Java基础(上)

Java的特性

  1. 简单易学（语法简单，上手容易）；

  2. 面向对象（封装，继承，多态）；

  3. 平台无关性（ Java 虚拟机实现平台无关性）；

  4. 支持多线程（ C++ 语言没有内置的多线程机制，因此必须调用操作系统的多线程功能来进行多线程程序设计，而 Java 语言却提供了多线程支持）；

  5. 可靠性（具备异常处理和自动内存管理机制）；

  6. 安全性（Java 语言本身的设计就提供了多重安全防护机制如访问权限修饰符、限制程序直接访问操作系统资源）；

  7. 高效性（通过 Just In Time 编译器等技术的优化，Java 语言的运行效率还是非常不错的）；

  8. 支持网络编程并且很方便；

  9. 编译与解释并存；

JavaSE VS JavaEE

  • Java SE（Java Platform，Standard Edition）: Java 平台标准版，Java 编程语言的基础，它包含了支持 Java 应用程序开发和运行的核心类库以及虚拟机等核心组件。Java SE 可以用于构建桌面应用程序或简单的服务器应用程序。

  • Java EE（Java Platform, Enterprise Edition ）：Java 平台企业版，建立在 Java SE 的基础上，包含了支持企业级应用程序开发和部署的标准和规范（比如 Servlet、JSP、EJB、JDBC、JPA、JTA、JavaMail、JMS）。 Java EE 可以用于构建分布式、可移植、健壮、可伸缩和安全的服务端 Java 应用程序，例如 Web 应用程序。

JDK、JRE、JVM之间的关系

JDK（Java Development Kit）：就是一个Java的开发工具包，供开发者使用，用于创建和编译java应用程序，其中包含了JRE和一些Java的开发工具：javac、javadoc（java文档生成工具）、jdb（调试器）、jconsole（监控工具）、javap（反编译工具）等 JRE（Java Runtime Environment）:是Java运行时所需要的环境，它内部就包含了Java的虚拟机JVM以及一些Java的基本类库（提供常用的功能API，如 I/O 操作、网络通信、数据结构等）

从Java9开始，Java就被重构为94个模块，Java 应用可以通过新增的 jlink 工具，根据不同的需求，构建不同的RunTime（运行时），而不是所有的程序都共用同一个JRE，可以节省程序运行时占用的空间

什么是字节码?采用字节码的好处是什么

在 Java 中，虚拟机JVM 可以解析的代码就叫做字节码（扩展名为 .class 的文件），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。通过字节码的方式，Java在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题。所以， Java 程序运行时相对来说还是高效的，由于字节码并不针对一种特定的机器，因此，Java 程序无须重新编译便可在多种不同操作系统的计算机上运行，从而实现Java语言的跨平台性

在.class文件这一步，先是使用类加载器ClassLoader进行加载，再由解释器逐行进行解释执行，由于这种方法会降低运行时的效率，所以后面引进了 JIT（Just in Time Compilation） 编译器，而 JIT 属于运行时编译。当 JIT 编译器完成第一次编译后，其会将字节码对应的机器码保存下来，下次可以直接使用  

移位运算符

移位运算符是最基本的运算符之一，几乎每种编程语言都包含这一运算符。移位操作中，被操作的数据被视为二进制数，移位就是将其向左或向右移动若干位的运算。

移位运算符在各种框架以及 JDK 自身的源码中使用还是挺广泛的，HashMap（JDK1.8） 中的 hash 方法的源码就用到了移位运算符

static final int hash(Object key) {
    int h;
    // key.hashCode()：返回散列值也就是hashcode
    // ^：按位异或
    // >>>:无符号右移，忽略符号位，空位都以0补齐
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
  }

使用移位运算符的主要原因：

  1. 高效：移位运算符直接对应于处理器的移位指令。现代处理器具有专门的硬件指令来执行这些移位操作，这些指令通常在一个时钟周期内完成。相比之下，乘法和除法等算术运算在硬件层面上需要更多的时钟周期来完成。
  2. 节省内存：通过移位操作，可以使用一个整数（如 int 或 long）来存储多个布尔值或标志位，从而节省内存。

移位运算符最常用于快速乘以或除以 2 的幂次方。除此之外，它还在以下方面发挥着重要作用：

  • 位字段管理：例如存储和操作多个布尔值。
  • 哈希算法和加密解密：通过移位和与、或等操作来混淆数据。
  • 数据压缩：例如霍夫曼编码通过移位运算符可以快速处理和操作二进制数据，以生成紧凑的压缩格式。
  • 数据校验：例如 CRC（循环冗余校验）通过移位和多项式除法生成和校验数据完整性。。
  • 内存对齐：通过移位操作，可以轻松计算和调整数据的对齐地址。

掌握最基本的移位运算符知识还是很有必要的，这不光可以帮助我们在代码中使用，还可以帮助我们理解源码中涉及到移位运算符的代码。

Java 中有三种移位运算符：

  • << :左移运算符，向左移若干位，高位丢弃，低位补零。x << n,相当于 x 乘以 2 的 n 次方(不溢出的情况下)。
  • >> :带符号右移，向右移若干位，高位补符号位，低位丢弃。正数高位补 0,负数高位补 1。x >> n,相当于 x 除以 2 的 n 次方。
  • >>> :无符号右移，忽略符号位，空位都以 0 补齐。

