前言

为什么要写这本书

写一本关于编程的书，是我大概15年前就有的一个想法，当时，我体会到了编程中数据结构的美妙和神奇，有一种收获的喜悦和分享的冲动。这种收获是我反复阅读教程十几遍，花大量时间上机练习调试得到的，这是一个比较痛苦的过程。我想，如果把我学到的知识更为清晰易懂地表达出来，其他人不就可以掌握编程容易一些，并体会到那种喜悦了吗？不过，当时感觉自己学识太浅，要学习的东西太多，想一想也就算了。

触发我开始写作是在2016年年初，可汗学院的事迹震撼了我。可汗学院的创始人是萨尔曼·可汗，他自己录制了3000多个短视频，主要教中小学生基础课。他为每门课程建立了知识地图，地图由知识点组成，知识点之间有依赖关系。每个知识点都有一个视频，每个视频10分钟左右，他的讲解清晰透彻，极受欢迎。比尔·盖茨声称可汗是他最欣赏的老师，邀请其在TED发表演讲，同时投资可汗成立了非营利机构可汗学院，可汗也受到了来自谷歌等公司的投资。可以说，可汗以一己之力推动了全世界的教育。

我就想，我可不可以学习可汗，为计算机编程教育做一点事情？也就是说，为编程的核心知识建立知识地图，从最基础的概念开始，分解为知识点，一个知识点一个知识点地讲解，每一个知识点都力争清晰透彻，阐述知识点是什么、怎么用、有什么用途、实现原理是什么、思维逻辑是什么、与其他知识点有什么关系等。可汗的形式是视频，但我想先从文字总结开始。我希望表达的是编程的通用知识，但编程总要用一个具体语言，我想就用我最熟悉的Java吧。

过去十几年，Java一直是软件开发领域最主流的语言之一，在可以预见的未来，Java还将是最主流的语言之一。但关于Java编程的书比比皆是，也不乏经典之作，市场还需要一本关于Java编程的书吗？甚至，还需要编程的书吗？如果需要，需要什么样的书呢？

关于编程的需求，我想答案是肯定的。过去几十年，IT革命深刻地改变了人们的生活，但这次革命还远远没有停止，在可以预见的未来，人工智能等前沿技术必将进一步改变世界，而要掌握人工智能技术，必须先掌握基本编程技术。人工智能在我国已经上升为国家战略。2017年7月，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，其中提到“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”，未来，可能大部分人都需要学习编程。

关于编程的书是很多，但对于非计算机专业学生而言，掌握编程依然是一件困难的事情。绝大部分教程以及培训班过于追求应用，读者学完之后虽然能照着例子写一些程序，但却懵懵懂懂，知其然而不知其所以然，无法灵活应用，当希望进一步深入学习时，发现大部分专业书籍晦涩难懂，难以找到通俗易懂的与学过的应用相结合的进阶原理类书籍。

即使计算机专业的学生，学习编程也不容易。学校开设了很多理论课程，但学习理论的时候往往感觉比较枯燥，比如二进制、编码、数据结构和算法、设计模式、操作系统中的线程和文件系统知识等。而学习具体编程语言的时候，又侧重学习的是语法和API。学习计算机理论的重要目的是为了更好地编程，但学生却难以在理论和编程之间建立密切的联系。

这样，我的想法基本就确定了，用Java语言写一本帮助理解编程到底是怎么回事的书，尽量用通俗易懂的方式循序渐进地介绍编程中的主要概念、语法和类库，不仅介绍用法和应用，还剖析背后的实现原理，以与基础理论相结合，同时包含一些实用经验和教训，并解释一些更为高层的框架和库的基本原理，以与实践应用相结合，在此过程中，融合编程的一些通用思维逻辑。

我有能力写好吗？我并不是编程大师，但我想，可汗也不是每个领域的大师，但他讲授了很多领域的知识，的确帮助了很多人。过去十几年我一直从事编程方面的工作，也在不断学习和思考，我想，只要用心写，至少会给一些人带来一点帮助吧。

于是，我在2016年3月创建了微信公众号“老马说编程”，开始发布系列文章“计算机程序的思维逻辑”。每一篇文章对我都是一个挑战，每一个知识点我都花大量时间用心思考，反复琢磨，力求表达清晰透彻，做到最好。写作是一个痛苦和快乐交织的过程，最痛苦的就是满脑子都是相关的内容，但就是不知道该怎么表达的时候，而最快乐的就是写完一篇文章的时候。令人欣慰的是，这些文章受到了大量读者的极高评价，他们的溢美之词、自发分享和红包赞赏进一步增强了我写作的信心和动力。到2017年7月底，共写了95篇文章，关于Java编程的基本内容也就写完了。

