Java自學及教學手冊

// 這是我的第一個 Java 程式！
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        // 在控制台輸出文字
        System.out.println("Hello, 世界！歡迎學習 Java！");
        System.out.println("Java 版本：" + System.getProperty("java.version"));
    }
}

# 驗證 Java 安裝
java -version
# 驗證編譯器安裝
javac -version

# 編譯 Java 檔案
javac HelloWorld.java

# 執行程式
java HelloWorld

// 1️⃣ 套件宣告（可選）
package com.example.tutorial;

// 2️⃣ 匯入其他類別（可選）
import java.util.Scanner;

// 3️⃣ 類別定義（必要）- 檔名必須和類別名相同
public class MyFirstProgram {

    // 4️⃣ main 方法 - 程式進入點（必要）
    public static void main(String[] args) {
        
        // 5️⃣ 程式碼區塊
        String message = "Java 學習之旅開始了！";
        System.out.println(message);
        
        // 6️⃣ 每行以分號結尾
        int score = 100;
        System.out.println("分數：" + score);
    }
}

public class VariablesDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 基本型別
        int age = 25;
        double salary = 58000.50;
        boolean isStudent = false;
        char grade = 'A';
        
        // 字串（參考型別）
        String name = "張小明";
        
        // final 常數（不可修改）
        final double PI = 3.14159265;
        
        // var 型別推斷（Java 10+）
        var city = "台北";  // 自動推斷為 String
        
        System.out.printf("姓名：%s, 年齡：%d, 薪水：%.2f%n", name, age, salary);
        System.out.println("城市：" + city + "，成績：" + grade);
    }
}

public class StringDemo {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "Hello, Java!";
        
        // 長度
        System.out.println(s.length());           // 12
        
        // 轉大/小寫
        System.out.println(s.toUpperCase());     // HELLO, JAVA!
        System.out.println(s.toLowerCase());     // hello, java!
        
        // 截取子字串
        System.out.println(s.substring(7));      // Java!
        System.out.println(s.substring(0, 5));  // Hello
        
        // 取代
        System.out.println(s.replace("Java", "World")); // Hello, World!
        
        // 包含/開頭/結尾
        System.out.println(s.contains("Java"));   // true
        System.out.println(s.startsWith("Hello")); // true
        System.out.println(s.endsWith("!"));       // true
        
        // 分割字串
        String[] parts = "A,B,C,D".split(",");
        for (String p : parts) System.out.print(p + " "); // A B C D
        
        // 去除空格
        String trimmed = "  Java  ".trim();  // "Java"
        
        // String.format 格式化
        String msg = String.format("姓名：%s，分數：%d", "小明", 95);
        System.out.println(msg);  // 姓名：小明，分數：95
        
        // StringBuilder - 高效字串拼接
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append("Hello").append(", ").append("Java!");
        System.out.println(sb.toString());  // Hello, Java!
    }
}

public class ConditionDemo {
    public static void main(String[] args) {
        int score = 82;
        
        // if-else if-else
        if (score >= 90) {
            System.out.println("優等 A");
        } else if (score >= 80) {
            System.out.println("良好 B");
        } else if (score >= 70) {
            System.out.println("普通 C");
        } else if (score >= 60) {
            System.out.println("及格 D");
        } else {
            System.out.println("不及格 F");
        }
        
        // switch 語句（傳統）
        String day = "星期三";
        switch (day) {
            case "星期一":
            case "星期二":
            case "星期三":
            case "星期四":
            case "星期五":
                System.out.println("工作日 💼");
                break;
            case "星期六":
            case "星期日":
                System.out.println("假日 🎉");
                break;
            default:
                System.out.println("未知");
        }
        
        // Switch 表達式（Java 14+，更簡潔）
        int month = 3;
        String season = switch (month) {
            case 3, 4, 5  -> "春天 🌸";
            case 6, 7, 8  -> "夏天 ☀️";
            case 9, 10, 11 -> "秋天 🍂";
            default         -> "冬天 ❄️";
        };
        System.out.println(3 + "月是：" + season);
    }
}

public class LoopDemo {
    public static void main(String[] args) {
        
        // ===== for 迴圈 =====
        System.out.println("=== for 迴圈 ===");
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
        System.out.println();  // 1 2 3 4 5
        
        // ===== 增強 for 迴圈（for-each）=====
        System.out.println("=== for-each 迴圈 ===");
        String[] fruits = {"蘋果", "香蕉", "橘子", "芒果"};
        for (String fruit : fruits) {
            System.out.print(fruit + " ");
        }
        System.out.println();  // 蘋果 香蕉 橘子 芒果
        
