Java 开发必备基础知识

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Java 开发中最基本的，在于对数据结构，JDK 常用类、方法，常用工具包的使用。

让我们用优雅的代码写出可靠的程序吧！

Integer

自动装箱和拆箱

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Integer i = 100;
// 编译后
Integer i = Integer.valueOf(100);

// JDK 源码：
public static Integer valueOf(int i) {
    assert IntegerCache.high >= 127;
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}

缓存

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// 缓存
Integer i = 100;
Integer j = 100;
System.out.println(i == j); // 执行结果？

// JDK 源码
private static class IntegerCache {
    static final int low = -128;
    static final int high;
    static final Integer cache[];

    static {
        // 初始化 cache。
    }
    
    private IntegerCache() {}
}

线程不安全

Integer 非线程安全，例如 i + +，i - -，多线程访问无法保证一致性。

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Integer i = new Integer(0);

public void test() {
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int j = 0; j < 10; j++) {
                i++;
                System.out.println(i);
                try {
                    Thread.sleep(10 * j);
                } catch (Exception e) {
                }
            }
        }
    });
    t1.start();

    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int j = 0; j < 10; j++) {
                i--;
                System.out.println(i);
                try {
                    Thread.sleep(10 * j);
                } catch (Exception e) {
                }
            }
        }
    });
    t2.start();
}

AtomicInteger

java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger，一个提供原子操作的 Integer 类。内部通过 volatile 实现多线程可见性。使用原生 Unsafe 类实现同步修改

Unsafe.compareAndSwapInt：比较 obj 的 offset 处内存位置中的值和期望的值，如果相同则更新，并返回 TRUE。

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// AtomicInteger
public final int get(); // 获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue); // 取当前的值，并设置新的值
public final int getAndIncrement(); // 获取当前的值，并自增
public final int getAndDecrement(); // 获取当前的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta); // 获取当前的值，并加上预期的值

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public void test() {
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int j = 0; j < 10; j++) {
                i.getAndIncrement();
                System.out.println(i);
                try {
                    Thread.sleep(10 * j);
                } catch (Exception e) {
                }
            }
        }
    });
    t1.start();

    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int j = 0; j < 10; j++) {
                i.getAndDecrement();
                System.out.println(i);
                try {
                    Thread.sleep(10 * j);
                } catch (Exception e) {
                }
            }
        }
    });
    t2.start();
}

当我们使用 VO 或 Form 封装前端传入的参数时，数值型参数我们是定义成 int 还是 Integer？

String

不可变性

一个字符串常量只有一个拷贝，具有不可变性，内容存放常量池。

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String str0 = "123";
String str1 = "123";
String str2 = "12" + "3"; // 编译后 "123"

static final String str = "3";
String str3 = "12" + str; // 编译后 "123"

System.out.println(str0 == str1); // 结果？
System.out.println(str1 == str2); // 结果？

String str3 = new String("123"); 
String str4 = new String("123"); 
System.out.println(str3 == str4); // 结果？

常用方法

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public int compareToIgnoreCase(String str); // 比较（忽略大小写）
public boolean startsWith(String prefix); // 传入的是
public boolean matches(String regex); // 正则匹配。
public static String format(String format, Object... args); // 格式化。
public String[] split(String regex); // 注意是正则表达式。

StringBuffer&StringBuilder

StringBuilder 线程不安全，StringBuffer 线程安全（synchronized）。定义常量时，使用 String。速度快。

StringUtils

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>>> org.apache.commons.lang.StringUtils
public static boolean isEmpty(String str); // 判断是否为空串。
public static boolean isBlank(String str); // 判断是否为空白串。
public static boolean contains(String str, String searchStr); // 包含

public static String join(Object[] array, String separator); // 字符串拼接。
StringUtils.join(["a", "b", "c"], "-") = "a-b-c"

public static String rightPad(String str, int size, char padChar); // 右边补齐
StringUtils.rightPad("bat", 5, 'z')  = "batzz"

public static boolean isAlpha(String str); // 是否全字母。
public static boolean isAlphanumeric(String str); // 是否只包含字母和数字。

public static String abbreviate(String str, int maxWidth); // 过长省略。
StringUtils.abbreviate("abcdefg", 6) = "abc..."

