前言

大學期間接觸 Java 的時間也不短了，不論學習還是實習，都讓我發覺基礎的重要性。網際網路發展太快了，各種框架各種技術更新迭代的速度非常快，可能你剛好掌握了一門技術的應用，它卻已經走在淘汰的邊緣了。

而學習新技術總要付出一定的時間成本，那麼怎麼降低時間成本呢？那就是打好基礎，技術再怎麼革新，底層的東西也很少會變動，牢固的基礎會幫助你在各種新技術的學習中游刃有餘，快速上手。

因為我選擇的方向是後臺開發，所以談談我認為的基礎有哪些。其他方向肯定也有自己的體系，從低層到高層，可以自己摸索。後臺的話，我覺得網路知識，各種協議，web 知識，資料庫知識，Linux 基本操作以及自己選擇的後臺語言知識，這些是最基礎最需要牢固掌握的。

所以從今天起，會出一系列與後臺基礎相關的博文，一是對自己過去學習的一個總結，二是分享出來，希望可以幫助到需要的人。

概要

Java 基礎我做了 10 個方面的總結，包括基本概念，面向物件，關鍵字，基本型別與運算，字串與陣列，異常處理，Java 平臺與記憶體管理，分散式 Java 應用，多執行緒，IO。以下對這些內容做一些簡單的總結，同時我也有完整的思維導圖，部落格上不方便展示，若有需要，聯絡我。

細節

1. 基本概念

1.1 語言特點

• 純面向物件
• 平臺無關性
• 內建類庫
• 支援web
• 安全性
  • 防止程式碼攻擊
• 健壯性
  • 強型別機制
  • 垃圾回收器
  • 異常處理
  • 安全檢查機制
• 去除C++中難以理解易混淆的特性

1.2 與C++比較

• 解釋編譯混合型語言，執行速度慢，跨平臺
• 純面向物件，只有類，不存在全域性變數或全域性函式
• 無指標，無多繼承，可多實現
• 垃圾回收器自動管理記憶體

1.3 main函式知識

• Java程式入口方法
• 可由final，synchronized修飾，不能用abstract

1.4 Java程式初始化順序

• 靜態優於非靜態
• 父類優於子類
• 按照成員變數的定義順序
• 總共10個

1.5 作用域與可見性

• 靜態變數屬於類
• 區域性變數屬於花括號
• 成員變數看下一條
• public、protected、default、private 可見性依次遞減

1.6 建構函式

• 與類名相同，無返回值
• 可過載，不能被繼承，即不能被覆蓋
• 引數個數任意
• 伴隨new 一起呼叫，為系統呼叫
• 完成物件的初始化工作
• 子類可通過super顯式呼叫父類。父類沒有提供無參，子類必須顯式呼叫
• 未定義，預設無參，修飾符取決於類修飾符

1.7 標識介面

• 無任何方法宣告
• 表示實現它的類屬於一個特定的型別

1.8 clone 方法

• 實現Cloneable介面
• 重寫Object類中的clone()
• clone()中呼叫super.clone()
• 把淺複製引用指向新的克隆體

1.9 反射

• 定義：允許程式在執行時進行自我檢查，也允許對其內部成員進行操作
• 功能
  • 得到一個物件所屬的類
  • 獲取一個類的所有成員和方法
  • 執行時建立物件
  • 在執行時呼叫物件的方法
• 獲取類的方式
  • class.forName("類路徑")
  • 類名.class
  • 例項.getClass()

1.10 建立物件的四種方式

• new
• 反射機制
• clone()
• 反序列化

1.11 package 作用

• 提供多層名稱空間，解決命名衝突
• 對類按功能進行分類，使專案組織更加清晰

2. 面向物件

2.1 與面向過程區別

• 層次邏輯關係不同。
  • 面向物件是通過類的層次結構來體現類之間的繼承與發展
  • 面向過程是通過模組的層次結構概括模組與模組間的關係與功能
• 資料處理方式不同與控制程式方式不同
  • 面向物件是資料與操作封裝成一個整體，通過事件驅動來啟用和執行程式
  • 面向過程是資料單獨儲存，控制程式方式上按照設計呼叫或返回程式