        // ===== while 迴圈 =====
        System.out.println("=== while 迴圈 ===");
        int count = 1;
        while (count <= 5) {
            System.out.print(count * count + " ");
            count++;
        }
        System.out.println();  // 1 4 9 16 25（平方數）
        
        // ===== do-while 迴圈（至少執行一次）=====
        System.out.println("=== do-while 迴圈 ===");
        int n = 0;
        do {
            System.out.print(n + " ");
            n += 2;
        } while (n <= 10);  // 0 2 4 6 8 10
        System.out.println();
        
        // ===== 巢狀迴圈（九九乘法表）=====
        System.out.println("=== 九九乘法表 ===");
        for (int i = 1; i <= 9; i++) {
            for (int j = 1; j <= 9; j++) {
                System.out.printf("%d×%d=%-3d", i, j, i*j);
            }
            System.out.println();
        }
        
        // ===== break 與 continue =====
        for (int i = 0; i <= 10; i++) {
            if (i == 3) continue; // 跳過 3
            if (i == 7) break;    // 到 7 停止
            System.out.print(i + " ");
        }
        // 0 1 2 4 5 6
    }
}

import java.util.Arrays;

public class ArrayDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 宣告與初始化
        int[] scores = {85, 92, 78, 95, 88};
        
        // 訪問元素
        System.out.println("第一個：" + scores[0]);  // 85
        System.out.println("最後一個：" + scores[scores.length - 1]); // 88
        
        // 遍歷陣列
        int sum = 0;
        for (int score : scores) sum += score;
        System.out.println("總分：" + sum);
        System.out.printf("平均：%.1f%n", (double) sum / scores.length);
        
        // 排序
        Arrays.sort(scores);
        System.out.println("排序後：" + Arrays.toString(scores));
        
        // 二維陣列
        int[][] matrix = {
            {1, 2, 3},
            {4, 5, 6},
            {7, 8, 9}
        };
        
        System.out.println("二維陣列：");
        for (int[] row : matrix) {
            System.out.println(Arrays.toString(row));
        }
    }
}

public class MethodDemo {

    // 無參數、無回傳值
    static void greet() {
        System.out.println("哈囉！歡迎學習 Java！");
    }
    
    // 有參數、有回傳值
    static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
    
    // 方法多載（Overloading）- 同名但參數不同
    static double add(double a, double b) {
        return a + b;
    }
    
    // 遞迴方法 - 自己呼叫自己
    static int factorial(int n) {
        if (n <= 1) return 1;
        return n * factorial(n - 1);
    }
    
    // 可變長度參數（varargs）
    static int sum(int... numbers) {
        int total = 0;
        for (int n : numbers) total += n;
        return total;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        greet();
        System.out.println("整數相加：" + add(5, 3));
        System.out.println("浮點數相加：" + add(3.14, 2.86));
        System.out.println("5! = " + factorial(5));
        System.out.println("總和：" + sum(1, 2, 3, 4, 5));
    }
}

// 類別定義（Student.java）
public class Student {
    
    // 屬性（Fields）- 使用 private 封裝
    private String name;
    private int age;
    private double gpa;
    private static int count = 0;  // 靜態變數（類別共用）
    
    // 建構子（Constructor）
    public Student(String name, int age, double gpa) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.gpa = gpa;
        count++;
    }
    
    // Getter 方法
    public String getName() { return name; }
    public int getAge() { return age; }
    public double getGpa() { return gpa; }
    
    // Setter 方法（帶驗證）
    public void setGpa(double gpa) {
        if (gpa >= 0.0 && gpa <= 4.0) this.gpa = gpa;
        else System.out.println("GPA 無效！");
    }
    
    // 靜態方法
    public static int getCount() { return count; }
    
    // 覆寫 toString 方法
    @Override
    public String toString() {
        return String.format("學生[姓名:%s, 年齡:%d, GPA:%.1f]", name, age, gpa);
    }
    
    // 行為方法
    public void study(String subject) {
        System.out.println(name + " 正在學習 " + subject + "！");
    }
}

// 主程式
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 建立物件
        Student s1 = new Student("王小明", 20, 3.8);
        Student s2 = new Student("李小華", 22, 3.5);
        
        System.out.println(s1);  // 呼叫 toString()
        s1.study("Java 程式設計");
        
        System.out.println("學生總數：" + Student.getCount());
    }
}

// 父類別（Animal）
public class Animal {
    protected String name;
    protected int age;
    
    public Animal(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    public void eat() {
        System.out.println(name + " 正在吃東西");
    }
    
    public void makeSound() {
        System.out.println("動物發出聲音...");
    }
}

// 子類別（Dog）繼承 Animal
public class Dog extends Animal {
    private String breed;  // 子類別特有屬性
    
    public Dog(String name, int age, String breed) {
        super(name, age);  // 呼叫父類別建構子
        this.breed = breed;
    }
    
