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异常处理

Java的异常

在计算机程序运行的过程中，总是会出现各种各样的错误。

有一些错误是用户造成的，比如，希望用户输入一个int类型的年龄，但是用户的输入是abc：

// 假设用户输入了abc：
String s = "abc";
int n = Integer.parseInt(s); // NumberFormatException!

程序想要读写某个文件的内容，但是用户已经把它删除了：

// 用户删除了该文件：
String t = readFile("C:\\abc.txt"); // FileNotFoundException!

Java内置了一套异常处理机制，总是使用异常来表示错误。

异常是一种class，因此它本身带有类型信息。异常可以在任何地方抛出，但只需要在上层捕获，这样就和方法调用分离了：

try {
    String s = processFile(“C:\\test.txt”);
    // ok:
} catch (FileNotFoundException e) {
    // file not found:
} catch (SecurityException e) {
    // no read permission:
} catch (IOException e) {
    // io error:
} catch (Exception e) {
    // other error:
}

因为Java的异常是class，它的继承关系如下：

                     ┌───────────┐
                     │  Object   │
                     └───────────┘
                           ▲
                           │
                     ┌───────────┐
                     │ Throwable │
                     └───────────┘
                           ▲
                 ┌─────────┴─────────┐
                 │                   │
           ┌───────────┐       ┌───────────┐
           │   Error   │       │ Exception │
           └───────────┘       └───────────┘
                 ▲                   ▲
         ┌───────┘              ┌────┴──────────┐
         │                      │               │
┌─────────────────┐    ┌─────────────────┐┌───────────┐
│OutOfMemoryError │... │RuntimeException ││IOException│...
└─────────────────┘    └─────────────────┘└───────────┘
                                ▲
                    ┌───────────┴─────────────┐
                    │                         │
         ┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
         │NullPointerException │ │IllegalArgumentException │...
         └─────────────────────┘ └─────────────────────────┘

从继承关系可知：Throwable是异常体系的根，它继承自Object。Throwable有两个体系：Error和Exception，Error表示严重的错误，程序对此一般无能为力，例如：

OutOfMemoryError：内存耗尽
NoClassDefFoundError：无法加载某个Class
StackOverflowError：栈溢出

而Exception则是运行时的错误，它可以被捕获并处理。

某些异常是应用程序逻辑处理的一部分，应该捕获并处理。例如：

NumberFormatException：数值类型的格式错误
FileNotFoundException：未找到文件
SocketException：读取网络失败

还有一些异常是程序逻辑编写不对造成的，应该修复程序本身。例如：

NullPointerException：对某个null的对象调用方法或字段
IndexOutOfBoundsException：数组索引越界

Exception又分为两大类：

RuntimeException以及它的子类；
非RuntimeException（包括IOException、ReflectiveOperationException等等）

Java规定：

必须捕获的异常，包括Exception及其子类，但不包括RuntimeException及其子类，这种类型的异常称为Checked Exception。
不需要捕获的异常，包括Error及其子类，RuntimeException及其子类。

捕获异常

捕获异常使用try...catch语句，把可能发生异常的代码放到try {...}中，然后使用catch捕获对应的Exception及其子类

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) {
        try {
            // 用指定编码转换String为byte[]:
            return s.getBytes("GBK");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            // 如果系统不支持GBK编码，会捕获到UnsupportedEncodingException:
            System.out.println(e); // 打印异常信息
            return s.getBytes(); // 尝试使用用默认编码
        }
    }
}

如果我们不捕获UnsupportedEncodingException，会出现编译失败的问题

编译器会报错，错误信息类似：unreported exception UnsupportedEncodingException; must be caught or declared to be thrown，并且准确地指出需要捕获的语句是return s.getBytes("GBK");。意思是说，像UnsupportedEncodingException这样的Checked Exception，必须被捕获。

这是因为String.getBytes(String)方法定义是：

public byte[] getBytes(String charsetName) throws UnsupportedEncodingException {
    ...
}

在方法定义的时候，使用throws Xxx表示该方法可能抛出的异常类型。调用方在调用的时候，必须强制捕获这些异常，否则编译器会报错。

小结

Java使用异常来表示错误，并通过try ... catch捕获异常；

Java的异常是class，并且从Throwable继承；

Error是无需捕获的严重错误，Exception是应该捕获的可处理的错误；

RuntimeException无需强制捕获，非RuntimeException（Checked Exception）需强制捕获，或者用throws声明；

不推荐捕获了异常但不进行任何处理。

捕获异常

在Java中，凡是可能抛出异常的语句，都可以用try ... catch捕获。把可能发生异常的语句放在try { ... }中，然后使用catch捕获对应的Exception及其子类。

多catch语句

可以使用多个catch语句，每个catch分别捕获对应的Exception及其子类。JVM在捕获到异常后，会从上到下匹配catch语句，匹配到某个catch后，执行catch代码块，然后_不再_继续匹配。

简单地说就是：多个catch语句只有一个能被执行。例如：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException e) {
        System.out.println(e);
    } catch (NumberFormatException e) {
        System.out.println(e);
    }
}

存在多个catch的时候，catch的顺序非常重要：子类必须写在前面。例如：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
    } catch (UnsupportedEncodingException e) { // 永远捕获不到
        System.out.println("Bad encoding");
    }
}

对于上面的代码，UnsupportedEncodingException异常是永远捕获不到的，因为它是IOException的子类。当抛出UnsupportedEncodingException异常时，会被catch (IOException e) { ... }捕获并执行。

finally语句块保证有无错误都会执行。上述代码可以改写如下：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        System.out.println("Bad encoding");
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
    } finally {
        System.out.println("END");
    }
}

