夯实基础系列一：Java 基础总结

前言

大学期间接触 Java 的时间也不短了，不论学习还是实习，都让我发觉基础的重要性。互联网发展太快了，各种框架各种技术更新迭代的速度非常快，可能你刚好掌握了一门技术的应用，它却已经走在淘汰的边缘了。

而学习新技术总要付出一定的时间成本，那么怎么降低时间成本呢？那就是打好基础，技术再怎么革新，底层的东西也很少会变动，牢固的基础会帮助你在各种新技术的学习中游刃有余，快速上手。

因为我选择的方向是后台开发，所以谈谈我认为的基础有哪些。其他方向肯定也有自己的体系，从低层到高层，可以自己摸索。后台的话，我觉得网络知识，各种协议，web 知识，数据库知识，Linux 基本操作以及自己选择的后台语言知识，这些是最基础最需要牢固掌握的。

所以从今天起，会出一系列与后台基础相关的博文，一是对自己过去学习的一个总结，二是分享出来，希望可以帮助到需要的人。

概要

Java 基础我做了 10 个方面的总结，包括基本概念，面向对象，关键字，基本类型与运算，字符串与数组，异常处理，Java 平台与内存管理，分布式 Java 应用，多线程，IO。以下对这些内容做一些简单的总结，同时我也有完整的思维导图，博客上不方便展示，若有需要，请关注微信公众号永伦的小屋，后台回复 Java 即可获取。

细节

1. 基本概念

1.1 语言特点

• 纯面向对象

• 平台无关性

• 内置类库

• 支持web

• 安全性

  • 防止代码攻击

• 健壮性

  • 强类型机制
  • 垃圾回收器
  • 异常处理
  • 安全检查机制

• 去除C++中难以理解易混淆的特性

1.2 与C++比较

• 解释编译混合型语言，执行速度慢，跨平台
• 纯面向对象，只有类，不存在全局变量或全局函数
• 无指针，无多继承，可多实现
• 垃圾回收器自动管理内存

1.3 main函数知识

• Java程序入口方法
• 可由final，synchronized修饰，不能用abstract

1.4 Java程序初始化顺序

• 静态优于非静态
• 父类优于子类
• 按照成员变量的定义顺序
• 总共10个

1.5 作用域与可见性

• 静态变量属于类
• 局部变量属于花括号
• 成员变量看下一条
• public、protected、default、private 可见性依次递减

1.6 构造函数

• 与类名相同，无返回值
• 可重载，不能被继承，即不能被覆盖
• 参数个数任意
• 伴随new 一起调用，为系统调用
• 完成对象的初始化工作
• 子类可通过super显式调用父类。父类没有提供无参，子类必须显式调用
• 未定义，默认无参，修饰符取决于类修饰符

1.7 标识接口

• 无任何方法声明
• 表示实现它的类属于一个特定的类型

1.8 clone 方法

• 实现Cloneable接口
• 重写Object类中的clone()
• clone()中调用super.clone()
• 把浅复制引用指向新的克隆体

1.9 反射

• 定义：允许程序在运行时进行自我检查，也允许对其内部成员进行操作
• 功能
  • 得到一个对象所属的类
  • 获取一个类的所有成员和方法
  • 运行时创建对象
  • 在运行时调用对象的方法
• 获取类的方式
  • class.forName("类路径")
  • 类名.class
  • 实例.getClass()

1.10 创建对象的四种方式

• new
• 反射机制
• clone()
• 反序列化

1.11 package 作用

• 提供多层命名空间，解决命名冲突
• 对类按功能进行分类，使项目组织更加清晰

2. 面向对象

2.1 与面向过程区别

• 层次逻辑关系不同。
  • 面向对象是通过类的层次结构来体现类之间的继承与发展
  • 面向过程是通过模块的层次结构概括模块与模块间的关系与功能
• 数据处理方式不同与控制程序方式不同
  • 面向对象是数据与操作封装成一个整体，通过事件驱动来激活和运行程序
  • 面向过程是数据单独存储，控制程序方式上按照设计调用或返回程序