    @Override  // 覆寫父類別方法
    public void makeSound() {
        System.out.println(name + "：汪汪！🐕");
    }
    
    public void fetch() {  // 子類別特有方法
        System.out.println(name + " 去撿球了！");
    }
}

// 子類別（Cat）繼承 Animal
public class Cat extends Animal {
    public Cat(String name, int age) { super(name, age); }
    
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println(name + "：喵喵～🐱");
    }
}

// 多型示範
Animal[] animals = { new Dog("旺財", 3, "柴犬"), new Cat("咪咪", 2) };
for (Animal a : animals) a.makeSound();

// 介面定義
interface Flyable {
    void fly();  // 抽象方法
    default void land() {  // 預設方法（Java 8+）
        System.out.println("降落中...");
    }
}

interface Swimmable {
    void swim();
}

// 抽象類別
abstract class Vehicle {
    protected String brand;
    
    public Vehicle(String brand) { this.brand = brand; }
    
    abstract void move();  // 子類別必須實作
    
    public void info() {  // 具體方法
        System.out.println("品牌：" + brand);
    }
}

// 類別可以 extends 一個類別，implements 多個介面
class Airplane extends Vehicle implements Flyable {
    public Airplane(String brand) { super(brand); }
    
    @Override
    public void move() { System.out.println(brand + " 在滑行"); }
    
    @Override
    public void fly() { System.out.println(brand + " 起飛了！✈️"); }
}

// Duck 實作多個介面
class Duck extends Animal implements Flyable, Swimmable {
    public void fly() { System.out.println("鴨子在飛！"); }
    public void swim() { System.out.println("鴨子在游泳！"); }
}

public class ExceptionDemo {
    
    // 自訂例外類別
    static class AgeException extends Exception {
        public AgeException(String msg) { super(msg); }
    }
    
    static void validateAge(int age) throws AgeException {
        if (age < 0 || age > 150)
            throw new AgeException("年齡 " + age + " 不合理！");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        // try-catch-finally
        try {
            int[] arr = {1, 2, 3};
            System.out.println(arr[10]);  // 拋出例外
        } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {
            System.out.println("陣列索引超出範圍: " + e.getMessage());
        } finally {
            System.out.println("finally 區塊必定執行");
        }
        
        // 多重 catch
        try {
            String s = null;
            s.length();  // NullPointerException
        } catch (NullPointerException e) {
            System.out.println("空指標例外！");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("其他例外");
        }
        
        // 自訂例外
        try {
            validateAge(-5);
        } catch (AgeException e) {
            System.out.println("捕獲自訂例外: " + e.getMessage());
        }
        
        // try-with-resources（自動關閉資源）
        try (java.io.FileReader fr = new java.io.FileReader("test.txt")) {
            // 使用資源，結束後自動關閉
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("檔案不存在");
        }
    }
}

import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class CollectionsDemo {
    public static void main(String[] args) {
        
        // ===== ArrayList =====
        List<String> fruits = new ArrayList<>();
        fruits.add("蘋果"); fruits.add("香蕉"); fruits.add("芒果");
        fruits.add(1, "橘子");  // 插入到索引 1
        fruits.remove("香蕉");
        System.out.println("List: " + fruits);
        System.out.println("大小：" + fruits.size());
        System.out.println("包含蘋果？" + fruits.contains("蘋果"));
        
        // ===== LinkedList =====
        LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer(10); queue.offer(20); queue.offer(30);
        System.out.println("Queue 取出: " + queue.poll());  // 10
        
        // ===== HashSet（不重複）=====
        Set<String> uniqueCities = new HashSet<>();
        uniqueCities.add("台北"); uniqueCities.add("台中");
        uniqueCities.add("台北");  // 重複，不會新增
        System.out.println("Set 大小：" + uniqueCities.size());  // 2
        
        // ===== TreeSet（排序）=====
        Set<Integer> sortedNums = new TreeSet<>(Arrays.asList(5,2,8,1,9));
        System.out.println("排序 Set: " + sortedNums);  // [1, 2, 5, 8, 9]
        
        // ===== HashMap =====
        Map<String, Integer> scores = new HashMap<>();
        scores.put("小明", 95); scores.put("小華", 87); scores.put("小李", 92);
        
        System.out.println("小明的分數：" + scores.get("小明"));
        scores.getOrDefault("小王", 0);  // 不存在時返回 0
        
        // 遍歷 Map
        scores.forEach((k, v) -> System.out.println(k + ": " + v));
        
        // ===== Stream API (Java 8+) =====
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10);
        
        int sumOfEvenSquares = numbers.stream()
            .filter(n -> n % 2 == 0)      // 篩選偶數
            .map(n -> n * n)              // 計算平方
            .reduce(0, Integer::sum);     // 求總和
        
