Java 基础 -- Java 基础知识

Java 基础知识

一、Java 概述

1.1 Java 简介

1.1.1 Java 介绍

Java 是一种广泛使用、功能强大、跨平台的高级编程语言和计算平台。

1.1.2 Java 核心特性

简单易学：Java 的语法基于 C/C++，但去除了 C/C++ 中复杂且容易出错的特性，如指针运算、多重继承（通过接口实现类似功能）、显式内存管理（通过垃圾回收机制）等。

面向对象(Object-Oriented - OOP）：Java 是一门纯粹的面向对象编程语言（除了基本数据类型），一切皆对象（Everything is an Object）。Java 完全支持 OOP 的四大核心特性：

• 封装(Encapsulation）：将数据（属性）和操作数据的方法（行为）捆绑在一起，通过访问修饰符（private，public，protected）控制访问权限。
• 继承(Inheritance）：子类可以继承父类的属性和方法，实现代码复用。
• 多态(Polymorphism）：同一个接口可以有不同的实现方式（如方法重写 @Override），提高了代码的灵活性和可扩展性。
• 抽象（Abstraction）：通过抽象类和接口定义规范，隐藏复杂的实现细节。

平台无关性：“一次编写，到处运行”（Write Once，Run Anywhere - WORA），这也是 Java 最核心、最革命性的特性。

• 原理：Java 源代码（.java 文件）首先被编译成一种与平台无关的中间代码——字节码（Bytecode）（.class 文件）。然后，这个字节码由安装在目标操作系统上的 Java 虚拟机（Java Virtual Machine - JVM） 来解释执行或即时编译（JIT）成本地机器码。
• 结果：只要目标机器安装了相应版本的 JVM，同一个编译好的 .class 文件就可以在 Windows、Linux、macOS 等不同操作系统上运行，无需重新编译。这极大地提高了软件的可移植性。

健壮性：Java 通过多种机制确保程序的稳定性和可靠性：

• 强类型检查（Strong Typing）：在编译和运行时进行严格的类型检查，减少类型错误。
• 异常处理（Exception Handling）：提供了完善的异常处理机制（try-catch-finally，throw，throws），允许程序优雅地处理运行时错误，避免程序崩溃。
• 自动内存管理 / 垃圾回收（Garbage Collection - GC）：JVM 自动管理内存的分配和回收，程序员无需手动释放内存（如 C/C++ 中的 free/delete），有效避免了内存泄漏（Memory Leak）和悬空指针（Dangling Pointer）等常见问题。

安全性：Java 设计之初就考虑了安全性，尤其是在网络环境下：

• 沙箱机制（Sandbox）：限制不受信任代码（如早期的 Applet）的权限，防止其访问本地文件系统、网络等敏感资源。
• 字节码验证器（Bytecode Verifier）：在 JVM 加载字节码时进行检查，确保其符合规范，防止恶意代码破坏系统。
• 安全管理器（Security Manager）：（虽然在现代应用中使用减少）可以进一步定义代码的权限。
• 加密和安全 API：提供了丰富的 API 支持加密、数字签名、认证等安全功能。

多线程：

• Java 内置了对多线程编程的支持。一个 Java 程序可以同时运行多个执行路径（线程）。这使得开发高并发、响应迅速的应用（如服务器、图形界面程序）变得更加容易。
• Java 提供了 Thread 类、Runnable 接口以及 java.util.concurrent 包等工具来简化多线程开发。

分布式：Java 为网络编程提供了强大的内置支持（如 java.net 包），可以轻松地开发能够通过网络进行通信和数据交换的应用程序，如客户端-服务器（Client-Server） 应用、Web 服务等。

高性能：

• 虽然早期的解释执行模式较慢，但现代 JVM 采用了即时编译（Just-In-Time Compilation - JIT） 技术。
• JIT 会将热点（频繁执行）的字节码编译成本地机器码，从而获得接近 C/C++ 的执行速度。加上不断优化的垃圾回收算法，Java 的性能已经非常出色。

动态性：

• Java 能够适应不断变化的环境，其库可以自由地添加新方法和实例变量，而不会影响其客户端。
• Java 还支持反射（Reflection） 机制，允许程序在运行时检查类、接口、字段和方法的信息，并能动态调用对象的方法或访问其属性，这为框架（如 Spring）的实现提供了基础。

1.1.3 Java 技术体系

Java 的技术生态系统，主要分为三个平台：

• Java SE：Standard Edition - 标准版
• Java EE：Enterprise Edition - 企业版
• Java ME：Micro Edition - 微型版

Java SE：

• 核心：Java 的基础和核心，包含语言基础、核心 API（如 java.lang，java.util，java.io，java.net，java.sql 等）、JVM。
• 用途：用于开发桌面应用程序、命令行工具以及作为 Java EE 和 Java ME 的基础。

Java EE：

• 核心：建立在 Java SE 之上，提供了一套用于开发大型、分布式、多层企业级应用的 API 和运行时环境。
• 关键组件/技术：Servlet，JSP（JavaServer Pages），EJB（Enterprise JavaBeans），JPA（Java Persistence API），JMS（Java Message Service），Web Services（JAX-WS，JAX-RS） 等。
• 应用服务器：需要部署在应用服务器上运行，如 Tomcat（主要支持 Servlet/JSP），WildFly，WebLogic，WebSphere。
• 现状：Java EE 已被捐赠给 Eclipse 基金会，并更名为 Jakarta EE。

Java ME：

• 核心：为资源受限的设备（如早期的手机、PDA、嵌入式设备、物联网设备）设计的精简版 Java 平台。
• 用途：开发运行在小型设备上的应用程序。随着 Android 的崛起，其在手机领域的应用已大大减少，但在特定嵌入式领域仍有应用。

1.2 Java 开发环境

1.2.1 Java 开发环境介绍

JVM：JVM（Java Virtual Machine - Java 虚拟机）是 Java 平台无关性（“一次编写，到处运行”）的基石和执行引擎。可以把它看作是 JVM 的“运行套装”。

JRE：JRE（Java Runtime Environment - Java 运行时环境）是运行 Java 程序所必需的最小环境。

JDK：JDK（Java Development Kit - Java 开发工具包）是用于开发 Java 应用程序的完整工具包，它是功能最全的“开发套件”。

JDK、JRE、JVM 共同构成了 Java 的开发和运行环境，三者关系如下：

1.2.2 JDK 下载

JDK 的下载可以通过但不限于以下途径：

• Oracle 官网：Oracle 是 JDK 的官方发布者，提供最新版本的 JDK。
• OpenJDK 官网：OpenJDK 是开源的 JDK 实现，适合大多数开发场景。
• Adoptium 官网：原 AdoptOpenJDK，由 Eclipse 基金会维护，提供高质量的 OpenJDK 构建版本。
• Dragonwell 官网：Dragonwell 是阿里巴巴提供的国产优化版，阿里巴巴推出的长期支持的 OpenJDK 发行版，针对云环境进行了性能优化。

Java 环境变量配置，主要是配置：

• JAVA_HOME：指向 JDK 的安装目录，其他工具（如 Maven、Tomcat）会依赖此变量。
• CLASSPATH：Java 类文件（.class）的搜索路径，现代 JDK 通常可省略此配置。
• PATH：系统可执行命令的搜索路径，便于在命令行中直接使用 java、javac 等命令。

注意：

• CLASSPATH 在 JDK 1.5 以后已默认包含当前目录（.），大多数情况下无需手动设置。
• tools.jar 和 dt.jar 在 JDK 9+ 模块化后已被移除或整合，因此高版本 JDK 不需要这些。

