HW0 Java速成班
HW目标
在这个作业中，我们将介绍基本的Java语法概念。虽然这个作业是可选的，您不需要提交答案，但对于没有Java经验的人来说，强烈建议完成。讲座不会明确涵盖这些材料，但是您应该理解它们。
本教程假定您具有至少一门编程语言的重要（一个学期）经验，并且仅旨在突出Java执行某些以前熟悉的操作的方式。
虽然我希望这个文档对于好奇和自我激励的学生来说足够自成体系，但是当提供建议的补充阅读时，您可能会发现它很有帮助。
随意浏览和以您感到舒适的任何速度阅读。可以跳过这个作业的某些部分。请用您最好的判断力。指示可能比必要的更冗长。
一个基础程序
在实验1中，我们将学习如何在计算机上运行Java代码。由于实验1尚未开始，因此我们将仅在此作业中使用基于浏览器的Java编译器。请前往此链接
您将看到您的第一个Java程序。这里有很多奇怪的东西，比如public class和public static void main（String [] args）。我们稍后会更详细地讨论它们，但是对于这个作业，您应该忽略所有这些神秘的垃圾。
单击“Forward>”链接两次。一旦执行int x = 5这一行，您将看到一个x出现在右侧的蓝色框中，其值为5。也许不出所料，这个语句将值5分配给变量x。
与其他编程语言（如Python、Scheme和MATLAB）不同，Java变量具有静态类型。我是说x只能存储整数。如果您尝试将数字5.3放入其中，代码将失败。
与这些其他语言不同，Java中的每个语句都必须后跟分号。分号非常重要，因为它告诉Java一个语句在哪里结束，另一个语句开始。
再次单击前进，您将看到x的值已更改为6。再单击一次前进，您将看到x在下面的程序输出框中使用相当冗长的命令名称System.out.println打印。是的，这确实是您在Java中打印的方式。相信我，它会变得更冗长。
通常，当您编写Java程序时，您将无法看到程序的内部（即没有列出所有变量的蓝色框）。但是，这个可视化工具是一种教学工具，可以使这种大脑扫描成为可能。
单击前进，直到程序完成执行。一切都应该表现得更或多或少像您预期的那样。如果有什么让您感到惊讶的事情，请在课程Piazza页面上发布HW0线程。
可选：尝试编辑代码并再次运行它。进行实验并查看在调整程序时会发生什么。如果您有有趣的观察结果或任何问题，请在Piazza上发布它们。也许尝试分配一个实数（例如3.3）并查看会发生什么（我保证您的计算机不会爆炸）。
条件
可选补充阅读: Shewchuk
基础条件
请打开这个程序:
public class ClassNameHere {
public static void main(String[] args) {
int x = 5;
if (x < 10)
x = x + 10;
if (x < 10)
x = x + 10;
System.out.println(x);
}
}
向前迈一步，直到程序完成并观察程序的流程。在Java中，if语句会检查您放在括号内的条件，如果结果为true（如果满足条件），则执行下面的下一条语句。
花括号（和条件语句）
在Java中，我们也可以针对单个条件执行多个语句。我们通过将语句放在花括号中来实现这一点，如下所示：
public class ConditionalsWithBlocks {
public static void main(String[] args) {
int x = 5;
if (x < 10) {
System.out.println("I shall increment x by 10.");
x = x + 10;
}
if (x < 10) {
System.out.println("I shall increment x by 10.");
x = x + 10;
}
System.out.println(x);
}
}
花括号在Java中非常重要！与Python不同，语句是由花括号而不是缩进分组的。如果您想知道这会出现什么问题，请尝试运行以下程序（或使用此链接），该程序应该打印x的绝对值。然后将x的值更改为正数。运行它并确保您理解为什么会出现问题。
public class PrintAbsoluteValue {
public static void main(String[] args) {
int x = -5;
if (x < 0)
System.out.println("I should negate X");
x = -x;
System.out.println(x);
}
}
与Python不同，大多数空格（包括缩进）都与程序的功能无关。实际上，您可以用单个空格替换整个程序中的每个空格（给定分号是语句之间的分隔符），但这是一个可怕的想法，如果您编写以下有效的Java程序，我们会非常难过：
public class ClassNameHere { public static void main(String[] args) { int x = 5; if (x < 10) { System.out.println("I shall increment x by 10."); x = x + 10; } if (x < 10) { System.out.println("I shall increment x by 10."); x = x + 10; } System.out.println(x); } }
花括号的规范
花括号有两种常见的样式：
if (x > 5) { if (x > 5)
x = x + 5; {
