Java 进阶-全面解析

目录

异常处理​

集合框架​

List 集合​

Set 集合​

Map 集合​

文件与字符集​

IO 流​

多线程​

通过继承Thread类创建线程

通过实现Runnable接口创建线程

线程同步示例​

线程通信示例

网络编程

Java 高级技术

反射机制

动态代理

注解

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异常处理​

        在 Java 编程的过程中，异常处理是保障程序稳健运行的关键环节。异常主要分为 Checked Exception（受检异常）和 Unchecked Exception（非受检异常）这两大类。​

        受检异常要求开发者在代码中必须显式地进行处理。以IOException为例，它常常在程序与外部资源进行交互时出现，像从文件读取数据或者建立网络连接这类操作。如果不处理IOException，程序在编译阶段就会报错，强制开发者考虑可能出现的问题并进行妥善处理。这是因为与外部资源交互时存在诸多不确定性，例如文件可能不存在、网络可能中断等，通过强制处理受检异常，能让开发者提前做好应对策略，提升程序的可靠性。​

        非受检异常，比如NullPointerException（空指针异常）和ArrayIndexOutOfBoundsException（数组越界异常），大多是由于编程逻辑上的失误导致的。编译器不会强制要求处理这类异常，但一旦它们在程序运行时出现，往往会致使程序崩溃。例如，当代码尝试访问一个null对象的方法或属性时，就会抛出NullPointerException。这类异常通常意味着代码中存在潜在的逻辑错误，需要开发者仔细排查和修复。​

        异常处理主要通过try-catch-finally块来实现。在try块中，放置的是可能会抛出异常的代码。当try块中的代码抛出异常时，程序流程会立即跳转到对应的catch块。每个catch块专门用于捕获并处理特定类型的异常。例如：

try {FileReader fileReader = new FileReader("nonexistent.txt");
} catch (FileNotFoundException e) {System.out.println("文件未找到，请检查路径");
} finally {// 这里可以关闭资源，即使fileReader为null也需处理，避免空指针异常
}

        在上述代码中，try块尝试创建一个FileReader对象来读取名为nonexistent.txt的文件。如果该文件不存在，就会抛出FileNotFoundException异常，此时程序会进入catch块，打印出提示信息。finally块则无论try块中是否发生异常，都会被执行。它通常用于释放资源，比如关闭文件流，确保资源的正确管理，避免资源泄漏。即使try块中由于文件不存在抛出异常，导致fileReader对象未能成功创建（即fileReader为null），在finally块中也需要进行相应的空指针检查，以确保安全地关闭可能存在的资源。​

        此外，开发者还可以使用throw关键字手动抛出异常，以便在特定的业务逻辑下，主动告知调用者出现了问题。例如，当某个业务规则不满足时，可以手动抛出一个自定义的异常。同时，通过throws声明方法可能抛出的异常，将异常处理的责任交给调用该方法的代码。这样，调用者在调用方法时，就需要明确知道可能会遇到的异常情况，并进行相应的处理。​

集合框架​

        Java 的集合框架为开发者提供了一系列丰富的接口和类，用于高效地存储和操作对象。该框架主要划分为Collection和Map两大体系。​

List 集合​

        List集合的特点是有序且允许元素重复。这意味着元素在集合中的存储顺序与它们被添加的顺序一致，并且可以存在多个相同的元素。在实际应用中，常用的List实现类有ArrayList和LinkedList。​

        ArrayList是基于数组实现的。数组的特性使得ArrayList在查询元素时具有很高的效率，因为可以通过元素的索引直接访问数组中的对应位置。例如：

ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add("apple");
arrayList.add("banana");
String element = arrayList.get(0); // 高效获取元素
arrayList.add(1, "cherry"); // 插入元素，可能导致元素移动

        在上述代码中，首先创建了一个ArrayList对象，并向其中添加了两个元素"apple"和"banana"。当使用get(0)方法时，可以直接快速地获取到索引为 0 的元素"apple"。这是因为ArrayList内部维护了一个数组，通过索引可以直接定位到数组中对应位置的元素，时间复杂度为 O (1)。然而，当在列表中间位置（如索引为 1 的位置）插入新元素"cherry"时，ArrayList需要将索引 1 及之后的所有元素向后移动一个位置，以腾出空间插入新元素。如果列表中元素数量较多，这种移动操作会消耗较多的时间和资源，导致性能下降。例如，当列表中有大量元素时，每一次插入操作都可能需要移动大量元素，使得插入操作的时间复杂度变为 O (n)，其中 n 为列表中元素的数量。​