抛出异常

异常的传播

当某个方法抛出了异常时，如果当前方法没有捕获异常，异常就会被抛到上层调用方法，直到遇到某个try ... catch被捕获为止：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            process1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void process1() {
        process2();
    }

    static void process2() {
        Integer.parseInt(null); // 会抛出NumberFormatException
    }
}

通过printStackTrace()可以打印出方法的调用栈，类似：

java.lang.NumberFormatException: null
    at java.base/java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:614)
    at java.base/java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:770)
    at Main.process2(Main.java:16)
    at Main.process1(Main.java:12)
    at Main.main(Main.java:5)

printStackTrace()对于调试错误非常有用，上述信息表示：NumberFormatException是在java.lang.Integer.parseInt方法中被抛出的，从下往上看，调用层次依次是：

main()调用process1()；
process1()调用process2()；
process2()调用Integer.parseInt(String)；
Integer.parseInt(String)调用Integer.parseInt(String, int)。

查看Integer.java源码可知，抛出异常的方法代码如下：

public static int parseInt(String s, int radix) throws NumberFormatException {
    if (s == null) {
        throw new NumberFormatException("null");
    }
    ...
}

并且，每层调用均给出了源代码的行号，可直接定位。

抛出异常

当发生错误时，例如，用户输入了非法的字符，我们就可以抛出异常。

如何抛出异常？参考Integer.parseInt()方法，抛出异常分两步：

创建某个Exception的实例；
用throw语句抛出。

下面是一个例子：

void process2(String s) {
    if (s==null) {
        NullPointerException e = new NullPointerException();
        throw e;
    }
}

实际上，绝大部分抛出异常的代码都会合并写成一行：

void process2(String s) {
    if (s==null) {
        throw new NullPointerException();
    }
}

如果一个方法捕获了某个异常后，又在catch子句中抛出新的异常，就相当于把抛出的异常类型“转换”了：

void process1(String s) {
    try {
        process2();
    } catch (NullPointerException e) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
}

void process2(String s) {
    if (s==null) {
        throw new NullPointerException();
    }
}

自定义异常

Java标准库定义的常用异常包括：

Exception
│
├─ RuntimeException
│  │
│  ├─ NullPointerException
│  │
│  ├─ IndexOutOfBoundsException
│  │
│  ├─ SecurityException
│  │
│  └─ IllegalArgumentException
│     │
│     └─ NumberFormatException
│
├─ IOException
│  │
│  ├─ UnsupportedCharsetException
│  │
│  ├─ FileNotFoundException
│  │
│  └─ SocketException
│
├─ ParseException
│
├─ GeneralSecurityException
│
├─ SQLException
│
└─ TimeoutException

当我们在代码中需要抛出异常时，尽量使用JDK已定义的异常类型。例如，参数检查不合法，应该抛出IllegalArgumentException：

static void process1(int age) {
    if (age <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
}

在一个大型项目中，可以自定义新的异常类型，但是，保持一个合理的异常继承体系是非常重要的。

一个常见的做法是自定义一个BaseException作为“根异常”，然后，派生出各种业务类型的异常。

BaseException需要从一个适合的Exception派生，通常建议从RuntimeException派生：

public class BaseException extends RuntimeException {
}

其他业务类型的异常就可以从BaseException派生：

public class UserNotFoundException extends BaseException {
}

public class LoginFailedException extends BaseException {
}

...

自定义的BaseException应该提供多个构造方法：

public class BaseException extends RuntimeException {
    public BaseException() {
        super();
    }

    public BaseException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }

    public BaseException(String message) {
        super(message);
    }

    public BaseException(Throwable cause) {
        super(cause);
    }
}

上述构造方法实际上都是原样照抄RuntimeException。这样，抛出异常的时候，就可以选择合适的构造方法。通过IDE可以根据父类快速生成子类的构造方法。

小结

抛出异常时，尽量复用JDK已定义的异常类型；

自定义异常体系时，推荐从RuntimeException派生“根异常”，再派生出业务异常；

自定义异常时，应该提供多种构造方法。

NullPointerException

在所有的RuntimeException异常中，Java程序员最熟悉的恐怕就是NullPointerException了。

NullPointerException即空指针异常，俗称NPE。如果一个对象为null，调用其方法或访问其字段就会产生NullPointerException，这个异常通常是由JVM抛出的，例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = null;
        System.out.println(s.toLowerCase());
    }
}

指针这个概念实际上源自C语言，Java语言中并无指针。我们定义的变量实际上是引用，Null Pointer更确切地说是Null Reference，不过两者区别不大。

处理NullPointerException

如果遇到NullPointerException，我们应该如何处理？首先，必须明确，NullPointerException是一种代码逻辑错误，遇到NullPointerException，遵循原则是早暴露，早修复，严禁使用catch来隐藏这种编码错误：

// 错误示例: 捕获NullPointerException
try {
    transferMoney(from, to, amount);
} catch (NullPointerException e) {
}

好的编码习惯可以极大地降低NullPointerException的产生，例如：

成员变量在定义时初始化：

public class Person {
    private String name = "";
}

使用空字符串""而不是默认的null可避免很多NullPointerException，编写业务逻辑时，用空字符串""表示未填写比null安全得多。

返回空字符串""、空数组而不是null：

public String[] readLinesFromFile(String file) {
    if (getFileSize(file) == 0) {
        // 返回空数组而不是null:
        return new String[0];
    }
    ...
}

这样可以使得调用方无需检查结果是否为null。

使用断言

断言（Assertion）是一种调试程序的方式。在Java中，使用assert关键字来实现断言。

我们先看一个例子：

public static void main(String[] args) {
    double x = Math.abs(-123.45);
    assert x >= 0;
    System.out.println(x);
}