2.2 特性

• 抽象
• 繼承
• 多型
• 封裝

2.3 這種開發方式優點

• 開發效率高。程式碼重用
• 保證軟體的魯棒性。經過長期測試的已有程式碼
• 保證軟體的高可維護性。設計模式成熟

2.4 繼承

• 單繼承
• 只能繼承父類的非私有成員變數和方法
• 同名成員變數，子類覆蓋，不會繼承
• 相同函式簽名，子類覆蓋，不會繼承

2.5 組合和繼承區別

• 組合：在新類中建立原有類的物件。has a
• 繼承是 is a

2.6 多型

• 方法過載
  • 編譯時多型
• 方法覆蓋
  • 執行時多型
• 成員變數無多型概念

2.7 覆蓋和過載區別

• 子父類關係，垂直；同類方法間關係，水平
• 一對方法發生關係；多個方法發生關係
• 引數列表相同；引數列表不同
• 呼叫的方法根據物件的型別決定；根據呼叫時的實參表決定方法體

2.8 抽象類與介面異同

同

• 不能被例項化
• 介面的實現類實現了介面，抽象類的子類實現了方法，才能被例項化

異

• 介面只能定義方法，不能實現；抽象類可以有定義和實現
• 介面需要被實現；抽象類需要被繼承
• 介面強調特定功能的實現；抽象類強調所屬關係
• 介面成員變數預設為 public static final，成員方法 public abstract
• 抽象類變數預設default，方法不能用 private、static、synchronized、native 修飾

2.9 內部類

• 靜態內部類
  • static 修飾
  • 只能訪問外部類中的static資料
• 成員內部類
  • 與例項繫結
  • 不可定義靜態屬性和方法
  • 外部例項化後，該內部類才能被例項化
• 區域性內部類
  • 程式碼塊內
  • 不能被public、protected、private以及static修飾
  • 只能訪問final 區域性變數
• 匿名內部類
  • 無類名
  • 無建構函式，必須繼承或實現其他類
  • 原則
    • 無建構函式
    • 無靜態成員，方法和類
    • 不能是public、protected、private、static
    • 只能建立匿名內部類的一個例項
    • new 後面有繼承或實現
    • 特殊的區域性內部類

2.10 如何獲取父類類名

• 利用反射：obj.getClass().getSuperClass().getName()
• 不使用super.getClass()原因：該方法在 Object中為final與native，子類不能覆蓋，返回此Object執行時類

2.11 this

• 指向當前例項物件
• 區分成員變數與方法形參

2.12 super

• 訪問父類成員變數或方法
• 子類同名會覆蓋，訪問父類只能通過super
• 子類建構函式需顯示呼叫父類建構函式時，super()必須為建構函式的第一條語句

3. 關鍵字

3.1 變數命名

• 英文字母
• 數字
• _和$
• 不能包含空白字元
• 首字元不能為數字
• 保留字不能做識別符號
• 區分大小寫

3.2 assert

• 軟體除錯
• 執行時開啟 -ea

3.3 static

• 特定類的統一儲存空間，類繫結
• 成員變數：屬於類，記憶體中只有一個複製
• 成員方法：調靜態資料。可實現單例模式
• 程式碼塊：初始化靜態變數，只被執行一次
• 內部類：不能與外部類重名，只能訪問外部類靜態資料(包括私有)

3.4 switch

• 多分支選擇
• 整型或字元型別變數或整數表示式
• Java 7 開始支援 String。原理是String的hashCode()返回的int型別值匹配

3.5 volatile

• 保證執行緒間的可見性
• 從記憶體中取資料，而不是快取
• 不保證原子性

3.6 instanceof

• 二元運算子
• 判斷一個引用型別的變數所指向的物件是否是一個類的例項
• 即左邊物件是否是右邊類的例項

3.7 strictfp

• 精確浮點
• 確保浮點運算的準確性
• 若不指定，結果依賴於虛擬機器平臺
• 指定後依賴於統一標準，保證各平臺的一致性

3.8 null

• 不是合法的Object例項
• 無記憶體
• 表明該引用目前沒有指向任何物件

4. 基本型別與運算

4.1 基本資料型別

• int長度
  • byte(8 bit)
  • short(16 bit)
  • int(32 bit)
  • long(64 bit)
• float長度
  • 單精度(32 bit float)
  • 雙精度(64 bit double)
• boolean 型別變數的取值
  • true
  • false
• char資料型別:Unicode字元(16 bit)
• void:java.lang.Void 無法直接對其進行操作

4.2 不可變類

• 例項建立後，值不可變
• 所有的基本型別的包裝類+String
• 優點
  • 使用簡單
  • 執行緒安全
  • 節省記憶體
• 缺點:會因為值的不同而產生新的物件，導致無法預料的問題

