1.1 计算基础
考虑到你正在修一门编程课程，你可能已经对计算科学的基础知识有了一定的了解。但是，不是所有人都有同样的知识，或某些知识可能是不准确的。为此，在介绍Java语言之前，先介绍计算科学中的一些核心概念。在这个过程中，本章会定义一些关键术语。
1.1.1 计算机的硬件组成
由于计算机最终会运行编写的程序，因此了解计算机各部分运行的基本方式是有帮助的。任意一台计算机都由一系列的部件组成，它们协同运作，形成一个计算机整体。尽管计算机组成的部件随着时间推移不断演进，但是计算机仍有许多共同的关键特性。例如，一个台式计算机包含的基本元素在智能手机中也能找到。
为了有效工作，一台计算机至少包括要有以下组成部分：
中央处理器（CPU）
内存
输入/输出设备
下面逐一进行介绍。
CPU提供了计算机基本的计算能力。它通过执行组成程序的指令实现计算。所有的CPU都能识别某一种特定的指令集（instruction set）。指令集定义了CPU能够执行的操作种类。例如，许多CPU支持的指令有：基本算术运算、从内存中载入和存储数据、进行逻辑比较、改变程序流等。另外，为了访问内存，许多CPU包括有限数量的寄存器（register），为数据提供快速的短期存储。
CPU执行的指令称为机器指令（machine instruction）或机器码（machine code）。一个机器指令能执行的运算很少。例如，一个指令也许只能把一个寄存器的值移动到另一个寄存器上，或把一个值从寄存器移动到内存中，或对两个寄存器的值进行比较。一般情况下，一类CPU的指令集与其他类型的CPU的指令集并不相同。所以，为一类CPU设计的指令集通常不能用于另一类CPU上。有时存在一些CPU系列，它们保持后向兼容性，但无关的CPU的指令集通常不同。
机器指令通常不易于人类阅读。它们具有为方便计算机使用而编码的形式。但是，有可能用助记符来表示这些指令，使机器指令适于人类阅读。这种形式称为汇编语言（assembly language）。例如，将数据从一个地方移动到另一个地方的指令可以用助记符表示为MOV，比较两个值的指令可以记为CMP。将汇编语言转换为计算能执行的形式的程序称为汇编程序（assembler）。但是，像Java这样的语言通常是一种更好的选择，所以当今很少有人编写汇编语言。
计算机内存用于存储指令和数据，其中指令是用机器指令的形式存储的。内存主要用于在程序执行的过程中保存信息。它并不用于长期存储。计算机中的内存是可寻址的（addressable），即CPU可以通过给定地址来访问内存中的某一特定位置。内存常常又称为RAM，它是随机存储器（Random Access Memory）的缩写。
当CPU执行程序时，它先从内存中获得指令，然后执行指令指定的操作。接着，它在获得下一条指令，执行它，循环往复。在默认情况下，指令从内存中顺序读取。但是，有些指令能够改变执行流，跳转到一个不同的内存区域。
现在，人们使用着各种各样的输入/输出（I/O）设备，包括键盘、显示器、鼠标、触摸屏、语音输入和声音输出等。它们事实上有着同样的功能，它们使计算机能够收发信息。输入/输出设备常常用于使人们能同计算机交互。但是还有一些输入/输出设备是计算机用于与其他设备通信的，比如存储设备、网络适配器和像机器人似的控制接口。
除了以上描述的几种关键部件外，许多计算机还有存储设备，例如硬盘、DVD和闪存。许多计算机还能联网，连接到Internet或局域网。为了使计算机能够联网，计算机需要网络适配器。
1.1.2 位、字节和二进制
当今，几乎没有人没听说过位（bit）、字节（byte）和二进制（binary）。这些词汇已经成为人们的日常用语。由于它们是计算领域中非常基础的概念，因此正规地定义它们非常重要。
1）二进制计数系统
在最底层，计算机使用0和1工作，所以它需要基于0和1的计数系统。这个计数系统称为二进制计数系统。二进制计数系统就如我们通常使用的十进制计数系统一样工作，除了每个数位的权重不同。你也许已经知道，在十进制中，每从右往左移动一位，其表示的值的个数总比上一位表示的值的个数大十倍。于是，十进制数基于10的幂次：最右边的数位表示1的个数，其左边一位表示10的个数，然后是100的个数，等等。例如，数423表示四百二十三，因为其中有4个100，2个10和3个1。
二进制有着相同的工作原理，只是每从右往左移动一位，其表示的值的个数增加为上一位的2倍。于是，第一个二进制位（指最右边的位）表示1的个数，往左一位表示2的个数，然后是4的个数，8的个数，等等。这意味着，一个二进制的前8位表示以下数值：
128 64 32 16 8 4 2 1
例如，二进制数1010就是十进制数10。其原因是，二进制数1010有0个1，1个2，0个4，1个8。所以，0+2+0+8等于10。再来看一个例子：二进制数1101就是十进制数13，因为它有1个1，0个2，1个4和1个8，所以1+0+4+8等于13。正如你所见到的，如果要把二进制数转化为十进制数，只需要把1所在的数位表示的值相加即可。
2）位和字节
在计算机中，位可以用来表示一个二进制数位。一个位可以置位，也可以复位。置位的位是1，复位的位是0。位可以进行分组。一种最常见的形式是字节。通常认为一个字节含有8个位。这意味着字节可以表示0～255之间的数值。
另外，还有一种组织形式称为字（word）。通常认为，一个字的大小与特定的CPU架构兼容。例如，32位计算机上每个字有32位，即4个字节。
为了方便，二进制数常常每4个一组（有时每8个一组）进行分组，例如：1011 1001。这使得数字更加容易阅读和理解。但是，这样的分组对其表示的数值没有任何影响。
1.1.3 操作系统
计算机的硬件部件由操作系统（operating system）管理和访问。操作系统是一个控制计算机的主程序。操作系统是计算机科学的核心研究内容之一，在这里不可能详细介绍。幸运的是，只需要一点简单的概述知识就够我们使用了。
操作系统主要有两大功能。首先，它提供底层功能，使其他程序能够使用计算机的资源。例如，可以通过使用操作系统提供的服务，将信息保存在硬盘上。其次，操作系统能够控制其他程序的运行。例如，它为其他运行的程序提供内存空间、为其运行调度CPU时间，监控其资源使用状况。
有许多常见的操作系统，如：Windows、UNIX、Linux、Mac OS、iOS和Android。一般来说，程序在设计时必须运行于一个特定的操作系统。例如，以Windows为运行平台的程序不能在UNIX操作系统上运行，除非该程序经过特别的移植。