语句assert x >= 0;即为断言，断言条件x >= 0预期为true。如果计算结果为false，则断言失败，抛出AssertionError。

使用assert语句时，还可以添加一个可选的断言消息：

assert x >= 0 : "x must >= 0";

这样，断言失败的时候，AssertionError会带上消息x must >= 0，更加便于调试。

Java断言的特点是：断言失败时会抛出AssertionError，导致程序结束退出。因此，断言不能用于可恢复的程序错误，只应该用于开发和测试阶段。

对于可恢复的程序错误，不应该使用断言。例如：

void sort(int[] arr) {
    assert arr != null;
}

应该抛出异常并在上层捕获：

void sort(int[] arr) {
    if (x == null) {
        throw new IllegalArgumentException("array cannot be null");
    }
}

小结

断言是一种调试方式，断言失败会抛出AssertionError，只能在开发和测试阶段启用断言；

对可恢复的错误不能使用断言，而应该抛出异常；

断言很少被使用，更好的方法是编写单元测试。

使用JDK Logging

在编写程序的过程中，发现程序运行结果与预期不符，怎么办？当然是用System.out.println()打印出执行过程中的某些变量，观察每一步的结果与代码逻辑是否符合，然后有针对性地修改代码。

代码改好了怎么办？当然是删除没有用的System.out.println()语句了。

如果改代码又改出问题怎么办？再加上System.out.println()。

反复这么搞几次，很快大家就发现使用System.out.println()非常麻烦。

怎么办？

解决方法是使用日志。

那什么是日志？日志就是Logging，它的目的是为了取代System.out.println()。

输出日志，而不是用System.out.println()，有以下几个好处：

可以设置输出样式，避免自己每次都写"ERROR: " + var；
可以设置输出级别，禁止某些级别输出。例如，只输出错误日志；
可以被重定向到文件，这样可以在程序运行结束后查看日志；
可以按包名控制日志级别，只输出某些包打的日志；
可以……

因为Java标准库内置了日志包java.util.logging，我们可以直接用。先看一个简单的例子：

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        Logger logger = Logger.getGlobal();
        logger.info("start process...");
        logger.warning("memory is running out...");
        logger.fine("ignored.");
        logger.severe("process will be terminated...");
    }
}

运行上述代码，得到类似如下的输出：

Mar 02, 2019 6:32:13 PM Hello main
INFO: start process...
Mar 02, 2019 6:32:13 PM Hello main
WARNING: memory is running out...
Mar 02, 2019 6:32:13 PM Hello main
SEVERE: process will be terminated...

对比可见，使用日志最大的好处是，它自动打印了时间、调用类、调用方法等很多有用的信息。

再仔细观察发现，4条日志，只打印了3条，logger.fine()没有打印。这是因为，日志的输出可以设定级别。JDK的Logging定义了7个日志级别，从严重到普通：

SEVERE
WARNING
INFO
CONFIG
FINE
FINER
FINEST

因为默认级别是INFO，因此，INFO级别以下的日志，不会被打印出来。使用日志级别的好处在于，调整级别，就可以屏蔽掉很多调试相关的日志输出。

使用Commons Logging

和Java标准库提供的日志不同，Commons Logging是一个第三方日志库，它是由Apache创建的日志模块。

Commons Logging的特色是，它可以挂接不同的日志系统，并通过配置文件指定挂接的日志系统。默认情况下，Commons Loggin自动搜索并使用Log4j（Log4j是另一个流行的日志系统），如果没有找到Log4j，再使用JDK Logging。

反射

什么是反射？

反射就是Reflection，Java的反射是指程序在运行期可以拿到一个对象的所有信息。

正常情况下，如果我们要调用一个对象的方法，或者访问一个对象的字段，通常会传入对象实例：

// Main.java
import com.itranswarp.learnjava.Person;

public class Main {
    String getFullName(Person p) {
        return p.getFirstName() + " " + p.getLastName();
    }
}

但是，如果不能获得Person类，只有一个Object实例，比如这样：

String getFullName(Object obj) {
    return ???
}

怎么办？有童鞋会说：强制转型啊！

String getFullName(Object obj) {
    Person p = (Person) obj;
    return p.getFirstName() + " " + p.getLastName();
}

强制转型的时候，你会发现一个问题：编译上面的代码，仍然需要引用Person类。不然，去掉import语句，你看能不能编译通过？

所以，反射是为了解决在运行期，对某个实例一无所知的情况下，如何调用其方法。

Class类

JVM为每个加载的class及interface创建了对应的Class实例来保存class及interface的所有信息；
获取一个class对应的Class实例后，就可以获取该class的所有信息；
通过Class实例获取class信息的方法称为反射（Reflection）；
JVM总是动态加载class，可以在运行期根据条件来控制加载class。

访问字段

Java的反射API提供的Field类封装了字段的所有信息：
通过Class实例的方法可以获取Field实例：getField()，getFields()，getDeclaredField()，getDeclaredFields()；
通过Field实例可以获取字段信息：getName()，getType()，getModifiers()；
通过Field实例可以读取或设置某个对象的字段，如果存在访问限制，要首先调用setAccessible(true)来访问非public字段。
通过反射读写字段是一种非常规方法，它会破坏对象的封装。

调用方法

当我们获取到一个Method对象时，就可以对它进行调用。我们以下面的代码为例：

String s = "Hello world";
String r = s.substring(6); // "world"

如果用反射来调用substring方法，需要以下代码：

 // String对象:
String s = "Hello world";
// 获取String substring(int)方法，参数为int:
Method m = String.class.getMethod("substring", int.class);
// 在s对象上调用该方法并获取结果:
String r = (String) m.invoke(s, 6);
// 打印调用结果:
System.out.println(r);

