夯實基礎系列一：Java 基礎總結

前言

大學期間接觸 Java 的時間也不短了，不論學習還是實習，都讓我發覺基礎的重要性。互聯網發展太快了，各種框架各種技術更新迭代的速度非常快，可能你剛好掌握了一門技術的應用，它卻已經走在淘汰的邊緣了。

而學習新技術總要付出一定的時間成本，那麼怎麼降低時間成本呢？那就是打好基礎，技術再怎麼革新，底層的東西也很少會變動，牢固的基礎會幫助你在各種新技術的學習中游刃有餘，快速上手。

因為我選擇的方向是後臺開發，所以談談我認為的基礎有哪些。其他方向肯定也有自己的體系，從低層到高層，可以自己摸索。後臺的話，我覺得網路知識，各種協議，web 知識，資料庫知識，Linux 基本操作以及自己選擇的後臺語言知識，這些是最基礎最需要牢固掌握的。

所以從今天起，會出一系列與後臺基礎相關的博文，一是對自己過去學習的一個總結，二是分享出來，希望可以幫助到需要的人。

概要

Java 基礎我做了 10 個方面的總結，包括基本概念，面向對象，關鍵字，基本類型與運算，字元串與數組，異常處理，Java 平臺與記憶體管理，分散式 Java 應用，多線程，IO。以下對這些內容做一些簡單的總結，同時我也有完整的思維導圖，博客上不方便展示，若有需要，聯繫我。

細節

1. 基本概念

1.1 語言特點

• 純面向對象
• 平臺無關性
• 內置類庫
• 支持web
• 安全性
  • 防止代碼攻擊
• 健壯性
  • 強類型機制
  • 垃圾回收器
  • 異常處理
  • 安全檢查機制
• 去除C++中難以理解易混淆的特性

1.2 與C++比較

• 解釋編譯混合型語言，執行速度慢，跨平臺
• 純面向對象，只有類，不存在全局變數或全局函數
• 無指針，無多繼承，可多實現
• 垃圾回收器自動管理記憶體

1.3 main函數知識

• Java程式入口方法
• 可由final，synchronized修飾，不能用abstract

1.4 Java程式初始化順序

• 靜態優於非靜態
• 父類優於子類
• 按照成員變數的定義順序
• 總共10個

1.5 作用域與可見性

• 靜態變數屬於類
• 局部變數屬於花括弧
• 成員變數看下一條
• public、protected、default、private 可見性依次遞減

1.6 構造函數

• 與類名相同，無返回值
• 可重載，不能被繼承，即不能被覆蓋
• 參數個數任意
• 伴隨new 一起調用，為系統調用
• 完成對象的初始化工作
• 子類可通過super顯式調用父類。父類沒有提供無參，子類必須顯式調用
• 未定義，預設無參，修飾符取決於類修飾符

1.7 標識介面

• 無任何方法聲明
• 表示實現它的類屬於一個特定的類型

1.8 clone 方法

• 實現Cloneable介面
• 重寫Object類中的clone()
• clone()中調用super.clone()
• 把淺複製引用指向新的克隆體

1.9 反射

• 定義：允許程式在運行時進行自我檢查，也允許對其內部成員進行操作
• 功能
  • 得到一個對象所屬的類
  • 獲取一個類的所有成員和方法
  • 運行時創建對象
  • 在運行時調用對象的方法
• 獲取類的方式
  • class.forName("類路徑")
  • 類名.class
  • 實例.getClass()

1.10 創建對象的四種方式

• new
• 反射機制
• clone()
• 反序列化

1.11 package 作用

• 提供多層命名空間，解決命名衝突
• 對類按功能進行分類，使項目組織更加清晰

2. 面向對象

2.1 與面向過程區別

• 層次邏輯關係不同。
  • 面向對象是通過類的層次結構來體現類之間的繼承與發展
  • 面向過程是通過模塊的層次結構概括模塊與模塊間的關係與功能
• 數據處理方式不同與控製程序方式不同
  • 面向對象是數據與操作封裝成一個整體，通過事件驅動來激活和運行程式
  • 面向過程是數據單獨存儲，控製程序方式上按照設計調用或返回程式