4.3 型別轉換

• 隱式型別轉換
  • 低精度到高精度
  • byte->short->char->int->long->float->double
• 顯式型別轉換
  • 反之
  • 可能會損失精度
• 型別自動轉換
  • 低到高
  • char型別會轉換為其對應的ASCII碼
  • byte、char、short參與運算自動轉為int，但"+="，不轉
  • 基本資料型別與boolean不能相互轉換
  • 多種型別混合運算，自動轉成容量最大型別

• 運算子優先順序

    點   ()  []
    +(正)    -(負)        ++  --  ~   !
    *   /   %
    +(加)    -(減)
    <<  >>  >>>
    <   <=  >   >=  instanceof
    ==  !=
    &
    |
    ^
    &&
    ||
    ?:
    =   +=  -=  *=  /=  %=  &=       |= ^=  ~=  <<= >>= >>>=

5. 字串與陣列

5.1 字串建立與儲存機制

• 堆
• 常量池
• new String("abc")建立1個或2個物件

5.2 ==、equals和hashCode區別

• == 比較引用，記憶體
• 未覆蓋，同==；比較內容
• hashCode鑑定物件是否相等，返回整數

5.3 String,StringBuffer,StringBuilder

• String:不可變，執行效率最低
• StringBuffer:可修改，執行緒安全，效率較高
• StringBuilder:可修改，執行緒不安全，效率最高

5.4 其他

• 陣列初始化方式
• length屬性和length()方法

6. 異常處理

6.1 finally塊執行時機

• 若try中有return，在return前
• 若try-finally或catch-finally中都有return，finally會覆蓋

6.2 finally程式碼塊不是一定會被執行

• 程式進入try之前出現異常
• try中呼叫System.exit(0)

6.3 Error

嚴重錯誤，不可恢復

6.4 Exception

• 可恢復，編譯器可捕捉
• 檢查性異常
  • IO
  • SQL
• 執行時異常
  • JVM處理
  • NullPointException
  • ClassCastException
  • ArrayIndexOutOfBoundsException
• 出現異常後，一直往上層拋，直到遇到處理程式碼或最上層
• 多型。若先捕獲基類，再捕獲子類。子類處理程式碼將永遠不會得到執行

7. Java平臺與記憶體管理

7.1 Java平臺與其他語言平臺的區別

• 純軟體，包括JVM與JAVA API
• JVM虛擬，不跨平臺

7.2 JAVA程式碼的執行

• 程式碼編譯為class：sun jdk 中javac
• 裝載class：ClassLoader
• 執行class
  • 解釋執行
  • 編譯執行
    • client compiler
    • server compiler

7.3 java原始碼編譯機制

• 詞法分析器元件：Token流
• 語法分析器元件：語法樹
• 語義分析器元件：註解語法樹
  • 將語法樹中的名字、表示式等元素與變數、方法、型別等聯絡到一起
  • 檢查變數使用前是否已宣告
  • 推導泛型方法的型別引數
  • 檢查型別匹配性
  • 進行常量摺疊
  • 檢查所有語句都可到達
  • 檢查變數的確定性賦值
  • 解除語法糖
  • 將泛型JAVA轉成普通Java
  • 檢查所有checked exception都被捕獲或丟擲
  • 將含語法糖的語法樹轉成簡單語法樹eg:foreach，自動摺疊
• 程式碼生成器元件：位元組碼

7.4 類載入機制

• 裝載：全限定名+類載入器載入類
• 連結
  • 校驗
    • 格式不符，拋VerifyError
    • 載入引用的類失敗：拋NoClassDefFoundError
  • 準備：靜態變數預設初始化
  • 解析：屬性、方法驗證(可選)
• 初始化(不是類載入必須觸發的)
  • 靜態初始化程式碼
  • 構造器程式碼
  • 靜態屬性初始化
  • 觸發時機
    • 呼叫了new
    • 反射呼叫了類中的方法
    • 子類呼叫了初始化
    • JVM啟動過程中指定的初始化類
      • 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 類執行機制

