笔记-核心类

字符串和编码

String

在Java中，String是一个引用类型，它本身也是一个class。但是，Java编译器对String有特殊处理，即可以直接用"..."来表示一个字符串：

String s1 = "Hello!";

实际上字符串在String内部是通过一个char[]数组表示的，因此，按下面的写法也是可以的：

String s2 = new String(new char[] {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '!'});

因为String太常用了，所以Java提供了"..."这种字符串字面量表示方法。

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。

字符串比较

当我们想要比较两个字符串是否相同时，要特别注意，我们实际上是想比较字符串的内容是否相同。必须使用equals()方法而不能用==。
从表面上看，两个字符串用==和equals()比较都为true，但实际上那只是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，自然s1和s2的引用就是相同的。

所以，这种==比较返回true纯属巧合。换一种写法，==比较就会失败
结论：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类还提供了多种方法来搜索子串、提取子串。常用的方法有：

// 是否包含子串:
"Hello".contains("ll"); // true

注意到contains()方法的参数是CharSequence而不是String，因为CharSequence是String的父类。

搜索子串的更多的例子：

"Hello".indexOf("l"); // 2
"Hello".lastIndexOf("l"); // 3
"Hello".startsWith("He"); // true
"Hello".endsWith("lo"); // true

提取子串的例子：

"Hello".substring(2); // "llo"
"Hello".substring(2, 4); "ll"

注意索引号是从0开始的。

去除首尾空白字符

使用trim()方法可以移除字符串首尾空白字符。空白字符包括空格，\t，\r，\n：

"  \tHello\r\n ".trim(); // "Hello"

注意：trim()并没有改变字符串的内容，而是返回了一个新字符串。

另一个strip()方法也可以移除字符串首尾空白字符。它和trim()不同的是，类似中文的空格字符\u3000也会被移除。
String还提供了isEmpty()和isBlank()来判断字符串是否为空和空白字符串：

"".isEmpty(); // true，因为字符串长度为0
"  ".isEmpty(); // false，因为字符串长度不为0
"  \n".isBlank(); // true，因为只包含空白字符
" Hello ".isBlank(); // false，因为包含非空白字符

替换子串

要在字符串中替换子串，有两种方法。一种是根据字符或字符串替换：

String s = "hello";
s.replace('l', 'w'); // "hewwo"，所有字符'l'被替换为'w'
s.replace("ll", "~~"); // "he~~o"，所有子串"ll"被替换为"~~"

另一种是通过正则表达式替换：

String s = "A,,B;C ,D";
s.replaceAll("[\\,\\;\\s]+", ","); // "A,B,C,D"

上面的代码通过正则表达式，把匹配的子串统一替换为","。关于正则表达式的用法我们会在后面详细讲解。

分割字符串

要分割字符串，使用split()方法，并且传入的也是正则表达式：

String s = "A,B,C,D";
String[] ss = s.split("\\,"); // {"A", "B", "C", "D"}

拼接字符串

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"

格式化字符串

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

    String s = "Hi %s, your score is %d!";
    System.out.println(s.formatted("Alice", 80));
    System.out.println(String.format("Hi %s, your score is %.2f!", "Bob", 59.5));

类型转换

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()。这是一个重载方法，编译器会根据参数自动选择合适的方法：

String.valueOf(123); // "123"
String.valueOf(45.67); // "45.67"
String.valueOf(true); // "true"
String.valueOf(new Object()); // 类似java.lang.Object@636be97c

要把字符串转换为其他类型，就需要根据情况。例如，把字符串转换为int类型：

int n1 = Integer.parseInt("123"); // 123
int n2 = Integer.parseInt("ff", 16); // 按十六进制转换，255

把字符串转换为boolean类型：

boolean b1 = Boolean.parseBoolean("true"); // true
boolean b2 = Boolean.parseBoolean("FALSE"); // false

