Java学习_Java核心类

字符串和编码
- 字符串在String内部是通过一个char[]数组表示的，因此，可以按下面的写法：
```
String s2 = new String(new char[] {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '!'});
```
- Java字符串的一个重要特点就是字符串不可变。这种不可变性是通过内部的private final char[]字段，以及没有任何修改char[]的方法实现的。
- Java编译器在编译期，会自动把所有相同的字符串当作一个对象放入常量池。
- 两个字符串比较，必须总是使用equals()方法。
- 要忽略大小写比较，使用equalsIgnoreCase()方法。
- String还提供了isEmpty()和isBlank()来判断字符串是否为空和空白字符串。
- 拼接字符串使用静态方法join()，它用指定的字符串连接字符串数组。
```
String[] arr = {"A", "B", "C"};
String s = String.join("***", arr); // "A***B***C"
```
- 字符串提供了formatted()方法和format()静态方法，可以传入其他参数，替换占位符，然后生成新的字符串。
```
1 public class Main {
2     public static void main(String[] args) {
3         String s = "Hi %s, your score is %d!";
4         System.out.println(s.formatted("Alice", 80));
5         System.out.println(String.format("Hi %s, your score is %.2f!", "Bob", 59.5));
6     }
7 }
```
- 要把任意基本类型或引用类型转换为字符串，可以使用静态方法valueOf()。
```
1 String.valueOf(123); // "123"
2 String.valueOf(45.67); // "45.67"
3 String.valueOf(true); // "true"
4 String.valueOf(new Object()); // 类似java.lang.Object@636be97c
```
- new String(char[])创建新的String实例时，它并不会直接引用传入的char[]数组，而是会复制一份，所以，修改外部的char[]数组不会影响String实例内部的char[]数组，因为这是两个不同的数组。
- 那我们经常使用的UTF-8又是什么编码呢？因为英文字符的Unicode编码高字节总是00，包含大量英文的文本会浪费空间，所以，出现了UTF-8编码，它是一种变长编码，用来把固定长度的Unicode编码变成1～4字节的变长编码。通过UTF-8编码，英文字符'A'的UTF-8编码变为0x41，正好和ASCII码一致，而中文'中'的UTF-8编码为3字节0xe4b8ad。

StringBuilder
- String虽然可以直接拼接字符串，但是，在循环中，每次循环都会创建新的字符串对象，然后扔掉旧的字符串。
- 为了能高效拼接字符串，Java标准库提供了StringBuilder，它是一个可变对象，可以预分配缓冲区，这样，往StringBuilder中新增字符时，不会创建新的临时对象。
- StringBuilder还可以进行链式操作。
```
 1 public class Main {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         var sb = new StringBuilder(1024);
 4         sb.append("Mr ")
 5           .append("Bob")
 6           .append("!")
 7           .insert(0, "Hello, ");
 8         System.out.println(sb.toString());
 9     }
10 }
```
- 查看StringBuilder的源码，可以发现，进行链式操作的关键是，定义的append()方法会返回this，这样，就可以不断调用自身的其他方法。
- 对于普通的字符串+操作，并不需要我们将其改写为StringBuilder，因为Java编译器在编译时就自动把多个连续的+操作编码为StringConcatFactory的操作。在运行期，StringConcatFactory会自动把字符串连接操作优化为数组复制或者StringBuilder操作。
- ```
public StringBuilder delete(int start, int end)
```
StringJoiner
- StringJoiner(CharSequence delimiter)
- StringJoiner(CharSequence delimiter, CharSequence prefix, CharSequence suffix)
包装类型
- 自动装箱（Auto Boxing）
- 所有的包装类型都是不变类。
```
1 //源码
2 public final class Integer {  
3     private final int value;
4 }
```
- 我们把能创建“新”对象的静态方法称为静态工厂方法。Integer.valueOf()就是静态工厂方法，它尽可能地返回缓存的实例以节省内存。创建新对象时，优先选用静态工厂方法而不是new操作符。
- 程序设计的一个重要原则：数据的存储和显示要分离。
- 处理无符号整型

JavaBean

class的定义都符合这样的规范：

若干private实例字段；

通过public方法来读写实例字段。

// 读方法:
public Type getXyz()
// 写方法:
public void setXyz(Type value)

boolean字段比较特殊，它的读方法一般命名为isXyz()。

// 读方法:
public boolean isChild()
// 写方法:
public void setChild(boolean value)