} x = x + 5;
}
哪种样式是“正确”的有点争议。在61B中，这两种样式都可以使用。请注意，在此示例中，我们将花括号包装在单个语句周围，这在Java中并不是必需的。在61B中，我们将始终使用花括号，即使我们只有一个语句要执行。这是为了避免错误。不要过于担心这些小细节，如果您做了不恰当的事情，自动样式检查器会警告您。
有关缩进样式的更多信息，请参见此维基页面。
Else
else关键字允许您指定如果条件的结果为false（如果条件未满足）应该发生的行为。例如，以下程序（或此程序）：
int x = 9;
if (x - 3 > 8) {
System.out.println("x - 3 is greater than 8");
} else {
System.out.println("x - 3 is not greater than 8");
}
我们还可以链接else语句，例如以下程序（或此程序）：
int dogSize = 20;
if (dogSize >= 50) {
System.out.println("woof!");
} else if (dogSize >= 10) {
System.out.println("bark!");
} else {
System.out.println("yip!");
}
请注意，在上面的代码中，我使用了>=，它表示大于或等于。
While
可选补充阅读：Shewchuk
while关键字允许您在某些条件为true时重复执行一段代码块。例如，以下程序（或此程序）：
尝试运行此程序，并观察会发生什么。请注意，一旦花括号内的代码完成，我们就会直接返回while条件。可选地，进行一些实验：尝试查看如果将bottles设置为-4会发生什么。还可以尝试查看如果删除bottles = bottles - 1;这一行会发生什么。
重要提示：您应该将程序视为按顺序逐行运行。如果条件在循环中间变为false，则代码不会简单地停止。因此，例如下面的代码（也在此处）将打印“-312瓶啤酒在墙上。”即使-312不大于0。
Doubles and Strings
在上面的例子中，我们的所有变量都是int类型。在Java中，有许多其他类型可供使用。其中两个示例是double和String。double存储实数的近似值，而String存储字符的字符串。以下程序（也在此处）模拟了阿喀琉斯和乌龟之间的比赛。阿喀琉斯的速度是乌龟的两倍，因此应该超过乌龟（乌龟有100个距离单位的领先优势）。
String a = "Achilles";
String t = "Tortoise";
double aPos = 0;
double tPos = 100;
double aSpeed = 20;
double tSpeed = 10;
double totalTime = 0;
while (aPos < tPos) {
System.out.println("At time: " + totalTime);
System.out.println(" " + a + " is at position " + aPos);
System.out.println(" " + t + " is at position " + tPos);
double timeToReach = (tPos - aPos) / aSpeed;
totalTime = totalTime + timeToReach;
aPos = aPos + timeToReach * aSpeed;
tPos = tPos + timeToReach * tSpeed;
}
创意练习1a：绘制三角形
终于有机会自己做点什么了。
您的目标是创建一个程序，打印以下图形。您的代码应该使用循环（即不应该只有五个打印语句，那样不好玩）。
您可以从头编写程序，也可以从此链接中复制和粘贴代码行。您可能会发现System.out.print是System.out.println的有用替代品。它们的区别在于System.out.print不包括自动换行符。
如果您选择复制和粘贴路线，请注意，行可以使用一次、多次或根本不使用。
运行代码并通过眼睛比较它与上面的程序是否正确。在下周的实验和作业中，我们将讨论更复杂的验证程序正确性的方法。
将代码保存在某个地方（例如通过电子邮件将其发送给自己），因为您很快将需要它。
定义结构体(又名方法)
以下四个代码片段在Python、MATLAB、Scheme和Java中都是等价的。每个函数定义了一个返回两个值中的最大值的函数，并打印5和15的最大值。
Python
def max(x, y):
if (x > y):
return x
return y
print(max(5, 15))
MATLAB
function m = max(x, y)
if (x > y)
m = x
else
m = y
end
end
disp(max(5, 15))
Scheme
(define max (lambda (x y) (if (> x y) x y)))
(display (max 5 15)) (newline)
Java
public static int max(int x, int y) {
if (x > y) {
return x;
}
return y;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(max(10, 15));
}
(程序链接 1)
