翻轉電子書系列：Java 程式設計(一)含程式邏輯  

翻轉工作室：粘添壽

第一章 認識 Java 與程式開發

1-1 何謂程式語言？

1-1-1 編寫劇本的工具

何謂『程式』（Program）？打個比方，就是程式設計師（Programmer）扮演著『編劇者』的角色，製作了一套『劇本』，讓電腦依照劇本內容演出，如果將『程式』改稱為『演出表』，也許會更貼切。

我們需要一套規則來製作『劇本』，設計師利用此規則製作劇本；電腦也按照相同的規則執行劇本內容，如此一來，電腦與設計師之間的期望值才不至於發生落差。如果將製作劇本的規格工具化，任何人利用該工具製作劇本，所製作出來的劇本大多數『電腦』也都能明瞭其意思，此工具即是『程式語言』（Program language）。另外，利用程式語言編寫劇本，必須符合該語言的『文法』（grammar），『文法』即是程式的規則，如圖 1-1 所示。

圖 1-1 程式語言與程式

由此可見，程式語言就如同『英文』一樣，我們利用正確的『單字』（如，關鍵字），與正確的文法（如，程式規則），將若干個單字組合成一個『句字』（如，敘述句）。也依照文法規範，將若干個句字組合成一篇文章（如，程式）。只要都合乎語言規則，任何人都可以依照文法規則閱讀該篇文章。同理可證，只要利用標準語言規則所編寫的程式，電腦應該都能執行才是。

到底電腦是一部機械裝置，它的處理能力是由人們所編寫軟體所規劃著。到目前為止，電腦還未具備思考及哲學推斷能力，只能依照程式軟體的步驟進行著。也就說，它僅能依照『劇本』演出，自己並無法判斷劇本的對錯；假如劇本有疏忽或不完整的地方，導致『演出』亂無章法或不能滿足預先所期望的結果，這完全不可歸咎於電腦，而是編寫『劇本』的軟體工程師的疏忽。

既然電腦是一部機器，沒有理解『人』自然語言的能力，也無法讀取一般文字（如中文、英文）所編寫的劇本；吾人並不能直接指揮電腦從事某些工作，必須透過某一種工具編寫劇本才行。另一方面，真實環境裡存在著多種表演型態（如歌仔戲、布袋戲、西洋歌劇、現代舞...等），每一種演出都有其特殊的地方，也需要其專屬的工具來編寫劇本。程式設計也如同此道理，需要許多專屬工具來製作各式各樣的劇本。隨著時代變遷與科技的進步，程式語言也不斷的演進並滿足時勢所需，如目前常見的 C、Java、Fortran、VB 等等。每種程式語言都有其專門屬性，及特殊運用領域，無法直接比較之間的優劣點。雖然各種程式語言的運用領域不同，但編寫程式的技巧幾乎是相同的；也就是說，雖然有那麼多程式語言，利用他們將真實環境程式化的技巧及邏輯思維大致上是一樣的。

1-1-2 高階語言與機械語言

為了滿足各種環境需求，所以需要發展出許多『程式語言』來應對，這種想法，完全是從『人』的立場思考，純粹是方便『人』編寫程式，對『電腦』（演出者）來說，根本不是這麼一回事。因為到目前為止，電腦大多是由各種數位 IC 組成的機械，僅能辨識『0』與『1』，更清楚的說，電腦只能了解利用 0 與 1 的『機械語言』所編寫的程式，不管是早期的Pascal、Fortran 到現在還有不少愛用者的C、VB，以及本書介紹的Java，如果沒有經過適當的轉換，電腦都看不懂。只是因為要人們利用機械語言編寫程式，非一般人所能及，所以需要使用C、Java…這些比較靠近人類自然語言的程式語言編寫程式，然後利用稱之為『編譯器』（Compiler）的專屬軟體，將其翻譯成電腦所認識的『機械語言』，如圖 1-2 所示。

圖 1-2 程式語言的編譯器

我們將『人』所使用的語言工具，稱之為『高階語言』，所編寫出來程式檔案稱為『原始檔』；電腦所認識的語言稱為『低階語言』或『機械語言』，其所構成的檔案稱為『目的檔』或『機械碼』；而將原始檔轉換成目的檔的工具稱為『編譯器』。