把一组对应的读方法（getter）和写方法（setter）称为属性（property）。例如，name属性：
- 对应的读方法是String getName()
- 对应的写方法是setName(String)
- 只有getter的属性称为只读属性（read-only）
- 只有setter的属性称为只写属性（write-only枚举一个JavaBean的所有属性，可以直接使用Java核心库提供的Introspector。

 1 import java.beans.*;
 2 
 3 public class Main {
 4     public static void main(String[] args) throws Exception {
 5         BeanInfo info = Introspector.getBeanInfo(Person.class);
 6         for (PropertyDescriptor pd : info.getPropertyDescriptors()) {
 7             System.out.println(pd.getName());
 8             System.out.println("  " + pd.getReadMethod());
 9             System.out.println("  " + pd.getWriteMethod());
10         }
11     }
12 }
13 
14 class Person {
15     private String name;
16     private int age;
17 
18     public String getName() {
19         return name;
20     }
21 
22     public void setName(String name) {
23         this.name = name;
24     }
25 
26     public int getAge() {
27         return age;
28     }
29 
30     public void setAge(int age) {
31         this.age = age;
32     }
33 }

输出：
age
  public int Person.getAge()
  public void Person.setAge(int)
class
  public final native java.lang.Class java.lang.Object.getClass()
  null
name
  public java.lang.String Person.getName()
  public void Person.setName(java.lang.String)

枚举类

Java中，我们可以通过static final来定义常量。但使用这些常量来表示一组枚举值的时候，有一个严重的问题就是，编译器无法检查每个值的合理性。定义的常量仍可与其他变量比较。

 1 class Weekday {
 2     public static final int SUN = 0;
 3     public static final int MON = 1;
 4     public static final int TUE = 2;
 5     public static final int WED = 3;
 6     public static final int THU = 4;
 7     public static final int FRI = 5;
 8     public static final int SAT = 6;
 9 }
10 
11 //可编译下列代码
12 if (weekday == 6 || weekday == 7) {   //Weekday定义的常量范围是0~6，并不包含7，编译器无法检查不在枚举中的int值；
13     if (tasks == Weekday.MON) {
14         // TODO:
15     }
16 }

定义枚举类是通过关键字enum实现的，只需依次列出枚举的常量名。enum常量本身带有类型信息，即Weekday.SUN类型是Weekday（第二代码块），编译器会自动检查出类型错误。

 1 public class Main {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         Weekday day = Weekday.SUN;
 4         if (day == Weekday.SAT || day == Weekday.SUN) {
 5             System.out.println("Work at home!");
 6         } else {
 7             System.out.println("Work at office!");
 8         }
 9     }
10 }
11 
12 enum Weekday {
13     SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT;
14 }

 1 public class Main {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         Weekday day = Weekday.SUN;
 4         System.out.println(day.getClass());
 5     }
 6 }
 7 
 8 enum Weekday {
 9     SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT;
10 }

使用enum定义的枚举类是一种引用类型。比较要使用equals()方法，但enum类型的每个常量在JVM中只有一个唯一实例，所以可以直接用==比较。
enum定义的类型就是class，有以下几个特点：
- 定义的enum类型总是继承自java.lang.Enum，且无法被继承；
- 只能定义出enum的实例，而无法通过new操作符创建enum的实例；
- 定义的每个实例都是引用类型的唯一实例；
- 可以将enum类型用于switch语句。

enum是一个class，每个枚举的值都是class实例，因此，这些实例有一些方法：

name() 返回常量名
```
String s = Weekday.SUN.name(); // "SUN"
```
ordinal()　返回定义的常量的顺序，从0开始计数
```
int n = Weekday.MON.ordinal(); // 1
```
values() 返回枚举类中所有的值。

枚举跟普通类一样可以用自己的变量、方法和构造函数，构造函数只能使用 private 访问修饰符，所以外部无法调用。enum的构造方法要声明为private，字段强烈建议声明为final。

