Java基础概念 - 技术栈

Java简介

Java的三个版本

Java SE: Standard Edition
Java EE: Enterprise Edition
Java Micro Edition

┌───────────────────────────┐
│Java EE │
│ ┌────────────────────┐ │
│ │Java SE │ │
│ │ ┌─────────────┐ │ │
│ │ │ Java ME │ │ │
│ │ └─────────────┘ │ │
│ └────────────────────┘ │
└───────────────────────────┘
JDK：Java Development Kit
JRE：Java Runtime Environment

二者关系如下：

  ┌─    ┌──────────────────────────────────┐
  │     │     Compiler, debugger, etc.     │
  │     └──────────────────────────────────┘
 JDK ┌─ ┌──────────────────────────────────┐
  │  │  │                                  │
  │ JRE │      JVM + Runtime Library       │
  │  │  │                                  │
  └─ └─ └──────────────────────────────────┘
        ┌───────┐┌───────┐┌───────┐┌───────┐
        │Windows││ Linux ││ macOS ││others │
        └───────┘└───────┘└───────┘└───────┘

JSR: Java 接口的定义
JCP：java community process

编写第一个Java程序

public class Hello{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

我们要和定义的类名Hello完全保持一致。

我的目录下有一个hello.class文件，为什么我用windows终端输入java hello.class不能运行，但是输入java hello就能运行呢？

在使用java命令运行Java程序时，不需要包括文件扩展名（如.class）。当你输入java hello时，Java运行时会自动查找名为hello的类，并尝试加载它。

但是，当你输入java hello.class时，Java运行时会认为hello.class是类的名称，而不是类文件的名称。它会尝试加载名为hello.class的类，但通常情况下，类名不包括文件扩展名。

为了正确运行你的程序，你应该使用以下命令：

bashCopy codejava hello

这将告诉Java运行时加载名为hello的类，并执行其中的main方法。确保在运行该命令之前，你的当前工作目录（即终端所在的目录）包含了hello.class文件。

IDE是集成开发环境：Integrated Development Environment的缩写

好的类命名：

Hello
NoteBook
VRPlayer

不好的类命名：

hello
Good123
Note_Book
_World

Java入口程序规定的方法必须是静态方法，方法名必须为main，括号内的参数必须是String数组。

Java基本数据类型

Java定义了以下几种基本数据类型：

整数类型：byte，short，int，long
浮点数类型：float，double
字符类型：char
布尔类型：boolean

float f3 = 1.0; // 错误：不带f结尾的是double类型，不能赋值给float

对于整型类型，Java只定义了带符号的整型，因此，最高位的bit表示符号位（0表示正数，1表示负数）。各种整型能表示的最大范围如下：

byte：-128 ~ 127
short: -32768 ~ 32767
int: -2147483648 ~ 2147483647
long: -9223372036854775808 ~ 9223372036854775807

浮点数可表示的范围非常大，float类型可最大表示3.4x1038，而double类型可最大表示1.79x10308

字符类型char表示一个字符。Java的char类型除了可表示标准的ASCII外，还可以表示一个Unicode字符

常量

定义变量的时候，如果加上final修饰符，这个变量就变成了常量：

final double PI = 3.14; // PI是一个常量
double r = 5.0;
double area = PI * r * r;
PI = 300; // compile error!

var关键字

有些时候，类型的名字太长，写起来比较麻烦。例如：

StringBuilder sb = new StringBuilder();

这个时候，如果想省略变量类型，可以使用var关键字：

var sb = new StringBuilder();

求余运算使用%：

int y = 12345 % 67; // 12345÷67的余数是17

特别注意：整数的除法对于除数为0时运行时将报错，但编译不会报错。

还有一种无符号的右移运算，使用>>>，它的特点是不管符号位，右移后高位总是补0，因此，对一个负数进行>>>右移，它会变成正数，原因是最高位的1变成了0：

对byte和short类型进行移位时，会首先转换为int再进行位移。

关系运算符的优先级从高到低依次是：

!
>，>=，<，<=
==，!=
&&
||

多行字符串

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = """
                   SELECT * FROM
                     users
                   WHERE id > 100
                   ORDER BY name DESC
                   """;
        System.out.println(s);
    }
}

常见的转义字符包括：

\" 表示字符"
\' 表示字符'
\\ 表示字符\
\n 表示换行符
\r 表示回车符
\t 表示Tab
\u#### 表示一个Unicode编码的字符

输出

如果要把数据显示成我们期望的格式，就需要使用格式化输出的功能。格式化输出使用System.out.printf()，通过使用占位符%?，printf()可以把后面的参数格式化成指定格式：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        double d = 3.1415926;
        System.out.printf("%.2f\n", d); // 显示两位小数3.14
        System.out.printf("%.4f\n", d); // 显示4位小数3.1416
    }
}

