个级别。学习程序设计的窍门就是实践、实践、再实践。所以，本书提供了大量的编程练习题。另外，在教师资源网站上为教师提供了200多道带有答案的编程练习题。
注意、提示、警告和设计指南：贯穿全书，对程序开发的重要方面提供有价值的建议和见解。
注意：提供学习主题的附加信息，巩固重要概念。
提示：教授良好的程序设计风格和实践经验。
警告：帮助学生避开程序设计错误的误区。
设计指南：提供设计程序的指南。
灵活的章节顺序本书提供灵活的章节顺序，使GUI、异常处理、递归、泛型和Java集合框架等内容可以或早或晚地讲解。下页的插图显示了各章之间的相关性。
本书的组织所有的章节分为五部分，构成Java程序设计、数据结构和算法、数据库和Web程序设计的全面介绍。书中知识是循序渐进的，前面的章节介绍了程序设计的基本概念，并且通过简单的例子和练习题引导学生；后续的章节逐步详细地介绍Java程序设计，最后介绍开发综合的Java应用程序。附录包含数系、位操作、正则表达式以及枚举类型等多种主题。
第一部分　程序设计基础（第1～8章）本书第一部分是基石，让你开始踏上Java学习之旅。你将了解Java（第1章），还将学习像基本数据类型、变量、常量、赋值、表达式以及操作符这样的基本程序设计技术（第2章），选择语句（第3章），数学函数、字符和字符串（第4章），循环（第5章），方法（第6章），数组（第7和8章）。在第7章之后，可以跳到第18章去学习如何编写递归的方法来解决本身具有递归特性的问题。
第二部分　面向对象程序设计（第9～13章和第17章）这一部分介绍面向对象程序设计。Java是一种面向对象程序设计语言，它使用抽象、封装、继承和多态来提供开发软件的极大灵活性、模块化和可重用性。你将学习如何使用对象和类（第9和10章）、类的继承（第11章）、多态性（第11章）、异常处理（第12章）、抽象类（第13章）以及接口（第13章）进行程序设计。文本I/O将在第12章介绍，二进制I/O将在第17章介绍。
第三部分　GUI程序设计（第14～16章和奖励章节第31章）JavaFX是一个开发Java GUI程序的新框架。它不仅对于开发GUI程序有用，还是一个用于学习面向对象程序设计的优秀教学工具。这一部分在第14～16章介绍使用JavaFX进行Java GUI程序设计。主要的主题包括GUI基础（第14章）、容器面板（第14章）、绘制形状（第14章）、事件驱动编程（第15章）、动画（第15章）、GUI组件（第16章），以及播放音频和视频（第16章）。你将学习采用JavaFX的GUI程序架构，并且使用组件、形状、面板、图像和视频来开发有用的应用程序。第31章涵盖JavaFX的高级特性。
第四部分　数据结构和算法（第18～30章以及奖励章节第42和43章）这一部分介绍一门典型的数据结构和算法课程中的主题。第18章介绍递归以编写解决本身具有递归特性的问题的方法。第19章介绍泛型是如何提高软件的可靠性的。第20和21章介绍Java集合框架，它为数据结构定义了一套有用的API。第22章讨论算法效率的度量以便为应用程序选择合适的算法。第23章介绍经典的排序算法。你将在第24章中学到如何实现经典的数据结构，如线性表、队列和优先队列。第25和26章介绍二分查找树和AVL树。第27章介绍散列以及通过散列实现映射（map）和集合（set）。第28和29章介绍图的应用。第30章介绍用于集合流的聚合操作。2-4树、B树以及红黑树在奖励章节第42和43章中介绍。
第五部分　高级Java程序设计（奖励章节第32～41章和第44章）这一部分介绍高级Java程序设计。第32章介绍使用多线程使程序具有更好的响应性和交互性，并介绍并行编程。第33章讨论如何编写程序使得Internet上的不同主机能够相互对话。第34章介绍使用Java来开发数据库项目。第35章深入探讨高级Java数据库编程。第36章涵盖国际化支持的使用，以开发面向全球使用者的项目。第37和38章介绍如何使用Java servlet和JSP创建来自Web服务器的动态内容。第39章介绍使用JSF进行现代Web应用开发。第40章介绍远程方法调用，而第41章讨论Web服务。第44章介绍使用JUnit测试Java程序。
附录附录A列出Java关键字。附录B给出十进制和十六进制ASCII字符集。附录C给出操作符优先级。附录D总结Java修饰符及其使用。附录E讨论特殊的浮点值。附录F介绍数系以及二进制、十进制和十六进制间的转换。附录G介绍位操作符。附录H介绍正则表达式。附录I涵盖枚举类型。

目　　录
Introduction to Java Programming and Data Structures, Comprehensive Version, Eleventh Edition
出版者的话
中文版序
译者序
前言
第1章　计算机、程序和Java概述 1
1.1　引言 1
1.2　什么是计算机 2
1.2.1　中央处理器 2
1.2.2　比特和字节 3
1.2.3　内存 3
1.2.4　存储设备 4
1.2.5　输入和输出设备 4
1.2.6　通信设备 5
1.3　编程语言 6
1.3.1　机器语言 6
1.3.2　汇编语言 6
1.3.3　高级语言 7
1.4　操作系统 8
1.4.1　控制和监视系统活动 8
1.4.2　分配和调配系统资源 8
1.4.3　调度操作 8
1.5　Java、万维网以及其他 9