2.2 特性

• 抽象
• 繼承
• 多態
• 封裝

2.3 這種開發方式優點

• 開發效率高。代碼重用
• 保證軟體的魯棒性。經過長期測試的已有代碼
• 保證軟體的高可維護性。設計模式成熟

2.4 繼承

• 單繼承
• 只能繼承父類的非私有成員變數和方法
• 同名成員變數，子類覆蓋，不會繼承
• 相同函數簽名，子類覆蓋，不會繼承

2.5 組合和繼承區別

• 組合：在新類中創建原有類的對象。has a
• 繼承是 is a

2.6 多態

• 方法重載
  • 編譯時多態
• 方法覆蓋
  • 運行時多態
• 成員變數無多態概念

2.7 覆蓋和重載區別

• 子父類關係，垂直；同類方法間關係，水平
• 一對方法發生關係；多個方法發生關係
• 參數列表相同；參數列表不同
• 調用的方法根據對象的類型決定；根據調用時的實參表決定方法體

2.8 抽象類與介面異同

同

• 不能被實例化
• 介面的實現類實現了介面，抽象類的子類實現了方法，才能被實例化

異

• 介面只能定義方法，不能實現；抽象類可以有定義和實現
• 介面需要被實現；抽象類需要被繼承
• 介面強調特定功能的實現；抽象類強調所屬關係
• 介面成員變數預設為 public static final，成員方法 public abstract
• 抽象類變數預設default，方法不能用 private、static、synchronized、native 修飾

2.9 內部類

• 靜態內部類
  • static 修飾
  • 只能訪問外部類中的static數據
• 成員內部類
  • 與實例綁定
  • 不可定義靜態屬性和方法
  • 外部實例化後，該內部類才能被實例化
• 局部內部類
  • 代碼塊內
  • 不能被public、protected、private以及static修飾
  • 只能訪問final 局部變數
• 匿名內部類
  • 無類名
  • 無構造函數，必須繼承或實現其他類
  • 原則
    • 無構造函數
    • 無靜態成員，方法和類
    • 不能是public、protected、private、static
    • 只能創建匿名內部類的一個實例
    • new 後面有繼承或實現
    • 特殊的局部內部類

2.10 如何獲取父類類名

• 利用反射：obj.getClass().getSuperClass().getName()
• 不使用super.getClass()原因：該方法在 Object中為final與native，子類不能覆蓋，返回此Object運行時類

2.11 this

• 指向當前實例對象
• 區分成員變數與方法形參

2.12 super

• 訪問父類成員變數或方法
• 子類同名會覆蓋，訪問父類只能通過super
• 子類構造函數需顯示調用父類構造函數時，super()必須為構造函數的第一條語句

3. 關鍵字

3.1 變數命名

• 英文字母
• 數字
• _和$
• 不能包含空白字元
• 首字元不能為數字
• 保留字不能做標識符
• 區分大小寫

3.2 assert

• 軟體調試
• 運行時開啟 -ea

3.3 static

• 特定類的統一存儲空間，類綁定
• 成員變數：屬於類，記憶體中只有一個複製
• 成員方法：調靜態數據。可實現單例模式
• 代碼塊：初始化靜態變數，只被執行一次
• 內部類：不能與外部類重名，只能訪問外部類靜態數據(包括私有)

3.4 switch

• 多分支選擇
• 整型或字元類型變數或整數表達式
• Java 7 開始支持 String。原理是String的hashCode()返回的int類型值匹配

3.5 volatile

• 保證線程間的可見性
• 從記憶體中取數據，而不是緩存
• 不保證原子性

3.6 instanceof

• 二元運算符
• 判斷一個引用類型的變數所指向的對象是否是一個類的實例
• 即左邊對象是否是右邊類的實例

3.7 strictfp

• 精確浮點
• 確保浮點運算的準確性
• 若不指定，結果依賴於虛擬機平臺
• 指定後依賴於統一標準，保證各平臺的一致性

3.8 null

• 不是合法的Object實例
• 無記憶體
• 表明該引用目前沒有指向任何對象

4. 基本類型與運算

4.1 基本數據類型

• int長度
  • byte(8 bit)
  • short(16 bit)
  • int(32 bit)
  • long(64 bit)
• float長度
  • 單精度(32 bit float)
  • 雙精度(64 bit double)
• boolean 類型變數的取值
  • true
  • false
• char數據類型:Unicode字元(16 bit)
• void:java.lang.Void 無法直接對其進行操作

4.2 不可變類

• 實例創建後，值不可變
• 所有的基本類型的包裝類+String
• 優點
  • 使用簡單
  • 線程安全
  • 節省記憶體
• 缺點:會因為值的不同而產生新的對象，導致無法預料的問題