Java的反射API提供的Method对象封装了方法的所有信息：
通过Class实例的方法可以获取Method实例：getMethod()，getMethods()，getDeclaredMethod()，getDeclaredMethods()；
通过Method实例可以获取方法信息：getName()，getReturnType()，getParameterTypes()，getModifiers()；
通过Method实例可以调用某个对象的方法：Object invoke(Object instance, Object... parameters)；
通过设置setAccessible(true)来访问非public方法；
通过反射调用方法时，仍然遵循多态原则。

调用构造方法

我们通常使用new操作符创建新的实例：

Person p = new Person();

如果通过反射来创建新的实例，可以调用Class提供的newInstance()方法：

Person p = Person.class.newInstance();

Constructor对象封装了构造方法的所有信息；

通过Class实例的方法可以获取Constructor实例：getConstructor()，getConstructors()，getDeclaredConstructor()，getDeclaredConstructors()；

通过Constructor实例可以创建一个实例对象：newInstance(Object... parameters)；通过设置setAccessible(true)来访问非public构造方法。

注解

使用注解

注解是放在Java源码的类、方法、字段、参数前的一种特殊“注释”：

// this is a component:
@Resource("hello")
public class Hello {
    @Inject
    int n;

    @PostConstruct
    public void hello(@Param String name) {
        System.out.println(name);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Hello";
    }
}

注释会被编译器直接忽略，注解则可以被编译器打包进入class文件，因此，注解是一种用作标注的“元数据”。

注解的作用

从JVM的角度看，注解本身对代码逻辑没有任何影响，如何使用注解完全由工具决定。

Java的注解可以分为三类：

第一类是由编译器使用的注解，例如：

@Override：让编译器检查该方法是否正确地实现了覆写；
@SuppressWarnings：告诉编译器忽略此处代码产生的警告。

这类注解不会被编译进入.class文件，它们在编译后就被编译器扔掉了。

第二类是由工具处理.class文件使用的注解，比如有些工具会在加载class的时候，对class做动态修改，实现一些特殊的功能。这类注解会被编译进入.class文件，但加载结束后并不会存在于内存中。这类注解只被一些底层库使用，一般我们不必自己处理。

第三类是在程序运行期能够读取的注解，它们在加载后一直存在于JVM中，这也是最常用的注解。例如，一个配置了@PostConstruct的方法会在调用构造方法后自动被调用（这是Java代码读取该注解实现的功能，JVM并不会识别该注解）。

定义一个注解时，还可以定义配置参数。配置参数可以包括：

所有基本类型；
String；
枚举类型；
基本类型、String、Class以及枚举的数组。

因为配置参数必须是常量，所以，上述限制保证了注解在定义时就已经确定了每个参数的值。

注解的配置参数可以有默认值，缺少某个配置参数时将使用默认值。

此外，大部分注解会有一个名为value的配置参数，对此参数赋值，可以只写常量，相当于省略了value参数。

如果只写注解，相当于全部使用默认值。

举个栗子，对以下代码：

public class Hello {
    @Check(min=0, max=100, value=55)
    public int n;

    @Check(value=99)
    public int p;

    @Check(99) // @Check(value=99)
    public int x;

    @Check
    public int y;
}

@Check就是一个注解。第一个@Check(min=0, max=100, value=55)明确定义了三个参数，第二个@Check(value=99)只定义了一个value参数，它实际上和@Check(99)是完全一样的。最后一个@Check表示所有参数都使用默认值。

小结

注解（Annotation）是Java语言用于工具处理的标注：

注解可以配置参数，没有指定配置的参数使用默认值；

如果参数名称是value，且只有一个参数，那么可以省略参数名称。

定义注解

Java语言使用@interface语法来定义注解（Annotation），它的格式如下：

public @interface Report {
    int type() default 0;
    String level() default "info";
    String value() default "";
}

注解的参数类似无参数方法，可以用default设定一个默认值（强烈推荐）。最常用的参数应当命名为value。

元注解

有一些注解可以修饰其他注解，这些注解就称为元注解（meta annotation）。Java标准库已经定义了一些元注解，我们只需要使用元注解，通常不需要自己去编写元注解。

@Target

最常用的元注解是@Target。使用@Target可以定义Annotation能够被应用于源码的哪些位置：

类或接口：ElementType.TYPE；
字段：ElementType.FIELD；
方法：ElementType.METHOD；
构造方法：ElementType.CONSTRUCTOR；
方法参数：ElementType.PARAMETER。

例如，定义注解@Report可用在方法上，我们必须添加一个@Target(ElementType.METHOD)：

@Target(ElementType.METHOD)
public @interface Report {
    int type() default 0;
    String level() default "info";
    String value() default "";
}

定义注解@Report可用在方法或字段上，可以把@Target注解参数变为数组{ ElementType.METHOD, ElementType.FIELD }：

@Target({
    ElementType.METHOD,
    ElementType.FIELD
})
public @interface Report {
    ...
}

实际上@Target定义的value是ElementType[]数组，只有一个元素时，可以省略数组的写法。

@Retention

另一个重要的元注解@Retention定义了Annotation的生命周期：

仅编译期：RetentionPolicy.SOURCE；
仅class文件：RetentionPolicy.CLASS；
运行期：RetentionPolicy.RUNTIME。

如果@Retention不存在，则该Annotation默认为CLASS。因为通常我们自定义的Annotation都是RUNTIME，所以，务必要加上@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)这个元注解：

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Report {
    int type() default 0;
    String level() default "info";
    String value() default "";
}

