Java Handout · ⁨Anotação Java⁩

Todo programa Java vive dentro de uma classe. Começa em um método chamado main. System.out.println(...) imprime uma linha; System.out.print(...) imprime sem nova linha.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, world!");
        System.out.println("I am learning Java.");
    }
}

• Java é compilado 编译: o compiler 编译器 verifica todo o programa, depois ele roda.
• Toda statement 语句 termina com ponto e vírgula ; ;.

Uma variável 变量 deve declarar 声明 seu tipo. Tipos primitivos comuns 基本类型: int (número inteiro), double (decimal), boolean (true/false), char (uma letra).

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int age = 17;
        double price = 9.99;
        boolean passed = true;
        System.out.println(age + " " + price + " " + passed);
    }
}

Um comentário 注释 é // (uma linha) ou /* ... */ (um bloco). Indente o código dentro das chaves { }. Os nomes das classes começam com Maiúscula; as variáveis e métodos usam camelCase 驼峰命名 (primeira letra em minúscula).

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // greet the user
        String firstName = "Mei";
        System.out.println("Hi, " + firstName);
    }
}

Erros comuns

• Toda statement termina com ponto e vírgula ; ;.
• main deve ser exatamente public static void main(String[] args).
• println adiciona uma nova linha; print não.

A aritmética Java 算术 usa + - * / e % (resto). Com dois ints, / é divisão inteira 整数除法 — ela descarta o decimal. +=, -= e ++ são atalhos.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 7, b = 2;
        System.out.println(a / b);    // 3 (integer division)
        System.out.println(a % b);    // 1
        double x = 7.0 / 2;           // 3.5 (one side is double)
        System.out.println(x);
    }
}

Alguns valores são objetos 对象 com métodos. String tem .length(), .substring(), .toUpperCase(). Math tem Math.max, Math.sqrt, Math.pow. Classes wrapper 包装类 (Integer, Double) encapsulam um primitivo — por exemplo, Integer.parseInt("42").

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "Hello";
        System.out.println(s.length());                  // 5
        System.out.println(s.toUpperCase());             // HELLO
        System.out.println(Math.max(3, 9));              // 9
        System.out.println(Integer.parseInt("42") + 1);  // 43
    }
}

Math.random() retorna um número aleatório 随机 double de 0.0 até (mas não incluindo) 1.0. Escalonar e converter para obter números inteiros — esta é a expressão idiomática do AP:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // a random whole number from 1 to 6 (a dice roll)
        int roll = (int) (Math.random() * 6) + 1;
        System.out.println(roll >= 1 && roll <= 6);   // true
    }
}

• Integer.MAX_VALUE (2147483647) e Integer.MIN_VALUE são os limites de int; passar deles faz o valor voltar ao início (estouro).
• Uma variável de objeto que aponta para nenhum objeto contém null; chamar um método nela lança um NullPointerException.

Uma conversão de tipo 强制转换 muda o tipo de um valor. (int) descarta o decimal; (double) evita a divisão inteira quando você precisa de um resultado exato.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        double pi = 3.99;
        System.out.println((int) pi);            // 3
        int total = 7, n = 2;
        System.out.println((double) total / n);  // 3.5
    }
}

Erros comuns

• Divisão inteira: 5 / 2 é 2, não 2.5. Converta primeiro: (double) 5 / 2.
• Compare Strings (e outros objetos) com .equals(), não ==.
• == em dois objetos testa se eles são o MESMO objeto, não se parecem iguais.

if executa um bloco quando uma condição 条件 é verdadeira; else if e else adicionam mais casos. A condição vai em ( ), o bloco em { }.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int score = 72;
        if (score >= 80) {
            System.out.println("A");
        } else if (score >= 60) {
            System.out.println("B");
        } else {
            System.out.println("fail");
        }
    }
}

*if escolhe o ramo verdadeiro; else o ramo falso

Compare com ==, !=, <, >, <=, >= — uma comparação 比较 resulta em um valor booleano boolean. Combine com && (e), || (ou), ! (não) — os operadores lógicos 逻辑运算符. Para Strings, use .equals(...), não ==.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int age = 16;
        boolean member = true;
        System.out.println(age >= 18 && member);   // false
        String a = "hi";
        System.out.println(a.equals("hi"));        // true
    }
}

switch escolhe entre muitos valores fixos. Cada case termina com break; default é o caso padrão (fallback).