4.3 類型轉換

• 隱式類型轉換
  • 低精度到高精度
  • byte->short->char->int->long->float->double
• 顯式類型轉換
  • 反之
  • 可能會損失精度
• 類型自動轉換
  • 低到高
  • char類型會轉換為其對應的ASCII碼
  • byte、char、short參與運算自動轉為int，但"+="，不轉
  • 基本數據類型與boolean不能相互轉換
  • 多種類型混合運算，自動轉成容量最大類型

• 運算符優先順序

    點   ()  []
    +(正)    -(負)        ++  --  ~   !
    *   /   %
    +(加)    -(減)
    <<  >>  >>>
    <   <=  >   >=  instanceof
    ==  !=
    &
    |
    ^
    &&
    ||
    ?:
    =   +=  -=  *=  /=  %=  &=       |= ^=  ~=  <<= >>= >>>=

5. 字元串與數組

5.1 字元串創建與存儲機制

• 堆
• 常量池
• new String("abc")創建1個或2個對象

5.2 ==、equals和hashCode區別

• == 比較引用，記憶體
• 未覆蓋，同==；比較內容
• hashCode鑒定對象是否相等，返回整數

5.3 String,StringBuffer,StringBuilder

• String:不可變，執行效率最低
• StringBuffer:可修改，線程安全，效率較高
• StringBuilder:可修改，線程不安全，效率最高

5.4 其他

• 數組初始化方式
• length屬性和length()方法

6. 異常處理

6.1 finally塊執行時機

• 若try中有return，在return前
• 若try-finally或catch-finally中都有return，finally會覆蓋

6.2 finally代碼塊不是一定會被執行

• 程式進入try之前出現異常
• try中調用System.exit(0)

6.3 Error

嚴重錯誤，不可恢復

6.4 Exception

• 可恢復，編譯器可捕捉
• 檢查性異常
  • IO
  • SQL
• 運行時異常
  • JVM處理
  • NullPointException
  • ClassCastException
  • ArrayIndexOutOfBoundsException
• 出現異常後，一直往上層拋，直到遇到處理代碼或最上層
• 多態。若先捕獲基類，再捕獲子類。子類處理代碼將永遠不會得到執行

7. Java平臺與記憶體管理

7.1 Java平臺與其他語言平臺的區別

• 純軟體，包括JVM與JAVA API
• JVM虛擬，不跨平臺

7.2 JAVA代碼的執行

• 代碼編譯為class：sun jdk 中javac
• 裝載class：ClassLoader
• 執行class
  • 解釋執行
  • 編譯執行
    • client compiler
    • server compiler

7.3 java源碼編譯機制

• 詞法分析器組件：Token流
• 語法分析器組件：語法樹
• 語義分析器組件：註解語法樹
  • 將語法樹中的名字、表達式等元素與變數、方法、類型等聯繫到一起
  • 檢查變數使用前是否已聲明
  • 推導泛型方法的類型參數
  • 檢查類型匹配性
  • 進行常量摺疊
  • 檢查所有語句都可到達
  • 檢查變數的確定性賦值
  • 解除語法糖
  • 將泛型JAVA轉成普通Java
  • 檢查所有checked exception都被捕獲或拋出
  • 將含語法糖的語法樹轉成簡單語法樹eg:foreach，自動摺疊
• 代碼生成器組件：位元組碼

7.4 類載入機制

• 裝載：全限定名+類載入器載入類
• 鏈接
  • 校驗
    • 格式不符，拋VerifyError
    • 載入引用的類失敗：拋NoClassDefFoundError
  • 準備：靜態變數預設初始化
  • 解析：屬性、方法驗證(可選)
• 初始化(不是類載入必須觸發的)
  • 靜態初始化代碼
  • 構造器代碼
  • 靜態屬性初始化
  • 觸發時機
    • 調用了new
    • 反射調用了類中的方法
    • 子類調用了初始化
    • JVM啟動過程中指定的初始化類
      • Bootstrap Class Loader：$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar
      • Extension Class Loader：$JAVA_HOME/jre/lib/ext/*.jar
      • System Class Loader：$CLASSPATH
      • User Defined Class Loader