@Repeatable

使用@Repeatable这个元注解可以定义Annotation是否可重复。这个注解应用不是特别广泛。

@Inherited

使用@Inherited定义子类是否可继承父类定义的Annotation。@Inherited仅针对@Target(ElementType.TYPE)类型的annotation有效，并且仅针对class的继承，对interface的继承无效：

@Inherited
@Target(ElementType.TYPE)
public @interface Report {
    int type() default 0;
    String level() default "info";
    String value() default "";
}

在使用的时候，如果一个类用到了@Report：

@Report(type=1)
public class Person {
}

则它的子类默认也定义了该注解：

public class Student extends Person {
}

如何定义Annotation

我们总结一下定义Annotation的步骤：

第一步，用@interface定义注解：

public @interface Report {
}

第二步，添加参数、默认值：

public @interface Report {
    int type() default 0;
    String level() default "info";
    String value() default "";
}

把最常用的参数定义为value()，推荐所有参数都尽量设置默认值。

第三步，用元注解配置注解：

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Report {
    int type() default 0;
    String level() default "info";
    String value() default "";
}

其中，必须设置@Target和@Retention，@Retention一般设置为RUNTIME，因为我们自定义的注解通常要求在运行期读取。一般情况下，不必写@Inherited和@Repeatable。

小结

Java使用@interface定义注解：

可定义多个参数和默认值，核心参数使用value名称；

必须设置@Target来指定Annotation可以应用的范围；

应当设置@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)便于运行期读取该Annotation。

处理注解

可以在运行期通过反射读取RUNTIME类型的注解，注意千万不要漏写@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)，否则运行期无法读取到该注解。

可以通过程序处理注解来实现相应的功能：

对JavaBean的属性值按规则进行检查；
JUnit会自动运行@Test标记的测试方法。

注解如何使用，完全由程序自己决定。例如，JUnit是一个测试框架，它会自动运行所有标记为@Test的方法。

我们来看一个@Range注解，我们希望用它来定义一个String字段的规则：字段长度满足@Range的参数定义：

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.FIELD)
public @interface Range {
    int min() default 0;
    int max() default 255;
}

在某个JavaBean中，我们可以使用该注解：

public class Person {
    @Range(min=1, max=20)
    public String name;

    @Range(max=10)
    public String city;
}

但是，定义了注解，本身对程序逻辑没有任何影响。我们必须自己编写代码来使用注解。这里，我们编写一个Person实例的检查方法，它可以检查Person实例的String字段长度是否满足@Range的定义：

void check(Person person) throws IllegalArgumentException, ReflectiveOperationException {
    // 遍历所有Field:
    for (Field field : person.getClass().getFields()) {
        // 获取Field定义的@Range:
        Range range = field.getAnnotation(Range.class);
        // 如果@Range存在:
        if (range != null) {
            // 获取Field的值:
            Object value = field.get(person);
            // 如果值是String:
            if (value instanceof String) {
                String s = (String) value;
                // 判断值是否满足@Range的min/max:
                if (s.length() < range.min() || s.length() > range.max()) {
                    throw new IllegalArgumentException("Invalid field: " + field.getName());
                }
            }
        }
    }
}

这样一来，我们通过@Range注解，配合check()方法，就可以完成Person实例的检查。注意检查逻辑完全是我们自己编写的，JVM不会自动给注解添加任何额外的逻辑。

泛型

泛型是一种“代码模板”，可以用一套代码套用各种类型。

什么是泛型

在讲解什么是泛型之前，我们先观察Java标准库提供的ArrayList，它可以看作“可变长度”的数组，因为用起来比数组更方便。

实际上ArrayList内部就是一个Object[]数组，配合存储一个当前分配的长度，就可以充当“可变数组”：

public class ArrayList {
    private Object[] array;
    private int size;
    public void add(Object e) {...}
    public void remove(int index) {...}
    public Object get(int index) {...}
}

如果用上述ArrayList存储String类型，会有这么几个缺点：

需要强制转型；
不方便，易出错。

例如，代码必须这么写：

ArrayList list = new ArrayList();
list.add("Hello");
// 获取到Object，必须强制转型为String:
String first = (String) list.get(0);

很容易出现ClassCastException，因为容易“误转型”：

list.add(new Integer(123));
// ERROR: ClassCastException:
String second = (String) list.get(1);

要解决上述问题，我们可以为String单独编写一种ArrayList：

public class StringArrayList {
    private String[] array;
    private int size;
    public void add(String e) {...}
    public void remove(int index) {...}
    public String get(int index) {...}
}

这样一来，存入的必须是String，取出的也一定是String，不需要强制转型，因为编译器会强制检查放入的类型：

StringArrayList list = new StringArrayList();
list.add("Hello");
String first = list.get(0);
// 编译错误: 不允许放入非String类型:
list.add(new Integer(123));

问题暂时解决。

然而，新的问题是，如果要存储Integer，还需要为Integer单独编写一种ArrayList：

public class IntegerArrayList {
    private Integer[] array;
    private int size;
    public void add(Integer e) {...}
    public void remove(int index) {...}
    public Integer get(int index) {...}
}

实际上，还需要为其他所有class单独编写一种ArrayList：

LongArrayList
DoubleArrayList
PersonArrayList
...