不同系列的『中央處理機』（CPU）都有各自的『機械語言』，之間是很難相容的；譬如 Motorola 68000 系列與 Intel Pentium 系列之間的機械碼，則完全不能相容。也就是說，同樣語言編寫出來的程式，利用 Pentium 主機編譯後得到的機械碼，無法移植到 Alpha 主機上執行，因為兩者之間的 CPU 型態並不相同；即使是相同 CPU 型態的主機，若使用不同的作業系統，其機械碼不一定可以相容。如果要機械碼相容的話，不但必須使用相同系列的CPU（如 Pentium 系列），也要採用相同系列的作業系統才可以（如 Windows 系列）。由此可見，機械語言對系統的相依性非常高，同樣的程式語言，在不同的主機電腦上，都有各自的『編譯器』。

1-2 Java 語言的特性

1-2-1 程式移動性高

有個單純的想法，如果將程式語言（如 C 語言）標準化，而一般資訊系統也具備標準化的編譯器（如 C compiler），則利用標準化所編寫的軟體套件，應該很容易的移植到其他系統才對。如圖 1-3 所示，程式設計師在 Windows 系統上，利用某種程式語言編寫出一套應用系統，如果將其移植到 Linux 或 Mac 系統上，只需使用該種程式語言的編譯器重新編譯，就可在該系統上執行，目前有許多廣為流傳的軟體套件（如 Apache 或 MySQL）就是使用這種概念。事實上並非總是如此容易，每套資訊系統都有其特殊的屬性，利用標準語言所編寫的程式，許多地方不能滿足其他系統環境所需，而需要特殊的更改。針對比較大的軟體套件，依照系統更改某些程式內容，還能滿足經濟效益；如果對某些較小的軟體程式，可能乾脆直接重寫還比較省事。

圖 1-3 傳統語言的軟體套件移植

會造成傳統軟體套件移植困難的主要癥結，是『編譯器』與『執行環境』之間的相依性；各種執行環境必須有特殊的編譯器配合，才能產生適合它執行的目的檔。Java 為了解決此癥結，乾脆將編譯環境與執行環境分開，成為兩套工作環境，如下：（如圖 1-4 所示）

(1) Java 軟體發展環境（Java Software Development Key, JSDK）：提供 Java 程式編譯與連結相關軟體套件，是一套完整的 Java 程式開發系統；主要工具是 Javac 編譯器，以及 Java.* 套件。Java 程式經由 javac 編譯後，將會產生一個稱之為 Bytecode（中介碼）的檔案，並以 class 作為檔案型態。

(2) Java 虛擬機械（Java Virtual Machine, JVM）：提供執行 Bytecode 的環境。主要是執行 java 編譯完成後的機械碼。我們可以在各種系統上發展與 JVM 相容的工作環境，如此便能執行其他系統所發展的 Java 軟體，如圖 1-4 所示。

圖 1-4 Java 程式開發與執行環境

Java的優勢在於，各種電腦系統都可使用『Java 虛擬機械』（JVM）執行由任何主機發展出來的 Bytecode 程式，漂亮地能解決機械碼的相依性問題。其實 JVM 的功能很像『全球資訊網』（WWW）的瀏覽器功能，不論哪種主機電腦都可安裝瀏覽器（如 IE），顯示由各式各樣不同的電腦系統、應用軟體所製作的網頁。Java的概念跟瀏覽器相似， 將開發環境與執行環境分開，減低兩者之間的相依性，使得任何系統所開發的 Java 程式都可容易的移植到其他系統上執行。

1-2-2 豐富程式套件

執行環境與發展環境分開之後，開發軟體時則可不用考慮真實執行環境如何，如此一來，開發及連結導入軟體套件則更加容易。按照 Java 標準語法發展出的套件，將可容易的被導入其他 Java 軟體程式內使用。雖然各種傳統語言大多會提供一些較常用的『庫存函數』，但如果牽涉到較複雜的應用環境時（如視窗環境），庫存函數大多與執行環境有關。因此，需針對系統（如 Windows 系統）的屬性，開發出專屬的庫存函數（如 Visual 函數）。Java 則不然，有關工作環境都由 JVM 環境處理，與開發環境無關，開發軟體套件時大多不用去理會真實執行環境；因此，許多人願意去開發軟體套件，也可容易的使用他人所發展的套件，如圖 1-5 所示。