要特别注意，Integer有个getInteger(String)方法，它不是将字符串转换为int，而是把该字符串对应的系统变量转换为Integer：

Integer.getInteger("java.version"); // 版本号，11

转换为char[]

String和char[]类型可以互相转换，方法是：

char[] cs = "Hello".toCharArray(); // String -> char[]
String s = new String(cs); // char[] -> String

字符编码

在早期的计算机系统中，为了给字符编码，美国国家标准学会制定了一套英文字母、数字和常用符号的编码，它占用一个字节，编码范围从0到127，最高位始终为0，称为ASCII编码。例如，字符'A'的编码是0x41，字符'1'的编码是0x31。

如果要把汉字也纳入计算机编码，很显然一个字节是不够的。GB2312标准使用两个字节表示一个汉字，其中第一个字节的最高位始终为1，以便和ASCII编码区分开。例如，汉字'中'的GB2312编码是0xd6d0。

类似的，日文有Shift_JIS编码，韩文有EUC-KR编码，这些编码因为标准不统一，同时使用，就会产生冲突。

为了统一全球所有语言的编码，全球统一码联盟发布了Unicode编码，它把世界上主要语言都纳入同一个编码，这样，中文、日文、韩文和其他语言就不会冲突。

StringBuilder

Java编译器对String做了特殊处理，使得我们可以直接用+拼接字符串。

考察下面的循环代码：

String s = "";
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    s = s + "," + i;
}

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。这样，绝大部分字符串都是临时对象，不但浪费内存，还会影响GC效率。

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 sb = new StringBuilder(1024);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    sb.append(',');
    sb.append(i);
}
String s = sb.toString();

StringBuilder还可以进行链式操作：

    var sb = new StringBuilder(1024);
    sb.append("Mr ")
      .append("Bob")
      .append("!")
      .insert(0, "Hello, ");
    System.out.println(sb.toString());

如果我们查看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。

仿照StringBuilder，我们也可以设计支持链式操作的类。例如，一个可以不断增加的计数器：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Adder adder = new Adder();
        adder.add(3)
             .add(5)
             .inc()
             .add(10);
        System.out.println(adder.value());
    }
}

class Adder {
    private int sum = 0;

    public Adder add(int n) {
        sum += n;
        return this;
    }

    public Adder inc() {
        sum ++;
        return this;
    }

    public int value() {
        return sum;
    }
}

注意：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。

你可能还听说过StringBuffer，这是Java早期的一个StringBuilder的线程安全版本，它通过同步来保证多个线程操作StringBuffer也是安全的，但是同步会带来执行速度的下降。

StringBuilder和StringBuffer接口完全相同，现在完全没有必要使用StringBuffer。

StringJoiner

类似用分隔符拼接数组的需求很常见，所以Java标准库还提供了一个StringJoiner来干这个事：

    String[] names = {"Bob", "Alice", "Grace"};
    var sj = new StringJoiner(", ");
    for (String name : names) {
        sj.add(name);
    }
    System.out.println(sj.toString());

包装类型

我们已经知道，Java的数据类型分两种：

• 基本类型：byte，short，int，long，boolean，float，double，char
• 引用类型：所有class和interface类型

引用类型可以赋值为null，表示空，但基本类型不能赋值为null：

String s = null;
int n = null; // compile error!

那么，如何把一个基本类型视为对象（引用类型）？

比如，想要把int基本类型变成一个引用类型，我们可以定义一个Integer类，它只包含一个实例字段int，这样，Integer类就可以视为int的包装类（Wrapper Class）：

public class Integer {
    private int value;

    public Integer(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int intValue() {
        return this.value;
    }
}

定义好了Integer类，我们就可以把int和Integer互相转换：

Integer n = null;
Integer n2 = new Integer(99);
int n3 = n2.intValue();

