Java 入門教學

Java 是什麼，用來做什麼

Java 由 Sun Microsystems 於 1995 年發布，現在由開放的 OpenJDK 專案開發，Oracle 是主要維護者。它的承諾是「一次撰寫，到處執行」：編譯器產生位元組碼，再由 JVM 在 Windows、macOS 與 Linux 上執行。Java 用於大型企業後端（常搭配 Spring Boot）、Android 應用程式（與 Kotlin 並行）、Apache Kafka 與 Hadoop 等大數據工具，以及許多桌面與嵌入式系統。新版本每六個月發布一次，正式環境通常選用 Java 21 這類長期支援（LTS）版本。

安裝 JDK 並執行 Hello, world

請安裝 JDK（Java Development Kit），例如 Eclipse Temurin 這類 OpenJDK 發行版或 Oracle 的 JDK，並用 java -version 確認。每個 Java 程式都存在於類別中，執行從 main 開始。

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

java Hello.java        # run a single source file directly
# Hello, world
javac Hello.java       # or compile to Hello.class first
java Hello

檔名必須與 public 類別名稱相同（class Hello 對應 Hello.java）。

變數與基本型別

Java 有八種基本型別（primitive type），直接以值儲存，另外還有參考型別（例如 String 這類物件與陣列）。每個變數都有固定的型別；在方法內，var 可讓編譯器根據初始值推論型別。

int count = 7;
double avg = count / 2;          // 3.0, integer division happens first
double avg2 = count / 2.0;       // 3.5
var name = "Ada";                // inferred as String
String msg = name + " has " + count + " items";
System.out.println(msg);         // Ada has 7 items
System.out.println(Integer.parseInt("12") + 1); // 13

這只是程式片段：請把這類陳述式放進 main 之類的方法中。

流程控制

int score = 72;
if (score >= 90) {
    System.out.println("A");
} else if (score >= 70) {
    System.out.println("B");     // B
} else {
    System.out.println("C");
}
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    System.out.println(i);       // 0, 1, 2
}
String day = "SAT";
String kind = switch (day) {     // switch expression
    case "SAT", "SUN" -> "weekend";
    default -> "weekday";
};
System.out.println(kind);        // weekend

Java 還有 while、do/while，以及走訪陣列與集合的增強式 for (String s : list) 迴圈。

方法、類別與 record

類別把欄位（資料）與方法（行為）組合在一起。static 方法屬於類別本身；其他方法則要在以 new 建立的物件上呼叫。record 是宣告不可變資料類別的簡潔寫法：編譯器會自動產生建構子、存取方法、equals、hashCode 與 toString。

public class Shapes {
    static double square(double x) {
        return x * x;
    }
    static class Counter {
        private int value;
        void increment() { value++; }
        int get() { return value; }
    }
    record Point(int x, int y) {
        double distance() { return Math.sqrt(x * x + y * y); }
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(square(4));        // 16.0
        Counter c = new Counter();
        c.increment();
        c.increment();
        System.out.println(c.get());          // 2
        Point p = new Point(3, 4);
        System.out.println(p + " " + p.distance()); // Point[x=3, y=4] 5.0
    }
}

類別可以繼承一個父類別（extends），並實作多個介面（implements）。欄位通常是 private，透過方法來存取。

集合：List、Map 與 Set

java.util 中的集合框架提供可調整大小的資料結構。集合存放的是物件，所以基本型別會自動裝箱（int 變成 Integer）。

import java.util.*;
public class Collections101 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> nums = new ArrayList<>(List.of(3, 1, 2));
        nums.add(5);
        Collections.sort(nums);
        System.out.println(nums + " " + nums.get(0));  // [1, 2, 3, 5] 1
        Map<String, Integer> ages = new HashMap<>();
        ages.put("ann", 31);
        ages.put("bob", 25);
        System.out.println(ages.getOrDefault("zed", 0)); // 0
        Set<String> tags = new TreeSet<>(List.of("b", "a", "b"));
        System.out.println(tags);                        // [a, b]
        List<Integer> evensSquared = nums.stream()
            .filter(n -> n % 2 == 0)
            .map(n -> n * n)
            .toList();
        System.out.println(evensSquared);                // [4]
    }
}