输入

import java.util.Scanner;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in); // 创建Scanner对象
        System.out.print("Input your name: "); // 打印提示
        String name = scanner.nextLine(); // 读取一行输入并获取字符串
        System.out.print("Input your age: "); // 打印提示
        int age = scanner.nextInt(); // 读取一行输入并获取整数
        System.out.printf("Hi, %s, you are %d\n", name, age); // 格式化输出
    }
}

读取用户输入的字符串，使用 scanner.nextLine()，要读取用户输入的整数，使用scanner.nextInt()

要判断引用类型的变量内容是否相等，必须使用equals()方法:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "hello";
        String s2 = "HELLO".toLowerCase();
        System.out.println(s1);
        System.out.println(s2);
        if (s1.equals(s2)) {
            System.out.println("s1 equals s2");
        } else {
            System.out.println("s1 not equals s2");
        }
    }
}

switch表达式

使用switch时，如果遗漏了break，就会造成严重的逻辑错误，而且不易在源代码中发现错误。从Java 12开始，switch语句升级为更简洁的表达式语法，使用类似模式匹配（Pattern Matching）的方法，保证只有一种路径会被执行，并且不需要break语句：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String fruit = "apple";
        switch (fruit) {
        case "apple" -> System.out.println("Selected apple");
        case "pear" -> System.out.println("Selected pear");
        case "mango" -> {
            System.out.println("Selected mango");
            System.out.println("Good choice!");
        }
        default -> System.out.println("No fruit selected");
        }
    }
}

注意新语法使用->，如果有多条语句，需要用{}括起来。不要写break语句，因为新语法只会执行匹配的语句，没有穿透效应。

yield

大多数时候，在switch表达式内部，我们会返回简单的值。

但是，如果需要复杂的语句，我们也可以写很多语句，放到{...}里，然后，用yield返回一个值作为switch语句的返回值：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String fruit = "orange";
        int opt = switch (fruit) {
            case "apple" -> 1;
            case "pear", "mango" -> 2;
            default -> {
                int code = fruit.hashCode();
                yield code; // switch语句返回值
            }
        };
        System.out.println("opt = " + opt);
    }
}

for each循环

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] ns = { 1, 4, 9, 16, 25 };
        for (int n : ns) {
            System.out.println(n);
        }
    }
}

打印数组内容

使用for each循环打印也很麻烦。幸好Java标准库提供了Arrays.toString()，可以快速打印数组内容：

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] ns = { 1, 1, 2, 3, 5, 8 };
        System.out.println(Arrays.toString(ns));
    }
}

数组排序

冒泡排序

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] ns = { 28, 12, 89, 73, 65, 18, 96, 50, 8, 36 };
        // 排序前:
        System.out.println(Arrays.toString(ns));
        for (int i = 0; i < ns.length - 1; i++) {
            for (int j = 0; j < ns.length - i - 1; j++) {
                if (ns[j] > ns[j+1]) {
                    // 交换ns[j]和ns[j+1]:
                    int tmp = ns[j];
                    ns[j] = ns[j+1];
                    ns[j+1] = tmp;
                }
            }
        }
        // 排序后:
        System.out.println(Arrays.toString(ns));
    }
}

实际上，Java的标准库已经内置了排序功能，我们只需要调用JDK提供的Arrays.sort()就可以排序：

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] ns = { 28, 12, 89, 73, 65, 18, 96, 50, 8, 36 };
        Arrays.sort(ns);
        System.out.println(Arrays.toString(ns));
    }
}

逆序排序

import java.util.Arrays;
import java.util.Collections;

public class ReverseSortExample {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] numbers = {5, 2, 8, 1, 6};
        
        // 正序排序
        Arrays.sort(numbers);
        System.out.println("正序排序结果：");
        for (int num : numbers) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println();
        
        // 逆序排序
        Arrays.sort(numbers, Collections.reverseOrder());
        System.out.println("逆序排序结果：");
        for (int num : numbers) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

二维数组输出

使用Java标准库的Arrays.deepToString()

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[][] ns = {
            { 1, 2, 3, 4 },
            { 5, 6, 7, 8 },
            { 9, 10, 11, 12 }
        };
        System.out.println(Arrays.deepToString(ns));
    }
}

命令行参数

Java程序的入口是main方法，而main方法可以接受一个命令行参数，它是一个String[]数组。

这个命令行参数由JVM接收用户输入并传给main方法：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        for (String arg : args) {
            System.out.println(arg);
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        for (String arg : args) {
            if ("-version".equals(arg)) {
                System.out.println("v 1.0");
                break;
            }
        }
    }
}