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int day = 3;
        switch (day) {
            case 1: System.out.println("Mon"); break;
            case 3: System.out.println("Wed"); break;
            default: System.out.println("other");
        }
    }
}

Erros comuns

• Uma condição deve ser um valor booleano boolean; if (x = 5) não compila (use ==).
• Cada caso switch precisa de um break break;, caso contrário o controle cairá no próximo caso.
• && e || são operadores lógicos; & e | são bitwise.

Um loop while repete enquanto uma condição for verdadeira. Altere algo dentro, ou ele rodará para sempre.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 1;
        while (n <= 3) {
            System.out.println(n);
            n++;
        }
    }
}

Um loop for agrupa o início, a condição e o passo em uma única linha. Ideal quando você conhece a contagem.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
        System.out.println();   // 0 1 2 3 4
    }
}

O padrão acumulador 累加器: inicie uma variável antes do loop, depois atualize-a a cada iteração.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int total = 0;
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            total += i;
        }
        System.out.println(total);   // 15
    }
}

Um loop dentro de outro é um loop aninhado 嵌套循环. O loop interno roda completamente em cada iteração do externo.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        for (int r = 0; r < 3; r++) {
            for (int c = 0; c < 3; c++) {
                System.out.print("*");
            }
            System.out.println();
        }
    }
}

Erros comuns

• for (int i = 0; i < n; i++) executa n vezes (de 0 até n - 1); usar <= executa uma vez a mais.
• Não coloque ponto e vírgula logo após for (...) ou while (...) — isso cria um loop vazio.
• Declare o contador no cabeçalho do for para que seu escopo termine com o loop.

Uma String String 字符串 é texto. Métodos úteis: .length(), .charAt(i), .substring(a, b), .indexOf(x), .toUpperCase(), .equals(...). Strings são imutáveis 不可变 — cada método retorna uma nova String.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "Python";
        System.out.println(s.length());          // 6
        System.out.println(s.charAt(0));         // P
        System.out.println(s.substring(0, 3));   // Pyt
        System.out.println(s.toUpperCase());     // PYTHON
    }
}

Os métodos que você usará todos os dias:

compareTo coloca Strings em ordem dicionária — o exame AP usa isso para perguntas de ordenação:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "apple", b = "banana";
        System.out.println(a.compareTo(b) < 0);    // true (apple comes first)
        System.out.println(a.compareTo("apple"));  // 0 (equal)
    }
}

Junte strings com + (concatenação 拼接). Acesse cada caractere com um loop e .charAt(i).

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String word = "banana";
        int count = 0;
        for (int i = 0; i < word.length(); i++) {
            if (word.charAt(i) == 'a') count++;
        }
        System.out.println(count);   // 3
    }
}

Ao construir uma String longa em um loop, StringBuilder é muito mais rápido: append as peças, depois chame .toString() uma vez.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            sb.append(i).append(" ");
        }
        System.out.println(sb.toString().trim());   // 1 2 3 4 5
    }
}

Erros comuns

• Strings são imutáveis: s.toUpperCase() retorna uma nova String, então armazene o resultado.
• Leia um caractere com s.charAt(i); o comprimento é s.length() (um método, com ()).
• Construir uma String com += em um loop grande é lento; use um StringBuilder.

Um array 数组 guarda um número fixo de valores de um único tipo. Indexe de 0 e obtenha o tamanho com .length.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] scores = {88, 71, 95};
        System.out.println(scores[0]);       // 88
        System.out.println(scores.length);   // 3
        scores[1] = 100;
        System.out.println(scores[1]);       // 100
    }
}

Percorra o array com um loop para encontrar um máximo, um total, uma contagem ou para pesquisar 查找. Um loop for-each (for (int x : a)) lê cada valor por vez.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {3, 9, 2, 7};
        int max = a[0], total = 0;
        for (int x : a) {
            if (x > max) max = x;
            total += x;
        }
        System.out.println(max + " " + total);   // 9 21
    }
}

Um array 2-D 二维数组 é uma grade 网格 de linhas e colunas: grid[row][col].

