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Java语言基础

因为 Java 语言和 C/C++ 在很多语法上相似甚至完全一致（例如各种控制语句），因此这里只列出 Java 与 C 家族不同的语言特性。

命名规范

  1. 变量名、对象名、方法名、包名等标识符全部采用小写字母；如果标识符由多个单词组成，则其首字母小写、其后所有单词仅首字母大写，如:getAge
  2. 不能与关键字、以及特殊值同名，如：false, for, while
  3. 常量名全部大写，单词间由下划线隔开。如：MONTH_OF_YEAR
  4. 类名的每个单词首字母大写，如：HelloWorldClass

数据类型

  • Java属于强类型语言，必须为每个变量声明一种类型
  • Java按照数据类型可以将变量分为两类，基本数据类型和引用数据类型

基本数据类型

Java 一共有 8 种「基本数据类型」。

类型 空间 范围 备注
byte 1 字节 -128 — 127
short 2 字节 -2^15 — 2^15 - 1
int 4 字节 -2^31 — 2^31 - 1
long 8 字节 -2^63 — 2^63 - 1 声明常量要加「L」
float 4 字节 —— 声明常量要加「F」
double 8 字节 —— 浮点数的默认类型
char 16 字节 UTF-16
boolean —— false 或 true 不能用 0 和非 0 代替

引用类型

类 class、接口 interface 和数组都是引用数据类型。

输入输出

输入

Java 的标准输入流是一个 InputStream 对象，有两种常用的读取方式：

  • 用读字符流的方法将 System.in 读到一个 BufferedReader 中。

    BufferedReader stdin = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
stdin.readLine(); // <= 得到用户输入的字符串

  • 用 java.util.Scanner 对 System.in 进行封装。

    Scanner stdin = new Scanner(System.in);
stdin.nextLine(); // <= 得到用户输入的字符串

输出

  • System.out.print() 不换行输出。
  • System.out.println() 换行输出。
  • System.out.printf() 格式化输出，语法同 C 标准库的 printf()。

数组

Java 中的「数组」是确定长度的，一经创建就不能再加长了。

声明和创建

在创建数组时，要么指定长度，要么给出所有的项。

int[] arr = new int[3]; // 指定长度
double[] anotherArray = new double[]{ 2.1, 4.5, 4.2 }; // 指定项

长度和索引

可以使用 arr.length 得到一个数组的长度。数组的下标从 0 开始，到 length - 1 结束。

数组是引用类型

所谓「引用类型」，可以理解为 C 家族中的「指针」。下面的代码解释了「引用」的本质。

int[] arr = new int[]{ 1, 4, 2, 5 };
System.out.println(arr[2]);       // 打印 2
arr = new int[]{ 7, 3, 6, 9 };    // 现在 arr 指向了一个新的数组，旧的数组会被 JVM 回收
System.out.println(arr[2]);       // 打印 6

数组中的引用类型

思考下面代码的输出：

String[] name = { "HIT", "SZ", "C++" };
String s = name[2];
name[2] = "Java";
System.out.println(name[2]);
System.out.println(s);

结果为

Java
C++

内存映射图：

img

「多维」数组

没有所谓的「多维数组」，它本质上是「数组的数组」。例如

int[][] arr = new int[5][];

是一个长度为 5 的「数组」数组，它内部的 5 个数组因为现在还没有初始化，所以长度可以不给出。我们当然也可以在定义给出所有的项，如下：

int[][] arr = new int[][]{ { 1, 4, 2}, {2, 1}, {9, 1, 5, 6} };

显然，多维数组中的每一行不一定要一样长。

异常

img

异常关键字:

  • try：用于监听
  • catch：用于捕获异常
  • finally：finally语句块总会被执行。主要用于回收try块里面的物力资源（如数据库连接、网络连接和磁盘文件）

只有finally块执行完成后，才会回来执行try和catch块的return或者throw语句，如果finally中使用过return或者throw等终止方法的语句，则不会跳回执行，直接停止

  • throws：用在方法签名中，用于声明该方法可能抛出的异常
  • throw：用于抛出一个语句异常

Java 的异常捕获结构为 try - catch - finally。其中 catch 和 finally 可以只出现一个。

try {
    // 做点啥
} catch (Exception e1|Exception e2|...) {
    // 出现异常时做的事
} finally {
    // 不管出现异常与否都要做的事
}

throw与throws均为消极处理异常方式，仅负责抛出异常

类与对象

对象

  1. 定义：客观存在的具体实体，具有明确定义的状态和行为

  2. 特征：标识符、属性、操作

    1. 属性：与对象关联的变量，描述对象的静态特性
    2. 操作：与对相关联的函数，描述对象的动态特性

类

  1. 类与对象

    1. 类是对象的抽象，是创建对象的模板
    2. 对象是类的具体事例
    3. 同一个类可以定义多个对象

  2. 二者比较

    1. 类是静态的，在程序设计的时候就定义好了
    2. 对象是动态的，在程序执行的时候可以被创建、修改、删除

类的构造

类的访问权限：

img

// 见上表
public class Person {
    private String name;    // private: 只有本类能访问。
    protected int age;      // protected: 包外不能访问。但如果子类在包外，也能访问。
    int id;                 // friendly: 包外不能访问。如果子类在包外，也不能访问。
    public boolean gender;  // public: 谁都可以访问

