Java语言艺术与科学 计算机科学导论_Java语言艺术与科学：计算机科学导论（影印版）...

admin管理员组

文章数量:1584237

edicated to the memory of Anita Borg (1949--2003)J 5 (1949-2003)for her tireless efforts to bring the excitementof computing to a wider audience.puting to a wider audience.ac the StudentWelcome! BV picking up this book, you have taken a step into the world ofJ picking up this&nbs...

edicated to the memory of Anita Borg (1949--2003)

J 5 (1949-2003)

for her tireless efforts to bring the excitement

of computing to a wider audience.

puting to a wider audience.

ac the Student

Welcome! BV picking up this book, you have taken a step into the world of

J picking up this book, you have taken a step into the world of

.

computer science--a field of study that has grown from almost nothing half a

'

century ago to one of the most vibrant and active disciplines of our time.

.

Over that time, the computer has opened up extraordinary possibilities in almost

everV area of human endeavor. Business leaders todaV are able to manage global

y area of human endeavor. Business leaders today are able to manage global

enterprises on an unprecedented scale because computers enable them to transfer

.

data anVwhere in a fraction of a second. Scientists can now solve problems that

y where in a fraction of a second. Scientists can now solve problems that

,,

were beyond their reach in the days before comDUters made the necessary

J J puters made the necessary

1'.

calculations possible. The World Wide Web puts a vast amount of information at

your fingertips and lies at the foundation of a vibrant industry that did not exist a

decade ago. Filmmakers can use computer technology to create animated features

that would have been unthinkable in Walt DisneV's time. Modern computation has

y b time. Modern computation has

, I

revolutionized many fields. enabling biologists to sequence the human genome,

.

..

economists to model international markets, and literary scholars to assess whether

.

an unattributed Elizabethan manuscript might have been penned by Shakespeare.

Computing is a profoundly empowering technology. The computing industry

. I

continues to grow, with more jobs available today than at the height of the internet

boom of the 1990s. But the advances we have seen up to now are small compared to

,..

what we will experience in this century. Those of you who are students today will

.,.,

soon inherit the responsibility of guiding that progress. No matter what field you

,,

choose, understanding how to use computing effectively will be of enormous value.

Like most skills that are worth knowing, learning how computers work and how

to control their enormous power takes time. You will not understand it all at once.

You must start somewhere. Twenty-five centuries ago, the Chinese philosopher

J a I the Chinese philosopher

Lao-tin observed that the longest journey begins with a single step. This book can

be Vour beZinning.

y our beginning.

For many of Von, however, the first step can be the hardest to take. Many

J J

students find computers overwhelming and imagine that computer science is beyond

their reach. LearninZ the basics of Drogramming, however, does not require

b programming, however, does not require

1'

advanced mathematics or a detailed understanding of electronics. What matters in

5

..'

programming is whether you can progress from the statement of a problem to its

,.

solution. To do so, you must be able to think logically. You must have the necessary

discipline to express your logic in a form that the computer can understand. Perhaps

I

most impoftantly, you must be able to see the task through to its completion without

.

getting discouraged by difficulties and setbacks. If you stick with the process, you

., 1,.,

will discover that reaching the solution is so exhilaratinZ that it more than makes UD

& [he solution is so exhilarating that it more than makes up

for anV frustrations you encounter along the way.

y trustrations you encounter along the way.

I wish Von a pleasant tourney along that road.

J pleasant journey along that road.

Eric Roberts

Qtonford Universit\l

atanford University

.

JanuarV 2007

y

.

IV

ac the instructor

This text is intended for use in the first programming course in a typical college or

..

university curriculum. It covers the material in a traditional CSI course, as defined

J, as defined

in the Curriculum '78 report prepared by the Association for Computing Machinery

(ACM). It also includes the full set of topics specified for the CS 10ic or CS 1 1 ic

courses in the computer science volume of the more recent Computing Curriculum

2001 report.

The Art and Science o[Java uses a similar approach to that of my 1995 textbook,

u Java uses a similar approach to that of my 1995 textbook,

The Art and Science of C. Each of these texts uses libraries to make programming

less complex and consequently more accessible to the novice. In the C-based

..

version, those libraries proved to be extremely successful with students, not only at

Stanford, but at many other institutions as well. This book uses the ACM Java

Libraries to achieve the same goals.