在写作过程中，很多读者反馈希望文章可以尽快整理成书，以便阅读。2016年9月，机械工业出版社的高婧雅女士联系到了我，商讨出版的可能，在她的鼎力帮助和出版社的大力支持下，就有了大家看到的这本书。

本书特色

本书致力于帮助读者真正理解Java编程。对于每个语言特性和API，不仅介绍其概念和用法，还分析了为什么要有这个概念，实现原理是什么，背后的思维逻辑是什么；对于类库，分析了大量源码，使读者不仅知其然，还知其所以然，以透彻理解相关知识点。

本书虽然是Java语言描述，但以更为通用的编程逻辑为主，融入了很多通用的编程相关知识，如二进制、编码、数据结构和算法、设计模式、操作系统、编程思维等，使读者不仅能够学习Java语言，还可以提升整体的编程和计算机水平。

本书不仅注重实现原理，而且重视实用性。本书介绍了很多实践中常用的技术，包含不少实际开发中积累的经验和教训，使读者可以少走一些弯路。在实际开发中，我们经常使用一些高层的系统程序、框架和库，以提升开发效率，本书也介绍了如何利用基本API开发一些系统程序和框架，比如键值数据库、消息队列、序列化框架、DI（依赖注入）容器、AOP（面向切面编程）框架、热部署、模板引擎等，讲解这些内容的目的不是为了“重新发明轮子”，而是为了帮助读者更好地理解和应用高层的系统程序与框架。

本书高度注重表述，尽力站在读者的角度，循序渐进、简洁透彻，从最基本的概念开始，一步步推导出更为高级的概念，在介绍每个知识点时，都会尽力先介绍用法、示例和应用，再分析实现原理和思维逻辑，并与其他知识点建立联系，以便读者能够容易地、全面透彻地理解相关知识。

本书侧重于Java编程的主要概念，绝大部分内容适用于Java 5以上的版本，但也包含了最近几年Java的主要更新，包括Java 8引入的重要更新——Lambda表达式和函数化编程。

读者对象

本书面向所有希望进一步理解编程的主要概念、实现原理和思维逻辑的读者，具体来说有以下几种。

初中级Java开发者：本书采用Java语言，侧重于剖析编程概念背后的实现原理和内在逻辑，同时包含很多实际编程中的经验教训，所以，对于Java编程经历不多，对计算机原理不太了解、对Java的很多概念一知半解的开发人员，阅读本书的收获可能最大，通过本书可以快速提升Java编程水平。而零基础Java开发者，可跳过原理性内容阅读。

非Java语言的开发者：本书不假设读者有任何Java编程基础，系统、全面、细致地讲述了Java的语法和类库，给出了很多示例。另外，本书介绍了很多编程的通用概念、知识、数据结构、设计模式、算法、实现原理和思维逻辑。同时，全书的讨论都尽量站在一个通用的编程语言角度，而非Java语言特定的角度。通过阅读本书，读者可以快速学习和掌握Java，建立与其他语言之间的联系，提升整体编程思维和水平。

中高级Java开发者：经验丰富的Java开发者阅读本书的收获也会很大，可以通过本书对编程有更为系统、更为深刻的认识。

如何阅读本书

本书分为六大部分，共26章内容。

第一部分（第1～2章）介绍编程基础与二进制。第1章介绍编程的基础知识，包括数据类型、变量、赋值、基本运算、条件执行、循环和函数。第2章帮助读者理解数据背后的二进制，包括整数的二进制表示与位运算、小数计算为什么会出错、字符的编码与乱码。

第二部分（第3～7章）介绍面向对象。第3章介绍类的基础知识，包括类的基本概念、类的组合以及代码的基本组织机制。第4章介绍类的继承，包括继承的基本概念、细节、实现原理，分析为什么说继承是把双刃剑。第5章介绍类的一些扩展概念，包括接口、抽象类、内部类和枚举。第6章介绍异常。第7章剖析一些常用基础类，包括包装类、String、StringBuilder、Arrays、日期和时间、随机。

第三部分（第8～12章）介绍泛型与容器及其背后的数据结构和算法。第8章介绍泛型，包括其基本概念和原理、通配符，以及一些细节和局限性。第9章介绍列表和队列，剖析ArrayList、LinkedList以及ArrayDeque。第10章介绍各种Map和Set，剖析HashMap、HashSet、排序二叉树、TreeMap、TreeSet、LinkedHashMap、LinkedHashSet、EnumMap和EnumSet。第11章介绍堆与优先级队列，包括堆的概念和算法及其应用。第12章介绍一些抽象容器类，分析通用工具类Collections，最后对整个容器类体系从多个角度进行系统总结。