这是不可能的，JDK的class就有上千个，而且它还不知道其他人编写的class。

为了解决新的问题，我们必须把ArrayList变成一种模板：ArrayList<T>，代码如下：

public class ArrayList<T> {
    private T[] array;
    private int size;
    public void add(T e) {...}
    public void remove(int index) {...}
    public T get(int index) {...}
}

T可以是任何class。这样一来，我们就实现了：编写一次模版，可以创建任意类型的ArrayList：

// 创建可以存储String的ArrayList:
ArrayList<String> strList = new ArrayList<String>();
// 创建可以存储Float的ArrayList:
ArrayList<Float> floatList = new ArrayList<Float>();
// 创建可以存储Person的ArrayList:
ArrayList<Person> personList = new ArrayList<Person>();

因此，泛型就是定义一种模板，例如ArrayList<T>，然后在代码中为用到的类创建对应的ArrayList<类型>：

ArrayList<String> strList = new ArrayList<String>();

由编译器针对类型作检查：

strList.add("hello"); // OK
String s = strList.get(0); // OK
strList.add(new Integer(123)); // compile error!
Integer n = strList.get(0); // compile error!

这样一来，既实现了编写一次，万能匹配，又通过编译器保证了类型安全：这就是泛型。

向上转型

在Java标准库中的ArrayList<T>实现了List<T>接口，它可以向上转型为List<T>：

public class ArrayList<T> implements List<T> {
    ...
}

List<String> list = new ArrayList<String>();

即类型ArrayList<T>可以向上转型为List<T>。

要_特别注意_：不能把ArrayList<Integer>向上转型为ArrayList<Number>或List<Number>。

这是为什么呢？假设ArrayList<Integer>可以向上转型为ArrayList<Number>，观察一下代码：

// 创建ArrayList<Integer>类型：
ArrayList<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
// 添加一个Integer：
integerList.add(new Integer(123));
// “向上转型”为ArrayList<Number>：
ArrayList<Number> numberList = integerList;
// 添加一个Float，因为Float也是Number：
numberList.add(new Float(12.34));
// 从ArrayList<Integer>获取索引为1的元素（即添加的Float）：
Integer n = integerList.get(1); // ClassCastException!

我们把一个ArrayList<Integer>转型为ArrayList<Number>类型后，这个ArrayList<Number>就可以接受Float类型，因为Float是Number的子类。但是，ArrayList<Number>实际上和ArrayList<Integer>是同一个对象，也就是ArrayList<Integer>类型，它不可能接受Float类型，所以在获取Integer的时候将产生ClassCastException。

实际上，编译器为了避免这种错误，根本就不允许把ArrayList<Integer>转型为ArrayList<Number>。

ArrayList<Integer>和ArrayList<Number>两者完全没有继承关系。

小结

泛型就是编写模板代码来适应任意类型；

泛型的好处是使用时不必对类型进行强制转换，它通过编译器对类型进行检查；

注意泛型的继承关系：可以把ArrayList<Integer>向上转型为List<Integer>（T不能变！），但不能把ArrayList<Integer>向上转型为ArrayList<Number>（T不能变成父类）。

使用泛型

使用ArrayList时，如果不定义泛型类型时，泛型类型实际上就是Object：

// 编译器警告:
List list = new ArrayList();
list.add("Hello");
list.add("World");
String first = (String) list.get(0);
String second = (String) list.get(1);

此时，只能把<T>当作Object使用，没有发挥泛型的优势。

当我们定义泛型类型<String>后，List<T>的泛型接口变为强类型List<String>：

// 无编译器警告:
List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("Hello");
list.add("World");
// 无强制转型:
String first = list.get(0);
String second = list.get(1);

当我们定义泛型类型<Number>后，List<T>的泛型接口变为强类型List<Number>：

List<Number> list = new ArrayList<Number>();
list.add(new Integer(123));
list.add(new Double(12.34));
Number first = list.get(0);
Number second = list.get(1);

编译器如果能自动推断出泛型类型，就可以省略后面的泛型类型。例如，对于下面的代码：

List<Number> list = new ArrayList<Number>();

编译器看到泛型类型List<Number>就可以自动推断出后面的ArrayList<T>的泛型类型必须是ArrayList<Number>，因此，可以把代码简写为：

// 可以省略后面的Number，编译器可以自动推断泛型类型：
List<Number> list = new ArrayList<>();

泛型接口

除了ArrayList<T>使用了泛型，还可以在接口中使用泛型。例如，Arrays.sort(Object[])可以对任意数组进行排序，但待排序的元素必须实现Comparable<T>这个泛型接口：

public interface Comparable<T> {
    /**
     * 返回负数: 当前实例比参数o小
     * 返回0: 当前实例与参数o相等
     * 返回正数: 当前实例比参数o大
     */
    int compareTo(T o);
}

小结

使用泛型时，把泛型参数<T>替换为需要的class类型，例如：ArrayList<String>，ArrayList<Number>等；

可以省略编译器能自动推断出的类型，例如：List<String> list = new ArrayList<>();；

不指定泛型参数类型时，编译器会给出警告，且只能将<T>视为Object类型；

可以在接口中定义泛型类型，实现此接口的类必须实现正确的泛型类型。

编写泛型

编写泛型类比普通类要复杂。通常来说，泛型类一般用在集合类中，例如ArrayList<T>，我们很少需要编写泛型类。

如果我们确实需要编写一个泛型类，那么，应该如何编写它？

可以按照以下步骤来编写一个泛型类。

首先，按照某种类型，例如：String，来编写类：

public class Pair {
    private String first;
    private String last;
    public Pair(String first, String last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public String getFirst() {
        return first;
    }
    public String getLast() {
        return last;
    }
}

最后，把特定类型String替换为T，并申明<T>：

public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}

熟练后即可直接从T开始编写。

静态方法

编写泛型类时，要特别注意，泛型类型<T>不能用于静态方法。

多个泛型类型

泛型还可以定义多种类型。例如，我们希望Pair不总是存储两个类型一样的对象，就可以使用类型<T, K>：

public class Pair<T, K> {
    private T first;
    private K last;
    public Pair(T first, K last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() { ... }
    public K getLast() { ... }
}

