从开始学习 Java 已经有一个多月了，但实际的学习时长应该也就不到一周，刚开始心血来潮苦学两天，发现单是基础内容就多如牛毛，相比于 Go 的简单语法，实在是太过复杂。

好在不是为了应付考试，所以就先了解了大概的语法内容，后续通过项目和算法题来熟练巩固知识。

关于八股文，这应该是 Java 最好找的学习资料了，但凡是与其他具体内容有关的知识基本都是收费的，感觉不如 Go (bushi)。今天就先记录一部分已经学过的知识吧，以免后面忘记了。

基础概念和常识

本节学习 Java 的语言特性内容。

Java 的语言特性

Java 有很多优秀的特点，以下是几个比较突出的：

Java语言特点

  1. 面型对象：封装、继承、多态。
  2. 平台无关性： Java 虚拟机实现平台无关性。
  3. 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；
  4. 支持 JIT 编译：JIT 是 Just-In-Time 的缩写，指的是即时编译器，它可以在程序运行时将字节码转换为本地机器码来提高程序运行速度。

“Write Once, Run Anywhere（一次编写，随处运行）”这句宣传口号，真心经典，流传了好多年！以至于，直到今天依然有很多人觉得跨平台是 Java 最大的优势。实际上，跨平台已经不是 Java 最大的卖点了，各种 JDK 新特性也不是。目前市面上虚拟化技术已经非常成熟，比如你通过 Docker 就很容易实现跨平台了。在我看来，Java 强大的生态才是！

JVM、JDK 和 JRE

JVM

Java 虚拟机（Java Virtual Machine, JVM）是运行 Java 字节吗的虚拟机。JVM 有针对不同系统的特定实现（Windows，Linux，macOS），目的是使用相同的字节码，它们都会给出相同的结果。字节码和不同系统的 JVM 实现是 Java 语言“一次编译，随处可以运行”的关键所在。

运行在 Java 虚拟机之上的编程语言

JVM 并不是只有一种！只要满足 JVM 规范，每个公司、组织或者个人都可以开发自己的专属 JVM。 也就是说我们平时接触到的 HotSpot VM 仅仅是是 JVM 规范的一种实现而已。

除了我们平时最常用的 HotSpot VM 外，还有 J9 VM、Zing VM、JRockit VM 等 JVM 。

JDK

JDK（Java Development Kit），它是功能齐全的 Java SDK，是提供给开发者使用，能够创建和编译 Java 程序的开发套件。它包含了 JRE，同时还包含了编译 java 源码的编译器 javac 以及一些其他工具比如 javadoc（文档注释工具）、jdb（调试器）、jconsole（基于 JMX 的可视化监控⼯具）、javap（反编译工具）等等。

JRE

JRE（Java Runtime Environment） 是 Java 运行时环境。它是运行已编译 Java 程序所需的所有内容的集合，主要包括 Java 虚拟机（JVM）、Java 基础类库（Class Library）。

也就是说，JRE 是 Java 运行时环境，仅包含 Java 应用程序的运行时环境和必要的类库。而 JDK 则包含了 JRE，同时还包括了 javac、javadoc、jdb、jconsole、javap 等工具，可以用于 Java 应用程序的开发和调试。如果需要进行 Java 编程工作，比如编写和编译 Java 程序、使用 Java API 文档等，就需要安装 JDK。而对于某些需要使用 Java 特性的应用程序，如 JSP 转换为 Java Servlet、使用反射等，也需要 JDK 来编译和运行 Java 代码。因此，即使不打算进行 Java 应用程序的开发工作，也有可能需要安装 JDK。

JDK 包含 JRE

不过，从 JDK 9 开始，就不需要区分 JDK 和 JRE 的关系了，取而代之的是模块系统（JDK 被重新组织成 94 个模块）+ jlinkopen in new window 工具 (随 Java 9 一起发布的新命令行工具，用于生成自定义 Java 运行时映像，该映像仅包含给定应用程序所需的模块) 。并且，从 JDK 11 开始，Oracle 不再提供单独的 JRE 下载。

在 Java 9 新特性概览open in new window这篇文章中：

在引入了模块系统之后，JDK 被重新组织成 94 个模块。Java 应用可以通过新增的 jlink 工具，创建出只包含所依赖的 JDK 模块的自定义运行时镜像。这样可以极大的减少 Java 运行时环境的大小。

也就是说，可以用 jlink 根据自己的需求，创建一个更小的 runtime（运行时），而不是不管什么应用，都是同样的 JRE。

定制的、模块化的 Java 运行时映像有助于简化 Java 应用的部署和节省内存并增强安全性和可维护性。这对于满足现代应用程序架构的需求，如虚拟化、容器化、微服务和云原生开发，是非常重要的。