>>> org.springframework.util.StringUtils
public static String getFilename(String path); // 获取文件名，不包含路径。
public static String getFilenameExtension(String path); // 获取文件后缀名。

>>> org.apache.commons.lang.builder.ToStringBuilder
public static String reflectionToString(Object object, ToStringStyle style); // 打印对象属性。

Array

初始化

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// 初始化
String[] arr1 = new String[6];
String[] arr2 = {"a", "b", "c", "d", "e"};
String[] arr3 = new String[]{"a", "b", "c", "d", "e"};

相关常用类

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>>> java.util.Arrays
public static void sort(Object[] a); // 排序
public static int binarySearch(Object[] a, Object key); // 二分法查找，前提数组是有序的。
public static <T> List<T> asList(T... a); // 转成 List。
public static String toString(Object[] a); // 拼装元素，可用作打印。

>>> org.apache.commons.lang.ArrayUtils
public static void reverse(Object array[]); // 元素翻转。
public static Object[] addAll(Object array1[], Object array2[]); // 两个数组拼接。
public static boolean contains(Object array[], Object objectToFind); // 包含某个元素。
public static int indexOf(Object array[], Object objectToFind); // 查找元素位置。
public static Object[] remove(Object array[], int index); // 移除第几个元素。

List

面向接口编程

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// 调用方不需要知道 List 的实现。
List<Object> lst = new ArrayList<Object>();

ArrayList

增长机制，源码。特性：插入慢（当数据到一定量时），遍历速度快。

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// JDK 源码
private transient Object[] elementData; // 内部维护一个数组。

public ArrayList() { // 初始化长度 10
    this(10);
}

public ArrayList(int initialCapacity) { // 指定初始化大小。
    super();
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity:"+initialCapacity);
    this.elementData = new Object[initialCapacity];
}

public boolean add(E e) {
    ensureCapacity(size + 1); // 扩展长度。
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

public void ensureCapacity(int minCapacity) { // 扩展长度。
    modCount++;
    int oldCapacity = elementData.length;
    if (minCapacity > oldCapacity) {
        Object oldData[] = elementData;
        int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1; // 按 1.5 倍增长。
        if (newCapacity < minCapacity)
            newCapacity = minCapacity;
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); // 数组拷贝，耗性能。
    }
}

public E get(int index) { // 直接通过下标返回数组元素。
    RangeCheck(index);
    return (E) elementData[index];
}

LinkedList

源码。特性：插入速度快，遍历速度慢。

LinkedList

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// JDK 源码
private transient Entry<E> header = new Entry<E>(null, null, null); // 起始节点。

private static class Entry<E> { // 每个节点元素。
    E element;
    Entry<E> next;
    Entry<E> previous;
    ...
}

public boolean add(E e) { // 增加元素。
    addBefore(e, header);
    return true;
}

private Entry<E> addBefore(E e, Entry<E> entry) { // 新增节点，修改引用即可。
    Entry<E> newEntry = new Entry<E>(e, entry, entry.previous);
    newEntry.previous.next = newEntry;
    newEntry.next.previous = newEntry;
    size++;
    modCount++;
    return newEntry;
}

public E get(int index) { // 查找元素。
    return entry(index).element;
}

private Entry<E> entry(int index) { // 依次遍历，性能差。
    if (index < 0 || index >= size)
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index:"+index+", Size:"+size);
    Entry<E> e = header;
    if (index < (size >> 1)) {
        for (int i = 0; i <= index; i++)
            e = e.next;
    } else {
        for (int i = size; i > index; i--)
            e = e.previous;
    }
    return e;
}

两者比较

链表插入数据速度快的说法是相对的，在数据量很小的时候，ArrayList 的插入速度不仅不比 LinkedList 慢，而且还快很多。只有当数据量达到一定量，这个特性才会体现出来，使用时根据场景选择。

集合工具类

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>>> java.util.Collections
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list); // 排序。
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c);
public static <T> boolean addAll(Collection<? super T> c, T... elements); // 添加多个元素。