7.5 類執行機制

• 解釋執行
  • JVM位元組碼為中間代碼，由JVM在運行期對其解釋並執行
    • invokestatic
    • invokevirtual
    • invokeinterface
    • invokespecial
  • 基於棧
    • 代碼緊湊，體積小
    • 線程創建後，產生PC和Stack
    • 指令解釋執行
    • 棧頂緩存：棧頂值緩存在寄存器上
    • 部分棧幀共用
• 編譯執行
  • client compiler
    • 輕量級，占記憶體少
    • 方法內聯
    • 去虛擬化
    • 冗餘消除
  • server compiler
    • 重量級，占記憶體多
    • 逃逸分析是C2進行很多優化的基礎
    • 標量替換：用標量替換聚合量
    • 棧上分配
      • 若對象未逃逸，C2會選擇在棧上直接創建Point對象實例，而不是在堆上
      • 棧上分配更快速，對象易回收
    • 同步消除：如果發現同步的對象未逃逸，那也沒有同步的必要。C2會去掉同步代碼塊

7.6 記憶體空間

• 方法區：類信息，線程共用
• 堆
  • 對象實例+數組
  • 分代管理
    • 新生代
    • 舊生代
• 本地方法棧：支持native方法，Sun JDK的實現中本地方法棧和JVM方法棧是同一個
• PC寄存器：線程私有
• JVM方法棧：線程私有

7.7 記憶體分配

• Java對象，堆上分配，分配需加鎖，開銷大
• 當堆上空間不足-->GC-->仍不足-->拋OutOfMemory
• Sun JDK 為新創建的線程在Eden上分配TLAB
• 多個小對象比大對象分配更高效
• 基於逃逸分析直接從棧上分配

7.8 記憶體回收

• 收集器
  • 引用計數收集器
    • 計數器增減有消耗
    • 不適合迴圈引用
  • 跟蹤收集器
    • 集中式管理
    • 全局記錄數據的引用狀態
    • 從根集合掃描對象，可能會造成應用程式暫停
    • 三種實現演算法
      • 複製
        • 適用於回收空間中存活對象較少
        • 缺點：需要增加一塊空的記憶體空間及進行對象的移動
      • 標記-清除：會產生記憶體碎片
      • 標記-壓縮：不產生記憶體碎片
• Sun JDK中可用GC
  • 新生代
    • 串列GC(Serial GC)：複製演算法
      • Minor GC
      • 強軟弱虛
    • 並行回收GC(Parrallel Scavenge)：掃描複製多線程
    • 並行 GC(ParNew)：配合舊生代 CMS
  • 舊生代和持久代可用GC
    • 串列：標記壓縮+清除
    • 並行：標記壓縮
    • 併發：CMS
      • 1. 標記：暫停
      • 1. 併發標記：恢復，輪詢著色對象，以標記它們
      • 1. 重新標記：暫停
      • 1. 併發收集：恢復
      • CMS記憶體回收易產生碎片，但是它提供了整理碎片的功能
      • 浮動垃圾：CMS回收時產生應該回收但要等到下次CMS才能被回收掉的對象
• Full GC
  • 對新生代舊生代及持久代都進行的GC
  • 觸發的四種情況
    • 舊生代空間不足
    • 持久代空間滿
    • CMS GC出現promotion failed和concurrent mode failure
    • 統計得到的Minor GC晉升到舊生代的平均大小大於舊生代的剩餘空間

7.9 記憶體泄露

• 一個不再被程式使用的對象或變數還在記憶體中占有存儲空間
• 符合垃圾回收標準
  • 對象賦空值null
  • 給對象賦予新值，重新分配了記憶體空間
• 泄露的兩種情況
  • 堆中申請的空間沒有被釋放
  • 對象不再被使用，但仍然存活在記憶體中
• 泄露原因
  • 靜態集合類
  • 各種連接
  • 監聽器
  • 變數不合理的作用域
  • 單例模式

8. 分散式Java應用

8.1 基於消息方式實現系統間的通信

• TCP/IP+BIO
  • socket.setSoTimeOut()設置等待響應的超時時間
  • 一連接一線程
  • 缺點：無論連接是否真實，都要創建線程
  • BIO下伺服器端所能支撐的連接數目有限
• TCP/IP+NIO
  • Channel
    • SocketChannel：建立連接，監聽事件，操作讀寫
    • ServerSocketChannel：監聽埠，監聽連接事件
  • Selector：獲取是否要處理的事件
  • Buffer：存放處理的數據
  • NIO Reactor模式，通過註冊感興趣的事件及掃描是否有感興趣的事件發生，從而做出相應的動作
  • 多個請求，連接復用
  • 只有在有真實的請求時，才會創建線程
  • 一請求一線程
• UDP/IP+BIO
  • DatagramSocket：負責監聽埠，讀寫數據
  • DatagramPacket：作為數據流對象進行傳輸
• UDP/IP+NIO
  • DatagramChannel：監聽埠，進行讀寫
  • ByteBuffer：數據流傳輸
• NIO好處：只在有流要讀取或可寫入流時才做出相應的IO操作，而不像BIO方式阻塞當前線程