上面这个程序必须在命令行执行，我们先编译它：

$ javac Main.java

然后，执行的时候，给它传递一个-version参数：

$ java Main -version
v 1.0

方法

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person ming = new Person();
        ming.setName("Xiao Ming"); // 设置name
        ming.setAge(12); // 设置age
        System.out.println(ming.getName() + ", " + ming.getAge());
    }
}

class Person {
    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return this.name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return this.age;
    }

    public void setAge(int age) {
        if (age < 0 || age > 100) {
            throw new IllegalArgumentException("invalid age value");
        }
        this.age = age;
    }
}

构造方法

如果既要能使用带参数的构造方法，又想保留不带参数的构造方法，那么只能把两个构造方法都定义出来：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Xiao Ming", 15); // 既可以调用带参数的构造方法
        Person p2 = new Person(); // 也可以调用无参数构造方法
    }
}

class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person() {
    }

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    public String getName() {
        return this.name;
    }

    public int getAge() {
        return this.age;
    }
}

一个构造方法可以调用其他构造方法，这样做的目的是便于代码复用。调用其他构造方法的语法是this(...)：

class Person {
    private String name;
    private int age;

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

    public Person(String name) {
        this(name, 18); // 调用另一个构造方法Person(String, int)
    }

    public Person() {
        this("Unnamed"); // 调用另一个构造方法Person(String)
    }
}

String的重载

举个例子，String类提供了多个重载方法indexOf()，可以查找子串：

int indexOf(int ch)：根据字符的Unicode码查找；
int indexOf(String str)：根据字符串查找；
int indexOf(int ch, int fromIndex)：根据字符查找，但指定起始位置；
int indexOf(String str, int fromIndex)根据字符串查找，但指定起始位置。

继承

如果父类没有默认的构造方法，子类就必须显式调用super()并给出参数以便让编译器定位到父类的一个合适的构造方法。

这里还顺带引出了另一个问题：即子类不会继承任何父类的构造方法。子类默认的构造方法是编译器自动生成的，不是继承的。

向下转型

为了避免向下转型出错，Java提供了instanceof操作符，可以先判断一个实例究竟是不是某种类型

Person p = new Person();
System.out.println(p instanceof Person); // true
System.out.println(p instanceof Student); // false

Student s = new Student();
System.out.println(s instanceof Person); // true
System.out.println(s instanceof Student); // true

Student n = null;
System.out.println(n instanceof Student); // false

多态

在继承关系中，子类如果定义了一个与父类方法签名完全相同的方法，被称为覆写（Override）。

在子类Student中，覆写这个run()方法：

class Student extends Person {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Student.run");
    }
}

多态是指，针对某个类型的方法调用，其真正执行的方法取决于运行时期实际类型的方法。

调用super

在子类的覆写方法中，如果要调用父类的被覆写的方法，可以通过super

final

如果一个父类不允许子类对它的某个方法进行覆写，可以把该方法标记为final。用final修饰的方法不能被Override：

class Person {
    protected String name;
    public final String hello() {
        return "Hello, " + name;
    }
}

class Student extends Person {
    // compile error: 不允许覆写
    @Override
    public String hello() {
    }
}

如果一个类不希望任何其他类继承自它，那么可以把这个类本身标记为final。用final修饰的类不能被继承：

final class Person {
    protected String name;
}

// compile error: 不允许继承自Person
class Student extends Person {
}

抽象类

我们为什么要有抽象类呢？抽象类其实是一种方法，为了进行数据规范。如果在父类中定义了方法那么在子类中就必须定义方法，否则编译器会报错。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Student();
        p.run();
    }
}

abstract class Person {
    public abstract void run();
}

class Student extends Person {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Student.run");
    }
}

这种尽量引用高层类型，避免引用实际子类型的方式，称之为面向抽象编程。

面向抽象编程的本质就是：

上层代码只定义规范（例如：abstract class Person）；
不需要子类就可以实现业务逻辑（正常编译）；
具体的业务逻辑由不同的子类实现，调用者并不关心。

接口

什么是接口？为什么要有接口这个概念？

我们要知道一个类只能继承一个父类，但是可以实现多个接口。通过接口，可以实现多继承的效果，使得类能够获得多个接口定义的行为。同时可以确保不同的实现类都具有相同的方法签名，从而使得不同的实现类可以被一致地使用。使定义同一种命名规范。

所谓interface，就是比抽象类还要抽象的纯抽象接口，因为它连字段都不能有。因为接口定义的所有方法默认都是public abstract的，所以这两个修饰符不需要写出来（写不写效果都一样）。