最後一個陳述式使用了串流（stream）與 lambda，這是轉換集合的函數式風格。List.of 會建立不可變的 list；需要修改時，請用 new ArrayList<>(...) 包起來。

招牌特色：靜態型別、介面與模式比對

介面定義了許多類別都能實作的契約，這是大多數 Java 設計的基礎。現代 Java 加入了模式比對：instanceof 與 switch 可以在同一步驟中測試型別並綁定變數。密封介面（sealed interface，Java 17 起）會列出所有允許的實作，因此編譯器能檢查 switch 是否涵蓋所有情況。

public class Areas {
    sealed interface Shape permits Circle, Rect {}
    record Circle(double r) implements Shape {}
    record Rect(double w, double h) implements Shape {}
    static double area(Shape s) {
        return switch (s) {
            case Circle c -> Math.PI * c.r() * c.r();
            case Rect r -> r.w() * r.h();
        };
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(area(new Rect(2, 3)));  // 6.0
    }
}

這樣的 switch 模式比對在 Java 21 LTS 及之後已是標準功能。

例外處理

錯誤即例外。受檢例外（checked exception，例如 IOException）必須被捕捉或以 throws 宣告；非受檢例外（RuntimeException 的子類別，例如 NullPointerException）則不需要。try-with-resources 會自動關閉檔案與連線。

import java.io.*;
import java.nio.file.*;
public class ReadFirst {
    static int parseAge(String text) {
        int age = Integer.parseInt(text);   // may throw NumberFormatException
        if (age < 0) throw new IllegalArgumentException("negative age");
        return age;
    }
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println(parseAge("abc"));
        } catch (NumberFormatException e) {
            System.out.println("not a number");  // not a number
        }
        try (BufferedReader in = Files.newBufferedReader(Path.of("notes.txt"))) {
            System.out.println(in.readLine());
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("cannot read: " + e.getMessage());
        }
    }
}

完整的小程式：單字計數器

import java.io.IOException;
import java.nio.file.*;
import java.util.*;
public class WordCount {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        if (args.length != 1) {
            System.err.println("usage: java WordCount.java FILE");
            System.exit(1);
        }
        String text = Files.readString(Path.of(args[0])).toLowerCase();
        Map<String, Integer> counts = new HashMap<>();
        for (String word : text.split("[^a-z']+")) {
            if (!word.isEmpty()) counts.merge(word, 1, Integer::sum);
        }
        counts.entrySet().stream()
            .sorted(Map.Entry.<String, Integer>comparingByValue().reversed())
            .limit(5)
            .forEach(e -> System.out.printf("%5d  %s%n", e.getValue(), e.getKey()));
    }
}

以 java WordCount.java notes.txt 執行。它會印出出現次數最多的五個單字及其次數。

初學者常見錯誤

• 整數除法：5 / 2 的結果是 2。讓其中一邊是 double 才會得到 2.5。
• 對 null 呼叫方法會拋出 NullPointerException。請檢查 null，或對可能缺少的值使用 Optional。
• 試圖修改以 List.of 建立的 list，會拋出 UnsupportedOperationException。
• 忘記陣列與 List 的索引從 0 開始，所以最後一個元素在 length - 1。

接下來學什麼

跟著 Java 官方開發者網站 dev.java 上的學習路徑學習，並隨時打開 Java SE API 文件當作參考。接著學習建置工具（Maven 或 Gradle）、使用 JUnit 進行單元測試，再學習 Spring Boot 等框架來開發網路服務。同樣執行在 JVM 上的 Kotlin 是很自然的下一個語言。