虽然移位运算本质上可以分为左移和右移，但在实际应用中，右移操作需要考虑符号位的处理方式。

由于 double，float 在二进制中的表现比较特殊，因此不能来进行移位操作。

移位操作符实际上支持的类型只有int和long，编译器在对short、byte、char类型进行移位前，都会将其转换为int类型再操作

Java中的数据类型

Java 中有 8 种基本数据类型，分别为：

  • 6 种数字类型：
    • 4 种整数型：byte、short、int、long
    • 2 种浮点型：float、double
  • 1 种字符类型：char
  • 1 种布尔型：boolean。
基本类型位数字节默认值取值范围
byte810-128 ~ 127
short1620-32768（-2^15） ~ 32767（2^15 - 1）
int3240-2147483648 ~ 2147483647
long6480L-9223372036854775808（-2^63） ~ 9223372036854775807（2^63 -1）
char162'u0000'0 ~ 65535（2^16 - 1）
float3240f1.4E-45 ~ 3.4028235E38
double6480d4.9E-324 ~ 1.7976931348623157E308
boolean1falsetrue、false

注意：

  1. Java 里使用 long 类型的数据一定要在数值后面加上 L，否则将作为整型解析。
  2. Java 里使用 float 类型的数据一定要在数值后面加上 f 或 F，否则将无法通过编译。
  3. char a = 'h'char :单引号，String a = "hello" :双引号。

这八种基本类型都有对应的包装类分别为：Byte、Short、Integer、Long、Float、Double、Character、Boolean

基本类型和包装类型的区别？
  • 用途：除了定义一些常量和局部变量之外，我们在其他地方比如方法参数、对象属性中很少会使用基本类型来定义变量。并且，包装类型可用于泛型，而基本类型不可以。
  • 存储方式：基本数据类型的局部变量存放在 Java 虚拟机栈中的局部变量表中，基本数据类型的成员变量（未被 static 修饰 ）存放在 Java 虚拟机的堆中。包装类型属于对象类型，我们知道几乎所有对象实例都存在于堆中。
  • 占用空间：相比于包装类型（对象类型）， 基本数据类型占用的空间往往非常小。
  • 默认值：成员变量包装类型不赋值就是 null ，而基本类型有默认值且不是 null。
  • 比较方式：对于基本数据类型来说，== 比较的是值。对于包装数据类型来说，== 比较的是对象的内存地址。所有整型包装类对象之间值的比较，全部使用 equals() 方法。

注意：基本数据类型存放在栈中是一个常见的误区！ 基本数据类型的存储位置取决于它们的作用域和声明方式。如果它们是局部变量，那么它们会存放在栈中；如果它们是成员变量，那么它们会存放在堆/方法区/元空间中 

什么是自动拆装箱？

  • 装箱：将基本类型用它们对应的引用类型包装起来；
  • 拆箱：将包装类型转换为基本数据类型

注意：如果频繁拆装箱的话，也会严重影响系统的性能。我们应该尽量避免不必要的拆装箱操作。 

包装类型的缓存机制

Java 基本数据类型的包装类型的大部分都用到了缓存机制来提升性能。

Byte,Short,Integer,Long 这 4 种包装类默认创建了数值 [-128，127] 的相应类型的缓存数据，Character 创建了数值在 [0,127] 范围的缓存数据，Boolean 直接返回 True or False，源码这里就不提供了，大家自行查看

 为什么浮点数运算的时候会有精度丢失的风险？

说到了数据类型，浮点类型在存储运算时会丢失一定的精度，这个和计算机保存浮点数的机制有很大关系。我们知道计算机是二进制的，而且计算机在表示一个数字时，宽度是有限的，无限循环的小数存储在计算机时，只能被截断，所以就会导致小数精度发生损失的情况。这也就是解释了为什么浮点数没有办法用二进制精确表示

// 0.2 转换为二进制数的过程为，不断乘以 2，直到不存在小数为止，
// 在这个计算过程中，得到的整数部分从上到下排列就是二进制的结果。
0.2 * 2 = 0.4 -> 0
0.4 * 2 = 0.8 -> 0
0.8 * 2 = 1.6 -> 1
0.6 * 2 = 1.2 -> 1
0.2 * 2 = 0.4 -> 0（发生循环）
...

 如何解决浮点数运算的精度丢失问题呢？

BigDecimal 可以实现对浮点数的运算，不会造成精度丢失。通常情况下，大部分需要浮点数精确运算结果的业务场景（比如涉及到钱的场景）都是通过 BigDecimal 来做的

BigDecimal a = new BigDecimal("1.0");
BigDecimal b = new BigDecimal("1.00");
BigDecimal c = new BigDecimal("0.8");

BigDecimal x = a.subtract(c);
BigDecimal y = b.subtract(c);

System.out.println(x); /* 0.2 */
System.out.println(y); /* 0.20 */
// 比较内容，不是比较值
System.out.println(Objects.equals(x, y)); /* false */
// 比较值相等用相等compareTo，相等返回0
System.out.println(0 == x.compareTo(y)); /* true */

《阿里巴巴 Java 开发手册》中提到：“为了避免精度丢失，可以使用 BigDecimal 来进行浮点数的运算”。我们在使用 BigDecimal 时，为了防止精度丢失，推荐使用它的BigDecimal(String val)构造方法或者 BigDecimal.valueOf(double val) 静态方法来创建对象，《阿里巴巴 Java 开发手册》对这部分内容也有提到，如下图所示。

 

超过 long 整型的数据应该如何表示？ 

 我们都知道，在 Java 中，64 位 long 整型是最大的整数类型，基本数值类型都有一个表达范围，如果超过这个范围就会有数值溢出的风险，而在 BigInteger 内部使用 int[] 数组来存储任意大小的整形数据。相对于常规整数类型的运算来说，BigInteger 运算的效率会相对较低

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