2.2 特性

• 抽象
• 继承
• 多态
• 封装

2.3 这种开发方式优点

• 开发效率高。代码重用
• 保证软件的鲁棒性。经过长期测试的已有代码
• 保证软件的高可维护性。设计模式成熟

2.4 继承

• 单继承
• 只能继承父类的非私有成员变量和方法
• 同名成员变量，子类覆盖，不会继承
• 相同函数签名，子类覆盖，不会继承

2.5 组合和继承区别

• 组合：在新类中创建原有类的对象。has a
• 继承是 is a

2.6 多态

• 方法重载
  • 编译时多态
• 方法覆盖
  • 运行时多态
• 成员变量无多态概念

2.7 覆盖和重载区别

• 子父类关系，垂直；同类方法间关系，水平
• 一对方法发生关系；多个方法发生关系
• 参数列表相同；参数列表不同
• 调用的方法根据对象的类型决定；根据调用时的实参表决定方法体

2.8 抽象类与接口异同

同

• 不能被实例化
• 接口的实现类实现了接口，抽象类的子类实现了方法，才能被实例化

异

• 接口只能定义方法，不能实现；抽象类可以有定义和实现
• 接口需要被实现；抽象类需要被继承
• 接口强调特定功能的实现；抽象类强调所属关系
• 接口成员变量默认为 public static final，成员方法 public abstract
• 抽象类变量默认default，方法不能用 private、static、synchronized、native 修饰

2.9 内部类

• 静态内部类
  • static 修饰
  • 只能访问外部类中的static数据
• 成员内部类
  • 与实例绑定
  • 不可定义静态属性和方法
  • 外部实例化后，该内部类才能被实例化
• 局部内部类
  • 代码块内
  • 不能被public、protected、private以及static修饰
  • 只能访问final 局部变量
• 匿名内部类
  • 无类名
  • 无构造函数，必须继承或实现其他类
  • 原则
    • 无构造函数
    • 无静态成员，方法和类
    • 不能是public、protected、private、static
    • 只能创建匿名内部类的一个实例
    • new 后面有继承或实现
    • 特殊的局部内部类

2.10 如何获取父类类名

• 利用反射：obj.getClass().getSuperClass().getName()
• 不使用super.getClass()原因：该方法在 Object中为final与native，子类不能覆盖，返回此Object运行时类

2.11 this

• 指向当前实例对象
• 区分成员变量与方法形参

2.12 super

• 访问父类成员变量或方法
• 子类同名会覆盖，访问父类只能通过super
• 子类构造函数需显示调用父类构造函数时，super()必须为构造函数的第一条语句

3. 关键字

3.1 变量命名

• 英文字母
• 数字
• _和$
• 不能包含空白字符
• 首字符不能为数字
• 保留字不能做标识符
• 区分大小写

3.2 assert

• 软件调试
• 运行时开启 -ea

3.3 static

• 特定类的统一存储空间，类绑定
• 成员变量：属于类，内存中只有一个复制
• 成员方法：调静态数据。可实现单例模式
• 代码块：初始化静态变量，只被执行一次
• 内部类：不能与外部类重名，只能访问外部类静态数据(包括私有)

3.4 switch

• 多分支选择
• 整型或字符类型变量或整数表达式
• Java 7 开始支持 String。原理是String的hashCode()返回的int类型值匹配

3.5 volatile

• 保证线程间的可见性
• 从内存中取数据，而不是缓存
• 不保证原子性

3.6 instanceof

• 二元运算符
• 判断一个引用类型的变量所指向的对象是否是一个类的实例
• 即左边对象是否是右边类的实例

3.7 strictfp

• 精确浮点
• 确保浮点运算的准确性
• 若不指定，结果依赖于虚拟机平台
• 指定后依赖于统一标准，保证各平台的一致性

3.8 null

• 不是合法的Object实例
• 无内存
• 表明该引用目前没有指向任何对象

4. 基本类型与运算

4.1 基本数据类型

• int长度
  • byte(8 bit)
  • short(16 bit)
  • int(32 bit)
  • long(64 bit)
• float长度
  • 单精度(32 bit float)
  • 双精度(64 bit double)
• boolean 类型变量的取值
  • true
  • false
• char数据类型:Unicode字符(16 bit)
• void:java.lang.Void 无法直接对其进行操作