1.6　Java语言规范、API、JDK、JRE和IDE 10
1.7　一个简单的Java程序 11
1.8　创建、编译和执行Java程序 13
1.9　程序设计风格和文档 16
1.9.1　正确的注释和注释风格 16
1.9.2　正确的缩进和空白 16
1.9.3　块的风格 17
1.10　程序设计错误 17
1.10.1　语法错误 17
1.10.2　运行时错误 18
1.10.3　逻辑错误 19
1.10.4　常见错误 19
1.11　使用NetBeans开发Java程序 20
1.11.1　创建Java工程 21
1.11.2　创建Java类 22
1.11.3　编译和运行类 22
1.12　使用Eclipse开发Java程序 23
1.12.1　创建Java工程 23
1.12.2　创建Java类 24
1.12.3　编译和运行类 24
关键术语 25
本章小结 26
测试题 27
编程练习题 27
第2章　基本程序设计 29
2.1　引言 29
2.2　编写简单的程序 29
2.3　从控制台读取输入 32
2.4　标识符 35
2.5　变量 35
2.6　赋值语句和赋值表达式 37
2.7　命名常量 38
2.8　命名习惯 39
2.9　数值数据类型和操作 39
2.9.1　数值类型 39
2.9.2　从键盘读取数值 40
2.9.3　数值操作符 40
2.9.4　幂运算 42
2.10　数值型字面值 43
2.10.1　整型字面值 43
2.10.2　浮点型字面值 43
2.10.3　科学记数法 44
2.11　表达式求值以及操作符优先级 44
2.12　示例学习：显示当前时间 45
2.13　增强赋值操作符 47
2.14　自增和自减操作符 48
2.15　数值类型转换 50
2.16　软件开发过程 52
2.17　示例学习：整钱兑零 55
2.18　常见错误和陷阱 57
关键术语 59
本章小结 60
测试题 60
编程练习题 60
第3章　选择 65
3.1　引言 65
3.2　boolean数据类型 65
3.3　if语句 67
3.4　双分支if-else语句 69
3.5　嵌套的if语句和多分支if-else语句 70
3.6　常见错误和陷阱 72
3.7　产生随机数 75
3.8　示例学习：计算身体质量指数 77
3.9　示例学习：计算税率 78
3.10　逻辑操作符 81
3.11　示例学习：判定闰年 84
3.12　示例学习：彩票 85
3.13　switch语句 87
3.14　条件操作 90
3.15　操作符的优先级和结合规则 91
3.16　调试 92
关键术语 93
本章小结 93
测试题 94
编程练习题 94
第4章　数学函数、字符和字符串 102
4.1　引言 102
4.2　常用数学函数 103
4.2.1　三角函数方法 103
4.2.2　指数函数方法 103
4.2.3　取整方法 104
4.2.4　min、max和abs方法 104
4.2.5　random方法 105
4.2.6　示例学习：计算三角形的角度 105
4.3　字符数据类型和操作 107
4.3.1　Unicode和ASCII码 107
4.3.2　特殊字符的转义序列 108
4.3.3　字符型数据与数值型数据之间的转换 108
4.3.4　字符的比较和测试 109
4.4　String类型 111
4.4.1　获取字符串长度 112
4.4.2　从字符串中获取字符 112
4.4.3　连接字符串 113
4.4.4　字符串的转换 113
4.4.5　从控制台读取字符串 114
4.4.6　从控制台读取字符 114
4.4.7　字符串比较 115
4.4.8　获得子字符串 116
4.4.9　获取字符串中的字符或者子串 117
4.4.10　字符串和数字间的转换 118
4.5　示例学习 120
4.5.1　猜测生日 120
4.5.2　将十六进制数转换为十进制数 123
4.5.3　使用字符串修改彩票程序 124
4.6　格式化控制台输出 126
关键术语 129
本章小结 129
测试题 130
编程练习题 130
第5章　循环 136
5.1　引言 136
5.2　while循环 137
5.3　示例学习：猜数字 139
5.4　循环设计策略 142
5.5　使用用户确认或者标记值控制循环 144
5.6　do-while循环 146
5.7　for循环 148
5.8　采用哪种循环 151
5.9　嵌套循环 153
5.10　最小化数值错误 155
5.11　示例学习 156
5.11.1　求最大公约数 156
5.11.2　预测未来学费 158
5.11.3　将十进制数转换为十六进制数 158
5.12　关键字break和continue 160
5.13　示例学习：判断回文 163
5.14　示例学习：显示素数 164
关键术语 167
本章小结 167
测试题 167
编程练习题 167
第6章　方法 176
6.1　引言 176
6.2　定义方法 177
6.3　调用方法 178
6.4　void方法与返回值方法 180
6.5　按值传参 183
6.6　模块化代码 186
6.7　示例学习：将十六进制数转换为十进制数 188
6.8　重载方法 190
6.9　变量的作用域 192
6.10　示例学习：生成随机字符 193
6.11　方法抽象和逐步求精 195