 1 public class Main {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         Weekday day = Weekday.SUN;
 4         if (day.dayValue == 6 || day.dayValue == 0) {
 5             System.out.println("Today is " + day + ". Work at home!");
 6         } else {
 7             System.out.println("Today is " + day + ". Work at office!");
 8         }
 9     }
10 }
11 
12 enum Weekday {
13     MON(1, "星期一"), TUE(2, "星期二"), WED(3, "星期三"), THU(4, "星期四"), FRI(5, "星期五"), SAT(6, "星期六"), SUN(0, "星期日");
14 
15     public final int dayValue;
16     private final String chinese;
17 
18     private Weekday(int dayValue, String chinese) {
19         this.dayValue = dayValue;
20         this.chinese = chinese;
21     }
22 
23     @Override
24     public String toString() {
25         return this.chinese;
26     }
27 }

枚举类中的抽象方法实现，需要枚举类中的每个对象都对其进行实现。

 1 public class Test{
 2     public static void main(String[] args) {
 3         for (Color c:Color.values()){
 4             System.out.print(c.getColor() + "、");
 5         }
 6     }
 7 }
 8 
 9 enum Color{
10     RED{
11         public String getColor(){//枚举对象实现抽象方法
12             return "红色";
13         }
14     },
15     GREEN{
16         public String getColor(){//枚举对象实现抽象方法
17             return "绿色";
18         }
19     },
20     BLUE{
21         public String getColor(){//枚举对象实现抽象方法
22             return "蓝色";
23         }
24     };
25     public abstract String getColor();//定义抽象方法
26 }

switch内使用（枚举开关的大小写标签必须是枚举常量的非限定名称，通俗的讲，就是不带类名，如不能是Weekday.MON，而是MON）

 1 public class Main {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         Weekday day = Weekday.SUN;
 4         switch(day) {
 5         case MON:
 6         case TUE:
 7         case WED:
 8         case THU:
 9         case FRI:
10             System.out.println("Today is " + day + ". Work at office!");
11             break;
12         case SAT:
13         case Weekday.SUN:
14             System.out.println("Today is " + day + ". Work at home!");
15             break;
16         default:
17             throw new RuntimeException("cannot process " + day);
18         }
19     }
20 }
21 
22 enum Weekday {
23     MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN;
24 }

纪录类

String、Integer等类型都是不变类，一个不变类具有以下特点：
- 定义class时使用final，无法派生子类；
- 每个字段使用final，保证创建实例后无法修改任何字段。

Java 14开始，引入了新的Record类。

 1 public class Main {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         Point p = new Point(123, 456);
 4         System.out.println(p.x());
 5         System.out.println(p.y());
 6         System.out.println(p);
 7     }
 8 }
 9 
10 public record Point(int x, int y) {}

public record Point(int x, int y) {}

//把上述定义改写为class，相当于以下代码：

public final class Point extends Record {
    private final int x;
    private final int y;

    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public int x() {
        return this.x;
    }

    public int y() {
        return this.y;
    }

    public String toString() {
        return String.format("Point[x=%s, y=%s]", x, y);
    }

    public boolean equals(Object o) {
        ...
    }
    public int hashCode() {
        ...
    }
}

编译器默认按照record声明的变量顺序自动创建一个构造方法，并在方法内给字段赋值。假设Point类的x、y不允许负数，我们就得给Point的构造方法加上检查逻辑。

public record Point(int x, int y) {
    public Point {
        if (x < 0 || y < 0) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
    }
}

//方法public Point {...}被称为Compact Constructor，它的目的是让我们编写检查逻辑，编译器最终生成的构造方法如下：

public final class Point extends Record {
    public Point(int x, int y) {
        // 这是我们编写的Compact Constructor:
        if (x < 0 || y < 0) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        // 这是编译器继续生成的赋值代码:
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
    ...
}

作为record的Point仍然可以添加静态方法。一种常用的静态方法是of()方法，用来创建Point。

 1 public record Point(int x, int y) {
 2     public static Point of() {
 3         return new Point(0, 0);
 4     }
 5     public static Point of(int x, int y) {
 6         return new Point(x, y);
 7     }
 8 }
 9 
10 //这样我们可以写出更简洁的代码：
11 
12 var z = Point.of();
13 var p = Point.of(123, 456);