        System.out.println("偶數平方和：" + sumOfEvenSquares);  // 220
        
        List<String> filtered = numbers.stream()
            .filter(n -> n > 5)
            .map(n -> "No." + n)
            .collect(Collectors.toList());
        System.out.println(filtered);  // [No.6, No.7, No.8, No.9, No.10]
    }
}

import java.util.*;
import java.util.function.*;

public class LambdaDemo {
    public static void main(String[] args) {
        
        // 傳統寫法 vs Lambda
        Runnable old = new Runnable() {
            @Override
            public void run() { System.out.println("傳統寫法"); }
        };
        Runnable modern = () -> System.out.println("Lambda 寫法 ✨");
        modern.run();
        
        // Predicate - 接收參數，回傳 boolean
        Predicate<Integer> isEven = n -> n % 2 == 0;
        Predicate<String> isLong = s -> s.length() > 5;
        System.out.println(isEven.test(4));    // true
        System.out.println(isLong.test("Hi")); // false
        
        // Function - 接收參數，回傳結果
        Function<String, Integer> strLen = s -> s.length();
        Function<Integer, String> repeat = n -> "*".repeat(n);
        System.out.println(strLen.apply("Hello Java"));  // 10
        System.out.println(repeat.apply(5));              // *****
        
        // Consumer - 接收參數，無回傳
        Consumer<String> print = s -> System.out.println("📌 " + s);
        print.accept("Lambda 很強大！");
        
        // Supplier - 無參數，回傳結果
        Supplier<Double> getRandom = () -> Math.random();
        System.out.printf("隨機數: %.3f%n", getRandom.get());
        
        // 方法引用（Method Reference）
        List<String> names = Arrays.asList("張三", "李四", "王五");
        names.forEach(System.out::println);  // 等同 n -> System.out.println(n)
        
        // 排序使用 Lambda
        List<String> cities = Arrays.asList("台北", "高雄", "台中", "新竹");
        cities.sort((a, b) -> a.compareTo(b));
        System.out.println(cities);
    }
}

import java.util.concurrent.*;

public class ThreadDemo {
    
    // 方法1：繼承 Thread
    static class MyThread extends Thread {
        private String name;
        public MyThread(String name) { this.name = name; }
        
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                System.out.println(name + " 執行第 " + i + " 次");
                try { Thread.sleep(100); } catch (Exception e) {}
            }
        }
    }
    
    // 方法2：實作 Runnable 介面（推薦）
    static class PrintTask implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Runnable 在執行：" + Thread.currentThread().getName());
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 建立並啟動執行緒
        MyThread t1 = new MyThread("執行緒A");
        MyThread t2 = new MyThread("執行緒B");
        t1.start(); t2.start();
        
        // Lambda 建立執行緒
        Thread t3 = new Thread(() -> System.out.println("Lambda 執行緒！"));
        t3.start();
        
        // ExecutorService - 執行緒池
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            final int task = i;
            pool.submit(() -> System.out.println("任務 " + task + " 完成"));
        }
        pool.shutdown();
        
        // Callable 和 Future - 有回傳值的執行緒
        ExecutorService exec = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Future<Integer> future = exec.submit(() -> {
            Thread.sleep(1000);
            return 42;
        });
        System.out.println("結果：" + future.get());  // 阻塞等待
        exec.shutdown();
    }
}

import java.io.*;
import java.nio.file.*;
import java.util.*;

public class FileDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        
        // ===== NIO.2 現代寫法（推薦）=====
        Path path = Paths.get("students.txt");
        
        // 寫入文字檔
        List<String> lines = Arrays.asList(
            "王小明,20,A", "李小華,22,B+", "陳小美,21,A-"
        );
        Files.write(path, lines);
        System.out.println("✅ 檔案寫入成功！");
        
        // 讀取所有行
        List<String> content = Files.readAllLines(path);
        content.forEach(line -> System.out.println("📄 " + line));
        
        // 追加內容
        Files.write(path, Arrays.asList("張小龍,23,B"),
            StandardOpenOption.APPEND);
        
        // BufferedReader 逐行讀取（大檔案）
        try (BufferedReader br = Files.newBufferedReader(path)) {
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                String[] parts = line.split(",");
                System.out.printf("姓名:%-6s 年齡:%s 成績:%s%n",
                    parts[0], parts[1], parts[2]);
            }
        }
        
        // 確認檔案是否存在
        System.out.println("檔案存在：" + Files.exists(path));
        System.out.println("檔案大小：" + Files.size(path) + " bytes");
        
        // 刪除檔案
        Files.delete(path);
        System.out.println("🗑️ 檔案已刪除");
    }
}