什么是字节码？字节码的好处是什么？

所谓的字节码，就是 Java 程序经过编译之类产生的 .class 文件，字节码不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机，从而实现 Java 程序的跨平台性。

Java 程序从源代码到运行主要有三步：

  • 编译：将我们的代码（.java）编译成虚拟机可以识别理解的字节码(.class)
  • 解释：虚拟机执行 Java 字节码，将字节码翻译成机器能识别的机器码
  • 执行：对应的机器执行二进制机器码

Java程序执行过程

只需要把 Java 程序编译成 Java 虚拟机能识别的 Java 字节码，不同的平台安装对应的 Java 虚拟机，这样就可以可以实现 Java 语言的平台无关性。

我们需要格外注意的是 .class->机器码 这一步。在这一步 JVM 类加载器首先加载字节码文件，然后通过解释器逐行解释执行，这种方式的执行速度会相对比较慢。而且，有些方法和代码块是经常需要被调用的(也就是所谓的热点代码)，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。而我们知道，机器码的运行效率肯定是高于 Java 解释器的。这也解释了我们为什么经常会说 Java 是编译与解释共存的语言 。

Java程序转变为机器代码的过程

HotSpot（热点代码） 采用了惰性评估(Lazy Evaluation)的做法，根据二八定律，消耗大部分系统资源的只有那一小部分的代码（热点代码），而这也就是 JIT 所需要编译的部分。JVM 会根据代码每次被执行的情况收集信息并相应地做出一些优化，因此执行的次数越多，它的速度就越快。

下面这张图是 JVM 的大致结构模型。

JVM 的大致结构模型

“编译与解释并存”？

高级编程语言按照程序的执行方式分为编译型和解释型两种。

简单来说，编译型语言是指编译器针对特定的操作系统将源代码一次性翻译成可被该平台执行的机器码；解释型语言是指解释器对源程序逐行解释成特定平台的机器码并立即执行。

编译型语言和解释型语言

比如，你想读一本外国的小说，你可以找一个翻译人员帮助你翻译，有两种选择方式，你可以先等翻译人员将全本的小说（也就是源码）都翻译成汉语，再去阅读，也可以让翻译人员翻译一段，你在旁边阅读一段，慢慢把书读完。

Java 语言既具有编译型语言的特征，也具有解释型语言的特征，因为 Java 程序要经过先编译，后解释两个步骤，由 Java 编写的程序需要先经过编译步骤，生成字节码（\*.class 文件），这种字节码必须再经过 JVM 解释成操作系统能识别的机器码，再由操作系统执行。因此，我们可以认为 Java 语言编译与解释并存。

image-20240611202213215

AOT是什么？AOT有什么优点？为什么不全部使用AOT？

JDK 9 引入了一种新的编译模式 AOT(Ahead of Time Compilation) 。和 JIT 不同的是，这种编译模式会在程序被执行前就将其编译成机器码，属于静态编译（C、 C++，Rust，Go 等语言就是静态编译）。AOT 避免了 JIT 预热等各方面的开销，可以提高 Java 程序的启动速度，避免预热时间长。并且，AOT 还能减少内存占用和增强 Java 程序的安全性（AOT 编译后的代码不容易被反编译和修改），特别适合云原生场景。

JIT 与 AOT 两者的关键指标对比:

JIT vs AOTJIT vs AOT

可以看出，AOT 的主要优势在于启动时间、内存占用和打包体积。JIT 的主要优势在于具备更高的极限处理能力，可以降低请求的最大延迟。

提到 AOT 就不得不提 GraalVMopen in new window 了！GraalVM 是一种高性能的 JDK（完整的 JDK 发行版本），它可以运行 Java 和其他 JVM 语言，以及 JavaScript、Python 等非 JVM 语言。 GraalVM 不仅能提供 AOT 编译，还能提供 JIT 编译。

既然 AOT 这么多优点，那为什么不全部使用这种编译方式呢？

我们前面也对比过 JIT 与 AOT，两者各有优点，只能说 AOT 更适合当下的云原生场景，对微服务架构的支持也比较友好。除此之外，AOT 编译无法支持 Java 的一些动态特性，如反射、动态代理、动态加载、JNI（Java Native Interface）等。然而，很多框架和库（如 Spring、CGLIB）都用到了这些特性。如果只使用 AOT 编译，那就没办法使用这些框架和库了，或者说需要针对性地去做适配和优化。举个例子，CGLIB 动态代理使用的是 ASM 技术，而这种技术大致原理是运行时直接在内存中生成并加载修改后的字节码文件也就是 .class 文件，如果全部使用 AOT 提前编译，也就不能使用 ASM 技术了。为了支持类似的动态特性，所以选择使用 JIT 即时编译器。

