Java 学习笔记

一、Java 基础语法

1.1 第一个 Java 程序

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

• 文件名必须与 public class 名一致。
• main 方法是程序入口点。

1.2 数据类型

基本数据类型分为四类八种：

• 整数类型：byte（1字节）、short（2字节）、int（4字节）、long（8字节，需加 L 后缀）
• 浮点类型：float（4字节，需加 F）、double（8字节，默认浮点类型）
• 字符类型：char（2字节，Unicode 编码）
• 布尔类型：boolean（值为 true 或 false）

引用类型包括：类、接口、数组。

1.3 变量与常量

• 变量：int age = 20;
• 常量：使用 final 修饰，如 final double PI = 3.14159;

1.4 运算符

• 算术运算符：+ - * / % ++ --
• 关系运算符：== != > < >= <=
• 逻辑运算符：&& || !
• 位运算符：& | ^ ~ << >> >>>
• 赋值运算符：= += -= *= /= %=

1.5 控制流程

• 条件语句：if-else、switch-case（支持 String 从 Java 7 起）
• 循环语句：for、while、do-while
• 跳转语句：break、continue、return

二、面向对象编程（OOP）

2.1 类与对象

class Car {
    String brand;
    void start() {
        System.out.println(brand + " started.");
    }
}

Car myCar = new Car();
myCar.brand = "Toyota";
myCar.start();

2.2 四大特性

• 封装：通过 private 隐藏属性，提供公共方法访问。
• 继承：使用 extends，子类继承父类非私有成员。
• 多态：父类引用指向子类对象，方法调用在运行时决定。
• 抽象：通过 abstract class 或 interface 定义规范。

2.3 构造方法

• 与类同名，无返回类型。
• 可重载。
• 使用 this() 调用本类其他构造器，super() 调用父类构造器（必须在第一行）。

2.4 static 关键字

• static 成员属于类本身，可通过类名直接访问。
• 静态代码块在类加载时执行一次。

2.5 final 关键字

• 修饰类：不可被继承。
• 修饰方法：不可被重写。
• 修饰变量：成为常量（引用不可变，但对象内部状态可变）。

三、异常处理

3.1 异常分类

• Error：系统级错误，如 OutOfMemoryError。
• Exception：
  • Checked Exception：编译期检查，如 IOException。
  • Unchecked Exception：运行时异常，如 NullPointerException。

3.2 异常处理结构

try {
    // 可能抛出异常的代码
} catch (IOException e) {
    // 处理异常
} finally {
    // 无论是否异常都会执行，常用于资源释放
}

3.3 throws 与 throw

• throws：声明方法可能抛出的异常。
• throw：手动抛出异常对象。

3.4 自定义异常

class InvalidAgeException extends Exception {
    public InvalidAgeException(String message) {
        super(message);
    }
}

四、数组与字符串

4.1 数组

• 声明：int[] arr = new int[5];
• 初始化：int[] nums = {1, 2, 3};
• 长度：arr.length

4.2 String

• 不可变对象，每次操作生成新对象。
• 常用方法：equals()、length()、substring()、split()、trim()
• 字符串拼接性能：优先使用 StringBuilder（单线程）或 StringBuffer（多线程）

五、集合框架

5.1 主要接口

• Collection：根接口
  • List：有序、可重复（如 ArrayList, LinkedList）
  • Set：无序、不重复（如 HashSet, TreeSet）
  • Queue：队列
• Map：键值对（如 HashMap, TreeMap, LinkedHashMap）

5.2 常见实现类特点

• ArrayList：基于动态数组，随机访问快。
• LinkedList：基于双向链表，插入删除快。
• HashMap：哈希表实现，允许 null 键和值，非线程安全。
• ConcurrentHashMap：线程安全的 Map。

5.3 遍历方式

• for-each 循环
• Iterator 迭代器
• Java 8 Stream API

六、泛型

6.1 作用

• 提供编译期类型安全。
• 避免强制类型转换。

6.2 基本用法

List<String> list = new ArrayList<>();
Map<Integer, String> map = new HashMap<>();

6.3 通配符

• <?>：未知类型
• <? extends T>：上限通配符（只能读）
• <? super T>：下限通配符（只能写）

七、Java 8+ 新特性

7.1 Lambda 表达式

Runnable r = () -> System.out.println("Run");
list.forEach(System.out::println);

7.2 Stream API

List<String> result = users.stream()
    .filter(u -> u.getAge() > 18)
    .map(User::getName)
    .collect(Collectors.toList());

7.3 Optional

避免空指针：

Optional<String> opt = Optional.ofNullable(str);
opt.ifPresent(s -> System.out.println(s));

7.4 新日期时间 API

• 包：java.time
• 常用类：LocalDateTime, ZonedDateTime, Duration, Period
• 线程安全、不可变设计

八、多线程与并发

8.1 创建线程方式

1. 继承 Thread 类
2. 实现 Runnable 接口
3. 实现 Callable<V> 接口（配合 FutureTask）

8.2 线程状态

NEW → RUNNABLE → BLOCKED / WAITING / TIMED_WAITING → TERMINATED

8.3 同步机制

• synchronized：修饰方法或代码块
• volatile：保证可见性与禁止指令重排序
• ReentrantLock：显式锁，支持公平锁、条件变量

8.4 线程池

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
executor.submit(() -> { /* task */ });
executor.shutdown();

8.5 并发工具类

• CountDownLatch：等待多个线程完成
• CyclicBarrier：线程相互等待
• Semaphore：控制并发数量
• ConcurrentHashMap：高效线程安全 Map

九、IO 与 NIO

9.1 传统 IO（阻塞）

• 字节流：InputStream / OutputStream
• 字符流：Reader / Writer
• 常用组合：FileReader + BufferedReader

9.2 NIO（非阻塞，Java 1.4+）

• 核心组件：Buffer、Channel、Selector
• 支持多路复用，适用于高并发网络编程（如 Netty）

十、JVM 基础

10.1 内存区域

• 堆（Heap）：存放对象实例，GC 主要区域
• 方法区（Metaspace）：存储类信息、常量、静态变量
• 虚拟机栈：每个线程私有，存储局部变量、方法调用
• 程序计数器：记录当前线程执行字节码位置
• 本地方法栈：为 Native 方法服务

10.2 垃圾回收（GC）

• 常见算法：标记-清除、复制、标记-整理
• 常见收集器：Serial、Parallel、CMS、G1

10.3 类加载机制

• 加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化
• 双亲委派模型：防止核心类被篡改