• 解釋執行
  • JVM位元組碼為中間程式碼，由JVM在執行期對其解釋並執行
    • invokestatic
    • invokevirtual
    • invokeinterface
    • invokespecial
  • 基於棧
    • 程式碼緊湊，體積小
    • 執行緒建立後，產生PC和Stack
    • 指令解釋執行
    • 棧頂快取：棧頂值快取在暫存器上
    • 部分棧幀共享
• 編譯執行
  • client compiler
    • 輕量級，佔記憶體少
    • 方法內聯
    • 去虛擬化
    • 冗餘消除
  • server compiler
    • 重量級，佔記憶體多
    • 逃逸分析是C2進行很多優化的基礎
    • 標量替換：用標量替換聚合量
    • 棧上分配
      • 若物件未逃逸，C2會選擇在棧上直接建立Point物件例項，而不是在堆上
      • 棧上分配更快速，物件易回收
    • 同步消除：如果發現同步的物件未逃逸，那也沒有同步的必要。C2會去掉同步程式碼塊

7.6 記憶體空間

• 方法區：類資訊，執行緒共享
• 堆
  • 物件例項+陣列
  • 分代管理
    • 新生代
    • 舊生代
• 本地方法棧：支援native方法，Sun JDK的實現中本地方法棧和JVM方法棧是同一個
• PC暫存器：執行緒私有
• JVM方法棧：執行緒私有

7.7 記憶體分配

• Java物件，堆上分配，分配需加鎖，開銷大
• 當堆上空間不足-->GC-->仍不足-->拋OutOfMemory
• Sun JDK 為新建立的執行緒在Eden上分配TLAB
• 多個小物件比大物件分配更高效
• 基於逃逸分析直接從棧上分配

7.8 記憶體回收

• 收集器
  • 引用計數收集器
    • 計數器增減有消耗
    • 不適合迴圈引用
  • 跟蹤收集器
    • 集中式管理
    • 全域性記錄資料的引用狀態
    • 從根集合掃描物件，可能會造成應用程式暫停
    • 三種實現演算法
      • 複製
        • 適用於回收空間中存活物件較少
        • 缺點：需要增加一塊空的記憶體空間及進行物件的移動
      • 標記-清除：會產生記憶體碎片
      • 標記-壓縮：不產生記憶體碎片
• Sun JDK中可用GC
  • 新生代
    • 序列GC(Serial GC)：複製演算法
      • Minor GC
      • 強軟弱虛
    • 並行回收GC(Parrallel Scavenge)：掃描複製多執行緒
    • 並行 GC(ParNew)：配合舊生代 CMS
  • 舊生代和持久代可用GC
    • 序列：標記壓縮+清除
    • 並行：標記壓縮
    • 併發：CMS
      • 1. 標記：暫停
      • 1. 併發標記：恢復，輪詢著色物件，以標記它們
      • 1. 重新標記：暫停
      • 1. 併發收集：恢復
      • CMS記憶體回收易產生碎片，但是它提供了整理碎片的功能
      • 浮動垃圾：CMS回收時產生應該回收但要等到下次CMS才能被回收掉的物件
• Full GC
  • 對新生代舊生代及持久代都進行的GC
  • 觸發的四種情況
    • 舊生代空間不足
    • 持久代空間滿
    • CMS GC出現promotion failed和concurrent mode failure
    • 統計得到的Minor GC晉升到舊生代的平均大小大於舊生代的剩餘空間

7.9 記憶體洩露

• 一個不再被程式使用的物件或變數還在記憶體中佔有儲存空間
• 符合垃圾回收標準
  • 物件賦空值null
  • 給物件賦予新值，重新分配了記憶體空間
• 洩露的兩種情況
  • 堆中申請的空間沒有被釋放
  • 物件不再被使用，但仍然存活在記憶體中
• 洩露原因
  • 靜態集合類
  • 各種連線
  • 監聽器
  • 變數不合理的作用域
  • 單例模式

8. 分散式Java應用

8.1 基於訊息方式實現系統間的通訊

• TCP/IP+BIO
  • socket.setSoTimeOut()設定等待響應的超時時間
  • 一連線一執行緒
  • 缺點：無論連線是否真實，都要建立執行緒
  • BIO下伺服器端所能支撐的連線數目有限
• TCP/IP+NIO
  • Channel
    • SocketChannel：建立連線，監聽事件，操作讀寫
    • ServerSocketChannel：監聽埠，監聽連線事件
  • Selector：獲取是否要處理的事件
  • Buffer：存放處理的資料
  • NIO Reactor模式，通過註冊感興趣的事件及掃描是否有感興趣的事件發生，從而做出相應的動作
  • 多個請求，連線複用
  • 只有在有真實的請求時，才會建立執行緒
  • 一請求一執行緒
• UDP/IP+BIO
  • DatagramSocket：負責監聽埠，讀寫資料
  • DatagramPacket：作為資料流物件進行傳輸
• UDP/IP+NIO
  • DatagramChannel：監聽埠，進行讀寫
  • ByteBuffer：資料流傳輸
• NIO好處：只在有流要讀取或可寫入流時才做出相應的IO操作，而不像BIO方式阻塞當前執行緒