基础数据类型

本节记录 Java 中一些基础数据类型相关的问题。

什么是自动拆箱/装箱？

  • 装箱：将基本数据类型转换为包装类型（Byte、Short、Integer、Long、Float、Double、Character、Boolean）。
  • 拆箱：将包装类型转换为基本数据类型。

三分恶面渣逆袭:装箱和拆箱三分恶面渣逆袭:装箱和拆箱

举例：

1
2
Integer i = 10;  //装箱
int n = i;   //拆箱

上面这两行代码对应的字节码为：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
L1

 LINENUMBER 8 L1

 ALOAD 0

 BIPUSH 10

 INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf (I)Ljava/lang/Integer;

 PUTFIELD AutoBoxTest.i : Ljava/lang/Integer;

L2

 LINENUMBER 9 L2

 ALOAD 0

 ALOAD 0

 GETFIELD AutoBoxTest.i : Ljava/lang/Integer;

 INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I

 PUTFIELD AutoBoxTest.n : I

 RETURN

从字节码中，我们发现装箱其实就是调用了 包装类的valueOf()方法，拆箱其实就是调用了 xxxValue()方法。

因此，

  • Integer i = 10 等价于 Integer i = Integer.valueOf(10)
  • int n = i 等价于 int n = i.intValue();

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。

为什么有了基本类型还要设计包装类型？

Java 一共设计了八种基础类型，每一种基础类型都会对应着唯一的包装类，为什么要这样设计，不是多此一举吗？

在 Java 里面，之所以要对基础类型设计一个对应的封装类型，是因为 Java 本身是一门面向对象的语言，对象是 Java 的基础操作单元，我们时时刻刻都在创建对象，也随时都在使用对象，很多时候传递数据也需要对象，不如 ArrayList、HashMap 这些集合，只能存储对象类型，因此封装类型存在的意义还是很大的。

此外，封装类型还有很多好处，如安全性好，可以避免外部操作随意修改成员变量的值，保证了成员变量和数据传递的安全性；隐藏了实现细节，对使用者更加友好，只需要调用对象提供的方法就可以完成对应的操作

在定义基础数据类型时，我们可以直接定义一个变量名并赋值；但是包装类型需要使用 new 关键字创建对象基本类型。当两种类型混合使用时，Java 会自动通过拆箱和封箱实现类型转换。

  • 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。

为什么说是几乎所有对象实例都存在于堆中呢？ 这是因为 HotSpot 虚拟机引入了 JIT 优化之后，会对对象进行逃逸分析，如果发现某一个对象并没有逃逸到方法外部，那么就可能通过标量替换来实现栈上分配，而避免堆上分配内存

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中。

包装类型的缓存机制（享元模式）

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。两种浮点数类型的包装类 Float,Double 并没有实现缓存机制。

如果超出对应范围仍然会去创建新的对象，缓存的范围区间的大小只是在性能和资源之间的权衡。

正是由于这个特性，衍生出另外一个经典的面试题。

为什么 1000==1000为 false，100==100为true？

还记得 integer 的缓存范围吗？[-128, 127]，而 1000 超过了它的缓存范围，则会重新创建一个新的对象。而 == 比较的又是两个标识符引用的对象是否相同，所以才会出现这么一个看起来没问题的问题。

变量

本节记录有关变量的问题。

成员变量和局部变量的区别？

语法形式：从语法形式上看，成员变量是属于类的，而局部变量是在代码块或方法中定义的变量或是方法的参数；成员变量可以被 public,private,static 等修饰符所修饰，而局部变量不能被访问控制修饰符及 static 所修饰；但是，成员变量和局部变量都能被 final 所修饰。

存储方式：从变量在内存中的存储方式来看，如果成员变量是使用 static 修饰的，那么这个成员变量是属于类的，如果没有使用 static 修饰，这个成员变量是属于实例的。而对象存在于堆内存，局部变量则存在于栈内存。

生存时间：从变量在内存中的生存时间上看，成员变量是对象的一部分，它随着对象的创建而存在，而局部变量随着方法的调用而自动生成，随着方法的调用结束而消亡。

默认值：从变量是否有默认值来看，成员变量如果没有被赋初始值，则会自动以类型的默认值而赋值（一种情况例外:被 final 修饰的成员变量也必须显式地赋值），而局部变量则不会自动赋值。

