《Java语言程序设计》实验指导手册

前言

本实验指导旨在配合《Java语言程序设计》理论课程，通过一系列精心设计的实验，帮助学生巩固理论知识，提升编程实践能力、问题解决能力和工程素养，实验内容由浅入深，从基础的语法练习到综合的项目开发，覆盖了Java SE的核心知识点。

学习目标：

1. 掌握环境： 熟练使用JDK、IDE（如IntelliJ IDEA或Eclipse）进行Java程序的编写、编译、调试和运行。
2. 夯实基础： 深入理解Java基本语法、数据类型、流程控制、数组和方法。
3. 理解面向对象： 熟练运用类、对象、封装、继承、多态等面向对象思想进行程序设计。
4. 熟悉核心API： 掌握常用类（如String, Math, Date）、集合框架（List, Set, Map）、I/O流和异常处理机制。
5. 提升能力： 具备阅读和分析代码、调试程序、设计小型应用以及团队协作开发的能力。

第一部分：实验环境搭建

在开始实验之前,必须正确配置开发环境。

实验目标：

1. 安装并配置Java Development Kit (JDK)。
2. 安装并配置集成开发环境。
3. 编写并成功运行第一个Java程序。

实验步骤：

1. 安装JDK：

   • 访问Oracle官网或OpenJDK官网，下载与你操作系统匹配的最新LTS（长期支持）版本的JDK。
   • 运行安装程序，记住安装路径（C:\Program Files\Java\jdk-17）。
   • 配置环境变量：
     • 新建系统变量 JAVA_HOME,值为你的JDK安装路径。
     • 编辑系统变量 Path，新建一项，值为 %JAVA_HOME%\bin。
   • 打开命令行（CMD），输入 java -version 和 javac -version，如果显示版本号,则安装成功。

2. 安装IDE：

   • 推荐 IntelliJ IDEA (Community Edition 免费版): 功能强大,对Java支持最好。
   • 备选 Eclipse: 经典开源IDE。
   • 下载并安装IDE，初次运行时选择配置JDK，指向你刚才安装的JAVA_HOME。

3. 编写第一个程序 "Hello, World!"：

   • 在IDE中新建一个Java项目。
   • 在项目中创建一个名为 HelloWorld.java 的文件。
   • 输入以下代码：

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

   • 运行程序（通常点击绿色三角按钮），在控制台应看到输出 Hello, World!。

第二部分：基础实验

这部分实验旨在巩固Java的基础语法和核心概念。

Java基础语法与流程控制

• 实验目的：
  1. 掌握Java基本数据类型、变量、运算符的使用。
  2. 熟练运用if-else、switch、for、while、do-while等流程控制语句。
• 1. 成绩等级评定： 编写一个程序，输入一个学生的百分制成绩，输出其对应的等级（A: 90-100, B: 80-89, C: 60-79, D: 0-59, E: 成绩无效）。
  2. 素数判断： 编写一个方法，判断一个整数是否为素数（质数），并在main方法中测试。
  3. 九九乘法表： 使用嵌套for循环,在控制台打印出标准的九九乘法表。

方法与数组

• 实验目的：
  1. 理解方法的定义、调用、参数传递和返回值。
  2. 掌握一维数组和二维数组的声明、初始化、遍历和常用操作。
• 1. 数组操作工具类： 创建一个包含main方法的类，并实现以下静态方法：
     • printArray(int[] arr): 打印数组元素。
     • findMax(int[] arr): 找出数组中的最大值。
     • reverseArray(int[] arr): 反转数组。
     • bubbleSort(int[] arr): 使用冒泡排序对数组进行升序排序。
  2. 二维数组应用： 创建一个3x3的二维数组，并使用循环为其赋值（赋值为行索引和列索引的和）,然后打印出这个矩阵。

面向对象基础（类与对象）

• 实验目的：
  1. 掌握类的定义，包括成员变量（属性）和成员方法。
  2. 理解对象的创建和使用（实例化）。
  3. 掌握构造方法的作用和重载。
• 1. “学生”类： 设计一个Student类。
     • 属性： id (学号), name (姓名), age (年龄)。
     • 构造方法： 至少提供一个无参构造方法和一个带参构造方法。
     • 方法： study() (打印“XXX正在学习”), introduce() (自我介绍)。
  2. 测试类： 在main方法中，创建Student类的多个对象，并调用其方法,观察输出结果。

面向对象进阶（封装、继承、多态）

• 实验目的：
  1. 理解并应用封装（private关键字和getter/setter方法）。
  2. 掌握继承的实现和super关键字的使用。
  3. 理解多态的概念,并能通过方法重写和方法重载体现。
• 1. “形状”继承体系：
     • 创建一个父类Shape，包含一个抽象方法calculateArea()。
     • 创建子类Circle和Rectangle，继承Shape，并重写calculateArea()方法。
     • 在测试类中，创建Shape类型的数组，分别存入Circle和Rectangle对象，然后遍历数组并调用calculateArea()方法,观察多态行为。
  2. “员工”类体系：
     • 创建一个Employee基类，包含name, salary等属性，以及work()方法。
     • 创建Manager和Developer子类，继承Employee，并重写work()方法,描述各自的工作内容。
     • 在Employee类中添加一个getDetails()方法，在子类中重写该方法,提供更详细的信息。