>>> org.apache.commons.collections.CollectionUtils
public static boolean isEmpty(Collection coll); // 是否为空。
public static Collection removeAll(Collection collection, Collection remove); // 移除。
public static Collection union(Collection a, Collection b); // 并集。
public static Collection intersection(Collection a, Collection b); // 交集。
public static Collection disjunction(Collection a, Collection b); // 交集的补集。
public static Collection subtract(Collection a, Collection b); // 集合相减。

>>> com.google.common.collect.Lists
List<String> lst = new ArrayList<String>(); // 这样初始化代码多，麻烦。
lst.add("a");
lst.add("b");
lst.add("c");

Lists.newArrayList("a", "b", "c"); // 简单明了。
Lists.newArrayListWithCapacity(3);
Lists.newLinkedList();

CopyOnWriteArrayList

可并发的 ArrayList，读写分离。

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List<String> lst = new ArrayList<String>();
lst.add("a");
lst.add("b");
lst.add("c");

for (Iterator<String> itor = lst.iterator(); itor.hasNext();) { // 有问题，ConcurrentModificationException
    if ("b".equals(itor.next())) {
        lst.remove(itor.next());
    }
}

for (Iterator<String> itor = lst.iterator(); itor.hasNext();) { // 使用 Iterator.remove
    if ("a".equals(itor.next())) {
//        lst.remove(itor.next());
        itor.remove();
    }
}

List<String> lst = new CopyOnWriteArrayList<String>(); // 定义 CopyOnWriteArrayList

Map

  • Map 作为最基本的数据结果，在代码中出现频率非常大。Java JDK、C++ STL 都对其有很好的支持。
  • HashMap、Hashtable 内部维护了一个 Entry 数组。不同的是 Hashtable 对操作的方法都使用了 synchronized 确保线程安全。
  • HashTable 中 hash 数组默认大小是 11，增加的方式是 old * 2 + 1。HashMap 中 hash 数组的默认大小是 16，而且一定是 2 的指数。
  • 加载因子：Hash 表中元素的填满的程度。加载因子越大，填满的元素越多，空间利用率高，Hash 冲突的机会大。加载因子越小，填满的元素越少，冲突的机会减小，空间浪费多了。冲突的机会越大，则查找的成本越高。反之，查找的成本越小。

HashMap 数据结构

HashMap 源码

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/**
 * Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
 * (16) and the default load factor (0.75).
 */
public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    threshold = (int)(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY * DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    table = new Entry[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    init();
}

public V put(K key, V value) { // 添加
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key.hashCode()); // 计算 Hash 对应的表索引。
    int i = indexFor(hash, table.length);
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { // 替换相同的 Key 元素。
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }

    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i); // 
    return null;
}

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) { // 添加新元素到链表头。
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<K,V>(hash, key, value, e);
    if (size++ >= threshold)
        resize(2 * table.length); // 扩容，会重新调整 Hash 数组，代价较高。
}

public V get(Object key) { // 查找。
    if (key == null)
        return getForNullKey();
    int hash = hash(key.hashCode()); // 计算 Hash 对应的表索引。
    for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))
            return e.value;
    }
    return null;
}

Map<String, String> map = new HashMap<String, String>(4); // 这样写会扩容吗？
map.put("1", "1");
map.put("2", "2");
map.put("3", "3");
map.put("4", "4");
Map<String, String> map = new HashMap<String, String>(4, 1);

TreeMap

内部通过红黑树保证取出来的是排序后的键值对。插入、删除需要维护平衡会牺牲一些效率。但如果要按自然顺序或自定义顺序遍历键，那么 TreeMap 会更好。

参考：Comparable，Comparator。TreeMap 详解

TreeSet

内部通过 TreeMap 实现。TreeSet 元素实现 Comparable 接口或自定义比较器。

ConcurrentHashMap

HashMap 效率高线程不安全，Hashtable 线程安全但效率不高。ConcurrentHashMap 折中办法。

Guava 增强的集合

Multiset

可重复的 Set。HashMultiset，内部 HashMap 实现。

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List<Integer> lst = Lists.newArrayList(1, 2, 3, 4, 2, 3);

// 一般写法
Map<Integer, Integer> map = new HashMap<Integer, Integer>();
for (Integer i : lst) {
    Integer count = map.get(i);
    if (count == null) {
        map.put(i, 1);
    } else {
        map.put(i, count + 1);
    }
}
System.out.println(map.get(2)); // 结果：2