8.2 基於遠端呼叫方式實現系統間的通訊

• 遠端呼叫方式
  • 系統間通訊和系統內一樣
  • 讓使用者感覺呼叫遠端同調用本地一樣
• 基於Java自身技術
  • RMI：客戶端代理，stub，封裝物件，序列化為流，TCP/IP BIO，Skeleton，反序列化，獲取物件例項，呼叫
  • WebService
    • 1. 服務端的服務生成WSDL檔案
    • 1. 將應用+WSDL檔案放入HTTP伺服器
    • 1. 借用Java輔助工具根據WSDL檔案生成客戶端stub程式碼
    • 1. stub將產生的物件請求資訊封裝為標準化的SOAP格式資料，併發請求到伺服器端
    • 1. 服端在接收到SOAP格式資料時進行轉化，反射呼叫相應的Java類
    • SOAP優點支援跨語言，缺點對複雜物件結構難支援

8.3 基於開源框架

• Spring RMI

9. 多執行緒

9.1 執行緒資源同步機制

• JVM保證以下操作順序
  • 同一執行緒操作
  • 對於main Memory 上的同一個變數的操作
  • 對於加了鎖的main Memory上的物件操作
• 為避免資源操作的髒資料問題，JVM提供了
  • synchronized
  • volatile
  • lock/unlock
  • 目的是控制資源競爭

9.2 執行緒互動機制

• 基於Object的wait/notify/notifyAll
  • 為避免假喚醒，需要double check
  • 呼叫物件的wait-->wait sets--->釋放鎖--->其他執行緒notify---->wait sets---->執行此物件執行緒--->刪除sets中此執行緒
• 基於JDK 5 併發包，支援執行緒互動
  • Semphore的acquire，release
  • Condition的await，signal
  • CountDownLatch的await和countDown

9.3 執行緒狀態

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

9.4 sleep()與wait()方法的區別

• sleep
  • 暫停一段時間執行
  • Thread的靜態方法
  • 不釋放鎖
  • 需要捕獲異常
• wait
  • 使執行緒暫停執行
  • Object方法，用於執行緒間通訊
  • 釋放鎖

9.5 守護執行緒

• 後臺提供服務
• 使用者執行緒全部終止，只剩下守護執行緒時，JVM就會退出
• 呼叫start()之前，呼叫執行緒物件的setDaemon(true)

9.6 join

• 呼叫該方法的執行緒在執行完run()後，再執行join方法後面的程式碼
• 執行緒合併，實現同步功能

10. IO

10.1 流本質

• 資料傳輸

10.2 流分類

• 位元組流:不使用快取
• 字元流
  • 碼錶對映
  • 使用快取

10.3 裝飾者模式

• 執行時動態給物件增加額外的職責
• 是你還有你，一切拜託你
• FilterInputStream

10.4 Java Socket

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

10.5 NIO

• Channel--Selector--Buffer
• 反應器模式

10.6 序列化

• 物件持久化方式
• 解決在對物件流進行讀寫操作時引發的問題
• 物件寫進流裡進行網路傳輸，儲存到檔案，資料庫

10.7 如何實現序列化

• 實現Serializable介面
• 使用FileOutputStream來構造ObjectOutputStream物件
• 使用該物件的writeObject(obj)方法將物件寫出
• 要恢復時，使用對應的輸入流

10.8 序列化特點

• 一個類能被序列化，它的子類也能被序列化
• static代表類成員，transient代表臨時資料。均不能被序列化
• 序列化影響效能，需要才使用
• 需要通過網路來發送物件，或物件的狀態需要被持久化到資料庫或檔案中
• 序列化能實現深複製，即可以複製引用的物件

10.9 反序列化

• 將流轉化為物件
• UID最好自己定義。優點
  • 提高程式執行效率。省去計算過程
  • 提高程式不同平臺相容性。不同計算方式，反序列化失敗
  • 增強程式各個版本的可相容性。加入新屬性，預設UID變化

10.10 外部序列化

• 實現Externalizable介面控制