1.2.3 Windows 免安装版

下载免安装版的 JDK，解压并放置到指定想要安装的目录，如 C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.8.0_91。

配置环境变量，右击“我的电脑”→“属性”→“高级系统设置”→“环境变量”。

设置 JAVA_HOME，在“系统变量”中点击“新建”：

• 变量名：JAVA_HOME
• 变量值：C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.8.0_91，这个目录需要根据实际路径修改

在“系统变量”中找到 Path，点击“编辑”→“新建”

• 添加：%JAVA_HOME%\bin

设置 CLASSPATH，在“系统变量”中点击“新建”：

• 变量名：CLASSPATH
• 变量值：.;%JAVA_HOME%\lib\tools.jar;%JAVA_HOME%\lib\dt.jar

JDK 环境变量配置的验证，打开命令提示符（cmd）输入以下命令验证，如果显示版本信息和正确路径，说明配置成功。

java -version
javac -version
echo %JAVA_HOME%

1.3 Java 开发工具

开发 Java 语言常用的开发工具如下：

• IntelliJ IDEA：目前比较主流的 Java 开发 IDE，由 JetBrain 公司提供。
• Eclipse：一款开源免费的开发工具，界面略显陈旧，配置相对比较复杂。
• Visual Studio Code：（VS Code），通过添加 Java 插件的方式满足 Java 语言开发。
• NetBeans：Apache 维护的开源 IDE，对 Java EE（Jakarta EE）支持良好，但是使用人数较少，适合特定场景。

IntelliJ IDEA 常用插件：

• Alibaba Java Coding Guidelines：阿里规约，检测代码是否符合《阿里巴巴 Java 开发手册》规范
• Lombok Plugin：支持 Lombok 注解（@Data、@Getter、@Setter 等），减少模板代码，需在 pom.xml 中引入 Lombok 依赖。
• MyBatisX：MyBatis/MyBatis-Plus 映射跳转、XML 与接口方法互查。
• Spring Boot Helper/Spring Assistant：快速生成 Spring Boot 项目结构、配置提示、端点检测。
• Rainbow Brackets：为不同层级的括号添加颜色，提升代码可读性，尤其适合嵌套复杂的表达式。
• Translation：官方翻译插件，直接翻译类名、变量名、文档注释。支持谷歌、有道、百度等翻译。
• GitToolBox/Git Commit Template：增强 Git 提交信息提示、自动补全、提交模板。
• GenerateAllSetter：右键对象可一键调用 .setXXX()、.setYYY() 链式赋值。
• Database Tools and SQL：内置功能，支持连接 MySQL、Oracle、PostgreSQL 等数据库，可直接执行 SQL、查看表结构，无需切换工具。
• Maven Helper：分析依赖冲突、可视化 pom.xml 依赖树，解决 jar 包冲突利器。
• Grep Console：针对控制台日志，设置不同级别日志的字体颜色和背景色。
• CodeGlance：CodeGlance 是一款代码编辑区缩略图插件，可以快速定位代码。
• RestfulToolkit：RestfulToolkit 是一套 RESTful 服务开发辅助工具集。
• JRebel：热部署插件，可以在修改完代码后，不用重新启动代码。
• Json Parser：JSON 格式化工具。
• SonarLint：代码静态分析，专注于代码质量。
• AI 相关插件：
  • JetBrains AI Assistant：官方提供的 AI 插件
  • Lingma：阿里提供通义灵码的插件
  • CodeGeeX：支持代码生成、翻译、解释
  • GitHub Copilot：代码自动补全
  • AI Code Reviewer：代码审查助手
  • tabnine：智能代码补全，AI 问答等
  • Code Vision：代码智能提示插件，在方法或类名上方显示 AI 分析结果，如：代码复杂度评分、潜在性能问题提示、测试覆盖率建议等。

VS Code 针对 Java 开发的常用插件：

• Java Extension Pack：官方推荐合集，包含以下核心插件，安装一个等于安装六个：
  • Language Support for Java™ by Red Hat
  • Debugger for Java
  • Test Runner for Java
  • Maven for Java
  • Project Manager for Java
  • Visual Studio Code for Java
• Spring Boot Extension Pack：包含如下
  • Spring Boot Tools：自动补全、配置提示
  • Spring Initializr Java Support：快速创建项目
• Lombok Annotations Support：支持 Lombok 注解解析
• Code Runner`：一键运行 Java、Python、C++ 等单文件程序
• Chinese (Simplified) Language Pack：中文语言包，界面汉化

Eclipse 常用插件：

• Lombok for Eclipse：需要手动安装，下载 lombok.jar，双击运行指定 Eclipse 安装路径。
• Spring Tools 4 (STS)：官方 Spring 工具包，支持 Spring Boot 自动配置提示，可通过 Eclipse Marketplace 安装。
• MyBatis Generator：自动生成 MyBatis 实体类、Mapper 接口和 XML 文件。
• FindBugs/SpotBugs：静态代码分析工具，查找潜在 bug。
• EGit：Eclipse 内置 Git 客户端，方便版本控制。

二、Java 语言基础

2.1 Java 程序入口点

每个可独立运行的 Java 程序都必须包含一个 main 方法，main 方法是 Java 程序的入口点（Entry Point），JVM 在启动程序时会自动查找并执行这个方法。

main 方法如下：

public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello, World!");
}

main 方法解释：

• public：访问修饰符，表示该方法可以被外部调用（特别是被 JVM 调用）。必须是 public，否则 JVM 无法访问。
• static：静态方法，表示该方法属于类本身，而不是类的实例。这样 JVM 可以在不创建对象的情况下直接调用 main 方法。
• void：返回类型，表示该方法没有返回值。main 方法不能有返回值。
• main：方法名，JVM 规定的入口方法名称，不能更改。
• String[] args：方法参数，用于接收命令行传递的参数（如字符串数组）。

main 方法的注意事项：

• 必须是 public static void
• 方法名必须是 main
• 参数必须是 String[] 类型
• 一个类可以有多个 main 方法（重载），但只有签名正确的才是入口
• main 方法可以抛出异常

main 方法对比：

public static void main(String[] args) { ... } // ✅ 入口
public static void main() { ... }              // ❌ 不是入口
public static void main(String args) { ... }   // ❌ 参数类型不对

main 方法抛出异常：

public static void main(String[] args) throws Exception {// 可能出错的操作
}

2.2 Java 基本语法

Java 语法的基本规则：

• 大小写敏感：Java 是大小写敏感的语言，HelloWorld 和 helloworld 是两个不同的标识符，类名、方法名、变量名都区分大小写。

• 类名命名规则：首字母大写，采用大驼峰命名法（PascalCase），如 MyClass, StudentInfo, BankAccount。

• 方法名命名规则：首字母小写，后续单词首字母大写（小驼峰命名法 camelCase）如 main(), handleUserInfo(), getUserName()。

• 代码块：代码块使用花括号 {}。

• 代码语句：每条语句以分号 ; 结束。

• 变量名和函数参数：只能包含字母、数字、_、$，必须以字母、$ 或 _ 开头，不能以数字开头。`推荐使用有意义的名称，采用小驼峰

• 源文件名：源文件名必须和类名相同。当保存文件的时候，应该使用类名作为文件名保存，文件名的后缀为 .java，如果文件名和类名不相同则会导致编译错误。

• 代码注释：

  • 单行注释：使用 //，注释单行代码
  • 多行注释：使用 /* 多行<br>注释 */，注释多行代码
  • 文档注释：使用 /** JavaDoc 注释 */，常用于生成 API 文档，可被 javadoc 工具解析