圖 1-5 Java 的軟體 IC 功能

既然開發出來的程式套件可應用於任何系統，我們就可以針對某些特殊功能製作成程式套件，以供他人使用。這種現象就如同硬體的 IC 晶片一般，每一只 IC 晶片都提供有某一特殊功能，將多個晶片組合在一起，就成一個專屬裝置設備；同樣的，組合多個Java程式套件，即可成為一個特定應用的軟體套件，這就是所謂『軟體 IC』（Software IC）的特性。

1-2-3 物件導向特性

早期談到 Java 語言大多離不開物件導向的功能，可說是 Java 最為特殊的特質。但以目前軟體領域的發展，幾乎所有發展軟體工具都具有物件導向功能，簡單說，物件導向不再是 Java 的專屬特性。利用物件導向發展工具所建立的軟體，大多由若干個類別(Class) 所構成，每一個類別實現某一個特殊功能，類別可能是由程式設計師自己編寫而成，也可能來自其他套件得到(如此則稱為軟體 IC)。所謂物件導向的特性就是敘述類別的特質如何，一般來講有三大特性，如下：

• 封裝性(Encapsulation)：每一類別都具有封裝性，類別僅提供輸入/輸出介面，讓使用者呼叫引用，類別內的程式碼與變數與外界程式具有隔離性，亦是，無法直接呼叫或存取變數。具有此特性，類別才允許任意移值使用，不會受到其他類別程式限制，如此才能具有軟體 IC 的功能。

• 繼承性(Extends)：類別可以再擴充產生新的類別，新類別除了具有原父類別功能外，還可增加其他功能，這就是繼承性。

• 多型性(Polymorphism)：一般程式語言的函數呼叫最大限制就是資料型態，物件導向所建構的類別可以隨需要自動改變相對應的資料型態，這就是多型性。譬如，我們建構一個加法器(add(x, y))，當引數 x 與 y 是整數時，則回傳結果是整數；呼叫同樣類別，當 x 與 y 是浮點數時，則回傳是浮點數。如果其他傳統程式設計的話，則必須分開製作一個回傳整數，另一個回傳浮點數。

很可惜，本書並沒有敘述到如何處理物件導向的相關技巧，如有興趣的話，可繼續閱讀本書的延伸『Java 程式設計(二)含物件導向』。

1-3 建立 Java 程式開發環境

Java 是由 sun 公司發展出來，語言規範也大多由該公司所制定，是目前解決跨平台軟體設計的最佳工具。Java 將程式發展環境（JDSK，javac）與執行環境（JVM，java）分開，任何系統上所發展出來的軟體程式，可容易的移植到任何系統上執行，只要系統上有 JVM（Java Virtual Machine）即可。Sun 公司將 Java 軟體開發環境掛載於網路上（java.sum.com），完全免費讓任何人下載使用；更難得可貴的，也隨時發展許多功能強大的軟體套件（如 Swing），以供使用者發展應用系統。

由此可見，Sun 公司除了免費提供 Java 語言的學習工具外，更提供許多強大的發展工具。這方面與其他語言不同，學習其他程式語言大多需要購買該語言的發展工具（如 Visual Basic），或則僅能使用試用版。不然的話，採用一些免費的發展工具（如 Dev C++），大致上都沒有特殊套件或庫存函數可供學習，就算有也得另外花錢買。簡單的說，學習 Java 語言不但不須購買發展工具，而且它的發展工具功能非常的強。

1-3-1 Java JDK套件安裝

Java 包含兩只軟體套件，一者為開發程式的 J2SDK；另一者為執行 Java 程式的 JVM。應注意的是，兩套軟體都必須安裝，其步驟如下：

• 步驟 1：Google 上搜尋 JDK，則會搜尋到 Oracle 官方網站，如下：

進入官方網站後，點選 Windows x86 版本，如下：

由下載目錄下，可觀察到此檔案：

• 步驟 2：安裝 Java SDK 軟體：J2SE Development Kit 5.0 及 J2SE Runtime Environment。內定值的安裝路徑: c:\Program Files\java