4.2 不可变类

• 实例创建后，值不可变
• 所有的基本类型的包装类+String
• 优点
  • 使用简单
  • 线程安全
  • 节省内存
• 缺点:会因为值的不同而产生新的对象，导致无法预料的问题

4.3 类型转换

• 隐式类型转换

  • 低精度到高精度
  • byte->short->char->int->long->float->double

• 显式类型转换

  • 反之
  • 可能会损失精度

• 类型自动转换

  • 低到高
  • char类型会转换为其对应的ASCII码
  • byte、char、short参与运算自动转为int，但"+="，不转
  • 基本数据类型与boolean不能相互转换
  • 多种类型混合运算，自动转成容量最大类型

• 运算符优先级

    点	()	[]
    +(正)	-(负)		++	--	~	!
    *	/	%
    +(加)	-(减)
    <<	>>	>>>
    <	<=	>	>=	instanceof
    ==	!=
    &
    |
    ^
    &&
    ||
    ?:
    =	+=	-=	*=	/=	%=	&=       |=	^=	~=	<<=	>>=	>>>=
  

5. 字符串与数组

5.1 字符串创建与存储机制

• 堆
• 常量池
• new String("abc")创建1个或2个对象

5.2 ==、equals和hashCode区别

• == 比较引用，内存
• 未覆盖，同==；比较内容
• hashCode鉴定对象是否相等，返回整数

5.3 String,StringBuffer,StringBuilder

• String:不可变，执行效率最低
• StringBuffer:可修改，线程安全，效率较高
• StringBuilder:可修改，线程不安全，效率最高

5.4 其他

• 数组初始化方式
• length属性和length()方法

6. 异常处理

6.1 finally块执行时机

• 若try中有return，在return前
• 若try-finally或catch-finally中都有return，finally会覆盖

6.2 finally代码块不是一定会被执行

• 程序进入try之前出现异常
• try中调用System.exit(0)

6.3 Error

严重错误，不可恢复

6.4 Exception

• 可恢复，编译器可捕捉
• 检查性异常
  • IO
  • SQL
• 运行时异常
  • JVM处理
  • NullPointException
  • ClassCastException
  • ArrayIndexOutOfBoundsException
• 出现异常后，一直往上层抛，直到遇到处理代码或最上层
• 多态。若先捕获基类，再捕获子类。子类处理代码将永远不会得到执行

7. Java平台与内存管理

7.1 Java平台与其他语言平台的区别

• 纯软件，包括JVM与JAVA API
• JVM虚拟，不跨平台

7.2 JAVA代码的执行

• 代码编译为class：sun jdk 中javac
• 装载class：ClassLoader
• 执行class
  • 解释执行
  • 编译执行
    • client compiler
    • server compiler

7.3 java源码编译机制

• 词法分析器组件：Token流
• 语法分析器组件：语法树
• 语义分析器组件：注解语法树
  • 将语法树中的名字、表达式等元素与变量、方法、类型等联系到一起
  • 检查变量使用前是否已声明
  • 推导泛型方法的类型参数
  • 检查类型匹配性
  • 进行常量折叠
  • 检查所有语句都可到达
  • 检查变量的确定性赋值
  • 解除语法糖
  • 将泛型JAVA转成普通Java
  • 检查所有checked exception都被捕获或抛出
  • 将含语法糖的语法树转成简单语法树eg:foreach，自动折叠
• 代码生成器组件：字节码

7.4 类加载机制

• 装载：全限定名+类加载器加载类
• 链接
  • 校验
    • 格式不符，抛VerifyError
    • 加载引用的类失败：抛NoClassDefFoundError
  • 准备：静态变量默认初始化
  • 解析：属性、方法验证(可选)
• 初始化(不是类加载必须触发的)
  • 静态初始化代码
  • 构造器代码
  • 静态属性初始化
  • 触发时机
    • 调用了new
    • 反射调用了类中的方法
    • 子类调用了初始化
    • JVM启动过程中指定的初始化类
      • 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 类执行机制

