八、Java代码的组织机制
文章目录
- Java代码的组织机制
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- 2.1 包
- 2.2 jar包
- 2.3 程序的编译与链接
Java代码的组织机制
本文为书籍《Java编程的逻辑》1和《剑指Java：核心原理与应用实践》2阅读笔记
使用任何语言进行编程都有一个类似的问题，那就是如何组织代码。具体来说，是如何避免命名冲突？如何合理组织各种源文件？如何使用第三方库？各种代码和依赖库如何编译链接为一个完整的程序？本节讨论Java中的解决机制，具体包括包、jar包、程序的编译与链接等。
2.1 包
使用任何语言进行编程都需要解决一个相同的问题，那就是如何解决命名冲突。实际开发中，程序一般不全是一个人写的，会调用系统提供的代码、第三方库中的代码、项目中其他人写的代码等，不同的人就不同的目的可能定义同样的类名或者接口名，Java中解决这个问题的主要方法就是包。Java中组织类和接口的方式也是包。
包是一个比较容易理解的概念，类似于计算机中的文件夹，正如我们在计算机中管理文件，文件放在文件夹中一样，类和接口放在包中，为便于组织，文件夹一般是一个层次结构，包也类似。包有包名，这个名称以点号（.）分隔表示层次结构。比如，我们经常使用的String类就位于包java.lang下，其中java是上层包名，lang是下层包名。带完整包名的类名称为其完全限定名，比如String类的完全限定名为java.lang.String。Java API中所有的类和接口都位于包Java或javax下，java是标准包，javax是扩展包。
1、声明类所在的包
定义类的时候，应该先使用关键字package声明其包名，如下所示：
package com.ieening;
public class Hello {
//类的定义
}
以上声明类Hello的包名为com.ieening，包声明语句应该位于源代码的最前面，前面不能有注释外的其他语句。包名和文件目录结构必须匹配，如果源文件的根目录为E:\src\，则上面的Hello类对应的文件Hello.java，其全路径就应该是E:\src\com\ieening\Hello.java。如果不匹配，Java会提示编译错误。为避免命名冲突，Java中命名包名的一个惯例是使用域名作为前缀，因为域名是唯一的，一般按照域名的反序来定义包名，比如，域名是apache.org，包名就以org.apache开头。没有域名的也没关系，使用一个其他代码不太会用的包名即可。
除了避免命名冲突，包也是一种方便组织代码的机制。一般而言，同一个项目下的所有代码都有一个相同的包前缀，这个前缀是唯一的，不会与其他代码重名，在项目内部，根据不同目的再细分为子包，子包可能又会分为下一级子包，形成层次结构，内部实现一般位于比较底层的包。包可以方便模块化开发，不同功能可以位于不同包内，不同开发人员负责不同的包。包也可以方便封装，供外部使用的类可以放在包的上层，而内部的实现细节则可以放在比较底层的子包内。
2、通过包使用类
同一个包下的类之间互相引用是不需要包名的，可以直接使用。但如果类不在同一个包内，则必须要知道其所在的包。使用有两种方式：一种是通过类的完全限定名；另外一种是将用到的类引入当前类。但也有一个例外，java.lang包下的类可以直接使用，不需要引入，也不需要使用完全限定名，比如String类、System类，其他包内的类则不行。看个例子，使用Arrays类中的sort方法，通过完全限定名可以这样使用：
int[] arr = new int[]{1,4,2,3};
java.util.Arrays.sort(arr);
System.out.println(java.util.Arrays.toString(arr));
显然，这样比较烦琐，另外一种就是将该类引入当前类。引入的关键字是import，import需要放在package定义之后，类定义之前，如下所示：
package com.ieening;
import java.util.Arrays;
public class Hello {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = new int[]{1,4,2,3};
Arrays.sort(arr);
System.out.println(Arrays.toString(arr));
}
}
做import操作时，可以一次将某个包下的所有类引入，语法是使用.*，比如，将java.util包下的所有类引入，语法是：import java.util.*。需要注意的是，这个引入不能递归，它只会引入java.util包下的直接类，而不会引入java.util下嵌套包内的类，比如，不会引入包java.util.zip下面的类。试图嵌套引入的形式也是无效的，如import java.util.*.*。
在一个类内，对其他类的引用必须是唯一确定的，不能有重名的类，如果有，则通过import只能引入其中的一个类，其他同名的类则必须要使用完全限定名。
从JDK 5以后，增加了一种静态导入的新语法，它有一个static关键字，可以直接导入类的公开静态方法和成员。看个例子：
import java.util.Arrays;
import static java.util.Arrays.*; //静态导入Arrays中的所有静态方法