1. 按兩下【jdk-8u71-windows-i586】檔案，則自動進入軟體安裝程序，並出現歡迎安裝的精靈畫面。

2. 首先出現 JDK 授權同意書的對話視窗，並選擇『I accept the terms in the license agreement』，再點選【Next】。

3. 出現選擇套件視窗，與安裝路徑（內定值為 c:\Program Files(86)\Java\jdk1.8.0_71\；也可改變到其他目錄）；選擇「Development Tools」與【Next】。

4. 再出現選擇軟體套件，選擇「J2SE Runtime Environment」的目錄，預設值是 c:\program Files(x86)\java\jre1.8.0_71(不用變更)，直接按【下一步】。

進入安裝狀況：

5. 安裝完成，按入【Finish】。

• 步驟 3：利用『檔案總管』觀察 jdk 安裝在甚麼地方，將此位置複製下來，如下：

• 步驟 4：設定命令路徑：C:\Program Files(86)\java\jdk1.8.0_71\bin

1. 選擇「開始」→「控制台」→「系統」→「進階設定」→「環境變數」→「Path」→「編輯」；視窗如下：

2. 將「變數值」的內容最後面增加【;C:\Program Files(86)\java\jdk1.8.0_71\bin】(可利用複製 - 貼上)。如果安裝於其他位址也相同方法設定，譬如，安裝於 C:\j2sdk1.4.2，則加入【;C:\j2sdk1.4.2\bin】。

3. 再由系統變數上選擇『PATHEXT』系統變數，按入編輯，則出現對話框如下：

4. 將『變數值』最後加入『;.』，表示在目前目錄（.）下即可找到 class 類別程式。

1-3-2 測試 JDK 執行環境

 (A) 步驟 1：啟動『命令提示字元』

除非利用其他發展工具（如 JavaBuilt），否則編譯與執行 Java 程式，大於『命令提示字元』視窗下，以『命令行』（Windows 命令）方式操作。開啟『命令提示字元』視窗如下：由桌面『開始』→『所有程式』→『附屬應用程式』，再點選『命令提示字元』，則可出現下列視窗（可建立捷徑於桌面上）：

(B) 步驟 2：測試 J2SDK - javac

進入『命令提示字元』後，可立即執行『javac』命令測試 J2SDK 是否安裝正確。如下圖所示，執行 javac 後會出現一大串訊息，表示系統環境正確；如僅出現『'javac' 不是內部或外部命令』，則可能是 J2SDK 安裝不正常，或環境變數 Path 沒有設定正確，請回到 1-3-1（步驟 3），重新安裝或設定 Path 變數。

• 步驟 3：測試 JRE - java

同樣的，執行 java 命令可以測試 JRE（Java Runtime Environment）是否安裝正確，如出現下圖樣式，表示正常，否則必須重新安裝 jdk-1_5_0（或其他版本）套件。

1-3-3 Java DOC 文件查詢

近十幾年，利用 Java 發展的軟體越來越廣泛，想得到的地方都有 Java 的蹤影，幾乎是包山包海，譬如：資料庫應用、網路應用、網路通訊、密碼系統、資訊安全、、等等，連目前最夯的 App 也不放過。只要您想得到、有心學習，Java 都提供最佳的發展平台。為何 Java 有此廣大功能呢？因為它包含了各種領域應用系統的發展套件，只要您會使用這些套件，發展任何應用系統都沒問題，然而，Java 將套件的使用方法，很仔細的歸納如下： (很可惜它都是英文，看不懂英文很難成為厲害的程式設計師)

該網站上列出目前有哪些套件(Packages, 左上角視窗)，當您選擇某一套件後，立即歸納出該套件有哪些類別(Classes, 左下角視窗)，每一種類別表現某一特殊功能。當選擇某一類別之後，將會顯示該類別包含哪些方法(method, 右邊視窗)，並顯示所有方法的引用方法，如下圖所示。

1-4  Windows 檔案結構與常用命令

基本上，JVM 在 Windows 系統是利用『命令提示字元』視窗操作的（透過其他發展工具，諸如如 JavaBuilt，就可省略 Windows 命令操作）。我們先認識一些簡單的 Windows 操作命令，對爾後操作電腦會有很大的幫助。