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        id = 1;
    }

    public Person(String name) {
        this(name, 22);
    }
}

静态类

  1. 静态成员属于类所有而不是某一具体对象所有

  2. 加载时间

    1. 静态成员在类加载的时候被静态地分配地址空间和方法的入口地址
    2. 静态属性当且仅当在类初次加载的时候初始化

  3. 实例

    1. 非静态对象在创建对象的时候初始化，存在多个实例副本，各个对象之间的副本不互相影响
    2. 静态对象被所有的对象共享，在内存中只有一个副本

  4. static 属性是全局属性，可以直接通过类名访问，所以又叫类属性

  5. 调用限制

    1. static 方法不可访问非 static 的方法：非 static 的对象必须要实例化才能访问
    2. 非 static 的方法可以访问 static 的方法：通过类名访问

  6. 静态块

    1. 可以放在类的任何地方，类中可以有多个 static 块

    2. 语法：

      class Person {
    static {
        totalNum = 10000;
        System.out.println("static block run!");
    }
}

    3. 生命周期：在类加载的时候执行且只执行一次

    4. 用法：用于初始化静态变量和调用静态方法

  7. 静态是否破坏了面向对象的特性？

    1. 静态属于类而非具体对象
    2. 具有一定程度上的全局性：初始化时加载到内存，并且所有对象有访问权限
    3. 保持类的封装性

Java虚拟机与垃圾回收

JVM

虚拟机：指的是通过软件模拟的具有完全硬件系统的运行在一个完全隔离环境中的计算机系统

JVM是通过软件来模拟Java字节码的指令集，是Java程序的运行环境

如今JVM不仅支持Java，还支持Kotlin，Groovy等语言，黄钻混过后的字节码文件都能通过Java虚拟机进行运行和处理

JVM体系结构

img

主要包含两个子系统和两个组件

  • Class Loader（类装载器）和Execution（执行引擎）子系统
  • Runtime Data Area（运行时数据区域）和Native Interface（本地接口）组件

Java堆

  • 为进行高效垃圾回收，虚拟机把堆内存逻辑上划分为三块区域
    • 新生代：新对象和没达到一定年龄的对象都在新生代
    • 老年代：被长时间使用的对象，老年代的内存空间应该比新生代更大
    • 元空间（JDK1.8之前叫做“永久代”）：像一些方法中的操作临时对象等，JDK1.8之前是占用JVM内存，之后直接使用物理内存

JVM垃圾回收

Java的核心思想是面向对象，屏蔽了很多底层细节，让程序员更多地关注“对象”

Java使用隐式分配器，程序员只管创建对象使用堆内存，回收交给垃圾回收器

垃圾回收器的任务：

  • 跟踪监控每一个Java对象，当某一对象处于不可达状态，回收该对象所占用的内存
  • 清理内存分配，回收过程中产生的内存碎片。

回收机制优点

  1. 对开发者屏蔽内存管理的细节，提高开发效率
  2. 开发者无权操作内存，降低内存泄漏风险

回收机制劣势

  1. 垃圾回收不收开发者控制，在一些对时间极其敏感的场景中，不受控制的垃圾回收会带来多余的时间开销

如果开发者正在开发一个高性能的实时数据处理系统，该系统需要在毫秒级别内响应用户请求并处理大量数据。在这种情况下，任何导致系统暂停或延迟的因素都可能对系统性能产生重大影响。在Java中，当发生垃圾回收时，虚拟机会暂停应用程序的执行，以便清理不再被引用的对象，并回收它们占用的内存。如果在系统的关键时刻发生了长时间的垃圾回收，可能会导致系统在此期间停顿，无法响应新的请求或处理数据，从而降低系统的实时性能

JVM、JRE与JDK

  • JVM：Java虚拟机
    • 所有的Java程序都运行在JVM上，是JRE的一部分
  • JRE：Java运行环境（Java Runtime Environment）
    • JRE一般用于执行Java程序，JRE除了包括JVM之外还包括一些基础的JAVA API，JRE是JDK的一部分
  • JDK：JAVA开发工具（Java Development Kit）
    • JDK提供了Java的开发环境和运行环境（JRE），开发环境主要包括一些常用工具，如常用的JAVAc编译工具，jar打包程序等等