注释示例：

// 这是单行注释，可以注释单行
int x = 10; // 行内的单行注释/*
这是多行注释
可以注释多行*//*** 这是文档注释* 也可以注释多行* 常用于生成 API 文档*/

2.3 Java 基本数据类型

2.3.1 基本数据类型介绍

Java 中的基本数据类型分为四大类：整数型、浮点型、字符型、布尔型。其中：

• 整数型包括字节型、短整型、整形和长整型
• 浮点型包括单精度和双精度

基本数据类型对比如下：

分类	数据类型	关键字	占用空间	取值范围	默认值
整数型	字节型	byte	1 字节(8 位)	-128 到 127	0
	短整型	short	2 字节(16 位)	-32,768 到 32,767	0
	整型	int	4 字节(32 位)	-2³¹ 到 2³¹-1(约 -21 亿 ~ 21 亿)	0
	长整型	long	8 字节(64 位)	-2⁶³ 到 2⁶³-1	0L
浮点型	单精度	float	4 字节(32 位)	约 ±3.4×10³⁸(6-7 位有效数字)	0.0f
	双精度	double	8 字节(64 位)	约 ±1.8×10³⁰⁸(15 位有效数字)	0.0d
字符型	字符	char	2 字节(16 位)	0 到 65,535(Unicode 字符)	\u0000
布尔型	布尔	boolean	未定义(通常 1 位)	true 或 false	false

整数型：

• 用于表示没有小数部分的数字。
• long 类型字面量必须加 L，否则会被当作 int。

浮点型：

• 浮点数默认是 double 类型，赋值给 float 必须加 f。
• 不要用 float/double 表示金钱！因为会有精度丢失问题。

字符型 char

• 表示单个字符，使用单引号 ' '。

布尔型 boolean

• 表示逻辑值，只有两个值：true 和 false。
• boolean 类型在 JVM 中实际占用空间由虚拟机实现决定，但逻辑上只表示真假。

2.3.2 数据类型转换

Java 中各种数据类型间可以进行互相转换：

• 从小类型自动转为大类型为自动类型转换，也叫隐式转换。如 byte → short → int → long → float → double。
• 从大类型转小类型为强制类型转换，也叫显式转换，这种转换可能会丢失精度。如 double → float → long → int → short → byte。

自动类型转换示例：

int a = 100;
long b = a;     // ✅ int → long（安全）float f = 3.14f;
double d = f;   // ✅ float → double

强制类型转换示例：

long l = 1000L;
int i = (int) l;  // ✅ 强制转换double d = 3.99;
int n = (int) d;  // 结果是 3（直接截断，不四舍五入）

2.3.3 Java 包装类

在 Java 中，基本数据类型（Primitive Data Types） 和 包装类（Wrapper Classes） 是两种表示数据的方式。

为了使基本类型能参与面向对象操作（如放入集合、泛型），Java 为每种基本类型提供了对应的包装类，它们是对象，位于 java.lang 包中。

基本类型	包装类	对象示例
byte	Byte	Byte b = 10;
short	Short	Short s = 20;
int	Integer	Integer i = 100;
long	Long	Long l = 1000L;
float	Float	Float f = 3.14f;
double	Double	Double d = 3.14159;
char	Character	Character c = ‘X’;
boolean	Boolean	Boolean flag = true;

自动装箱与拆箱：

• 自动装箱（Autoboxing）：将基本类型自动转换为对应的包装类对象。
• 自动拆箱（Unboxing）：将包装类对象自动转换为基本类型。

2.4 Java 变量与常量

2.4.1 变量与常量介绍

在 Java 编程中，变量（Variable）和常量（Constant）是存储数据的基本方式。

• 变量：变量是程序中用于存储数据值的容器，它的值在程序运行过程中可以被修改。
• 常量：常量是在程序运行期间其值不能被改变的量。

2.4.2 Java 变量

变量的声明与赋值语法：

// 先声明变量，再给变量赋值
数据类型 变量名;
变量名 = 值;// 声明变量的同时给变量赋值
数据类型 变量名 = 值;

变量示例：

int age;           // 声明变量
age = 25;          // 给变量赋值double price = 9.99;     // 声明变量时初始化值
String name = "张三";    // 字符串变量声明并赋值

变量的命名规则

• 只能包含：字母、数字、_、$
• 不能以数字开头：如1age
• 区分大小写：age 和 Age 是两个变量
• 不能是 Java 关键字：如 int class = 10
• 推荐使用小驼峰命名法（camelCase）：userName, studentInfo

变量的作用域：变量根据定义位置不同，其作用域（Scope）也不同

• 局部变量：定义在方法内部，仅在该方法内有效，使用前必须先初始化
• 成员变量：也叫实例变量，定义在类中、方法外，成员变量属于对象，在整个类都可访问，有默认值。
• 静态变量：也叫类变量，用 static 修饰，静态变量属于类，是所有实例共享的。

变量的作用域示例：

public class Student {// 成员变量,默认 null，当前类可访问private String name;// 静态变量，当前类可访问private static String CLASS_NUM = "一班";public void study() {// 局部变量，必须初始化，当前方法可访问int count = 5;}
}

局部变量（方法内的变量）没有默认值，必须手动初始化才能使用，如下：

public void test() {int x;System.out.println(x); // ❌ 编译错误：变量未初始化
}

2.5.3 Java 常量

常量使用 final 关键字修饰，变量名通常使用全大写字母，单词间用下划线 _ 分隔。变量在声明时就必须初始化。

常量声明语法如下：

final 数据类型 常量名 = 值;

常量示例：

final int MAX_AGE = 120;
final double PI = 3.1415926;
final String NAME = "张三";

常量的好处

• 防止误修改：避免程序中意外更改关键数值
• 提高可读性：PI 比 3.1415926 更易理解
• 便于维护：如果需要修改，只需改一处

2.5 Java 修饰符

2.5.1 Java 修饰符介绍

修饰符用来定义类、方法、变量等的关键词，用于控制访问权限、行为特性和生命周期。通常放在语句的最前端。

Java 语言提供了很多修饰符，主要分为以下两类：

• 访问修饰符
• 非访问修饰符

2.5.2 访问控制修饰符

访问控制修饰符用来保护对类、变量、方法和构造方法的访问，Java 支持 4 种不同的访问权限：

• default：默认的修饰符，在同一包内可见。可用于修饰类、接口、变量、方法。
• private：在同一类内可见。可用于修饰变量、方法。private 不能修饰外部类。
• public：对所有类可见。可用于修饰类、接口、变量、方法。
• protected：对同一包内的类和所有子类可见。可以用修饰变量、方法。protected 不能修饰外部类。

访问修饰符的访问权限对比：

修饰符	当前类	同一包内	同包子孙类	不同包子孙类	其他包
public	Y	Y	Y	Y	Y
protected	Y	Y	Y	Y/N（通过继承）	N
default	Y	Y	Y	N	N
private	Y	N	N	N	N

protected 说明：

• 子类与基类在同一包中：被声明为 protected 的变量、方法和构造器能被同一个包中的任何其他类访问；
• 子类与基类不在同一包中：那么在子类中，子类实例可以访问其从基类继承而来的 protected 方法，而不能访问基类实例的 protected 方法。

访问控制权限和继承：

• 父类中声明为 public 的方法在子类中也必须为 public。
• 父类中声明为 protected 的方法在子类中要么声明为 protected，要么声明为 public，不能声明为 private。
• 父类中声明为 private 的方法，不能够被子类继承。