在Java中，函数（方法）与变量一样，有特定的返回类型。max函数的返回类型为int（在函数名称之前的“int”表示）。此外，在Java中，函数称为方法，因此我将从此刻开始永远这样称呼它们。
我们将整个字符串public static int max(int x, int y)称为方法的签名，因为它列出了参数、返回类型、名称和任何修饰符。在这里，我们的修饰符是public和static，但是我们要等到几天后才能学习这些的含义。
对于本次作业，所有方法都将在其签名前面带有“public static”。现在请接受这一点。我们将在周五的讲座上进一步讨论这个问题。
创意练习1b：DrawTriangle
从我们的Java可视化器的默认程序开始（也可以在此处找到），创建一个具有一个附加方法的程序（除了打开可视化器时默认的main方法之外）。
将此新方法命名为drawTriangle，并将其返回类型设置为void（这意味着它根本不返回任何内容）。
drawTriangle方法应该带有一个名为N的参数，并打印出与练习1a中的三角形完全相同的三角形，但高度为N个星号，而不是5个星号。
编写DrawTriangle后，修改main函数，以N = 10调用DrawTriangle。
根据您的编程背景，您可能会发现这个任务非常具有挑战性。我们鼓励您与他人合作或在Piazza上发布。如果您只是困惑于从哪里开始，请参考此程序（也可以在此处找到），其中已经定义了DrawTriangle（但未实现详细信息）。
数组
补充阅读: Shewchuk
本次作业的最后一个新语法项是数组。数组类似于Scheme中的向量、Python中的列表和MATLAB中的数组。
以下四个程序在Python、MATLAB、Scheme和Java中声明了一个由整数4、7和10组成的新数组，然后打印出7。
Python
numbers = [4, 7, 10]
print(numbers[1])
MATLAB
numbers = [4 7 10]
disp(numbers(2))
Scheme
(define numbers #(4 7 10))
(display (vector-ref numbers 1)) (newline)
Java
int[] numbers = new int[3];
numbers[0] = 4;
numbers[1] = 7;
numbers[2] = 10;
System.out.println(numbers[1]);
或者用另一种(但不太通用的)简写:
Alternate Java
int[] numbers = new int[]{4, 7, 10};
System.out.println(numbers[1]);
你可以用.length方法获取数组长度，举个例子，下面的程序将显示3
int[] numbers = new int[]{4, 7, 10};
System.out.println(numbers.length);
Exercise 2
利用本次作业中所学的所有知识，现在您将创建一个签名为public static int max(int[] m)的函数，该函数返回int数组的最大值。您可以假设所有数字都大于或等于零。
修改下面的代码（也可以在此处找到），使其max方法按描述的方式工作。此外，修改main函数，以在给定数组上调用max方法并打印出其最大值（在本例中，应该打印22）。
For循环
考虑下面的函数，它对数组的元素求和。
public class ClassNameHere {
/** Uses a while loop to sum a. */
public static int whileSum(int[] a) {
int i = 0; //initialization
int sum = 0;
while (i < a.length) { //termination
sum = sum + a[i];
i = i + 1; //increment
}
return sum;
}
}
20世纪50年代的程序员们观察到，初始化变量，然后进行一个循环，该循环从检查终止条件开始，以增量操作结束，这种代码非常常见。因此，for循环应运而生。
下面的sum函数使用基本的for循环来完成与whileSum函数完全相同的工作。
public class ClassNameHere {
/** Uses a basic for loop to sum a. */
public static int sum(int[] a) {
int sum = 0;
for (int i = 0; i < a.length; i = i + 1) {
sum = sum + a[i];
}
return sum;
}
}
在Java中，for关键字具有以下语法：
for (initialization; termination; increment) {
statement(s)
}
初始化、终止和增量必须以分号分隔。这三个中的每一个都可以包含多个逗号分隔的语句，例如：
for (int i = 0, j = 10; i < j; i += 1) {
System.out.println(i + j);
}
逗号分隔的for循环应该谨慎使用。
练习3
重写练习2的解决方案，使其使用for循环。使用您的原始解决方案作为起始代码，或者如果您丢失了它，您可以使用这个)。
public class ClassNameHere {
/** Returns the maximum value from m using a for loop. */