实际上，因为包装类型非常有用，Java核心库为每种基本类型都提供了对应的包装类型：

基本类型

对应的引用类型

boolean -- java.lang.Boolean

byte -- java.lang.Byte

    int i = 100;
    // 通过new操作符创建Integer实例(不推荐使用,会有编译警告):
    Integer n1 = new Integer(i);
    // 通过静态方法valueOf(int)创建Integer实例:
    Integer n2 = Integer.valueOf(i);
    // 通过静态方法valueOf(String)创建Integer实例:
    Integer n3 = Integer.valueOf("100");
    System.out.println(n3.intValue());

Auto Boxing

因为int和Integer可以互相转换：

int i = 100;
Integer n = Integer.valueOf(i);
int x = n.intValue();

所以，Java编译器可以帮助我们自动在int和Integer之间转型：

Integer n = 100; // 编译器自动使用Integer.valueOf(int)
int x = n; // 编译器自动使用Integer.intValue()

这种直接把int变为Integer的赋值写法，称为自动装箱（Auto Boxing），反过来，把Integer变为int的赋值写法，称为自动拆箱（Auto Unboxing）。

注意：自动装箱和自动拆箱只发生在编译阶段，目的是为了少写代码。

装箱和拆箱会影响代码的执行效率，因为编译后的class代码是严格区分基本类型和引用类型的。并且，自动拆箱执行时可能会报NullPointerException

不变类

所有的包装类型都是不变类。我们查看Integer的源码可知，它的核心代码如下：

public final class Integer {
    private final int value;
}

因此，一旦创建了Integer对象，该对象就是不变的。

对两个Integer实例进行比较要特别注意：绝对不能用==比较，因为Integer是引用类型，必须使用equals()比较

    Integer x = 127;
    Integer y = 127;
    Integer m = 99999;
    Integer n = 99999;
    System.out.println("x == y: " + (x==y)); // true
    System.out.println("m == n: " + (m==n)); // false
    System.out.println("x.equals(y): " + x.equals(y)); // true
    System.out.println("m.equals(n): " + m.equals(n)); // true
        

仔细观察结果的童鞋可以发现，==比较，较小的两个相同的Integer返回true，较大的两个相同的Integer返回false，这是因为Integer是不变类，编译器把Integer x = 127;自动变为Integer x = Integer.valueOf(127);，为了节省内存，Integer.valueOf()对于较小的数，始终返回相同的实例，因此，==比较“恰好”为true，但我们_绝不能_因为Java标准库的Integer内部有缓存优化就用==比较，必须用equals()方法比较两个Integer。
因为Integer.valueOf()可能始终返回同一个Integer实例，因此，在我们自己创建Integer的时候，以下两种方法：

• 方法1：Integer n = new Integer(100);
• 方法2：Integer n = Integer.valueOf(100);

方法2更好，因为方法1总是创建新的Integer实例，方法2把内部优化留给Integer的实现者去做，即使在当前版本没有优化，也有可能在下一个版本进行优化。

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。

进制转换

Integer类本身还提供了大量方法，例如，最常用的静态方法parseInt()可以把字符串解析成一个整数：

int x1 = Integer.parseInt("100"); // 100
int x2 = Integer.parseInt("100", 16); // 256,因为按16进制解析

JavaBean

在Java中，有很多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。

例如：

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    public String getName() { return this.name; }
    public void setName(String name) { this.name = name; }

    public int getAge() { return this.age; }
    public void setAge(int age) { this.age = age; }
}

如果读写方法符合以下这种命名规范：

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

那么这种class被称为JavaBean

上面的字段是xyz，那么读写方法名分别以get和set开头，并且后接大写字母开头的字段名Xyz，因此两个读写方法名分别是getXyz()和setXyz()。

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)

我们通常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），例如，定义一个age只读属性：

• 对应的读方法是int getAge()
• 无对应的写方法setAge(int)