当一个具体的class去实现一个interface时，需要使用implements关键字。举个例子：

class Student implements Person {
    private String name;

    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(this.name + " run");
    }

    @Override
    public String getName() {
        return this.name;
    }
}

抽象类和接口的对比如下：

|-------|------------------|-------------------------|
| | abstract class | interface |
| 继承 | 只能extends一个class | 可以inplements多个Interface |
| 字段 | 可以定义实例字段 | 不能定义实例字段 |
| 抽象方法 | 可以定义抽象方法 | 可以定义抽象方法 |
| 非抽象方法 | 可以定义非抽象方法 | 可以定义default方法 |

接口继承

一个interface可以继承自另一个interface。interface继承自interface使用extends，它相当于扩展了接口的方法。例如：

interface Hello {
    void hello();
}

interface Person extends Hello {
    void run();
    String getName();
}

此时person接口实际上有三个抽象方法签名，其中一个来自Hello接口。

一般来说，公共逻辑适合放在abstract class中，具体逻辑放到各个子类，而接口层次代表抽象程度。

┌───────────────┐
│   Iterable    │
└───────────────┘
        ▲                ┌───────────────────┐
        │                │      Object       │
┌───────────────┐        └───────────────────┘
│  Collection   │                  ▲
└───────────────┘                  │
        ▲     ▲          ┌───────────────────┐
        │     └──────────│AbstractCollection │
┌───────────────┐        └───────────────────┘
│     List      │                  ▲
└───────────────┘                  │
              ▲          ┌───────────────────┐
              └──────────│   AbstractList    │
                         └───────────────────┘
                                ▲     ▲
                                │     │
                                │     │
                     ┌────────────┐ ┌────────────┐
                     │ ArrayList  │ │ LinkedList │
                     └────────────┘ └────────────┘

default方法

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Student("Xiao Ming");
        p.run();
    }
}

interface Person {
    String getName();
    default void run() {
        System.out.println(getName() + " run");
    }
}

class Student implements Person {
    private String name;

    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return this.name;
    }
}

default方法的目的是，当我们需要给接口新增一个方法时，会涉及到修改全部子类。如果新增的是default方法，那么子类就不必全部修改，只需要在需要覆写的地方去覆写新增方法。

接口的静态字段

因为interface是一个纯抽象类，所以它不能定义实例字段。但是，interface是可以有静态字段的，并且静态字段必须为final类型：

public interface Person {
    public static final int MALE = 1;
    public static final int FEMALE = 2;
}

实际上，因为interface的字段只能是public static final类型，所以我们可以把这些修饰符都去掉，上述代码可以简写为：

public interface Person {
    // 编译器会自动加上public statc final:
    int MALE = 1;
    int FEMALE = 2;
}

包（package）

什么是Java中的包，为什么要有包？包存在的目的其实是为了解决命名冲突的问题。如果我们写了一个Array类恰好，JDK中也有一个Array类，如何解决命名冲突的问题。这时我们就可以用包来解决这个问题。

包作用域

package hello;

public class Person {
    // 包作用域:
    void hello() {
        System.out.println("Hello!");
    }
}

Main类也定义在hello包下面：

package hello;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Person p = new Person();
        p.hello(); // 可以调用，因为Main和Person在同一个包
    }
}

import

import的作用是用来引入其他的类。

在写import的时候，可以使用*，表示把这个包下面的所有class都导入进来（但不包括子包的class）：

// Person.java
package ming;

// 导入mr.jun包的所有class:
import mr.jun.*;

public class Person {
    public void run() {
        Arrays arrays = new Arrays();
    }
}

一般不推荐这种写法，因为在导入了多个包后，很难看出Arrays类属于哪个包。

import static的语法，它可以导入一个类的静态字段和静态方法：

package main;

// 导入System类的所有静态字段和静态方法:
import static java.lang.System.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 相当于调用System.out.println(...)
        out.println("Hello, world!");
    }
}

Java编译器最终编译出的.class文件只使用完整类名，因此，在代码中，当编译器遇到一个class名称时：

如果是完整类名，就直接根据完整类名查找这个class；
如果是简单类名，按下面的顺序依次查找：

- 查找当前package是否存在这个class；
- 查找import的包是否包含这个class；
- 查找java.lang包是否包含这个class。

如果按照上面的规则还无法确定类名，则编译报错。

如果有两个class名称相同，例如，mr.jun.Arrays和java.util.Arrays，那么只能import其中一个，另一个必须写完整类名。

为了避免名字冲突，我们需要确定唯一的包名。推荐的做法是使用倒置的域名来确保唯一性。