public static int forMax(int[] m) {
return 0;
}
public static void main(String[] args) {
int[] numbers = new int[]{9, 2, 15, 2, 22, 10, 6};
}
}
跳出和继续
偶尔，您可能会发现使用break或continue关键字很有用。continue语句跳过当前循环迭代的其余部分，有效地直接跳到增量条件。
例如，下面的代码将从数组中打印每个字符串三次，但跳过任何包含“horse”的字符串。您可以在此链接上尝试它。
public class ContinueDemo {
public static void main(String[] args) {
String[] a = {"cat", "dog", "laser horse", "ketchup", "horse", "horbse"};
for (int i = 0; i < a.length; i += 1) {
if (a[i].contains("horse")) {
continue;
}
for (int j = 0; j < 3; j += 1) {
System.out.println(a[i]);
}
}
}
}
相比之下，break关键字在调用时完全终止最内层的循环。例如，下面的代码将从数组中打印每个字符串三次，除了包含horse的字符串只打印一次。您可以在此链接上尝试它。
public class BreakDemo {
public static void main(String[] args) {
String[] a = {"cat", "dog", "laser horse", "ketchup", "horse", "horbse"};
for (int i = 0; i < a.length; i += 1) {
for (int j = 0; j < 3; j += 1) {
System.out.println(a[i]);
if (a[i].contains("horse")) {
break;
}
}
}
}
}
break和continue也适用于while循环和do-while循环。如果您对do-while循环感到好奇，请参阅官方Java循环教程。
练习4
这是一个特别具有挑战性的练习，但强烈推荐。
编写一个函数windowPosSum(int[] a, int n)，它将每个元素a[i]替换为a[i]到a[i + n]的总和，但仅当a[i]为正值时。如果由于到达数组结尾而没有足够的值，则只计算我们拥有的值。
例如，假设我们使用数组a = {1, 2, -3, 4, 5, 4}和n = 3调用windowPosSum。在这种情况下，我们将：
- 将a[0]替换为a[0] + a[1] + a[2] + a[3]。
- 将a[1]替换为a[1] + a[2] + a[3] + a[4]。
- 不对a[2]进行任何操作，因为它是负数。
- 将a[3]替换为a[3] + a[4] + a[5]。
- 将a[4]替换为a[4] + a[5]。
- 不对a[5]进行任何操作，因为a[5]后面没有值。
- 因此，在调用windowPosSum之后，结果将是{4, 8, -3, 13, 9, 4}。
另一个例子，如果我们使用数组a = {1, -1, -1, 10, 5, -1}和n = 2调用windowPosSum，则会得到{-1, -1, -1, 14, 4, -1}。
public class BreakContinue {
public static void windowPosSum(int[] a, int n) {
/** your code here */
}
public static void main(String[] args) {
int[] a = {1, 2, -3, 4, 5, 4};
int n = 3;
windowPosSum(a, n);
// Should print 4, 8, -3, 13, 9, 4
System.out.println(java.util.Arrays.toString(a));
}
}
起始代码可在此链接上获得。
提示1：使用两个for循环。
提示2：使用continue跳过负值。
提示3：使用break避免超过数组末尾。
增强for循环
Java还支持使用“增强型for循环”迭代数组。基本思想是，在许多情况下，我们实际上根本不关心索引。在这种情况下，我们使用一个特殊的语法，其中包含一个冒号，避免创建索引变量。
例如，在下面的代码中，我们与上面的BreakDemo完全相同。但是，在这种情况下，我们不创建索引i。相反，字符串s从a[0]开始，一直到a[a.length-1]，每次都扮演a中每个字符串的身份。您可以在此链接上尝试此代码。
public class EnhancedForBreakDemo {
public static void main(String[] args) {
String[] a = {"cat", "dog", "laser horse", "ketchup", "horse", "horbse"};
for (String s : a) {
for (int j = 0; j < 3; j += 1) {
System.out.println(s);
if (s.contains("horse")) {
break;
}
}
}
}
}