类似的，只有setter的属性称为只写属性（write-only）。

很明显，只读属性很常见，只写属性不常见。

属性只需要定义getter和setter方法，不一定需要对应的字段。例如，child只读属性定义如下：

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    public String getName() { return this.name; }
    public void setName(String name) { this.name = name; }

    public int getAge() { return this.age; }
    public void setAge(int age) { this.age = age; }

    public boolean isChild() {
        return age <= 6;
    }
}

可以看出，getter和setter也是一种数据封装的方法。

JavaBean的作用

JavaBean主要用来传递数据，即把一组数据组合成一个JavaBean便于传输。此外，JavaBean可以方便地被IDE工具分析，生成读写属性的代码，主要用在图形界面的可视化设计中。

通过IDE，可以快速生成getter和setter。例如，在Eclipse中，先输入以下代码：

public class Person {
    private String name;
    private int age;
}

然后，点击右键，在弹出的菜单中选择“Source”，“Generate Getters and Setters”，在弹出的对话框中选中需要生成getter和setter方法的字段，点击确定即可由IDE自动完成所有方法代码。

枚举JavaBean属性

要枚举一个JavaBean的所有属性，可以直接使用Java核心库提供的Introspector

枚举类

在Java中，我们可以通过static final来定义常量。例如，我们希望定义周一到周日这7个常量，可以用7个不同的int表示：

public class Weekday {
    public static final int SUN = 0;
    public static final int MON = 1;
    public static final int TUE = 2;
    public static final int WED = 3;
    public static final int THU = 4;
    public static final int FRI = 5;
    public static final int SAT = 6;
}

使用常量的时候，可以这么引用：

if (day == Weekday.SAT || day == Weekday.SUN) {
    // TODO: work at home
}

也可以把常量定义为字符串类型，例如，定义3种颜色的常量：

public class Color {
    public static final String RED = "r";
    public static final String GREEN = "g";
    public static final String BLUE = "b";
}

使用常量的时候，可以这么引用：

String color = ...
if (Color.RED.equals(color)) {
    // TODO:
}

无论是int常量还是String常量，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。例如：

if (weekday == 6 || weekday == 7) {
    if (tasks == Weekday.MON) {
        // TODO:
    }
}

上述代码编译和运行均不会报错，但存在两个问题：

• 注意到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；
• 定义的常量仍可与其他变量比较，但其用途并非是枚举星期值。

enum

为了让编译器能自动检查某个值在枚举的集合内，并且，不同用途的枚举需要不同的类型来标记，不能混用，我们可以使用enum来定义枚举类

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Weekday day = Weekday.SUN;
        if (day == Weekday.SAT || day == Weekday.SUN) {
            System.out.println("Work at home!");
        } else {
            System.out.println("Work at office!");
        }
    }
}

enum Weekday {
    SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT;
}

注意到定义枚举类是通过关键字enum实现的，我们只需依次列出枚举的常量名。

和int定义的常量相比，使用enum定义枚举有如下好处：

首先，enum常量本身带有类型信息，即Weekday.SUN类型是Weekday，编译器会自动检查出类型错误。例如，下面的语句不可能编译通过：

int day = 1;
if (day == Weekday.SUN) { // Compile error: bad operand types for binary operator '=='
}

其次，不可能引用到非枚举的值，因为无法通过编译。

最后，不同类型的枚举不能互相比较或者赋值，因为类型不符。例如，不能给一个Weekday枚举类型的变量赋值为Color枚举类型的值：

Weekday x = Weekday.SUN; // ok!
Weekday y = Color.RED; // Compile error: incompatible types

这就使得编译器可以在编译期自动检查出所有可能的潜在错误。

enum的比较

使用enum定义的枚举类是一种引用类型。前面我们讲到，引用类型比较，要使用equals()方法，如果使用==比较，它比较的是两个引用类型的变量是否是同一个对象。因此，引用类型比较，要始终使用equals()方法，但enum类型可以例外。