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[][] grid = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
        System.out.println(grid[1][2]);   // 6
        for (int[] row : grid) {
            for (int v : row) System.out.print(v + " ");
        }
        System.out.println();             // 1 2 3 4 5 6
    }
}

Erros comuns

• O tamanho de um array é a.length (sem colchetes, sem ()), e é fixo na criação.
• Índices válidos são de 0 a a.length - 1; a[a.length] lança ArrayIndexOutOfBoundsException.
• Um novo int[5] é preenchido com zeros, não deixado vazio.

Um ArrayList ArrayList é uma lista de tamanho variável 可变大小 — ela cresce e encolhe conforme você adiciona ou remove itens. Ela armazena objetos, então use um tipo wrapper 包装类 como Integer (não int). A parte <Integer> é um tipo genérico 泛型. Métodos principais: .add(x), .get(i), .set(i, x), .size(), .remove(i).

import java.util.ArrayList;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> nums = new ArrayList<Integer>();
        nums.add(10);
        nums.add(20);
        nums.add(30);
        System.out.println(nums.size());   // 3
        System.out.println(nums.get(1));   // 20
        nums.set(0, 99);
        System.out.println(nums);          // [99, 20, 30]
    }
}

.remove(i) desloca 移动 cada elemento subsequente uma posição para a esquerda. Se você remover enquanto conta i para cima, pula o próximo elemento. Correção: faça o loop para trás, ou não incremente i após um remove.

import java.util.ArrayList;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> nums = new ArrayList<Integer>();
        for (int n : new int[]{4, 7, 4, 9, 4}) nums.add(n);
        // Remove every 4 — loop backwards so removals don't skip items.
        for (int i = nums.size() - 1; i >= 0; i--) {
            if (nums.get(i) == 4) nums.remove(i);
        }
        System.out.println(nums);   // [7, 9]
    }
}

Erros comuns

• ArrayList usa .size(), .get(i) e .add(...) — não o [] que você usa em arrays.
• Remover itens enquanto itera para frente por índice pula o próximo item (o bug do remove). Itere para trás, ou use um iterator.
• Armazene objetos, não primitivos: use ArrayList<Integer>, e Java auto-boxes int valores.

Uma classe 类 é um modelo para objetos. Seus campos 字段 armazenam dados, seu construtor 构造方法 configura um novo objeto, e seus métodos 方法 são as ações. this.name significa "o name deste objeto". Crie um objeto com new.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Dog d = new Dog("Rex", 3);
        System.out.println(d.describe());   // Rex is 3 years old
        d.haveBirthday();
        System.out.println(d.describe());   // Rex is 4 years old
    }
}

class Dog {
    private String name;
    private int age;

    public Dog(String name, int age) {   // constructor
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String describe() {
        return name + " is " + age + " years old";
    }

    public void haveBirthday() {
        age++;
    }
}

Um membro static pertence à classe em si, não a nenhum objeto específico. Chame um método estático pelo nome da classe — como Math.max — e um campo estático é compartilhado por todos os objetos:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Counter.made());   // 0
        new Counter();
        new Counter();
        System.out.println(Counter.made());   // 2
    }
}

class Counter {
    private static int count = 0;      // shared by ALL Counter objects

    public Counter() { count++; }

    public static int made() {         // called on the class: Counter.made()
        return count;
    }
}

Encapsulamento 封装 significa esconder dados atrás de métodos. Marque os campos private para que código externo não possa tocá-los diretamente; exponha um acessor 访问方法 (getter) para ler, e um método para alterá-los com segurança. O método pode proteger os dados — aqui um depósito deve ser positivo.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Account a = new Account(100);
        a.deposit(50);
        a.deposit(-999);                       // rejected by the guard
        System.out.println(a.getBalance());    // 150
    }
}

class Account {
    private int balance;                       // hidden from outside

    public Account(int start) {
        balance = start;
    }

    public void deposit(int amount) {
        if (amount > 0) balance += amount;     // guard keeps balance valid
    }

    public int getBalance() {                  // accessor (getter)
        return balance;
    }
}

Erros comuns

• Um construtor tem o nome da classe e nenhum tipo de retorno (nem sequer void).
• Use this.field para distinguir um campo de um parâmetro com o mesmo nome.
• Torne os campos private e acesse-os através de métodos getter/setter (encapsulamento).

Herança 继承 permite que uma subclasse 子类 reutilize uma superclasse 父类. Escreva class Cat extends Animal e Cat obtém os campos e métodos de Animal gratuitamente. Chame o construtor pai com super(...).