1-4-1 Windows 檔案結構

Windows 是利用樹狀結構來紀錄檔案儲存位置，如圖 1-7 所示。每一檔案儲存裝置以單一英文字母標示其名稱，如 A、B、C…等等；習慣上將 A 與 B 識別保留給軟式磁碟機使用，由 C 字母開始為硬式磁碟機、光碟機或隨身碟記號。每一磁碟機（如 C: 磁碟機）各自建立一只如樹根往下延伸的檔案系統，樹頭為所有樹根的起始位置稱之為『根』（root、C:\）；樹根往下延伸，會出現許多節點，如果某一節點允許再往下延伸，則稱為『目錄』（Directory）或『資料夾』；不允許往下延伸的端點則是『檔案』（File）。每一目錄（或資料夾）允許儲存多個檔案，以若干個子目錄。

圖 1-22 Windows 檔案結構

每一個檔案儲存裝置（如磁碟機、光碟機、隨身碟...等）都有一只樹狀檔案系統，圖 1-7 為C 磁碟機上的檔案結構，檔案名稱格式如下：

• C:\f2：C 磁碟機根目錄下之檔案，檔案名稱為 f2。

• C:\d3\f2：C 磁碟機的 d3 子目錄下之檔案，名稱為 f2。

• C:\d2\d5：C 磁碟機的 d2 子目錄下的子目錄，目錄名稱為 d5。

另外，一般檔案的名稱由兩個元件所構成：檔案名稱.檔案型態，如Example.java，則檔案名稱為 Example；檔案型態為 java。在 Windows 系統上，使用者開啟某一檔案時，它是由檔案型態來決定啟動哪一個軟體，因此，檔案型態很重要，不可以取錯。

1-4-2 Windows 常用命令

• 檔案管理

在『命令提示字元』下，較常用的檔案管理工具有：

C:\> dir                  （顯示目前工作目錄下的檔案）

C:\> del  f1 .java          （刪除 f1.java 檔案）

C:\> copy  f2.java  f3.java   (複製 f2.java 成為 f3.java)

C:\> copy  c:\d2\d4\f6  （複製 C:\d2\d4\f6 檔案到目前工作目錄下）

C:\> ren  f2.java  f3.java   （將 f2.java 名稱改為 f3.java）

C:\> type  f2.java         （顯示 f2.java 檔案內容）

• 目錄管理

在『命令提示字元』下，較常用的目錄操作工具有：

C:\> d:                 （切換到 D 磁碟機上操作）

D:\>cd  \               （將工作目錄切換到根目錄）

D:\>md  java            （建立新目錄，名稱為 java）

D:\>cd  java             （將工作目錄切換到 java 目錄下）

D:\java> cd ..             （切換到父目錄）

D:\> rd  java             （移除掉 java 目錄）

目錄操作上有兩個特殊符號，一個句點『.』表示目前目錄；兩個句點『..』表示父目錄（上一層目錄位置）。如系統顯示提示符號為『D:\java\Ex2_1>』，則表示於磁碟機 D 下操作，目錄位置是 D 磁碟機根目錄（D:\）下的 java 子目錄（D:\java），又 java 目錄下的 Ex2_1 子目錄（D:\java\Ex2_1）下操作之意思。

1-5 Java 程式開發

1-5-1 程式編輯工具 - NotePad

我們需要一只工具來編寫程式，最基本工具是『記事本』，但它缺乏程式碼的檢測能力，比較困難編寫程式。之前本書採用 Eclipse，但它主要再編寫 Android 程式使用(新版本也不用了)，產生太多附屬程式，反而讓學生產生困擾。因此，本書新的版本採用 NodePad 來製作程式，他可以檢測許多程式語言，譬如：C++、Java 或 PHP 等等語言，是目前最流行的工具。NodePad 套件是免費軟體，只要在 Google 搜尋與安裝即可。

(A) 安裝 NodePad

只要在 Google 搜尋 NodePad，再下載安裝即可：(只要按下一步)

(B)執行 NodePad

利用 NotePad 編輯後，指定檔案名稱與存入時，須注意，如輸入檔案型態則須用雙引號包起來，或下拉式選用檔案型態。

1-5-2 一般程式開發程序

完成 j2SE 套件安裝程序後，即可開始編寫 java 程式，編寫與執行 java 程式的步驟如圖 1-8 所示。編寫 Java 原始程式需利用沒有排版功能的『記事本』，否則會插入排版符號造成編譯的困擾，簡單說明編譯程序如下：