这是因为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：

if (day == Weekday.FRI) { // ok!
}
if (day.equals(Weekday.SUN)) { // ok, but more code!
}

enum类型

通过enum定义的枚举类，和其他的class有什么区别？

答案是没有任何区别。enum定义的类型就是class，只不过它有以下几个特点：

• 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。

例如，我们定义的Color枚举类：

public enum Color {
    RED, GREEN, BLUE;
}

编译器编译出的class大概就像这样：

public final class Color extends Enum { // 继承自Enum，标记为final class
    // 每个实例均为全局唯一:
    public static final Color RED = new Color();
    public static final Color GREEN = new Color();
    public static final Color BLUE = new Color();
    // private构造方法，确保外部无法调用new操作符:
    private Color() {}
}

所以，编译后的enum类和普通class并没有任何区别。但是我们自己无法按定义普通class那样来定义enum，必须使用enum关键字，这是Java语法规定的。

因为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，例如：

String s = Weekday.SUN.name(); // "SUN"

ordinal()

返回定义的常量的顺序，从0开始计数，例如：

int n = Weekday.MON.ordinal(); // 1

改变枚举常量定义的顺序就会导致ordinal()返回值发生变化。例如：

public enum Weekday {
    SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT;
}

和

public enum Weekday {
    MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN;
}

的ordinal就是不同的。如果在代码中编写了类似if(x.ordinal()==1)这样的语句，就要保证enum的枚举顺序不能变。新增的常量必须放在最后。

有些童鞋会想，Weekday的枚举常量如果要和int转换，使用ordinal()不是非常方便？比如这样写：

String task = Weekday.MON.ordinal() + "/ppt";
saveToFile(task);

但是，如果不小心修改了枚举的顺序，编译器是无法检查出这种逻辑错误的。要编写健壮的代码，就不要依靠ordinal()的返回值。因为enum本身是class，所以我们可以定义private的构造方法，并且，给每个枚举常量添加字段

小结

Java使用enum定义枚举类型，它被编译器编译为final class Xxx extends Enum { … }；

通过name()获取常量定义的字符串，注意不要使用toString()；

通过ordinal()返回常量定义的顺序（无实质意义）；

可以为enum编写构造方法、字段和方法

enum的构造方法要声明为private，字段强烈建议声明为final；

enum适合用在switch语句中。

BigInteger

在Java中，由CPU原生提供的整型最大范围是64位long型整数。使用long型整数可以直接通过CPU指令进行计算，速度非常快。

如果我们使用的整数范围超过了long型怎么办？这个时候，就只能用软件来模拟一个大整数。java.math.BigInteger就是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

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

常用工具类

Java的核心库提供了大量的现成的类供我们使用。

Math

顾名思义，Math类就是用来进行数学计算的，它提供了大量的静态方法来便于我们实现数学计算：

求绝对值：

Math.abs(-100); // 100
Math.abs(-7.8); // 7.8

取最大或最小值：

Math.max(100, 99); // 100
Math.min(1.2, 2.3); // 1.2

计算xy次方：

Math.pow(2, 10); // 2的10次方=1024

计算√x：

Math.sqrt(2); // 1.414...

计算ex次方：

Math.exp(2); // 7.389...

计算以e为底的对数：

Math.log(4); // 1.386...

计算以10为底的对数：

Math.log10(100); // 2

Math还提供了几个数学常量：

double pi = Math.PI; // 3.14159...
double e = Math.E; // 2.7182818...
Math.sin(Math.PI / 6); // sin(π/6) = 0.5

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

如果我们要生成一个区间在[MIN, MAX)的随机数，可以借助Math.random()实现，计算如下：

// 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);
    }
}

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

有童鞋问，每次运行程序，生成的随机数都是不同的，没看出_伪随机数_的特性来。

这是因为我们创建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：

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...
    }
}

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。

SecureRandom的安全性是通过操作系统提供的安全的随机种子来生成随机数。这个种子是通过CPU的热噪声、读写磁盘的字节、网络流量等各种随机事件产生的“熵”。

在密码学中，安全的随机数非常重要。如果使用不安全的伪随机数，所有加密体系都将被攻破。因此，时刻牢记必须使用SecureRandom来产生安全的随机数。