        LinkedList则是基于链表结构实现的。链表由一系列节点组成，每个节点包含元素值以及指向下一个节点的引用（在双向链表中还包含指向前一个节点的引用）。这种结构使得LinkedList在进行插入和删除操作时表现出色。因为只需要修改相关节点的引用关系，而不需要像ArrayList那样移动大量元素。例如，在链表中删除一个元素，只需要将该元素前一个节点的next引用指向该元素的下一个节点即可。对于双向链表，还需要将后一个节点的prev引用指向该元素的前一个节点。这种操作的时间复杂度为 O (1)，只涉及到对几个节点引用的修改。但在查询元素时，由于链表没有像数组那样的索引直接定位机制，需要从链表的头节点开始，依次遍历每个节点，直到找到目标元素，所以查询效率相对较低。在最坏情况下，查询一个不在链表中的元素需要遍历整个链表，时间复杂度为 O (n)。​

Set 集合​

        Set集合的特性是无序且不允许元素重复。这意味着元素在Set中的存储顺序并非按照添加顺序，并且集合中不会出现两个相同的元素。常见的Set实现类有HashSet和TreeSet。​

        HashSet是基于哈希表实现的。哈希表利用哈希函数将元素映射到特定的存储位置，这使得插入和查询操作在平均情况下具有 O (1) 的时间复杂度，性能表现非常优秀。为了保证元素的唯一性，HashSet要求存储的元素必须正确重写hashCode()和equals()方法。例如：

HashSet<Integer> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add(1);
hashSet.add(2);
hashSet.add(1); // 重复元素，不会被添加

        在这段代码中，首先创建了一个HashSet对象，并向其中添加了两个不同的整数1和2。当再次尝试添加已经存在的元素1时，HashSet会根据元素的哈希码和equals()方法来判断该元素是否已经存在于集合中。哈希函数会根据元素的值计算出一个哈希码，通过哈希码可以快速定位到哈希表中的一个位置。如果该位置已经有元素存在，就需要进一步通过equals()方法来比较两个元素是否相等。如果相等，则认为是重复元素，不会再次添加，从而保证了集合中元素的唯一性。如果元素没有正确重写hashCode()和equals()方法，可能会导致相同的元素被错误地认为是不同的元素，从而破坏集合的唯一性。​

        TreeSet是基于红黑树实现的。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，这使得TreeSet中的元素会按照一定的顺序排列。默认情况下，TreeSet会按照元素的自然顺序进行排序，例如对于整数类型，就是从小到大排序。同时，也可以通过传入自定义的Comparator接口实现，来指定特定的排序规则。例如，如果要对自定义的对象进行排序，可以实现Comparator接口，在compare()方法中定义对象之间的比较逻辑。这种有序性在需要对元素进行排序遍历的场景中非常有用，例如在统计数据、查找特定范围的元素等操作中。​

Map 集合​

        Map集合用于存储键值对（key - value pairs），其特点是一个键最多只能映射到一个值。在实际开发中，常用的Map实现类有HashMap、TreeMap和LinkedHashMap。​

        HashMap基于哈希表实现，具有较高的插入和查询效率。与HashSet类似，为了保证键的唯一性，键对象需要正确重写hashCode()和equals()方法。例如：

HashMap<String, Integer> hashMap = new HashMap<>();
hashMap.put("one", 1);
hashMap.put("two", 2);
Integer value = hashMap.get("one");

        在上述代码中，创建了一个HashMap对象，并向其中添加了两个键值对，键分别为"one"和"two"，对应的值分别为1和2。当使用get("one")方法时，可以快速地根据键"one"获取到对应的值1。HashMap通过哈希函数将键映射到哈希表中的特定位置，插入和查询操作在平均情况下时间复杂度为 O (1)。但如果哈希函数设计不合理，导致大量键映射到同一个位置（即哈希冲突严重），会使得插入和查询操作的性能下降，时间复杂度可能会接近 O (n)。​