(1) 編寫原始程式：需依照 Java 程式規則，利用『記事本』編寫原始程式。完成後，儲存檔案名稱的副檔名需是 java，如 Demo.java 檔案。

(2) 編譯原始程式：完成原始程式製作後（如 Demo.java），則在『命令提示字元』視窗下，利用 javac 程式將原始檔案編譯成 Bytecode 檔（如 D:> javac Demo.java）。如果原始檔案沒有錯誤的話，則會產生中介程式（如 Demo.class）；如果原始程式中有關鍵字錯誤（語法錯誤，如錯別字）或規則錯誤（語意錯誤，如文法不對），則會顯示錯誤位置（行數），需重回『記事本』修改。

(3) 執行程式：如果原始檔案沒有任何語意或語法錯誤，經由 javac 編譯後，將產生中介程式（如 Demo.class）。接下來，可利用 java 執行器執行該中介程式（如 D:> java Demo）。程式執行的結果是否能滿足原目的，如果不能滿足的話，表示程式語法都對但邏輯上有問題，需重回『記事本』修改。修改後，也需再經過 javac 編譯，才可讓 java 執行。

圖 1-25 Java 程式開發步驟

1-5-3 Java 程式開發步驟

本書將一個步驟接一個步驟，利用一個簡單範例（Demo.java），分別說明各步驟的操作方法，如下：

(A) 步驟 1：啟動『命令提示字元』

除非利用其他發展工具（如 JavaBuilt），否則編譯與執行 Java 程式，大於『命令提示字元』視窗下，以『命令行』（Windows 命令）方式操作。開啟『命令提示字元』視窗如下：由桌面『開始』→『所有程式』→『附屬應用程式』，再點選『命令提示字元』，則可出現下列視窗（可建立捷徑於桌面上）：

(B)步驟 2：建立並切換工作目錄

習慣上，我們大多將自行建立的檔案儲存於 D 磁碟機（假設 C 磁碟機安裝裝 Windows 系統）；又編寫 Java 程式時，一般都建議將一只程式放置於各自一個子目錄下（目前不嚴格限制）。假設目前欲練習編寫 Demo.java 程式，則建議在 D 磁碟機上，開啟一個專門存放 Java 程式的目錄，操作步驟如下圖所示。(假設 d:\tsnien_java 目錄)

(C)步驟 3：『NotePad』編寫程式

接著開始編寫程式，可利用『記事本』或 NotePad 編寫。如利用 nodePad輸入 Demo.java 程式範例，如下圖所示。

(D)步驟 4：儲存檔案

儲存於 D:\java 目錄下，檔名為 Demo.java，如下圖所示，其中『存檔型態』選擇「所有檔案」。儲存後，點選『命令提示字元』視窗，並執行 dir 命令，觀察儲存檔案後的結果。

進入命令提示字元，觀察儲存結果，如下：

(E)步驟 5：編譯 Java 程式 - javac

利用 javac 將原始檔案（Demo.java）編譯成 Bytecode檔案（Demo.class）。如下圖所示。

如果原始檔案內有語意錯誤的地方，將會出現錯誤訊息，就必須重新利用『記事本』修改原始檔案；如果沒有錯誤的地方，則不會顯示任何訊息，再利用 dir/b 檢視是否產生 Bytecode 檔（Demo.class）。

(F)步驟 6：執行 Bytecode 程式 - java

產生 Bytecode 後，便可利用 JVM（java 命令）執行，下圖所示。

原始程式可以編譯產生 Bytecode，並不表示一定可以利用 JVM（java 命令）執行。雖然可以執行，但不表示所編寫的程式，能滿足所需。因此，如不能執行或執行結果不正常，都必須再利用『記事本』重新修改程式。

1-6 Java 程式範例

1-6-1 範例研討：翻轉教室公告

(A)程式功能：Ex1_1.java

吾人期望顯示翻轉教室的公告如下：

(B)程式範例：

1-6-2自我挑戰：上課注意事項

(A)程式功能：PM1_1.java

吾人期望列印本課程上課注意事項：

(B)程式提示：