// Guava 写法
Multiset<Integer> set = HashMultiset.create();
set.addAll(lst);
int count = set.count(2); // 结果：2
System.out.println(Arrays.toString(set.toArray())); // 结果为排序后的：[1, 2, 2, 3, 3, 4]

BiMap

一个双向映射的 Map，强制 Value 唯一性。

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BiMap<String, String> map = HashBiMap.create();
map.put("M", "1");
map.put("F", "2");
map.put("F", "1"); // 报错：value already present.
map.forcePut("F", "3"); // 忽略校验 Put
System.out.println(map.get("F")); // 3
System.out.println(map.inverse().get("1")); // M

Multimap

一个 Key 对应多个 Value，比 Map<String, List> 更优雅的写法。

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Map<String, List<Integer>> map = new HashMap<String, List<Integer>>(); // 一般写法。

Multimap<String, Integer> multimap = ArrayListMultimap.create(); // Guava 写法。
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    multimap.put((i % 2 == 0) ? "m" : "n", i);
}
System.out.println("size:" + multimap.size()); // size: 10
System.out.println("keys:" + multimap.keys()); // keys: [n x 5, m x 5]
System.out.println(multimap.get("m").toString()); // [0, 2, 4, 6, 8]
System.out.println(multimap.get("n").toString()); // [1, 3, 5, 7, 9]
System.out.println(multimap.containsValue(10)); // FALSE，是否存在指定的 Value

反射

Java 反射机制主要提供了以下功能：

  1. 在运行时判断任意一个对象所属的类；
  2. 在运行时构造任意一个类的对象；
  3. 在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法；
  4. 在运行时调用任意一个对象的方法；
  5. 生成动态代理。
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class User {
    private String name;
    public Integer age;
    private String getName() {
        return name;
    }
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public static void Test() {
        System.out.println("Test");
    }
}

Class clazz = User.class;
User user = (User)clazz.newInstance();
user.age = 10;

clazz.getSimpleName(); // User
clazz.getName(); // 包名 +User
clazz.getPackage();


Field[] fields = clazz.getDeclaredFields(); // 声明的所有属性。[name, age]
Field[] fields = clazz.getFields(); // 可访问的。[age]

Object value = clazz.getField("age").get(user); // 10

Method[] methods = clazz.getDeclaredMethods(); // 声明的所有方法。[getAge, getName]
Method[] methods = clazz.getMethods(); // 可访问的。[getAge, equals, toString, hashCode...]

Object result = clazz.getMethod("getAge").invoke(user); // 10
clazz.getMethod("Test").invoke(null); // 调用静态方法

PropertyDescriptor pd = new PropertyDescriptor("name", clazz);
pd.getReadMethod().getName();

Bean 属性复制

常用的有 Commons 的 BeanUtils 和 PropertyUtils，Spring 的 BeanUtils。

Commons 的 BeanUtils.copyProperties()会对类型转换，如：Integer 默认 0。Spring 的 BeanUtils.copyProperties()不会。

Commons 的 PropertyUtils.copyProperties()对属性的类型强校验。

类型转换：org.apache.commons.beanutils.converters

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public class User1 {
    private Integer age;
    private Integer name;
    
    // getter setter ...
}

public class User2 {
    private Integer age;
    private String name;
    
    // getter setter ...
}

User1 u1 = new User1();
User2 u2 = new User2();
org.apache.commons.beanutils.BeanUtils.copyProperties(u2, u1); // u2.getAge() == 0
org.springframework.beans.BeanUtils.copyProperties(u1, u2); // u2.getAge() == null
org.apache.commons.beanutils.PropertyUtils.copyProperties(u2, u1); // u2.getAge() == null

User1 u1 = new User1();
u1.setName(123);
User2 u2 = new User2();
org.apache.commons.beanutils.BeanUtils.copyProperties(u2, u1); // u2.getName() == "123"
// Converting 'Integer' value '123' to type 'String'
org.springframework.beans.BeanUtils.copyProperties(u1, u2); // u2.getName() == null
org.apache.commons.beanutils.PropertyUtils.copyProperties(u2, u1); // u2.getName() 报错
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