BigInteger
- 使用的整数范围超过了long型时。java.math.BigInteger用来表示任意大小的整数。BigInteger内部用一个int[]数组来模拟一个非常大的整数。
```
BigInteger bi = new BigInteger("1234567890");
System.out.println(bi.pow(5)); // 2867971860299718107233761438093672048294900000
```
- 对BigInteger做运算的时候，只能使用实例方法。
```
BigInteger i1 = new BigInteger("1234567890");
BigInteger i2 = new BigInteger("12345678901234567890");
BigInteger sum = i1.add(i2); // 12345678902469135780
```
- BigInteger和Integer、Long一样，也是不可变类，并且也继承自Number类。
  - 转换为byte：byteValue()
  - 转换为short：shortValue()
  - 转换为int：intValue()
  - 转换为long：longValue()
  - 转换为float：floatValue()
  - 转换为double：doubleValue()
- BigInteger的值甚至超过了float的最大范围（3.4x1038），那么返回的float是 InfinityBigDecimal

BigDecimal

和BigInteger类似，BigDecimal可以表示一个任意大小且精度完全准确的浮点数。

BigDecimal bd = new BigDecimal("123.4567");
System.out.println(bd.multiply(bd)); // 15241.55677489

BigDecimal用scale()表示小数位数。

BigDecimal d1 = new BigDecimal("123.45");
BigDecimal d2 = new BigDecimal("123.4500");
BigDecimal d3 = new BigDecimal("1234500");
System.out.println(d1.scale()); // 2,两位小数
System.out.println(d2.scale()); // 4
System.out.println(d3.scale()); // 0

通过BigDecimal的stripTrailingZeros()方法，可以将一个BigDecimal格式化为一个相等的，但去掉了末尾0的BigDecimal。

 1 BigDecimal d1 = new BigDecimal("123.4500");
 2 BigDecimal d2 = d1.stripTrailingZeros();
 3 System.out.println(d1.scale()); // 4
 4 System.out.println(d2.scale()); // 2,因为去掉了00
 5 
 6 BigDecimal d3 = new BigDecimal("1234500");
 7 BigDecimal d4 = d3.stripTrailingZeros();
 8 System.out.println(d3.scale()); // 0
 9 System.out.println(d4.scale()); // -2
10 //如果一个BigDecimal的scale()返回负数，例如，-2，表示这个数是个整数，并且末尾有2个0。

可以对一个BigDecimal设置它的scale，如果精度比原始值低，那么按照指定的方法进行四舍五入或者直接截断。

import java.math.BigDecimal;
import java.math.RoundingMode;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        BigDecimal d1 = new BigDecimal("123.456789");
        BigDecimal d2 = d1.setScale(4, RoundingMode.HALF_UP); // 四舍五入，123.4568
        BigDecimal d3 = d1.setScale(4, RoundingMode.DOWN); // 直接截断，123.4567
        System.out.println(d2);
        System.out.println(d3);
    }
}

对BigDecimal做加、减、乘时，精度不会丢失，但是做除法时，存在无法除尽的情况，这时，就必须指定精度以及如何进行截断。

BigDecimal d1 = new BigDecimal("123.456");
BigDecimal d2 = new BigDecimal("23.456789");
BigDecimal d3 = d1.divide(d2, 10, RoundingMode.HALF_UP); // 保留10位小数并四舍五入
BigDecimal d4 = d1.divide(d2); // 报错：ArithmeticException，因为除不尽

可以对BigDecimal做除法的同时求余数。

1 public class Main {
2     public static void main(String[] args) {
3         BigDecimal n = new BigDecimal("12.345");
4         BigDecimal m = new BigDecimal("0.12");
5         BigDecimal[] dr = n.divideAndRemainder(m);
6         System.out.println(dr[0]); // 102
7         System.out.println(dr[1]); // 0.105
8     }
9 }

比较两个BigDecimal的值是否相等时，要特别注意，使用equals()方法不但要求两个BigDecimal的值相等，还要求它们的scale()相等。

BigDecimal d1 = new BigDecimal("123.456");
BigDecimal d2 = new BigDecimal("123.45600");
System.out.println(d1.equals(d2)); // false,因为scale不同
System.out.println(d1.equals(d2.stripTrailingZeros())); // true,因为d2去除尾部0后scale变为2
System.out.println(d1.compareTo(d2)); // 0