In the Vears since its initial release in 1995, the Java programming language has

;, the Java programming language has

become increasingly imDoftant as an instructional languaZe, to the point that it is

.iy important as an instructional language, to the point that it is

now something of a standard in introductory computing courses. On the positive

side, Java offers many advantages over earlier teaching languages, primarily by

making it possible for students to write highly interactive programs that capture

& it possible for students to write highly interactive programs that capture

their interest and imagination. At the same time, Java is far more sophisticated than

languages that have traditionally filled the role of teaching languages, such as

BASIC and Pascal. The complexity that accompanies Java's sophistication can be a

.. n.

significant barrier to both teachers and students as they try to understand the

structure of the language.

To address the problems that introductory instructors encountered using Java, in

2004 the ACM established the Java Task Force and gave it the following charge:

To review the Java language, APIs, and tools from the perspective of

introductory computing education and to develop a stable collection of

pedagogical resources that will make it easier to teach Java to first-year

computing students without having those students overwhelmed by its

complexity.

Over the next two years, the Java Task Force develODed a new set of libraries

J. pod a new set of libraries

..

intended to support the use of Java at the introductory level. After releasing two

pport the use of Java at the introductory level. After releasing two

preliminary drafts to obtain community feedback, the Java Task Force published its

final report in the summer of 2006. The ACM Java Libraries described in that

report are available on the following web site:

http: //j if. am. org/

In addition to the ACM Java Libraries themselves, the web site contains a large

collection of demo programs, a tutorial guide, an extensive discussion of the

rationale behind the design of the various packages, and an executive summary that

identifies the following as the greatest strengths of the libraries. The ACM Java

Libraries provide

provide

v

. A simDle obiect-oriented model for programs. The Program class dehned in

pie object-oriented modelfor programs. The Program class dehned in

the acm.program package offers an easy-to-use model for writing simple

x,,..

programs. In addition to hiding the static main method, the Program class

and its standard subclasses provide a highly intuitive example of

object.

onented class hierarchies.

. 4 model for innut and outnut that treats traditional console I/O and dialog

A model for inDUt and outDut that treats traditional console I/O and dialog

J put and output that treats traditional console I/O and dialog

I/O svmmetricallv. The acm. ic package defines the classes IOConsole and

ymmetrically. The acm. ic package defines the classes IOConsole and

IODialog that share a common interface for all input/output operations. This

design addresses Java's lack of a simple input mechanism in a way that

I.

emphasizes the value of interface-based design.

. In extensive librarl) of graphical objects. The acm.graphics package

An extensive library of graphical objects. The acm.graphics package

.,.

implements a simple but extremely powerful model for creating graphical

piements a simple but extremely powerful model for creating graphical

..

pictures based on the metaphor of a felt board in which students construct

,.

graphical objects of various types and place them on a canvas. This design

,.

emphasizes the use of objects and frees the student from having to respond

,...

explicitly to repaint requests.

.' minimal set of new classes to sunoort develonment of oraohical user

A minimal set of new classes to suDDort develoDment of graphical user

J new classes to suPPort development Of graphical user

.

interfaces. The acm. gut package includes a small set of classes to bring

J cul package includes a small set of classes to bring

Java's extensive GUI-development resources within the reach of novice

programmers.

. Backward comDatibility [or aPPlets. Unlike most Java code today, programs

patibilityfor aPPlets. Unlike most Java code today, programs

developed using the ACM Java Libraries can typically be executed as applets

pod using the ACM Java Libraries can typically be executed as applets

1,,, m'.

even on older web browsers. This flexibility makes these libraries an ideal

J makes these libraries an ideal

foundation for web-based teaching tools and lecture demonstrations.

Given the enormous number of classes and methods that are available in Java's

,.,... I

own libraries, it is inevitable that a book of this sort will leave out some particular

feature of Java. It is impossible to cover everything and still produce a book that is

.,,

accessible to the average student. In terms of the choice of topics, this book seeks

to offer a coherent presentation that teaches the fundamentals of computer science

rather than to cover everVthing there is to know about Java. In many ways, the

J & Lhere is to know about Java. In many ways, the

.'...

guiding principle for the choice of topics in this book comes' from the following

observation from Antoine de Saint-Exupery in his 1942 memoirs Pilote de Guerre

(later quoted by Tony Hoars in his 1980 Turing Award lecture).

Perfection is attained, not when there is nothing left to add, but when

there is nothing left to take away.