第四部分（第13～14章）介绍文件。第13章主要介绍文件的基本技术，包括文件的一些基本概念和常识、Java中处理文件的基本结构、二进制文件和字节流、文本文件和字符流，以及文件和目录操作。第14章介绍文件处理的一些高级技术，包括一些常见文件类型的处理、随机读写文件、内存映射文件、标准序列化机制，以及Jackson序列化。

第五部分（第15～20章）介绍并发。第15章介绍并发的传统基础知识，包括线程的基本概念、线程同步的基本机制synchronized、线程协作的基本机制wait/notify，以及线程的中断。第16章介绍并发包的基石，包括原子变量和CAS、显式锁与显式条件。第17章介绍并发容器，包括写时复制的List和Set、ConcurrentHashMap、基于跳表的Map和Set，以及各种并发队列。第18章介绍异步任务执行服务，包括基本概念和实现原理、主要的实现机制线程池，以及定时任务。第19章介绍一些专门的同步和协作工具类，包括读写锁、信号量、倒计时门栓、循环栅栏，以及ThreadLocal。第20章对整个并发部分从多个角度进行系统总结。

第六部分（第21～26章）介绍动态与函数式编程。第21章介绍反射，包括反射的用法和应用。第22章介绍注解，包括注解的使用、创建，以及两个应用：定制序列化和DI容器。第23章介绍动态代理的用法和原理，包括Java SDK动态代理和cglib动态代理以及一个应用：AOP。第24章介绍类加载机制，包括类加载的基本机制和过程，ClassLoader的用法和自定义，以及它们的应用：可配置的策略与热部署。第25章介绍正则表达式，包括语法、Java API、一个简单的应用（模板引擎），最后剖析一些常见表达式。第26章介绍Java 8引入的函数式编程，包括Lambda表达式、函数式数据处理、组合式异步编程，以及Java 8的日期和时间API。

对于有一定经验的读者，可以挑选感兴趣的章节直接阅读。而对于初学者，建议从头阅读，但对于一些比较深入的原理性内容，以及一些比较高级的内容，如果理解比较困难可以跳过，有一定实践经验后再回头阅读。任何读者都可以将本书作为一本案头参考书，以备随时查阅不确定的概念、用法和原理。

勘误和支持

由于笔者的水平有限，编写时间仓促，书中难免会出现一些错误或者不准确的地方，恳请读者批评指正。如果读者有更多的宝贵意见，欢迎关注我的微信公众号“老马说编程”，可在后台留言，在“关于”部分也有最新的微信和QQ群信息，欢迎加入讨论，我会尽量提供满意的解答。同时，读者也可以通过邮箱swiftma@sina.com联系到我。期待得到你们的真挚反馈，在技术之路上互勉共进。

致谢

感谢我的微信公众号“老马说编程”、掘金、开发者头条和博客园技术社区的广大读者，他们的极高评价、自发分享和红包赞赏让我备受鼓舞，更重要的是，他们指出了很多文章中的错误，使我可以及时修正。

感谢掘金和开发者头条技术社区，他们经常推荐我的文章，使更多人可以看到。

感谢我在北京理工大学学习时的老师和同学们，在老师的教导和同学们的探讨中，我掌握了比较扎实的计算机基础，特别是我的已故恩师古志民教授，古教授指导我完成了本科到博士的学业，他严谨认真的学术态度深深地影响了我。

感谢我工作以来的领导和同事们，由于他们的言传身教，我得以不断提高自己的技术水平。

感谢机械工业出版社的编辑高婧雅，在一年多的时间中始终支持我的写作，她的帮助和建议引导我顺利完成全部书稿。

特别致谢

特别感谢我的爱人吴特和儿子久久，我为写作这本书，牺牲了很多陪伴他们的时间，但也正因为有了他们的付出与支持，我才能坚持写下去。

特别感谢我岳父母，特别是我的岳母，不遗余力地帮助我们照顾儿子，有了他们的帮助和支持，我才有时间和精力去完成写作工作。

特别感谢我的父母，他们在困难的生活条件下，付出了巨大的汗水与心血，将我养育成人，使我能够完成博士学业，他们一生勤劳朴素的品质深深地影响了我。

特别感谢我的兄长马俊杰，他一直是我成长路上的指明灯，也是从他的耐心讲解中我第一次了解到了计算机的基本工作机制。

谨以此书献给我最亲爱的家人，以及众多热爱编程技术的朋友们！

马俊昌