6.11.1　自顶向下的设计 196
6.11.2　自顶向下和自底向上的实现 197
6.11.3　实现细节 199
6.11.4　逐步求精的优势 201
关键术语 202
本章小结 202
测试题 203
编程练习题 203
第7章　一维数组 212
7.1　引言 212
7.2　数组的基础知识 212
7.2.1　声明数组变量 213
7.2.2　创建数组 213
7.2.3　数组大小和默认值 214
7.2.4　访问数组元素 214
7.2.5　数组初始化简写方式 215
7.2.6　处理数组 215
7.2.7　foreach循环 217
7.3　示例学习：分析数字 219
7.4　示例学习：一副牌 220
7.5　复制数组 222
7.6　将数组传递给方法 223
7.7　方法返回数组 226
7.8　示例学习：统计每个字母出现的次数 226
7.9　可变长参数列表 230
7.10　数组的查找 230
7.10.1　线性查找法 231
7.10.2　二分查找法 231
7.11　数组的排序 234
7.12　Arrays类 235
7.13　命令行参数 237
7.13.1　向main方法传递字符串 237
7.13.2　示例学习：计算器 238
关键术语 239
本章小结 240
测试题 240
编程练习题 240
第8章　多维数组 248
8.1　引言 248
8.2　二维数组基础 248
8.2.1　声明二维数组变量并创建二维数组 249
8.2.2　获取二维数组的长度 250
8.2.3　不规则数组 250
8.3　处理二维数组 251
8.4　将二维数组传递给方法 253
8.5　示例学习：多选题测验评分 254
8.6　示例学习：找出距离最近的点对 255
8.7　示例学习：数独 257
8.8　多维数组 260
8.8.1　示例学习：每日温度和湿度 261
8.8.2　示例学习：猜生日 263
本章小结 264
测试题 264
编程练习题 264
第9章　对象和类 276
9.1　引言 276
9.2　为对象定义类 277
9.3　示例：定义类和创建对象 278
9.4　使用构造方法构造对象 283
9.5　通过引用变量访问对象 284
9.5.1　引用变量和引用类型 284
9.5.2　访问对象的数据和方法 285
9.5.3　引用数据域和null值 285
9.5.4　基本类型变量和引用类型变量的区别 286
9.6　使用Java库中的类 288
9.6.1　Date类 288
9.6.2　Random类 289
9.6.3　Point2D类 289
9.7　静态变量、常量和方法 291
9.8　可见性修饰符 296
9.9　数据域封装 297
9.10　向方法传递对象参数 300
9.11　对象数组 303
9.12　不可变对象和类 305
9.13　变量的作用域 307
9.14　this引用 308
9.14.1　使用this引用数据域 308
9.14.2　使用this调用构造方法 309
关键术语 310
本章小结 311
测试题 311
编程练习题 311
第10章　面向对象思考 316
10.1　引言 316
10.2　类的抽象和封装 316
10.3　面向对象的思想 320
10.4　类的关系 322
10.4.1　关联 323
10.4.2　聚集和组合 324
10.5　示例学习：设计Course类 325
10.6　示例学习：设计栈类 327
10.7　将基本数据类型值作为对象处理 329
10.8　基本类型和包装类类型之间的自动转换 332
10.9　BigInteger和BigDecimal类 333
10.10　String类 334
10.10.1　构造字符串 335
10.10.2　不可变字符串与驻留字符串 335
10.10.3　替换和拆分字符串 336
10.10.4　使用模式匹配、替换和拆分 336
10.10.5　字符串与数组之间的转换 337
10.10.6　将字符和数值转换成字符串 338
10.10.7　格式化字符串 338
10.11　StringBuilder类和StringBuffer类 340
10.11.1　修改StringBuilder中的字符串 341
10.11.2　toString、capacity、length、setLength和charAt方法 343
10.11.3　示例学习：判断回文串时忽略既非字母又非数字的字符 343
关键术语 346
本章小结 346
测试题 346
编程练习题 346
第11章　继承和多态 354
11.1　引言 354
11.2　父类和子类 354
11.3　使用super关键字 360
11.3.1　调用父类的构造方法 360
11.3.2　构造方法链 361
11.3.3　调用父类的普通方法 362
11.4　方法重写 363
11.5　方法重写与重载 364
11.6　Object类及其toString()方法 366
11.7　多态 366
11.8　动态绑定 367
11.9　对象转换和instanceof操作符 370
11.10　Object类的equals方法 374
11.11　ArrayList类 375
11.12　关于列表的一些有用方法 381
11.13　示例学习：自定义栈类 382
11.14　protected数据和方法 383
11.15　防止继承和