2.5.3 非访问修饰符

非访问修饰符用于定义类、方法、变量的行为特性，Java 提供的常用非访问修饰符如下：

• static
• final
• abstract
• synchronized
• volatile
• transient
• native

static 修饰符：

static 用来修饰类方法、类变量和代码块：

• 修饰变量时：该变量属于类变量，所有实例共享
• 修饰方法时：该方法属于类方法，不依赖对象即可调用
• 修饰代码块时：该代码块只会在类加载时执行一次

static示例：

public class StaticDemo {// 静态变量，所有对象共享static int count = 0;// 静态方法static void handleCount() {System.out.println("Count: " + count);}// 静态代码块static {System.out.println("静态代码块，类加载时执行");}
}// 其他类调用 displayCount 方法时无需创建对象
Counter.displayCount();

final 修饰符用来修饰类、方法和变量：

• final 修饰类时，该类不能够被继承。String 类是 final 的，不能被继承
• final 修饰方法时，该方法不能被子类重写（override）
• final 修饰变量时，即为常量，是不可修改的。

final示例：

// 该类不能被继承
final class MathUtils {// 常量final double PI = 3.14159;// 该方法不能被重写final void printInfo() {System.out.println("工具类");}
}

abstract 修饰符用来创建抽象类和抽象方法。

• abstract 修饰类时，该类不能被实例化，必须被继承
• abstract 修饰方法时：该方法只有声明，没有实现，子类继承时实现

abstract 示例：

abstract class Animal {// 抽象方法，无方法体，由子类实现abstract void makeSound();// 普通方法可以有实现void sleep() {System.out.println("Animal is sleeping");}
}class Dog extends Animal {// 必须重写抽象方法void makeSound() {System.out.println("Woof!");}
}

synchronized 用来修饰方法或代码块，保证线程安全，同一时间只有一个线程能执行。

synchronized 示例：

public synchronized void withdraw(double amount) {// 银行取款操作，防止多线程并发问题
}

volatile 用于修饰变量，确保多线程环境下变量的可见性（立即写回主内存）

volatile 示例：

private volatile boolean running = true;public void stop() {running = false;
}

transient 用于修饰变量，表示该变量不参与序列化。

transient 示例：

class User implements Serializable {String name;transient String password;  // 序列化时忽略密码
}

native 用于修饰方法，表示该方法由其他语言（如 C/C++）实现，通常用于调用操作系统底层功能。

native 示例：

public native void startThread();

2.6 Java 运算符

Java 提供了一套丰富的运算符来操纵变量，主要如下：

• 算术运算符
• 关系运算符
• 位运算符
• 逻辑运算符
• 赋值运算符
• 其他运算符

2.6.1 算术运算符

Java 提供的算术运算符如下：

• +：加法
• -：减法
• *：乘法
• /：除法
• %：取模（求余数）
• ++：自增
• --：自减

算术运算符示例：

int a = 20;
int b = 10;
int c = a + b;
int d = a - b;
int e = a * b;
int f = a / b;
int g = a % b;
int h = a++;
int i = ++a;
int j = a--;
int k = --a;

a++ 与 ++a，和 a-- 与 --a：

• a++ 与 ++a 都表示将变量 a 的值加 1，但执行时机和返回值不同。
• a++ 是先使用原值，再加 1；++a 先加 1，再使用新值

int a = 20;
System.out.println("a=" + a++);  // 20
System.out.println("a=" + a);    // 21
int b = 20;
System.out.println("b=" + ++b);  // 21
System.out.println("b=" + b);    // 21

a-- 与 --a 的逻辑和 a++ 与 ++a 一样。

2.6.2 关系运算符

Java 提供的关系运算符如下：

• ==：等于
• !=：不等于
• >：大于
• <：小于
• >=：大于等于
• <=：小于等于

关系运算符示例：

System.out.println(1 == 1); // true
System.out.println(1 != 1); // false
System.out.println(1 > 1);  // false
System.out.println(1 < 1);  // false
System.out.println(1 >= 1); // true
System.out.println(1 <= 1); // true

2.6.3 位运算符

位运算符（Bitwise Operators）是 Java 中用于对整数类型的二进制位进行操作的运算符。

位运算符直接操作数据的二进制表示，效率高，常用于底层编程、性能优化、加密算法、状态标志等场景。

Java 提供的位运算符如下：

• &：按位与（AND），两个位都为 1 时结果为 1
• |：按位或（OR），；两个位有一个位 1 时结果为 1，否则为 0
• ^：按位异或（XOR），两个位不同结果为 1，相同为 0
• ~：按位取反（NOT）：单目运算符，0 变 1，1 变 0
• <<：左移：左移若干位，低位补 0
• >>：右移：右移若干位，高位补符号位（正数补 0，负数补 1）
• >>>：无符号右移：右移若干位，高位始终补 0

位运算符适用于：byte、short、int、long、char 等整数类型。

位运算符示例：

// & 按位与
int a = 6 & 3;  // 0110 & 0011 = 0010 → 结果是 2
// | 按位或
int a = 6 | 3;  // 0110 | 0011 = 0111 → 结果是 7
// ^ 按位异或
int a = 6 ^ 3;  // 0110 ^ 0011 = 0101 → 结果是 5
// ~ 按位取反
int a = ~6;  // ~0110 = 1001（在 32 位中是补码表示）
// << 左移
int a = 6 << 1;  // 0110 << 1 = 1100 → 结果是 12
// >> 右移
int a = 6 >> 1;  // 0110 >> 1 = 0011 → 结果是 3
// >>> 无符号右移
int a = -6 >>> 1;  // 高位补 0，不考虑符号

位运算注意：

• 位运算符优先级较低，常需加括号。
• 类型提升：byte、short 会先提升为 int 再进行位运算。
• 负数使用补码：Java 中所有整数以补码存储，位运算基于补码。
• >>> 与 >> 区别：>> 保持符号，>>> 忽略符号，高位补 0。

2.6.4 逻辑运算符

Java 提供的逻辑运算符如下：

• &&：逻辑与，条件同时满足则为 true
• ||：逻辑或，只要有一个条件满足则为 true
• !：逻辑非，对结果取相反的值

逻辑运算符示例：

System.out.println(true && false);  // false
System.out.println(true || false);  // true
System.out.println(!true);          // false

2.6.5 赋值运算符

赋值运算符（Assignment Operators） 用于将某个值或表达式的结果赋给一个变量。

Java 提供的赋值运算符如下：

• =：基本赋值
• +=：复合赋值，加之后再赋值，等价于 a = a + b
• -=：复合赋值，减之后再赋值，等价于 a = a - b
• *=：复合赋值，乘之后再赋值，等价于 a = a * b
• /=：复合赋值，除之后再赋值，等价于 a = a / b
• %=：复合赋值，取模之后再赋值，等价于 a = a % b
• &=：复合赋值，按位与之后再赋值，等价于 a = a & b
• |=：复合赋值，按位或之后再赋值，等价于 a = a | b
• ^=：复合赋值，按位异或之后再赋值，等价于 a = a ^ b
• <<=：复合赋值，左移之后再赋值，等价于 a = a << b
• >>=：复合赋值，右移之后再赋值，等价于 a = a >> b
• >>>=：复合赋值，无符号右移之后再赋值，等价于 a = a >>> b

赋值运算符示例：

int x = 5;
// 位运算复合赋值
x &= 5;     // 相当于 x = x & 5; → 5 & 5 = 5
x |= 3;     // 相当于 x = x | 3; → 5 | 3 = 7
x ^= 6;     // 相当于 x = x ^ 6; → 7 ^ 6 = 1
x <<= 4;    // 相当于 x = x << 4; → 1 << 4 = 16
x >>= 2;    // 相当于 x = x >> 2; → 16 >> 2 = 4
x >>>= 1;   // 相当于 x = x >>> 1; → 4 >>> 1 = 2