8.2 基於遠程調用方式實現系統間的通信

• 遠程調用方式
  • 系統間通信和系統內一樣
  • 讓使用者感覺調用遠程同調用本地一樣
• 基於Java自身技術
  • RMI：客戶端代理，stub，封裝對象，序列化為流，TCP/IP BIO，Skeleton，反序列化，獲取對象實例，調用
  • WebService
    • 1. 服務端的服務生成WSDL文件
    • 1. 將應用+WSDL文件放入HTTP伺服器
    • 1. 借用Java輔助工具根據WSDL文件生成客戶端stub代碼
    • 1. stub將產生的對象請求信息封裝為標準化的SOAP格式數據，併發請求到伺服器端
    • 1. 服端在接收到SOAP格式數據時進行轉化，反射調用相應的Java類
    • SOAP優點支持跨語言，缺點對複雜對象結構難支持

8.3 基於開源框架

• Spring RMI

9. 多線程

9.1 線程資源同步機制

• JVM保證以下操作順序
  • 同一線程操作
  • 對於main Memory 上的同一個變數的操作
  • 對於加了鎖的main Memory上的對象操作
• 為避免資源操作的臟數據問題，JVM提供了
  • synchronized
  • volatile
  • lock/unlock
  • 目的是控制資源競爭

9.2 線程交互機制

• 基於Object的wait/notify/notifyAll
  • 為避免假喚醒，需要double check
  • 調用對象的wait-->wait sets--->釋放鎖--->其他線程notify---->wait sets---->執行此對象線程--->刪除sets中此線程
• 基於JDK 5 併發包，支持線程交互
  • Semphore的acquire，release
  • Condition的await，signal
  • CountDownLatch的await和countDown

9.3 線程狀態

• New
• Runnable
• Running
• Wait
• TimedWait
• Blocked
• Terminated

9.4 sleep()與wait()方法的區別

• sleep
  • 暫停一段時間執行
  • Thread的靜態方法
  • 不釋放鎖
  • 需要捕獲異常
• wait
  • 使線程暫停執行
  • Object方法，用於線程間通信
  • 釋放鎖

9.5 守護線程

• 後臺提供服務
• 用戶線程全部終止，只剩下守護線程時，JVM就會退出
• 調用start()之前，調用線程對象的setDaemon(true)

9.6 join

• 調用該方法的線程在執行完run()後，再執行join方法後面的代碼
• 線程合併，實現同步功能

10. IO

10.1 流本質

• 數據傳輸

10.2 流分類

• 位元組流:不使用緩存
• 字元流
  • 碼表映射
  • 使用緩存

10.3 裝飾者模式

• 運行時動態給對象增加額外的職責
• 是你還有你，一切拜托你
• FilterInputStream

10.4 Java Socket

• ServerSocket server = new ServerSocket(2000);
• Socker socket = server.accept();
• 客戶端：Socket socket = new Socket("localhost",2000);

10.5 NIO

• Channel--Selector--Buffer
• 反應器模式

10.6 序列化

• 對象持久化方式
• 解決在對對象流進行讀寫操作時引發的問題
• 對象寫進流里進行網路傳輸，保存到文件，資料庫

10.7 如何實現序列化

• 實現Serializable介面
• 使用FileOutputStream來構造ObjectOutputStream對象
• 使用該對象的writeObject(obj)方法將對象寫出
• 要恢復時，使用對應的輸入流

10.8 序列化特點

• 一個類能被序列化，它的子類也能被序列化
• static代表類成員，transient代表臨時數據。均不能被序列化
• 序列化影響性能，需要才使用
• 需要通過網路來發送對象，或對象的狀態需要被持久化到資料庫或文件中
• 序列化能實現深複製，即可以複製引用的對象

10.9 反序列化

• 將流轉化為對象
• UID最好自己定義。優點
  • 提高程式運行效率。省去計算過程
  • 提高程式不同平臺相容性。不同計算方式，反序列化失敗
  • 增強程式各個版本的可相容性。加入新屬性，預設UID變化

10.10 外部序列化

• 實現Externalizable介面控制