为什么成员变量有默认值？

  1. 先不考虑变量类型，如果没有默认值会怎样？变量存储的是内存地址对应的任意随机值，程序读取该值运行会出现意外。
  2. 默认值有两种设置方式：手动和自动，根据第一点，没有手动赋值一定要自动赋值。成员变量在运行时可借助反射等方法手动赋值，而局部变量不行。
  3. 对于编译器（javac）来说，局部变量没赋值很好判断，可以直接报错。而成员变量可能是运行时赋值，无法判断，误报“没默认值”又会影响用户体验，所以采用自动赋默认值。

静态变量有什么用？

静态变量也就是被 static 关键字修饰的变量。它可以被类的所有实例共享，无论一个类创建了多少个对象，它们都共享同一份静态变量。也就是说，静态变量只会被分配一次内存，即使创建多个对象，这样可以节省内存。

静态变量是通过类名来访问的，例如StaticVariableExample.staticVar（如果被 private关键字修饰就无法这样访问了）。

1
2
3
4
public class StaticVariableExample {
    // 静态变量
    public static int staticVar = 0;
}

通常情况下，静态变量会被 final 关键字修饰成为常量。

1
2
3
4
public class ConstantVariableExample {
    // 常量
    public static final int constantVar = 0;
}

方法

重载和重写有什么区别？

重载就是同样的一个方法能够根据输入数据的不同，做出不同的处理

重写就是当子类继承自父类的相同方法，输入数据一样，但要做出有别于父类的响应时，你就要覆盖父类方法

重载

发生在同一个类中（或者父类和子类之间），方法名必须相同，参数类型不同、个数不同、顺序不同，方法返回值和访问修饰符可以不同。

《Java 核心技术》这本书是这样介绍重载的：

如果多个方法(比如 StringBuilder 的构造方法)有相同的名字、不同的参数， 便产生了重载。

1
2
StringBuilder sb = new StringBuilder();
StringBuilder sb2 = new StringBuilder("HelloWorld");

编译器必须挑选出具体执行哪个方法，它通过用各个方法给出的参数类型与特定方法调用所使用的值类型进行匹配来挑选出相应的方法。 如果编译器找不到匹配的参数， 就会产生编译时错误， 因为根本不存在匹配， 或者没有一个比其他的更好(这个过程被称为重载解析(overloading resolution))。

Java 允许重载任何方法， 而不只是构造器方法。

综上：重载就是同一个类中多个同名方法根据不同的传参来执行不同的逻辑处理。

重写

重写发生在运行期，是子类对父类的允许访问的方法的实现过程进行重新编写。

  1. 方法名、参数列表必须相同，子类方法返回值类型应比父类方法返回值类型更小或相等，抛出的异常范围小于等于父类，访问修饰符范围大于等于父类。
  2. 如果父类方法访问修饰符为 private/final/static 则子类就不能重写该方法，但是被 static 修饰的方法能够被再次声明。
  3. 构造方法无法被重写

综上：重写就是子类对父类方法的重新改造，外部样子不能改变，内部逻辑可以改变。

区别点 重载 重写
发生范围 同一个类 子类
参数列表 必须修改 一定不能修改
返回类型 可修改 子类方法返回值类型应比父类方法返回值类型更小或相等
异常 可修改 子类方法声明抛出的异常类应比父类方法声明抛出的异常类更小或相等
访问修饰符 可修改 一定不能做更严格的限制（可以降低限制）
发生阶段 编译期 运行期

方法的重写要遵循“两同两小一大”

  • “两同”即方法名相同、形参列表相同；
  • “两小”指的是子类方法返回值类型应比父类方法返回值类型更小或相等，子类方法声明抛出的异常类应比父类方法声明抛出的异常类更小或相等；
  • “一大”指的是子类方法的访问权限应比父类方法的访问权限更大或相等。

关于 重写的返回值类型 这里需要额外多说明一下，上面的表述不太清晰准确：如果方法的返回类型是 void 和基本数据类型，则返回值重写时不可修改。但是如果方法的返回值是引用类型，重写时是可以返回该引用类型的子类的。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
public class Hero {
    public String name() {
        return "超级英雄";
    }
}
public class SuperMan extends Hero{
    @Override
    public String name() {
        return "超人";
    }
    public Hero hero() {
        return new Hero();
    }
}

public class SuperSuperMan extends SuperMan {
    public String name() {
        return "超级超级英雄";
    }

    @Override
    public SuperMan hero() {
        return new SuperMan();
    }
}

总结

上面就简单写了一些在初学 Java 时了解到的一些八股文的内容，当然这只是非常皮毛的一部分。重要内容还是要到面向对象开始之后才行，慢慢来吧。

汇报一下现在的学习进度，现在开始跟着黑马的视频基本了解一下 Java 开发时会用到的框架，像 JavaWeb、Spring Boot、Mybatis等等，不得不说，想要从头学一个东西确实很难，光是配置环境我就被整的焦头烂额。