2.6.6 其他运算符

Java 还提供了一些其他的运算符，常用如下：

• ?:：三元运算符，根据判断条件决定取哪个值，语法：condition?value if true : value if false
• instanceof：类型比较运算符，用于操作对象实例

示例：

// 三元运算符
int a = 10, b = 5;
int result = (a > b) ? a : b; // 如果a>b返回a，否则返回b// instanceof示例
public class App {public static void main(String[] args) {System.out.println(new Object() instanceof Object); // trueSystem.out.println(new Object() instanceof String); // falseSystem.out.println(new Object() instanceof App);    // false}
}

三、Java 流程控制

3.1 Java 条件语句

3.1.1 if 条件语句

if 语句用于根据条件的真假来决定是否执行代码块。

if 语法：

// if
if (条件) {// 条件为true时执行的代码
}// if-else
if (条件) {// 条件为true时执行
} else {// 条件为false时执行
}// if-else if-else
if (条件1) {// 条件1为true时执行
} else if (条件2) {// 条件2为true时执行
} else {// 所有条件都为false时执行
}

if 示例：

int score = 85;if (score >= 90) {System.out.println("优秀");
} else if (score >= 80) {System.out.println("良好");
} else if (score >= 60) {System.out.println("及格");
} else {System.out.println("不及格");
}
// 输出：良好

3.1.2 switch 分支语句

switch 语句用于基于不同的值执行不同的代码块，适合处理多分支选择。

switch 语法：

switch (表达式) {case 值1:// 执行代码break;case 值2:// 执行代码break;default:// 默认执行代码（可选）
}

switch 示例：

int day = 3;
String dayName;switch (day) {case 1:dayName = "星期一";break;case 2:dayName = "星期二";break;case 3:dayName = "星期三";break;case 4:dayName = "星期四";break;case 5:dayName = "星期五";break;default:dayName = "周末";break;
}System.out.println(dayName); // 输出：星期三

在 switch-case 语句中，如果某个 case 分支 没有 break; 语句，程序会继续执行下一个 case 或 default 分支中的代码，直到遇到 break、return 或 switch 语句结束。这种现象叫做“穿透”

示例：

int day = 2;
switch (day) {case 1:System.out.println("星期一");case 2:System.out.println("星期二");case 3:System.out.println("星期三");case 4:System.out.println("星期四");default:System.out.println("其他");
}// 输出结果：
星期二
星期三
星期四
其他

default 分支可以不放在 switch 语句的最后（不推荐这么做）：

• 如果 default 是最后一个分支，可以不写 break。
• 如果 default 不在最后，必须写 break，否则会继续执行后面的 case。

3.2 Java 循环语句

3.2.1 for 循环语句

for 循环用于在已知循环次数的情况下重复执行代码。

for 语法：

// 基础 for 循环
for (初始化; 条件; 更新) {// 循环体
}// 增强 for 循环：for-each
for (元素类型 变量名 : 数组或集合) {// 循环体
}

for 示例：

// 基础 for 循环示例：
for (int i = 1; i <= 5; i++) {System.out.println(i);
}// 增强 for 循环示例
String[] names = {"张三", "李四", "王五"};
for (String name : names) {System.out.println("你好，" + name);
}

3.2.2 while 循环语句

while 循环在条件为 true 时重复执行代码块。

while 语法：

while (条件) {// 循环体
}

while 示例：

int i = 1;
while (i <= 5) {System.out.println(i);i++;
}

3.2.3 do…while 循环语句

do...while 循环也是在条件为 true 时重复执行代码块，但是会先执行一次循环体，然后在条件为 true 时继续执行。

do...while 语法：

do {// 循环体
} while (条件);

do...while 示例：

int j = 1;
do {System.out.println(j);j++;
} while (j <= 5);

3.3 Java 循环控制

3.3.1 break 语句

break 是 Java 中的一个控制流语句，用于提前终止某个循环或 switch 语句的执行，程序会跳转到该结构之后的下一条语句继续执行。

break 只能用于循环或 switch 语句，不能在普通代码块中使用。

break 在 switch 语句中使用可以防止“穿透”，示例：

int day = 2;
switch (day) {case 1:System.out.println("星期一");break;case 2:System.out.println("星期二");break;  // 执行完这里就跳出 switchcase 3:System.out.println("星期三");break;default:System.out.println("其他");
}

break 在循环中使用，用于提前退出循环，可用于 for、while、do-while 循环，一旦执行 break，立即结束整个循环。

在 for 循环中使用:

for (int i = 1; i <= 10; i++) {if (i == 5) {break;  // 当 i 等于 5 时，跳出循环}System.out.print(i + " ");
}// 输出：1 2 3 4

在 while 循环中使用：

int i = 1;
while (i <= 10) {if (i == 6) {break;}System.out.print(i + " ");i++;
}// 输出：1 2 3 4 5

带标签的 break，用于从嵌套循环中直接跳出外层循环，语法如下：

labelName:
for ( ... ) {for ( ... ) {break labelName;  // 跳出外层循环}
}

示例：

int[][] matrix = {{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}
};boolean found = false;
outer: // 标签
for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {for (int j = 0; j < matrix[i].length; j++) {if (matrix[i][j] == 5) {System.out.println("找到 5，位置：[" + i + "][" + j + "]");found = true;break outer;  // 直接跳出最外层循环}}
}if (found) {System.out.println("搜索结束。");
}// 输出结果
找到 5，位置：[1][1]
搜索结束。

3.3.2 continue 语句

continue 是 Java 中的一个控制流语句，用于在循环中跳过当前这一次迭代，直接进入下一次循环的判断和执行，不会终止整个循环。

在 for 循环中使用：

for (int i = 1; i <= 10; i++) {if (i % 2 == 0) {continue;  // 如果是偶数，跳过本次循环}System.out.print(i + " ");
}// 输出结果：
1 3 5 7 9

在 while 循环中使用：

int i = 0;
while (i < 5) {i++;if (i == 3) {continue;  // 跳过 i=3 时的打印}System.out.print(i + " ");
}// 输出结果：
1 2 4 5

在 do-while 循环中使用

int i = 0;
do {i++;if (i == 2) {continue;}System.out.print(i + " ");
} while (i < 3);// 输出结果：
1 3

带标签的 continue 用于在嵌套循环中，跳过外层循环的当前迭代，语法：

outer:
for ( ... ) {for ( ... ) {continue outer;  // 跳过外层循环的当前迭代}
}

示例：

outer:
for (int i = 1; i <= 3; i++) {for (int j = 1; j <= 3; j++) {if (i == 2) {continue outer;  // 当 i=2 时，跳过整个内层循环，直接进入 i=3}System.out.print(i + "," + j + " ");}System.out.println(); // 换行
}// 输出结果：
1,1 1,2 1,3
3,1 3,2 3,3

四、Java 数组

4.1 数组概述

数组是一种用于存储固定大小的同类型元素的数据结构，是 Java 中最基本的数据结构之一。

数组的特点：

• 存储相同类型的元素
• 长度固定，一旦创建不能改变
• 元素按顺序存储
• 通过索引访问元素，索引从 0 开始

数组分为：

• 一维数组
• 二维数组

4.2 一维数组

一维数组是最基本的数组形式，可以看作是一排连续的"格子"，每个格子存储一个相同类型的数据。

语法：

// 声明方式（两种等效写法）
int[] arr;     // 推荐写法
int arr[];// 创建数组（动态初始化）
arr = new int[5]; // 创建长度为5的整型数组// 声明并创建
double[] scores = new double[10];
String[] names = new String[3];