        TreeMap基于红黑树实现，它会对键进行排序。这使得在遍历TreeMap时，键值对会按照键的顺序依次输出。排序方式可以是键的自然顺序，也可以通过自定义的Comparator来指定。这种有序性在需要对键值对进行有序处理的场景中非常有用。例如，在一个存储学生成绩的TreeMap中，以学生姓名作为键，成绩作为值。如果按照学生姓名的字母顺序遍历TreeMap，可以方便地查看成绩的分布情况。​

        LinkedHashMap继承自HashMap，它在HashMap的基础上，额外维护了一个双向链表来记录元素的插入顺序或者访问顺序。如果希望在遍历集合时，元素的顺序与它们被插入的顺序一致，或者按照访问顺序（最近访问的元素排在前面）进行遍历，LinkedHashMap就是一个很好的选择。例如，在实现一个缓存机制时，可以使用基于访问顺序的LinkedHashMap。当缓存满了需要移除元素时，可以移除最久未被访问的元素（即链表头部的元素），从而保证缓存中始终保留最近使用过的元素。​

文件与字符集​

        在 Java 中，File类主要用于处理文件和目录路径名。通过File类，开发者可以执行一系列操作，如创建新文件、删除文件、重命名文件或目录，以及检查文件或目录的属性。例如：

File file = new File("example.txt");
try {if (file.createNewFile()) {System.out.println("文件创建成功");} else {System.out.println("文件已存在");}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

        在这段代码中，首先创建了一个File对象，指向名为example.txt的文件。然后使用createNewFile()方法尝试创建该文件。如果文件成功创建，该方法会返回true，并打印出相应的成功提示信息；如果文件已经存在，则返回false，并打印出文件已存在的提示。如果在创建文件过程中出现输入输出相关的错误，如磁盘空间不足、权限不够等，就会抛出IOException异常，通过catch块捕获并打印异常堆栈信息，以便开发者定位和解决问题。例如，如果磁盘空间已满，createNewFile()方法会抛出IOException，异常信息中会包含与磁盘空间相关的错误描述，帮助开发者快速找到问题所在。​

        字符集在处理文本数据时起着至关重要的作用。不同的字符集定义了如何将字符编码为字节序列，以及如何将字节序列解码为字符。Java 使用Charset类来表示各种字符集，常见的字符集有 UTF - 8、GBK 等。在读取和写入文本文件时，必须指定正确的字符集，否则可能会出现乱码问题。例如：

try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("file.txt"), "UTF - 8"))) {String line;while ((line = reader.readLine()) != null) {System.out.println(line);}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

        在上述代码中，使用BufferedReader来读取文件内容。BufferedReader通过InputStreamReader与FileInputStream关联，并且指定了字符集为UTF - 8。这意味着在读取文件时，会按照UTF - 8字符集的规则将文件中的字节数据转换为字符数据。UTF - 8是一种广泛使用的字符集，它可以表示世界上几乎所有的字符，并且具有良好的兼容性和扩展性。如果文件实际采用的字符集与指定的UTF - 8不一致，就可能导致读取的内容出现乱码。例如，如果文件是使用 GBK 字符集编码的，而在读取时指定为UTF - 8，那么原本正确的中文字符可能会显示为乱码。在while循环中，通过readLine()方法逐行读取文件内容，并将每一行打印出来。如果在读取过程中出现输入输出错误，同样会抛出IOException异常，由catch块进行处理。​

IO 流​

        Java 的 IO 流体系分为字节流和字符流，它们为处理输入输出操作提供了不同的方式。​

        字节流以字节为单位处理数据，非常适合处理二进制数据，如图片、音频、视频等文件。字节流的主要类包括InputStream和OutputStream及其子类。以FileInputStream和FileOutputStream为例：

try (FileInputStream fis = new FileInputStream("source.jpg");FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.jpg")) {int b;while ((b = fis.read()) != -1) {fos.write(b);}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

        在这段代码中，首先创建了FileInputStream对象fis，用于从source.jpg文件中读取字节数据；同时创建了FileOutputStream对象fos，用于将读取到的字节数据写入到target.jpg文件中。在while循环中，通过fis.read()方法每次读取一个字节的数据，并将其赋值给变量b。当read()方法返回-1时，表示已经读取到文件末尾。在循环内部，使用fos.write(b)方法将读取到的字节写入到目标文件中。这样就实现了文件的复制操作。如果在读取或写入过程中出现任何输入输出错误，都会抛出IOException异常，由catch块捕获并打印异常信息。例如，如果在读取过程中文件被意外删除，fis.read()方法会抛出IOException，提示文件不存在的错误。​