import static java.lang.System.out; //导入静态变量out
public class Hello {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = new int[]{1,4,2,3};
sort(arr); //可以直接使用Arrays中的sort方法
out.println(Arrays.toString(arr)); //可以直接使用out变量
}
}
3、包范围可见性
前面章节我们介绍过，对于类、变量和方法，都可以有一个可见性修饰符public/private，我们还提到，可以不写修饰符。如果什么修饰符都不写，它的可见性范围就是同一个包内，同一个包内的其他类可以访问，而其他包内的类则不可以访问。需要说明的是，同一个包指的是同一个直接包，子包下的类并不能访问。比如，类com.ieening.Hello和com.ieening.inner.Test，其所在的包com.ieening和com.ieening.inner是两个完全独立的包，并没有逻辑上的联系，Hello类和Test类不能互相访问对方的包可见性方法和属性。除了public和private修饰符，还有一个与继承有关的修饰符protected。protected可见性包括包可见性，也就是说，声明为protected不仅表明子类可以访问，还表明同一个包内的其他类可以访问，即使这些类不是子类也可以。总结来说，可见性范围从小到大是：private < default(package) < protected < public。
4、常用包介绍
基础的常用包有以下几个。
java.lang：包含Java的核心的基础类型，如String、Math、Integer、System类等。java.net：包含执行与网络相关的API。java.io：包含能表示文件和目录的File类及各种数据读/写相关的功能类。java.util：包含实用工具类，如集合框架类、数组工具类、旧版时间日期API等。java.time：包含新版日期时间API。java.text：包含Java文本格式化相关的API。java.lang.reflect：包含一些与反射相关的API。java.sql：包含Java进行JDBC数据库编程的相关API。java.util.function：是Java 8新增的包，包含与函数式编程相关的接口。java.util.stream：也是Java 8新增的包，包含与Stream相关的API。
2.2 jar包
为方便使用第三方代码，也为了方便我们写的代码给其他人使用，各种程序语言大多有打包的概念，打包的一般不是源代码，而是编译后的代码。打包将多个编译后的文件打包为一个文件，方便其他程序调用。
在Java中，编译后的一个或多个包的Java class文件可以打包为一个文件，Java中打包命令为jar，打包后的文件扩展名为.jar，一般称之为jar包。可以使用如下方式打包，首先到编译后的java class文件根目录，然后运行如下命令：
jar -cvf <包名>.jar <最上层包名>
比如，对前面介绍的类打包，如果Hello.class位于E:\bin\com\ieening\Hello.class，则可以到目录E:\bin下，然后运行：
jar -cvf hello.jar com
hello.jar就是jar包，jar包其实就是一个压缩文件，可以使用解压缩工具打开。Java类库、第三方类库都是以jar包形式提供的。如何使用jar包呢？将其加入类路径（classpath）中即可。类路径是什么呢？我们下面来看。
2.3 程序的编译与链接
从Java源代码到运行的程序，有编译和链接两个步骤。编译是将源代码文件变成扩展名是.class的一种字节码，这个工作一般是由javac命令完成的。链接是在运行时动态执行的，.class文件不能直接运行，运行的是Java虚拟机，虚拟机听起来比较抽象，执行的就是Java命令，这个命令解析.class文件，转换为机器能识别的二进制代码，然后运行。所谓链接就是根据引用到的类加载相应的字节码并执行。
Java编译和运行时，都需要以参数指定一个classpath，即类路径。类路径可以有多个，对于直接的class文件，路径是class文件的根目录；对于jar包，路径是jar包的完整名称（包括路径和jar包名）。在Windows系统中，多个路径用分号;分隔；在其他系统中，以冒号:分隔。
在Java源代码编译时，Java编译器会确定引用的每个类的完全限定名，确定的方式是根据import语句和classpath。如果导入的是完全限定类名，则可以直接比较并确定。如果是模糊导入（import带.*），则根据classpath找对应父包，再在父包下寻找是否有对应的类。如果多个模糊导入的包下都有同样的类名，则Java会提示编译错误，此时应该明确指定导入哪个类。
Java运行时，会根据类的完全限定名寻找并加载类，寻找的方式就是在类路径中寻找，如果是class文件的根目录，则直接查看是否有对应的子目录及文件，如果是jar文件，则首先在内存中解压文件，然后再查看是否有对应的类。总结来说，import是编译时概念，用于确定完全限定名，在运行时，只根据完全限定名寻找并加载类，编译和运行时都依赖类路径，类路径中的jar文件会被解压缩用于寻找和加载类。
马俊昌.Java编程的逻辑[M].北京:机械工业出版社,2018. ↩︎
尚硅谷教育.剑指Java：核心原理与应用实践[M].北京:电子工业出版社,2023. ↩︎