While this book certainlV makes no claims to perfection, it would probably have

y makes no claims to perfection, it would probably have

been better to leave more topics out than to put more topics in.

Although the book covers topics in an order that has proven successful here at

cranford, you may want to vary the order of presentation to suit your audience and

otanford, you may want to vary the order of presentation to suit your audience and

the goals of your course. The following notes provide an overview of the chapters

,.,

and indicate some of the more important dependencies.

Chapter I traces the history of computing and describes the programming

al,

process. rhe chapter requires no programming per sc but provides the contextual

background for the rest of the text.

.

yi

I have designed Chapter 2 for students with little or no computing background.

This chapter is conceptual in its approach and focuses on developing a holistic

.

understanding of object-oriented programming rather than on the details of the Java

& sect-oriented programming rather than on the details of the Java

language. When new students are faced with detailed rules of syntax and structure,

they concentrate on learning the rules instead of the underlying concepts, which are

vastlV more important at this stage. If your students already know some

y more important at this stage. If your students already know some

.',,.,,

programming, you can probably move quickly through this material.

Chapters 3, 4, and 5 offer relatively traditional introductions to expressions,

.

statements, and methods so that students understand these basic concepts.

Chapters 6 and 7 then go on to introduce the fundamentals of objects and classes.

'

Chapter 6 provides the high-level view, focusing on how to use objects and classes

'

rather than on their underlVinZ structure. ChaDter 7 then turns to the low-level

ding structure. Chapter 7 then turns to the low-level

details involved of how obiects are represented in memorV' Although Chapter 7 is

Jects are represented in memory. Although Chapter 7 is

not absolutelV required, students who can Dicture the internal structure of an obiect

y required, students who can picture the internal structure of an object

are much more likelV to understand the essential conceDt of a reference.

y to understand the essential concept of a reference.

The next three chapters introduce particular classes from either Java's standard

libraries or the ACM packages. Chapter & covers the String class, which is

presumably an important topic in any introductory course. Chapter 9 describes the

acm. graphics package in detail, which makes it possible for students to write far

..

more exciting DroZrams. Pafts of the acm. qraDhics package are included in earlier

b programs. Parts of the acm. graphics package are included in earlier

chapters, and it is certainly possible to cover only some of the topics in Chapter 9.

Chapter 10 offers a similar overview of event-driven programming. The first

.

several sections in Chapter 10 focus on mouse and keyboard events; the remaining

'

.

sections provide an introduction to graphical user interfaces (GUIs) and the standard

.,

interactor classes from j avax. swing. This second part of the chapter is valuable if

you want to have students design GUI-based programs, but it is not necessary to

understand subsequent chapters.

Chapters 11 and 12 address the idea of arrays, but do so from different

'

perspectives. Chapter I I introduces both the built-in array type and the ArrayList

utility class from the i ava. util package. Both of these topics seem essential to

J J ava. util package. Both of these topics seem essential to

any Java-based introductory course. Chapter 12 focuses on algorithms for searching

and sorting arrays. The chapter also includes a brief discussion of computational

complexity that will help students understand the importance of algorithmic design.

'

Chapter 13 describes the Java Collections Framework, which is perhaps more

.

often presented in a second programming course. However, because Java takes care

of so manV of the underlVing details, it is actually quite reasonable to teach

y of the underlying details, it is actually quite reasonable to teach

.

introductory students how to use these classes, even if they can't understand their

; .indents how to use these classes, even if they can't understand their

.,.

implementation. The only essential class from the Java Collections Framework is

ArrayList, which has already appeared in Chapter I 1.

Chapter 14 includes four important topics that sometimes appear in a first

'

..

programming course: recursion, concurrency, networking, and programming

patterns. At Stanford, which is on the quafter system, we teach these topics in the

second course. If Von decide to teach recursion in the first course, I strongly

.

recommend that von do so earlV enouZh to allow students time to assimilate the

J y enough to allow students time to assimilate the

material. One possibility is to discuss recursive functions immediately after Chapter

.

5 and recursive algorithms at the end of Chapter 12.