        字符流以字符为单位处理数据，更适合处理文本数据。字符流基于Reader和Writer类及其子类，如FileReader和FileWriter。字符流内部会根据指定的字符集进行字节和字符之间的转换。例如：

try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("file.txt"))) {String line;while ((line = reader.readLine()) != null) {System.out.println(line);}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

多线程​

        多线程技术允许程序同时执行多个任务，这极大地提高了程序的响应性和资源利用率。在 Java 中，创建线程主要有两种方式：继承Thread类和实现Runnable接口。​

通过继承Thread类创建线程

class MyThread extends Thread {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 打印: " + i);try {// 线程休眠100毫秒Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class ThreadExample {public static void main(String[] args) {MyThread thread = new MyThread();// 启动线程thread.start();for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 打印: " + i);try {// 线程休眠100毫秒Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

        在上述代码中，首先定义了一个MyThread类，它继承自Thread类。在MyThread类中重写了run()方法，这个方法是线程执行的主体。在run()方法中，通过一个for循环打印出当前线程的名称以及循环变量i的值。每次打印后，线程会调用Thread.sleep(100)方法进入休眠状态 100 毫秒，这模拟了线程执行一些耗时操作的情况。在main方法中，创建了MyThread类的实例thread，然后调用thread.start()方法启动线程。需要注意的是，不能直接调用thread.run()方法，因为这样只是在主线程中普通地调用一个方法，并不会启动一个新的线程。启动线程后，主线程也会执行一个类似的for循环，打印出主线程的相关信息。由于多线程执行的不确定性，主线程和新启动的线程的打印信息可能会交替出现。​

通过实现Runnable接口创建线程

class MyRunnable implements Runnable {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 打印: " + i);try {// 线程休眠100毫秒Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class RunnableExample {public static void main(String[] args) {MyRunnable myRunnable = new MyRunnable();Thread thread = new Thread(myRunnable);// 启动线程thread.start();for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 打印: " + i);try {// 线程休眠100毫秒Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

        这种方式中，定义了一个MyRunnable类实现了Runnable接口，在MyRunnable类的run()方法中同样编写了线程的执行逻辑。在main方法中，首先创建了MyRunnable类的实例myRunnable，然后将这个实例作为参数传递给Thread类的构造函数，创建了一个Thread对象thread。最后调用thread.start()方法启动线程。实现Runnable接口相较于继承Thread类更具优势，因为 Java 不支持多重继承，通过实现接口可以避免继承带来的局限性，使得类可以同时实现多个接口，增强了代码的灵活性。​

线程同步示例​

        多线程编程中，线程安全问题是需要重点关注的。当多个线程同时访问共享资源时，如果没有进行适当的同步控制，可能会导致数据不一致等问题。例如，多个线程同时对一个共享的计数器进行增加操作，可能会出现计数不准确的情况。可以使用synchronized关键字来实现线程同步。

class Counter {private int count = 0;public synchronized void increment() {count++;}public int getCount() {return count;}
}class IncrementThread implements Runnable {private Counter counter;public IncrementThread(Counter counter) {this.counter = counter;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 1000; i++) {counter.increment();}}
}public class SynchronizedExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Counter counter = new Counter();IncrementThread incrementThread = new IncrementThread(counter);Thread thread1 = new Thread(incrementThread);Thread thread2 = new Thread(incrementThread);thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();System.out.println("最终计数: " + counter.getCount());}
}

线程通信示例

线程通信可以使用wait()、notify()和notifyAll()方法。

class Message {private String msg;private boolean empty = true;public synchronized String read() {while (empty) {try {wait();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}empty = true;notifyAll();return msg;}public synchronized void write(String msg) {while (!empty) {try {wait();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}empty = false;this.msg = msg;notifyAll();}
}class Reader implements Runnable {private Message message;public Reader(Message message) {this.message = message;}@Overridepublic void run() {for (String latestMessage = message.read(); !"EOF".equals(latestMessage); latestMessage = message.read()) {System.out.println("读取消息: " + latestMessage);}}
}class Writer implements Runnable {private Message message;public Writer(Message message) {this.message = message;}@Overridepublic void run() {String[] messages = {"消息1", "消息2", "消息3", "EOF"};for (String msg : messages) {message.write(msg);System.out.println("写入消息: " + msg);try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}}
}public class ThreadCommunicationExample {public static void main(String[] args) {Message message = new Message();Thread readerThread = new Thread(new Reader(message));Thread writerThread = new Thread(new Writer(message));readerThread.start();writerThread.start();}
}