一维数组初始化示例：

// 方式1：动态初始化（系统赋予默认值）
int[] arr1 = new int[5]; // {0, 0, 0, 0, 0}// 方式2：静态初始化（手动赋值）
int[] arr2 = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};// 方式3：简化静态初始化（最常用）
int[] arr3 = {1, 2, 3, 4, 5};
String[] fruits = {"苹果", "香蕉", "橙子"};

数组使用示例：

public static void main(String[] args) {// 创建并初始化数组int[] numbers = {10, 20, 30, 40, 50};// 获取数组长度System.out.println("数组长度：" + numbers.length); // 5// 访问和修改元素System.out.println("第一个元素：" + numbers[0]); // 10numbers[1] = 25; // 修改第二个元素// 遍历数组System.out.println("遍历数组：");for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {System.out.println("numbers[" + i + "] = " + numbers[i]);}// 增强for循环遍历System.out.println("增强for循环：");for (int num : numbers) {System.out.print(num + " ");}System.out.println();
}

4.2 二维数组

二维数组可以看作是"数组的数组"，形成一个表格结构，有行和列两个维度。

• 每个元素通过两个索引访问：行索引和列索引
• 可以是规则的（每行长度相同）或不规则的（锯齿数组）

语法：

// 声明
int[][] matrix;// 创建规则二维数组（3行4列）
matrix = new int[3][4];// 声明并创建
double[][] table = new double[2][3];
String[][] grid = new String[3][3];

二维数组初始化示例：

// 方式1：动态初始化（默认值）
int[][] arr1 = new int[3][3]; // 全部为0// 方式2：静态初始化
int[][] arr2 = new int[][]{{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}
};// 方式3：简化静态初始化
int[][] matrix = {{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}
};// 不规则数组（锯齿数组）
int[][] jagged = {{1, 2},{3, 4, 5},{6, 7, 8, 9}
};

二维数组使用示例：

public static void main(String[] args) {// 创建并初始化二维数组int[][] matrix = {{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}};// 获取数组维度System.out.println("行数：" + matrix.length);            // 3System.out.println("第一行列数：" + matrix[0].length);    // 3// 访问和修改元素System.out.println("matrix[0][0]：" + matrix[0][0]);     // 1matrix[1][1] = 55; // 修改中间元素// 遍历二维数组System.out.println("遍历二维数组：");for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {for (int j = 0; j < matrix[i].length; j++) {System.out.print(matrix[i][j] + "\t");}System.out.println(); // 换行}// 增强for循环遍历System.out.println("增强for循环遍历：");for (int[] row : matrix) {for (int element : row) {System.out.print(element + "\t");}System.out.println();}
}

五、Java 常用类

5.1 Number 类

5.1.1 Number 类介绍

Number 类是 Java 中所有"数字包装类"的抽象父类，位于 java.lang 包中，它为各种数值类型提供了统一的接口。

Number 类源码：

public abstract class Number implements java.io.Serializable {// 抽象方法，子类必须实现public abstract int intValue();public abstract long longValue();public abstract float floatValue();public abstract double doubleValue();public byte byteValue() {return (byte)intValue();}public short shortValue() {return (short)intValue();}private static final long serialVersionUID = -8742448824652078965L;
}

Number 类的方法示例：

Number num = 3.1415926;
System.out.println(num.byteValue());    // 3
System.out.println(num.shortValue());   // 3
System.out.println(num.intValue());     // 3
System.out.println(num.longValue());    // 3
System.out.println(num.floatValue());   // 3.1415926
System.out.println(num.doubleValue());  // 3.1415926

所有的包装类（Integer、Long、Byte、Double、Float、Short）都是抽象类 Number 的子类。

5.1.2 Number 类的子类

Byte 类源码：

public final class Byte extends Number implements Comparable<Byte> {...
}

Short 类源码：

public final class Short extends Number implements Comparable<Short> {...
}

Integer 类源码：

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {...
}

Long 类源码：

public final class Long extends Number implements Comparable<Long> {...
}

Double 类源码：

public final class Double extends Number implements Comparable<Double> {...
}

Float 类源码：

public final class Float extends Number implements Comparable<Float> {...
}

BigInteger 类源码：

public class BigInteger extends Number implements Comparable<BigInteger> {...
}

BigDecimal 类源码：

public class BigDecimal extends Number implements Comparable<BigDecimal> {...
}

5.2 Math 类

5.2.1 Math 类介绍

Math 类是 Java 中用于数学运算的工具类，位于 java.lang 包中，提供了大量的静态方法来执行基本的数学运算，如指数、对数、平方根、三角函数等。

Math 类的源码：

public final class Math {// 私有构造函数private Math() {}// 常量 Epublic static final double E = 2.7182818284590452354;// 常量 PIpublic static final double PI = 3.14159265358979323846;...
}

Math 类的特点：

• final 类：不能被继承
• 私有构造函数：不能被实例化
• 所有方法都是静态的：直接通过类名调用
• 包含数学常量：Π 和 e

5.2.2 Math 类常用方法

绝对值：

System.out.println(Math.abs(-5));      // 5
System.out.println(Math.abs(-3.14));   // 3.14
System.out.println(Math.abs(-0.0));    // 0.0

最大值和最小值：Math 类的最大值和最小值方法支持 int, long, float, double 类型。

System.out.println(Math.max(10, 20));  // 20
System.out.println(Math.min(10, 20));  // 10
System.out.println(Math.min(10.1111, 10.101010));  // 10.10101

取整运算：

double num = 3.7;// 向下取整（返回不大于参数的最大整数）
System.out.println(Math.floor(num));   // 3.0// 向上取整（返回不小于参数的最小整数）
System.out.println(Math.ceil(num));    // 4.0// 四舍五入
System.out.println(Math.round(num));   // 4 (返回long)
System.out.println(Math.round(3.2f));  // 3 (返回int)

幂运算：

// 幂运算：a的b次方
System.out.println(Math.pow(2, 3));    // 8.0
System.out.println(Math.pow(4, 0.5));  // 2.0 (平方根)// 指数运算：e的x次方
System.out.println(Math.exp(1));       // 2.718281828459045// e为底的对数
System.out.println(Math.log(Math.E));  // 1.0// 10为底的对数
System.out.println(Math.log10(100));   // 2.0

开方运算：

// 平方根
System.out.println(Math.sqrt(16));     // 4.0// 立方根
System.out.println(Math.cbrt(27));     // 3.0

三角函数：三角函数所有角度参数都使用弧度而不是度数。

// 角度转弧度
double angleInDegrees = 45;
double angleInRadians = Math.toRadians(angleInDegrees);// 三角函数
System.out.println(Math.sin(angleInRadians));    // 0.7071067811865475
System.out.println(Math.cos(angleInRadians));    // 0.7071067811865476
System.out.println(Math.tan(angleInRadians));    // 0.9999999999999999// 反三角函数
System.out.println(Math.asin(0.5));              // 0.5235987755982989 (弧度)
System.out.println(Math.acos(0.5));              // 1.0471975511965976 (弧度)
System.out.println(Math.atan(1));                // 0.7853981633974483 (弧度)// 弧度转角度
double resultInRadians = Math.asin(0.5);
double resultInDegrees = Math.toDegrees(resultInRadians);
System.out.println(resultInDegrees);             // 30.0