..

viI

SuDDlemental Resources

PPlemental Resources

For stUdentS

The followinZ items are available to all readers of this book at the Addison-Wesley

& items are available to all readers of this book at the Addison-Wesley

j

,.

web site (http: //~. aw. coo/cssupport/)f

. Source code files for each examDle program in the book

pie program in the book

~, 1, n

. Full-color PDF versions of sample runs

pie runs

pie runs

. Answers to review questions

Answers to review questions

For instructors

The following items are available to oualified instructors from Addison-Wesley's

o items are available to qualified instructors from Addison-Wesley's

J O

Instructor Resource Center (http: //~. aw. corn/irc/);

. Source code files for each examDle program in the book

pie program in the book

~, 1, n

. Full-color PDF versions of samDle runs

' .pie runs

. Answers to review ql,postions

Answers to review questions

. Solutions to DroZramminq exercises

programming exercises

. ADDlet-based lecture slides that include animations of the p 1

Applet-based lecture slides that include animations of the proZram examDles

program examples

For adopters of the ACM Java Libraries

The Association for Computing Machinery maintains an extensive web site on the

puting Machinery maintains an extensive web site on the

ACM Java Libraries developed by the Java Task Force (http: //jtf. am/).

pod by the Java Task Force (http: //jtf. am/).

That site includes the following resourcest

o

. An executive summary outlining the purpose of the ACM Java Libraries

An executive summary outlining the purpose of the ACM Java Libraries

y outlining the purpose of the ACM Java Libraries

n

. Downloadable copies of ACM libraries in both source and comD=l 1 6

Downloadable copies of ACM libraries in both source and compiled form

piled form

. An extensive demo Zqll. l', liar I c

an extensive demo gallery including source code for the examples

. A n introductory 'tutorial to using the ACM libraries

An Introductory 'tutorial to using the ACM libraries

J tutorial to using the ACM libraries

. A comDr hensive discussion of the rationale behind the dest

, L comDrehensive discussion of the rationale behind the design

prehensive discussion of the rationale behind the design

...

VIII

Acknowledgments

Writing a textbook is never the work of a single individual. In putting this book

& a textbook is never the work of a single individual. In putting this book

together, I have been extremely fortunate to have the help of many talented and

dedicated people. I particularlV want to thank mV colleagues on the ACM Java Task

people. I particularly want to thank my colleagues on the ACM Java Task

Force--Kim Bruce, James H. Cross II, Robb Cutier, Scott Grissom, Karl Klee,

Susan Rodger, Fran Trees, Ian Utting, and Frank Yellin--for their hard work on the

..

project, as well as the National Science Foundation, the ACM Education Board, and

the SIGCSE Special Projects Fund for their financial support. I also want to thank

everyone who reSDOnded to the Java Task Force's call for proposals in 2004: Alvce

J ponded to the Java Task Force's call for proposals in 2004: Alyce

BradV, Kim Bruce, Pain Cutter, Ken Lambeft, Robely McCartney, Dave Musicant,

J, Kim Bruce, Pain Cutter, Ken Lambeft, Robely McCartney, Dave Musicant,

Martin Osborne, Nick Parlante, Viera Proulx, Richard Rasala, Juris Reinfelds, Dean

Sanders, Kathryn Sanders, Ruth Ungar, and Andries van Dam. As the design

document for the Java Task Force makes clear, these suggestions were of enormous

value even if the task force did not adopt the designs in their original form.

Here at Stanford, thanks are due to many people. In many ways, the people who

have shaped the book as much as anyone have been my students, who have had to

'

learn the material from a series of preliminary drafts over the last year and a half.

For one thing, the students in Stanford's introductory course have certainly risen to

the challenge of using a new approach to the material and have demonstrated

beyond my expectations how much students can accomplish using the ACM Java

Libraries. For another, my students have proven to be vigilant readers of the

., n

various drafts, never hesitating to point out opportunities for improvement. I also

want to thank the entire team of undergraduate teaching assistants, who have had to

explain to students all the concepts I left out of the earlier versions.

I want to exDress mV gratitude to my editor, Michael Hirsch, and the other

press my gratitude to my editor, Michael Hirsch, and the other

Inembers of the team at Addison-Weslev for their support on this book as well as its

J tor their support on this book as well as its

predecessor.

As alwaVs, the greatest thanks are due to my wife Lauren Rusk, who has again

y >, the greatest thanks are due to my wife Lauren Rusk, who has again

worked her magic as my developmental editor. Lauren's expertise has added

considerable claritV and polish to the text. As I said in the Dreface to my 1995 book,

y and polish to the text. As I said in the preface to my 1995 book,

without her, nothing would ever come out as well as it should.

本文标签： 导论计算机科学语言科学艺术