必须使用compareTo()方法来比较，它根据两个值的大小分别返回负数、正数和0，分别表示小于、大于和等于。（总是使用compareTo()比较两个BigDecimal的值，不要使用equals()！）
查看BigDecimal的源码，可以发现，实际上一个BigDecimal是通过一个BigInteger和一个scale来表示的，即BigInteger表示一个完整的整数，而scale表示小数位数。
```
1 public class BigDecimal extends Number implements Comparable<BigDecimal> {
2     private final BigInteger intVal;
3     private final int scale;
4 }
```
BigDecimal也是从Number继承的，也是不可变对象。

常用工具类
- Math
  - Math类是用来进行数学计算的，提供了大量的静态方法来便于实现数学计算。
  - Math还提供了几个数学常量 Math.PI Math.E
  - 生成一个随机数x，x的范围是0 <= x < 1 Math.random(); // 0.53907... 每次都不一样
  - 如果要生成一个区间在[MIN, MAX)的随机数，可以借助Math.random()实现。
```
// 区间在[MIN, MAX)的随机数
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        double x = Math.random(); // x的范围是[0,1)
        double min = 10;
        double max = 50;
        double y = x * (max - min) + min; // y的范围是[10,50)
        long n = (long) y; // n的范围是[10,50)的整数
        System.out.println(y);
        System.out.println(n);
    }
}
```
  - Java标准库还提供了一个StrictMath，它提供了和Math几乎一模一样的方法。这两个类的区别在于，由于浮点数计算存在误差，不同的平台（例如x86和ARM）计算的结果可能不一致（指误差不同），因此，StrictMath保证所有平台计算结果都是完全相同的，而Math会尽量针对平台优化计算速度，绝大多数情况下，使用Math就足够。Random
- Random
  - Random用来创建伪随机数。所谓伪随机数，是指只要给定一个初始的种子，产生的随机数序列是完全一样的。要生成一个随机数，可以使用nextInt()、nextLong()、nextFloat()、nextDouble()。
```
Random r = new Random();
r.nextInt(); // 2071575453,每次都不一样
r.nextInt(10); // 5,生成一个[0,10)之间的int
r.nextLong(); // 8811649292570369305,每次都不一样
r.nextFloat(); // 0.54335...生成一个[0,1)之间的float
r.nextDouble(); // 0.3716...生成一个[0,1)之间的double
```
  - 创建Random实例时，如果不给定种子，就使用系统当前时间戳作为种子，因此每次运行时，种子不同，得到的伪随机数序列就不同。如果我们在创建Random实例时指定一个种子，就会得到完全确定的随机数序列。
```
import java.util.Random;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Random r = new Random(12345);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(r.nextInt(100));
        }
        // 51, 80, 41, 28, 55...
    }
}
```
  - 前面我们使用的Math.random()实际上内部调用了Random类，所以它也是伪随机数，只是我们无法指定种子。
- SecureRandom
  - 有伪随机数，就有真随机数。实际上真正的真随机数只能通过量子力学原理来获取，而我们想要的是一个不可预测的安全的随机数，SecureRandom就是用来创建安全的随机数的。
```
SecureRandom sr = new SecureRandom();
System.out.println(sr.nextInt(100));
```
  - SecureRandom无法指定种子，它使用RNG（random number generator）算法。JDK的SecureRandom实际上有多种不同的底层实现，有的使用安全随机种子加上伪随机数算法来产生安全的随机数，有的使用真正的随机数生成器。实际使用的时候，可以优先获取高强度的安全随机数生成器，如果没有提供，再使用普通等级的安全随机数生成器。
```
 1 import java.util.Arrays;
 2 import java.security.SecureRandom;
 3 import java.security.NoSuchAlgorithmException;
 4 
 5 public class Main {
 6     public static void main(String[] args) {
 7         SecureRandom sr = null;
 8         try {
 9             sr = SecureRandom.getInstanceStrong(); // 获取高强度安全随机数生成器
10         } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
11             sr = new SecureRandom(); // 获取普通的安全随机数生成器
12         }
13         byte[] buffer = new byte[16];
14         sr.nextBytes(buffer); // 用安全随机数填充buffer
15         System.out.println(Arrays.toString(buffer));
16     }
17 }
```

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