指数和对数函数：

// exp(x) = e^x
System.out.println(Math.exp(1));        // 2.718281828459045
System.out.println(Math.exp(2));        // 7.38905609893065// log(x) = ln(x) (自然对数)
System.out.println(Math.log(2.718281828459045)); // 1.0// log10(x) (常用对数)
System.out.println(Math.log10(100));    // 2.0// log1p(x) = ln(1+x) (对于小数值更精确)
System.out.println(Math.log1p(0.001));  // 0.0009995003330835332

随机数生成：

// 生成0.0到1.0之间的随机数（不包括1.0）
double random = Math.random();
System.out.println("随机数: " + random);// 生成指定范围的随机整数
// 生成1到10之间的随机整数
int randomInt = (int)(Math.random() * 10) + 1;
System.out.println("1-10之间的随机数: " + randomInt);// 生成min到max之间的随机整数
int min = 5, max = 15;
int randomInRange = (int)(Math.random() * (max - min + 1)) + min;

符号相关方法：

System.out.println(Math.signum(5));     // 1.0 (正数)
System.out.println(Math.signum(-5));    // -1.0 (负数)
System.out.println(Math.signum(0));     // 0.0

近似相等相关方法：

// 判断两个double值是否近似相等
double a = 0.1 + 0.2;
double b = 0.3;
System.out.println(Math.abs(a - b) < 1e-10); // true

混合运算相关方法：

// hypot(x, y) = √(x² + y²) (避免中间计算溢出)
System.out.println(Math.hypot(3, 4));   // 5.0// IEEEremainder(x, y) - IEEE 754规定的余数
System.out.println(Math.IEEEremainder(10, 3)); // 1.0

5.3 Character 类

5.3.1 Character 类介绍

Character 类是 Java 中 char 基本数据类型的包装类，位于 java.lang 包中。它提供了许多有用的静态方法来操作字符，是处理字符数据的重要工具。

public final
class Character implements java.io.Serializable, Comparable<Character> {// 最小进制public static final int MIN_RADIX = 2;// 最大进制public static final int MAX_RADIX = 36;// 最小char值public static final char MIN_VALUE = '\u0000';// 最大char值public static final char MAX_VALUE = '\uFFFF';...

Character 类的特点：

• final 类：不能被继承
• 包装 char 类型：将基本类型 char 包装为对象
• 提供丰富的字符操作方法
• 实现 Comparable 和 Serializable 接口

Character 类创建：

// 方式1：使用构造函数（已过时，不推荐）
Character ch1 = new Character('A');// 方式2：使用valueOf()方法（推荐）
Character ch2 = Character.valueOf('B');// 方式3：自动装箱（最常用）
Character ch3 = 'C'; // 自动调用valueOf()// 拆箱
char primitiveChar = ch3; // 自动调用charValue()

Character 类常用常量：

System.out.println(Character.MIN_VALUE);  // '\u0000' (最小char值)
System.out.println(Character.MAX_VALUE);  // '\uffff' (最大char值)
System.out.println(Character.MIN_RADIX);  // 2 (最小进制)
System.out.println(Character.MAX_RADIX);  // 36 (最大进制)

5.3.2 Character 类判断方法

基本类型判断：

char ch = 'A';System.out.println(Character.isLetter(ch));      // true - 是否为字母
System.out.println(Character.isDigit(ch));       // false - 是否为数字
System.out.println(Character.isLetterOrDigit(ch)); // true - 是否为字母或数字
System.out.println(Character.isWhitespace(ch));  // false - 是否为空白字符
System.out.println(Character.isUpperCase(ch));   // true - 是否为大写字母
System.out.println(Character.isLowerCase(ch));   // false - 是否为小写字母
System.out.println(Character.isISOControl(ch));  // false - 是否为ISO控制字符

Unicode 相关判断：

char ch = '€'; // 欧元符号System.out.println(Character.isUnicodeIdentifierStart(ch)); // true
System.out.println(Character.isUnicodeIdentifierPart(ch));  // true
System.out.println(Character.isDefined(ch));     // true - 是否为定义的字符
System.out.println(Character.isValidCodePoint(ch)); // true - 是否为有效码点

5.3.3 Character 类字符转换方法

大小写转换：

char ch = 'a';System.out.println(Character.toUpperCase(ch));   // 'A'
System.out.println(Character.toLowerCase(ch));   // 'a'
System.out.println(Character.toTitleCase('hello')); // 'H' (首字母大写)

进制转换：

// 数字字符转数值
System.out.println(Character.digit('9', 10));    // 9
System.out.println(Character.digit('A', 16));    // 10 (十六进制)
System.out.println(Character.digit('Z', 36));    // 35 (三十六进制)// 数值转字符
System.out.println(Character.forDigit(9, 10));   // '9'
System.out.println(Character.forDigit(10, 16));  // 'a'

5.3.4 Character 类应用示例

验证字符串是否为纯字母：

public static boolean isAlphabetic(String str) {if (str == null || str.isEmpty()) {return false;}for (char c : str.toCharArray()) {if (!Character.isLetter(c)) {return false;}}return true;
}// 测试
System.out.println(isAlphabetic("Hello"));    // true
System.out.println(isAlphabetic("Hello123")); // false

统计字符串中各类字符数量：

public static void countCharacters(String str) {int letters = 0, digits = 0, spaces = 0, others = 0;for (char c : str.toCharArray()) {if (Character.isLetter(c)) {letters++;} else if (Character.isDigit(c)) {digits++;} else if (Character.isWhitespace(c)) {spaces++;} else {others++;}}System.out.println("字母: " + letters);System.out.println("数字: " + digits);System.out.println("空格: " + spaces);System.out.println("其他: " + others);
}// 测试
countCharacters("Hello 123 World!");
// 输出：
// 字母: 10
// 数字: 3
// 空格: 2
// 其他: 1

字符串首字母大写：

public static String capitalize(String str) {if (str == null || str.isEmpty()) {return str;}char firstChar = str.charAt(0);if (Character.isLowerCase(firstChar)) {return Character.toUpperCase(first

5.4 String 类

5.4.1 String 类介绍

String 类是 Java 中最常用和最重要的类之一，用于表示和操作字符串。它位于 java.lang 包中，因此无需导入即可使用。

String 类源码：

public final class Stringimplements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {...
}

String 类的特点：

• 不可变性（Immutable）：String 对象一旦创建，其内容就不能被修改
• final 类：不能被继承
• 实现接口：Serializable, Comparable<String>, CharSequence
• 字符串常量池：JVM 维护的特殊内存区域，用于存储字符串字面量

String 类的创建方式：

// 创建方式1：字符串字面量，推荐使用的方式
String str1 = "Hello World";
String str2 = "Hello World"; // 会重用字符串常量池中的对象System.out.println(str1 == str2); // true（引用相同对象）// 创建方式2：使用 new 关键字
String str3 = new String("Hello World");
String str4 = new String("Hello World");System.out.println(str3 == str4);     // false（不同对象）
System.out.println(str3.equals(str4)); // true（内容相同）// 其他创建方式
// 从字符数组创建
char[] chars = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o'};
String str5 = new String(chars);// 从字节数组创建
byte[] bytes = {72, 101, 108, 108, 111};
String str6 = new String(bytes);// 使用 StringBuilder 或 StringBuffer
String str7 = new StringBuilder().append("Hello").append(" ").append("World").toString();