第三部分：核心API应用

这部分实验深入Java标准库,学习解决实际问题的常用工具。

字符串处理与常用类

• 实验目的：
  1. 熟练掌握String类的常用方法（length, charAt, substring, indexOf, replace, split等）。
  2. 了解StringBuilder和StringBuffer的区别与应用场景。
  3. 使用Math, Date, Calendar等常用工具类。
• 1. 字符串反转与统计： 编写一个程序，接收用户输入的一行字符串，实现以下功能：
     • 将字符串反转。
     • 统计其中字母、数字、空格和其他字符的数量。
  2. 敏感词过滤： 定义一个包含敏感词的数组，再输入一段文本,将文本中的所有敏感词替换为。

集合框架

• 实验目的：
  1. 掌握List, Set, Map三大集合接口的特点和区别。
  2. 熟练使用ArrayList, LinkedList, HashSet, HashMap等常用实现类。
  3. 掌握集合的遍历方式（迭代器、for-each循环）。
• 1. 使用List存储学生信息： 创建一个ArrayList<Student>（使用实验三的Student类），添加多个学生对象,然后遍历并打印所有学生的信息。
  2. 使用Set去除重复： 创建一个HashSet<String>，向其中添加一些重复的字符串，最终遍历集合,观察重复元素已被自动去除。
  3. 使用Map统计单词频率： 读取一段英文文本，使用HashMap<String, Integer>来统计每个单词出现的次数。

异常处理

• 实验目的：
  1. 理解异常的概念和体系结构。
  2. 掌握try-catch-finally语句块的使用。
  3. 学会使用throws声明和throw抛出异常。
• 1. 文件读取异常处理： 尝试读取一个不存在的文件，使用try-catch捕获FileNotFoundException,并给出友好的错误提示。
  2. 数组越界异常处理： 创建一个长度为5的数组，在代码中尝试访问索引为5的元素，捕获ArrayIndexOutOfBoundsException。
  3. 自定义异常： 设计一个InvalidAgeException（自定义异常），在Student类的setAge方法中，如果年龄小于0或大于120,则抛出此异常。

I/O流与文件操作

• 实验目的：
  1. 理解Java I/O流的分层体系（字节流 vs. 字符流，节点流 vs. 处理流）。
  2. 掌握使用File类进行文件和目录操作。
  3. 学会使用FileReader/FileWriter和BufferedReader/BufferedWriter进行文本文件的读写。
• 1. 文件信息查看： 编写一个程序，接收一个文件路径，使用File类输出该文件/目录的名称、大小、是否可读、是否可写、最后修改时间等信息。
  2. 文本文件复制： 编写一个程序，将一个文本文件（如source.txt复制到另一个文本文件（如target.txt）中。
  3. 日志记录： 创建一个简单的日志记录程序，每次运行时，将当前时间戳和一条日志信息（如“用户登录成功”）追加写入到一个log.txt文件中。

第四部分：综合项目实践

将所学知识融会贯通,完成一个小型但完整的应用。

简易图书管理系统

• 项目目标： 开发一个控制台版的图书管理系统，实现对图书的增、删、改、查等基本功能。

• 技术要求：

  • 使用面向对象思想设计。
  • 使用ArrayList或HashMap来存储图书数据。
  • 使用Scanner类获取用户输入。
  • 使用I/O流实现数据的持久化（程序关闭后，图书信息不丢失）。

• 功能模块：

  1. 图书类：
     • 属性：id (唯一标识), title (书名), author (作者), isBorrowed (是否借出)。
     • 方法：toString() (用于打印图书信息)。
  2. 图书管理器类：
     • 数据存储： 使用ArrayList<Book>。
     • 核心功能方法：
       • addBook(Book book): 添加新书。
       • deleteBook(String id): 根据ID删除图书。
       • findBook(String keyword): 根据书名或作者查找图书。
       • borrowBook(String id): 借阅图书。
       • returnBook(String id): 归还图书。
       • listAllBooks(): 显示所有图书。
     • 数据持久化：
       • saveToFile(): 将图书列表保存到文件（如books.dat）。
       • loadFromFile(): 从文件加载图书列表。
  3. 主程序类：
     • 提供菜单驱动的用户界面。
     • 在程序启动时调用loadFromFile()，退出前调用saveToFile()。
     • 根据用户选择调用管理器类的相应方法。

第五部分：实验报告撰写规范

每完成一个实验，都应提交一份实验报告,格式建议如下：

1. 实验名称： 如“实验三：面向对象基础”。
2. 实验目的： 简述本次实验要达成的目标。
3. 实验环境： JDK版本、操作系统、IDE名称及版本。
4. 实验原理： 简要介绍实验所涉及的核心理论知识。
5. 与步骤：
   • 描述实验的具体任务。
   • 详细记录关键的实现步骤和遇到的问题及解决方案。
6. 核心代码：

   贴出关键类或方法的核心代码,并进行必要的注释说明。

7. 实验结果与分析：
   • 附上程序运行成功的截图。
   • 对实验结果进行分析,讨论代码的优缺点或可以改进的地方。
8. 实验总结与心得：
   • 总结本次实验学到的知识和技能。
   • 反思在实验过程中遇到的困难、解决方法以及获得的感悟。