• 解释执行

  • JVM字节码为中间代码，由JVM在运行期对其解释并执行
    • invokestatic
    • invokevirtual
    • invokeinterface
    • invokespecial
  • 基于栈
    • 代码紧凑，体积小
    • 线程创建后，产生PC和Stack
    • 指令解释执行
    • 栈顶缓存：栈顶值缓存在寄存器上
    • 部分栈帧共享

• 编译执行

  • client compiler
    • 轻量级，占内存少
    • 方法内联
    • 去虚拟化
    • 冗余消除
  • server compiler
    • 重量级，占内存多
    • 逃逸分析是C2进行很多优化的基础
    • 标量替换：用标量替换聚合量
    • 栈上分配
      • 若对象未逃逸，C2会选择在栈上直接创建Point对象实例，而不是在堆上
      • 栈上分配更快速，对象易回收
    • 同步消除：如果发现同步的对象未逃逸，那也没有同步的必要。C2会去掉同步代码块

7.6 内存空间

• 方法区：类信息，线程共享
• 堆
  • 对象实例+数组
  • 分代管理
    • 新生代
    • 旧生代
• 本地方法栈：支持native方法，Sun JDK的实现中本地方法栈和JVM方法栈是同一个
• PC寄存器：线程私有
• JVM方法栈：线程私有

7.7 内存分配

• Java对象，堆上分配，分配需加锁，开销大
• 当堆上空间不足-->GC-->仍不足-->抛OutOfMemory
• Sun JDK 为新创建的线程在Eden上分配TLAB
• 多个小对象比大对象分配更高效
• 基于逃逸分析直接从栈上分配

7.8 内存回收

• 收集器
  • 引用计数收集器
    • 计数器增减有消耗
    • 不适合循环引用
  • 跟踪收集器
    • 集中式管理
    • 全局记录数据的引用状态
    • 从根集合扫描对象，可能会造成应用程序暂停
    • 三种实现算法
      • 复制
        • 适用于回收空间中存活对象较少
        • 缺点：需要增加一块空的内存空间及进行对象的移动
      • 标记-清除：会产生内存碎片
      • 标记-压缩：不产生内存碎片
• Sun JDK中可用GC
  • 新生代
    • 串行GC(Serial GC)：复制算法
      • Minor GC
      • 强软弱虚
    • 并行回收GC(Parrallel Scavenge)：扫描复制多线程
    • 并行 GC(ParNew)：配合旧生代 CMS
  • 旧生代和持久代可用GC
    • 串行：标记压缩+清除
    • 并行：标记压缩
    • 并发：CMS
      • 1. 标记：暂停
      • 2. 并发标记：恢复，轮询着色对象，以标记它们
      • 3. 重新标记：暂停
      • 4. 并发收集：恢复
      • CMS内存回收易产生碎片，但是它提供了整理碎片的功能
      • 浮动垃圾：CMS回收时产生应该回收但要等到下次CMS才能被回收掉的对象
• Full GC
  • 对新生代旧生代及持久代都进行的GC
  • 触发的四种情况
    • 旧生代空间不足
    • 持久代空间满
    • CMS GC出现promotion failed和concurrent mode failure
    • 统计得到的Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间

7.9 内存泄露

• 一个不再被程序使用的对象或变量还在内存中占有存储空间
• 符合垃圾回收标准
  • 对象赋空值null
  • 给对象赋予新值，重新分配了内存空间
• 泄露的两种情况
  • 堆中申请的空间没有被释放
  • 对象不再被使用，但仍然存活在内存中
• 泄露原因
  • 静态集合类
  • 各种连接
  • 监听器
  • 变量不合理的作用域
  • 单例模式

8. 分布式Java应用

8.1 基于消息方式实现系统间的通信

• TCP/IP+BIO
  • socket.setSoTimeOut()设置等待响应的超时时间
  • 一连接一线程
  • 缺点：无论连接是否真实，都要创建线程
  • BIO下服务器端所能支撑的连接数目有限
• TCP/IP+NIO
  • Channel
    • SocketChannel：建立连接，监听事件，操作读写
    • ServerSocketChannel：监听端口，监听连接事件
  • Selector：获取是否要处理的事件
  • Buffer：存放处理的数据
  • NIO Reactor模式，通过注册感兴趣的事件及扫描是否有感兴趣的事件发生，从而做出相应的动作
  • 多个请求，连接复用
  • 只有在有真实的请求时，才会创建线程
  • 一请求一线程
• UDP/IP+BIO
  • DatagramSocket：负责监听端口，读写数据
  • DatagramPacket：作为数据流对象进行传输
• UDP/IP+NIO
  • DatagramChannel：监听端口，进行读写
  • ByteBuffer：数据流传输
• NIO好处：只在有流要读取或可写入流时才做出相应的IO操作，而不像BIO方式阻塞当前线程