5.4.2 String 类常用方法

获取 String 类的信息：

String str = "Hello World";// 获取长度
System.out.println(str.length()); // 11// 获取指定位置的字符
System.out.println(str.charAt(0)); // 'H'// 获取字符数组
char[] charArray = str.toCharArray();// 获取字节数组
byte[] byteArray = str.getBytes();// 获取长度
System.out.println(str.length()); // 11// 获取指定位置的字符
System.out.println(str.charAt(0)); // 'H'// 获取字符数组
char[] charArray = str.toCharArray();// 获取字节数组
byte[] byteArray = str.getBytes();java
String str = "Hello World";// 获取长度
System.out.println(str.length()); // 11// 获取指定位置的字符
System.out.println(str.charAt(0)); // 'H'// 获取字符数组
char[] charArray = str.toCharArray();// 获取字节数组
byte[] byteArray = str.getBytes();String str = "Hello World";// 获取长度
System.out.println(str.length()); // 11// 获取指定位置的字符
System.out.println(str.charAt(0)); // 'H'// 获取字符数组
char[] charArray = str.toCharArray();// 获取字节数组
byte[] byteArray = str.getBytes();

String 类比较操作：

String str1 = "hello";
String str2 = "HELLO";// 相等比较（区分大小写）
System.out.println(str1.equals(str2)); // false// 相等比较（不区分大小写）
System.out.println(str1.equalsIgnoreCase(str2)); // true// 比较大小（字典序）
System.out.println(str1.compareTo(str2)); // 正数（str1 > str2）
System.out.println(str1.compareToIgnoreCase(str2)); // 0（相等）// 检查前缀和后缀
System.out.println(str1.startsWith("he")); // true
System.out.println(str1.endsWith("lo")); // true

String 类查找操作：

String str = "Hello World";// 查找字符或子串位置
System.out.println(str.indexOf('o')); // 4（第一次出现）
System.out.println(str.lastIndexOf('o')); // 7（最后一次出现）
System.out.println(str.indexOf("World")); // 6
System.out.println(str.indexOf("Java")); // -1（未找到）// 检查是否包含
System.out.println(str.contains("World")); // true

String 类的字符串操作：

String str = "  Hello World  ";// 去除首尾空白
System.out.println(str.trim()); // "Hello World"// 大小写转换
System.out.println(str.toLowerCase()); // "  hello world  "
System.out.println(str.toUpperCase()); // "  HELLO WORLD  "// 替换操作
System.out.println(str.replace('l', 'L')); // "  HeLLo WorLd  "
System.out.println(str.replaceAll(" ", "_")); // "__Hello_World__"
System.out.println(str.replaceFirst(" ", "_")); // "_ Hello World  "// 截取子串
System.out.println(str.substring(6)); // "World  "
System.out.println(str.substring(6, 11)); // "World"

String 类字符串的分割和连接：

// 分割字符串
String sentence = "apple,banana,orange";
String[] fruits = sentence.split(",");
// fruits = {"apple", "banana", "orange"}// 使用正则表达式分割
String text = "one1two2three";
String[] parts = text.split("\\d");
// parts = {"one", "two", "three"}// 连接字符串（Java 8+）
String joined = String.join("-", "apple", "banana", "orange");
// joined = "apple-banana-orange"// 使用StringJoiner（更灵活）
StringJoiner joiner = new StringJoiner(",", "[", "]");
joiner.add("apple").add("banana").add("orange");
// joiner.toString() = "[apple,banana,orange]"

5.4.3 String 类的不可变性

一旦一个 String 对象被创建，它的值就不能被修改。任何看似“修改”字符串的操作，实际上都会创建一个新的 String 对象。

String s = "Hello";
s = s + " World";  // 看似修改，其实是创建新对象
System.out.println(s); // 输出：Hello World

• 最初的 "Hello" 对象仍然存在，没有被修改。
• s + " World" 创建了一个新对象 "Hello World"。
• 变量 s 现在指向这个新对象。

Java 设计者将 String 设计为不可变，是出于以下几个关键考虑：

• 安全性：字符串常用于数据库连接 URL、文件路径、用户名/密码、网络地址。如果 String 可变，攻击者可能在你不知情的情况下修改这些关键信息，不可变性确保了敏感信息不会被篡改。
• 字符串常量池优化：Java 使用 字符串常量池（在堆中的 String Pool）来缓存字符串字面量，避免重复创建相同内容的字符串。如果 String 可变，修改一个引用会影响所有共享该字符串的变量，导致严重 bug。
• 线程安全：不可变对象天生就是线程安全的，因为它的状态不能改变，多个线程可以同时访问同一个 String 对象而无需同步，不可变性避免了并发编程中的竞争条件。
• 哈希码缓存：String 内部缓存了 hashCode，因为字符串内容不变，所以哈希码也永远不会变。
• 类加载机制依赖：Java 的类加载器使用字符串作为类名，如果字符串可变，可能导致类加载错误或安全漏洞。

5.4.3 String 类不可变的实现原理

（1）使用 final 修饰类

使用 final 修饰的类不能被继承，可以防止子类破坏不可变性。

public final class String {...
}

（2）final 字符数组

存储字符串内容的字符数组是 final 修饰的，引用不能改变，虽然数组内容理论上可变，但 Java 通过不提供修改数组内容的方法来保证安全。

private final char value[];

（3）私有构造器与深拷贝

String 的构造器会对传入的字符数组进行拷贝，而不是直接引用外部数组。防止外部修改数组影响字符串内容。

public String(char[] value) {this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}

（4）所有修改操作都返回新对象

String 类不可变性的缺点：频繁修改字符串效率低，针对这种情况，Java 也提供了另外两种可变字符串类：

• StringBuilder：单线程频繁拼接，非线程安全，性能高
• StringBuffer：多线程频繁拼接，线程安全（方法加 synchronized 修饰）

5.4.4 字符串常量池

字符串常量池是 JVM 中一块特殊的存储区域，用于缓存字符串字面量（String literals），目的是避免重复创建相同内容的字符串对象，从而节省内存、提高性能。

字符串常量池本质上是一个哈希表（HashTable），存储字符串内容到对象引用的映射。从 JDK 7 开始，字符串常量池从方法区（永久代，PermGen）移到了堆内存（Heap）中。

Java 中创建 String 对象主要有两种方式：

• 字面量方式创建，这种方式是直接赋值给变量
• new 关键字方式创建，这种方式一定会创建新对象

字面量方式创建 String 对象时，JVM 会先检查常量池中是否已有该字符串，如果有，直接返回引用；如果没有，创建新对象并放入常量池。

如下示例：s1 == s2 为 true，指向常量池中的同一个对象

String s1 = "Hello";
String s2 = "Hello";

new 关键字方式创建 String 对象时，new 一定会在堆中创建新的 String 对象，但创建的这个字面量如果在常量池中没有的情况下，该字面量仍会进入常量池。

如下示例：

String s3 = new String("Hello");
String s4 = new String("Hello");

• s3 == s4 为 false（两个不同的对象）
• s3.equals(s4) 为 true（内容相同）

String 类提供了一个 intern() 方法，用于手动将字符串放入常量池。intern() 方法的作用：

• 如果常量池中已有相同内容的字符串，返回其引用；
• 如果没有，将该字符串加入常量池，并返回引用。

intern() 方法语法：

public native String intern();

intern() 方法示例：

String s1 = new String("Hello");  // 在堆中创建新对象
String s2 = s1.intern();          // 将 "Hello" 入池，返回池中引用String s3 = "Hello";              // 字面量，从池中获取System.out.println(s1 == s2);     // false（s1 是 new 出来的）
System.out.println(s2 == s3);     // true（s2 和 s3 都指向常量池中的对象）