        上述代码示例展示了创建线程的不同方式、线程同步以及线程通信的基本用法。通过继承Thread类和实现Runnable接口创建线程，使用synchronized关键字保证线程安全，利用wait()、notify()和notifyAll()方法实现线程间的协作。

网络编程

        Java 提供了丰富的网络编程类库，支持 TCP 和 UDP 协议。在 TCP 编程中，通过Socket类和ServerSocket类实现客户端和服务器端的通信。例如，一个简单的 TCP 服务器端：

try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);Socket socket = serverSocket.accept();BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true)) {String inputLine;while ((inputLine = in.readLine()) != null) {System.out.println("收到客户端消息: " + inputLine);out.println("消息已收到");}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

客户端通过创建Socket对象连接到服务器：

try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {out.println("Hello, Server!");String response = in.readLine();System.out.println("收到服务器响应: " + response);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

        UDP 编程则使用DatagramSocket类和DatagramPacket类，适用于对实时性要求较高但对数据准确性要求相对较低的场景，如视频流、音频流传输。

Java 高级技术

反射机制

        反射允许程序在运行时获取类的信息，包括类的属性、方法、构造函数等，并可以动态创建对象、调用方法。通过Class类及其相关方法实现反射。例如：

try {Class<?> clazz = Class.forName("java.util.Date");Object object = clazz.newInstance();Method method = clazz.getMethod("getTime");long time = (long) method.invoke(object);System.out.println("当前时间毫秒数: " + time);
} catch (ClassNotFoundException | InstantiationException | IllegalAccessException | NoSuchMethodException | InvocationTargetException e) {e.printStackTrace();
}

        反射在框架开发、动态代理等场景中广泛应用，但由于反射操作绕过了编译器的检查，性能相对较低，应谨慎使用。

动态代理

        动态代理是一种在运行时创建代理对象的机制，代理对象可以在不修改目标对象代码的情况下，对目标对象的方法调用进行增强。Java 的动态代理通过Proxy类和InvocationHandler接口实现。例如：

interface HelloService {void sayHello();
}class HelloServiceImpl implements HelloService {@Overridepublic void sayHello() {System.out.println("Hello!");}
}class ProxyHandler implements InvocationHandler {private Object target;public ProxyHandler(Object target) {this.target = target;}@Overridepublic Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {System.out.println("方法调用前增强");Object result = method.invoke(target, args);System.out.println("方法调用后增强");return result;}
}public class Main {public static void main(String[] args) {HelloService target = new HelloServiceImpl();HelloService proxy = (HelloService) Proxy.newProxyInstance(target.getClass().getClassLoader(),target.getClass().getInterfaces(),new ProxyHandler(target));proxy.sayHello();}
}

        动态代理在 AOP（面向切面编程）中起着核心作用，用于实现日志记录、事务管理等横切关注点。

注解

        注解是 Java 5.0 引入的一种元数据机制，可以为程序元素（类、方法、字段等）添加额外的信息。注解分为预定义注解（如@Override、@Deprecated、@SuppressWarnings）和自定义注解。自定义注解需要使用@interface关键字定义，并且可以通过反射读取注解信息。例如：

@interface MyAnnotation {String value();
}@MyAnnotation("This is a test")
class MyClass {// 类体
}public class Main {public static void main(String[] args) {MyClass myClass = new MyClass();Class<?> clazz = myClass.getClass();MyAnnotation annotation = clazz.getAnnotation(MyAnnotation.class);if (annotation != null) {System.out.println(annotation.value());}}
}

        注解在框架开发中被大量使用，用于配置、代码生成等场景，提高了代码的可读性和可维护性。

        通过对上述 Java 基础进阶知识的深入学习和实践，能够显著提升 Java 编程能力，为开发复杂、高效的 Java 应用程序奠定坚实基础。

=================Java基础知识到此完结================= 

至此结束——

我是禹曦a

期待与你的下次相遇！！！