8.2 基于远程调用方式实现系统间的通信

• 远程调用方式
  • 系统间通信和系统内一样
  • 让使用者感觉调用远程同调用本地一样
• 基于Java自身技术
  • RMI：客户端代理，stub，封装对象，序列化为流，TCP/IP BIO，Skeleton，反序列化，获取对象实例，调用
  • WebService
    • 1. 服务端的服务生成WSDL文件
    • 2. 将应用+WSDL文件放入HTTP服务器
    • 3. 借用Java辅助工具根据WSDL文件生成客户端stub代码
    • 4. stub将产生的对象请求信息封装为标准化的SOAP格式数据，并发请求到服务器端
    • 5. 服端在接收到SOAP格式数据时进行转化，反射调用相应的Java类
    • SOAP优点支持跨语言，缺点对复杂对象结构难支持

8.3 基于开源框架

• Spring RMI

9. 多线程

9.1 线程资源同步机制

• JVM保证以下操作顺序
  • 同一线程操作
  • 对于main Memory 上的同一个变量的操作
  • 对于加了锁的main Memory上的对象操作
• 为避免资源操作的脏数据问题，JVM提供了
  • synchronized
  • volatile
  • lock/unlock
  • 目的是控制资源竞争

9.2 线程交互机制

• 基于Object的wait/notify/notifyAll
  • 为避免假唤醒，需要double check
  • 调用对象的wait-->wait sets--->释放锁--->其他线程notify---->wait sets---->执行此对象线程--->删除sets中此线程
• 基于JDK 5 并发包，支持线程交互
  • Semphore的acquire，release
  • Condition的await，signal
  • CountDownLatch的await和countDown

9.3 线程状态

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

9.4 sleep()与wait()方法的区别

• sleep
  • 暂停一段时间执行
  • Thread的静态方法
  • 不释放锁
  • 需要捕获异常
• wait
  • 使线程暂停执行
  • Object方法，用于线程间通信
  • 释放锁

9.5 守护线程

• 后台提供服务
• 用户线程全部终止，只剩下守护线程时，JVM就会退出
• 调用start()之前，调用线程对象的setDaemon(true)

9.6 join

• 调用该方法的线程在执行完run()后，再执行join方法后面的代码
• 线程合并，实现同步功能

10. IO

10.1 流本质

• 数据传输

10.2 流分类

• 字节流:不使用缓存
• 字符流
  • 码表映射
  • 使用缓存

10.3 装饰者模式

• 运行时动态给对象增加额外的职责
• 是你还有你，一切拜托你
• FilterInputStream

10.4 Java Socket

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

10.5 NIO

• Channel--Selector--Buffer
• 反应器模式

10.6 序列化

• 对象持久化方式
• 解决在对对象流进行读写操作时引发的问题
• 对象写进流里进行网络传输，保存到文件，数据库

10.7 如何实现序列化

• 实现Serializable接口
• 使用FileOutputStream来构造ObjectOutputStream对象
• 使用该对象的writeObject(obj)方法将对象写出
• 要恢复时，使用对应的输入流

10.8 序列化特点

• 一个类能被序列化，它的子类也能被序列化
• static代表类成员，transient代表临时数据。均不能被序列化
• 序列化影响性能，需要才使用
• 需要通过网络来发送对象，或对象的状态需要被持久化到数据库或文件中
• 序列化能实现深复制，即可以复制引用的对象

10.9 反序列化

• 将流转化为对象
• UID最好自己定义。优点
  • 提高程序运行效率。省去计算过程
  • 提高程序不同平台兼容性。不同计算方式，反序列化失败
  • 增强程序各个版本的可兼容性。加入新属性，默认UID变化

10.10 外部序列化

• 实现Externalizable接口控制