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Cat c = new Cat("Milo");
        c.eat();      // Milo is eating  (inherited from Animal)
        c.speak();    // Meow            (Cat's own method)
    }
}

class Animal {
    protected String name;
    public Animal(String name) { this.name = name; }
    public void eat() { System.out.println(name + " is eating"); }
}

class Cat extends Animal {
    public Cat(String name) { super(name); }     // call Animal's constructor
    public void speak() { System.out.println("Meow"); }
}

Uma subclasse pode sobrescrever 重写 um método para substituir a versão do pai. Polimorfismo 多态 significa que uma variável Shape pode conter qualquer subtipo, e Java escolhe o toString correto em tempo de execução. System.out.println(obj) chama obj.toString() automaticamente.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Shape[] shapes = { new Circle(2), new Square(3) };
        for (Shape s : shapes) {
            System.out.println(s);          // each calls its own toString
        }
    }
}

class Shape {
    public String toString() { return "a shape"; }
}

class Circle extends Shape {
    private int r;
    public Circle(int r) { this.r = r; }
    public String toString() { return "Circle r=" + r; }     // override
}

class Square extends Shape {
    private int side;
    public Square(int side) { this.side = side; }
    public String toString() { return "Square side=" + side; }   // override
}

Erros comuns

• Um método sobrescrito deve corresponder exatamente à assinatura; adicione @Override para que o compilador capture erros.
• super(...) deve ser a primeira linha de um construtor de subclasse.
• Um objeto de subclasse É-UM objeto de superclasse, mas não o contrário.

Recursão 递归 é um método que se chama a si mesmo. Toda recursão precisa de um caso base 基准情形 (quando parar) e uma chamada recursiva 递归调用 que se aproxime dele. Sem um caso base, nunca para e falha com stack overflow.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(factorial(5));   // 120
    }

    public static int factorial(int n) {
        if (n <= 1) return 1;            // base case
        return n * factorial(n - 1);     // recursive call: n * (n-1)!
    }
}

Rastreie: factorial(5) espera por factorial(4), que espera por factorial(3)… até factorial(1) retornar 1. Depois as respostas multiplicam de volta para cima: 1 → 2 → 6 → 24 → 120.

Recursão também funciona em Strings — remova um caractere por chamada:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(reverse("PYTHON"));   // NOHTYP
    }

    static String reverse(String s) {
        if (s.length() <= 1) return s;               // base case
        return reverse(s.substring(1)) + s.charAt(0);
    }
}

Merge sort 归并排序 é a ordenação recursiva no exame AP: divida o array pela metade, ordene cada metade recursivamente, depois combine 合并 as duas metades ordenadas. Ele roda em O(n log n) — muito mais rápido que as ordenações O(n²) em arrays grandes.

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {5, 2, 9, 1, 7, 3};
        mergeSort(a, 0, a.length - 1);
        System.out.println(Arrays.toString(a));   // [1, 2, 3, 5, 7, 9]
    }

    static void mergeSort(int[] a, int lo, int hi) {
        if (lo >= hi) return;                 // base case: one element
        int mid = (lo + hi) / 2;
        mergeSort(a, lo, mid);                // sort the left half
        mergeSort(a, mid + 1, hi);            // sort the right half
        merge(a, lo, mid, hi);                // merge the two halves
    }

    static void merge(int[] a, int lo, int mid, int hi) {
        int[] tmp = new int[hi - lo + 1];
        int i = lo, j = mid + 1, k = 0;
        while (i <= mid && j <= hi) {
            if (a[i] <= a[j]) tmp[k++] = a[i++];
            else              tmp[k++] = a[j++];
        }
        while (i <= mid) tmp[k++] = a[i++];
        while (j <= hi)  tmp[k++] = a[j++];
        for (k = 0; k < tmp.length; k++) a[lo + k] = tmp[k];
    }
}

Erros comuns

• A recursão precisa de um caso base, ou lança StackOverflowError.
• Cada chamada recursiva deve se mover PARA PERTO do caso base.
• Rastreie um pequeno exemplo manualmente para verificar se a recursão retorna o valor correto.
• No merge sort, o passo de combinação faz o trabalho real; a recursão apenas divide o array.

Busca linear 线性查找 verifica cada elemento — funciona em qualquer array. Busca binária 二分查找 é muito mais rápida, mas precisa de um array ordenado 已排序: olha para o meio, depois descarta metade a cada passo. Ambas retornam o índice, ou -1 se não encontrado.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {2, 5, 8, 12, 16, 23};      // sorted, so binary search works
        System.out.println(linear(a, 12));    // 3
        System.out.println(binary(a, 12));    // 3
        System.out.println(binary(a, 9));     // -1 (not found)
    }

    static int linear(int[] a, int target) {
        for (int i = 0; i < a.length; i++)
            if (a[i] == target) return i;
        return -1;
    }

    static int binary(int[] a, int target) {
        int lo = 0, hi = a.length - 1;
        while (lo <= hi) {
            int mid = (lo + hi) / 2;
            if (a[mid] == target) return mid;
            else if (a[mid] < target) lo = mid + 1;
            else hi = mid - 1;
        }
        return -1;
    }
}

Ordenação por seleção 选择排序 encontra repetidamente o menor valor restante e o troca para a frente. Ordenação por inserção 插入排序 pega cada valor e o desliza para trás no lugar entre os valores já ordenados.

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {5, 2, 9, 1, 7};
        for (int i = 0; i < a.length - 1; i++) {
            int min = i;
            for (int j = i + 1; j < a.length; j++)
                if (a[j] < a[min]) min = j;
            int t = a[min]; a[min] = a[i]; a[i] = t;   // swap into place
        }
        System.out.println(Arrays.toString(a));   // [1, 2, 5, 7, 9]
    }
}

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a = {5, 2, 9, 1, 7};
        for (int i = 1; i < a.length; i++) {
            int key = a[i], j = i - 1;
            while (j >= 0 && a[j] > key) {    // shift bigger values right
                a[j + 1] = a[j];
                j--;
            }
            a[j + 1] = key;                  // drop key into the gap
        }
        System.out.println(Arrays.toString(a));   // [1, 2, 5, 7, 9]
    }
}

Como as velocidades se comparam:

Erros comuns

• A busca binária só funciona em um array ordenado.
• A busca linear é O(n); a busca binária é O(log n), mas precisa da ordenação primeiro.
• Seleção e inserção são O(n²) — claro para aprender, lento em grandes volumes de dados.

Um Scanner lê texto linha por linha. Para um arquivo real, escreva new Scanner(new File("scores.txt")); aqui envolvi um String para que o exemplo rode em qualquer lugar. Use .split(" ") para dividir 拆分 uma linha em partes e Integer.parseInt(...) para parsear 解析 um número do texto.

import java.util.Scanner;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Real file:  Scanner in = new Scanner(new File("scores.txt"));
        String data = "Alice 80\nBob 95\nCara 72";
        Scanner in = new Scanner(data);
        int total = 0, count = 0;
        while (in.hasNextLine()) {
            String line = in.nextLine();
            String[] parts = line.split(" ");      // break the line on the space
            total += Integer.parseInt(parts[1]);
            count++;
        }
        System.out.println("average = " + (total / count));   // average = 82
    }
}

O exame AP CS A tem quatro questões de resposta aberta 自由作答, cada uma com formato fixo:

• Q1 — Métodos e controle: escreva métodos segundo uma especificação dada; loops, if, String/Math.
• Q2 — Design de classe: escreva uma classe completa (campos, construtor, métodos) a partir de uma descrição.
• Q3 — Array / ArrayList: processe um array 1-D ou ArrayList (busca, contagem,=cria uma nova lista).
• Q4 — Array 2-D: percorra uma grade por linha e coluna.

A habilidade é sempre a mesma: leia a especificação, escreva o método exatamente como descrito, retorne o tipo correto.

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Q1 style: implement a method to a spec, then it is tested.
        System.out.println(countEven(new int[]{4, 7, 10, 3, 6}));   // 3
    }

    /** Returns how many values in arr are even. */
    public static int countEven(int[] arr) {
        int count = 0;
        for (int x : arr)
            if (x % 2 == 0) count++;
        return count;
    }
}

Erros comuns

• nextInt() deixa a quebra de linha para trás, então um nextLine() subsequente lê uma linha vazia — leia-a primeiro para removê-la.
• Verifique hasNext() antes de ler, para evitar sair do fim do arquivo.
• Na FRQ, leia o cabeçalho do método com atenção: corresponda o tipo de retorno e os parâmetros exatamente.