使用的时候，需要指出两种类型：

Pair<String, Integer> p = new Pair<>("test", 123);

Java标准库的Map<K, V>就是使用两种泛型类型的例子。它对Key使用一种类型，对Value使用另一种类型。

小结

编写泛型时，需要定义泛型类型<T>；

静态方法不能引用泛型类型<T>，必须定义其他类型（例如<K>）来实现静态泛型方法；

泛型可以同时定义多种类型，例如Map<K, V>。

擦拭法

Java的泛型是由编译器在编译时实行的，编译器内部永远把所有类型T视为Object处理，但是，在需要转型的时候，编译器会根据T的类型自动为我们实行安全地强制转型。

了解了Java泛型的实现方式——擦拭法，我们就知道了Java泛型的局限：

局限一：<T>不能是基本类型，例如int，因为实际类型是Object，Object类型无法持有基本类型：

Pair<int> p = new Pair<>(1, 2); // compile error!

局限二：无法取得带泛型的Class。

小结

Java的泛型是采用擦拭法实现的；

擦拭法决定了泛型<T>：

不能是基本类型，例如：int；
不能获取带泛型类型的Class，例如：Pair<String>.class；
不能判断带泛型类型的类型，例如：x instanceof Pair<String>；
不能实例化T类型，例如：new T()。

泛型方法要防止重复定义方法，例如：public boolean equals(T obj)；

子类可以获取父类的泛型类型<T>。

集合

集合类型是Java标准库中被使用最多的类型。

集合简介

什么是集合（Collection）？集合就是“由若干个确定的元素所构成的整体”。例如，5只小兔构成的集合。

在数学中，我们经常遇到集合的概念。例如：

有限集合：
- 一个班所有的同学构成的集合；
- 一个网站所有的商品构成的集合；
- ...
无限集合：
- 全体自然数集合：1，2，3，……
- 有理数集合；
- 实数集合；
- ...

为什么要在计算机中引入集合呢？这是为了便于处理一组类似的数据，例如：

计算所有同学的总成绩和平均成绩；
列举所有的商品名称和价格；
……

在Java中，如果一个Java对象可以在内部持有若干其他Java对象，并对外提供访问接口，我们把这种Java对象称为集合。很显然，Java的数组可以看作是一种集合：

String[] ss = new String[10]; // 可以持有10个String对象
ss[0] = "Hello"; // 可以放入String对象
String first = ss[0]; // 可以获取String对象

既然Java提供了数组这种数据类型，可以充当集合，那么，我们为什么还需要其他集合类？这是因为数组有如下限制：

数组初始化后大小不可变；
数组只能按索引顺序存取。

因此，我们需要各种不同类型的集合类来处理不同的数据，例如：

可变大小的顺序链表；
保证无重复元素的集合；
...

Collection

Java标准库自带的java.util包提供了集合类：Collection，它是除Map外所有其他集合类的根接口。Java的java.util包主要提供了以下三种类型的集合：

List：一种有序列表的集合，例如，按索引排列的Student的List；
Set：一种保证没有重复元素的集合，例如，所有无重复名称的Student的Set；
Map：一种通过键值（key-value）查找的映射表集合，例如，根据Student的name查找对应Student的Map。

Java集合的设计有几个特点：一是实现了接口和实现类相分离，例如，有序表的接口是List，具体的实现类有ArrayList，LinkedList等，二是支持泛型，我们可以限制在一个集合中只能放入同一种数据类型的元素，例如：

List<String> list = new ArrayList<>(); // 只能放入String类型

最后，Java访问集合总是通过统一的方式——迭代器（Iterator）来实现，它最明显的好处在于无需知道集合内部元素是按什么方式存储的。

由于Java的集合设计非常久远，中间经历过大规模改进，我们要注意到有一小部分集合类是遗留类，不应该继续使用：

Hashtable：一种线程安全的Map实现；
Vector：一种线程安全的List实现；
Stack：基于Vector实现的LIFO的栈。

还有一小部分接口是遗留接口，也不应该继续使用：

Enumeration<E>：已被Iterator<E>取代。

小结

Java的集合类定义在java.util包中，支持泛型，主要提供了3种集合类，包括List，Set和Map。Java集合使用统一的Iterator遍历，尽量不要使用遗留接口。

使用List

在集合类中，List是最基础的一种集合：它是一种有序列表。

List的行为和数组几乎完全相同：List内部按照放入元素的先后顺序存放，每个元素都可以通过索引确定自己的位置，List的索引和数组一样，从0开始。

数组和List类似，也是有序结构，如果我们使用数组，在添加和删除元素的时候，会非常不方便。例如，从一个已有的数组{'A', 'B', 'C', 'D', 'E'}中删除索引为2的元素：

┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ C │ D │ E │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘
              │   │
          ┌───┘   │
          │   ┌───┘
          │   │
          ▼   ▼
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ D │ E │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘

这个“删除”操作实际上是把'C'后面的元素依次往前挪一个位置，而“添加”操作实际上是把指定位置以后的元素都依次向后挪一个位置，腾出来的位置给新加的元素。这两种操作，用数组实现非常麻烦。

因此，在实际应用中，需要增删元素的有序列表，我们使用最多的是ArrayList。实际上，ArrayList在内部使用了数组来存储所有元素。例如，一个ArrayList拥有5个元素，实际数组大小为6（即有一个空位）：

size=5
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ C │ D │ E │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘

当添加一个元素并指定索引到ArrayList时，ArrayList自动移动需要移动的元素：

size=5
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │   │ C │ D │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘

然后，往内部指定索引的数组位置添加一个元素，然后把size加1：

size=6
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┘

继续添加元素，但是数组已满，没有空闲位置的时候，ArrayList先创建一个更大的新数组，然后把旧数组的所有元素复制到新数组，紧接着用新数组取代旧数组：

size=6
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │   │   │   │   │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

现在，新数组就有了空位，可以继续添加一个元素到数组末尾，同时size加1：

size=7
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ A │ B │ F │ C │ D │ E │ G │   │   │   │   │   │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

可见，ArrayList把添加和删除的操作封装起来，让我们操作List类似于操作数组，却不用关心内部元素如何移动。

我们考察List<E>接口，可以看到几个主要的接口方法：

在末尾添加一个元素：boolean add(E e)
在指定索引添加一个元素：boolean add(int index, E e)
删除指定索引的元素：int remove(int index)
删除某个元素：int remove(Object e)
获取指定索引的元素：E get(int index)
获取链表大小（包含元素的个数）：int size()

但是，实现List接口并非只能通过数组（即ArrayList的实现方式）来实现，另一种LinkedList通过“链表”也实现了List接口。在LinkedList中，它的内部每个元素都指向下一个元素：

        ┌───┬───┐   ┌───┬───┐   ┌───┬───┐   ┌───┬───┐
HEAD ──>│ A │ ●─┼──>│ B │ ●─┼──>│ C │ ●─┼──>│ D │   │
        └───┴───┘   └───┴───┘   └───┴───┘   └───┴───┘

通常情况下，我们总是优先使用ArrayList。

List的特点

使用List时，我们要关注List接口的规范。List接口允许我们添加重复的元素，即List内部的元素可以重复：

    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("apple"); // size=1
    list.add("pear"); // size=2
    list.add("apple"); // 允许重复添加元素，size=3
    System.out.println(list.size());

创建List

除了使用ArrayList和LinkedList，我们还可以通过List接口提供的of()方法，根据给定元素快速创建List：

List<Integer> list = List.of(1, 2, 5);

但是List.of()方法不接受null值，如果传入null，会抛出NullPointerException异常。

遍历List

和数组类型，我们要遍历一个List，完全可以用for循环根据索引配合get(int)方法遍历：

    List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
    for (int i=0; i<list.size(); i++) {
        String s = list.get(i);
        System.out.println(s);
    }

......

编写equals方法

我们知道List是一种有序链表：List内部按照放入元素的先后顺序存放，并且每个元素都可以通过索引确定自己的位置。

List还提供了boolean contains(Object o)方法来判断List是否包含某个指定元素。此外，int indexOf(Object o)方法可以返回某个元素的索引，如果元素不存在，就返回-1。

我们来看一个例子：

    List<String> list = List.of("A", "B", "C");
    System.out.println(list.contains("C")); // true
    System.out.println(list.contains("X")); // false
    System.out.println(list.indexOf("C")); // 2
    System.out.println(list.indexOf("X")); // -1

在List中查找元素时，List的实现类通过元素的equals()方法比较两个元素是否相等，因此，放入的元素必须正确覆写equals()方法，Java标准库提供的String、Integer等已经覆写了equals()方法；

编写equals()方法可借助Objects.equals()判断。

如果不在List中查找元素，就不必覆写equals()方法。

使用Map

我们知道，List是一种顺序列表，如果有一个存储学生Student实例的List，要在List中根据name查找某个指定的Student的分数，应该怎么办？

最简单的方法是遍历List并判断name是否相等，然后返回指定元素：

List<Student> list = ...
Student target = null;
for (Student s : list) {
    if ("Xiao Ming".equals(s.name)) {
        target = s;
        break;
    }
}
System.out.println(target.score);

这种需求其实非常常见，即通过一个键去查询对应的值。使用List来实现存在效率非常低的问题，因为平均需要扫描一半的元素才能确定，而Map这种键值（key-value）映射表的数据结构，作用就是能高效通过key快速查找value（元素）。

用Map来实现根据name查询某个Student的代码如下：

      Student s = new Student("Xiao Ming", 99);
        Map<String, Student> map = new HashMap<>();
        map.put("Xiao Ming", s); // 将"Xiao Ming"和Student实例映射并关联
        Student target = map.get("Xiao Ming"); // 通过key查找并返回映射的Student实例
        System.out.println(target == s); // true，同一个实例
        System.out.println(target.score); // 99
        Student another = map.get("Bob"); // 通过另一个key查找
        System.out.println(another); // 未找到返回null

通过上述代码可知：Map<K, V>是一种键-值映射表，当我们调用put(K key, V value)方法时，就把key和value做了映射并放入Map。当我们调用V get(K key)时，就可以通过key获取到对应的value。如果key不存在，则返回null。和List类似，Map也是一个接口，最常用的实现类是HashMap。

如果只是想查询某个key是否存在，可以调用boolean containsKey(K key)方法。

如果我们在存储Map映射关系的时候，对同一个key调用两次put()方法，分别放入不同的value，会有什么问题呢？
重复放入key-value并不会有任何问题，但是一个key只能关联一个value。在上面的代码中，一开始我们把key对象"apple"映射到Integer对象123，然后再次调用put()方法把"apple"映射到789，这时，原来关联的value对象123就被“冲掉”了。实际上，put()方法的签名是V put(K key, V value)，如果放入的key已经存在，put()方法会返回被删除的旧的value，否则，返回null。

遍历Map

对Map来说，要遍历key可以使用for each循环遍历Map实例的keySet()方法返回的Set集合，它包含不重复的key的集合：

    Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
    map.put("apple", 123);
    map.put("pear", 456);
    map.put("banana", 789);
    for (String key : map.keySet()) {
        Integer value = map.get(key);
        System.out.println(key + " = " + value);
    }

Map和List不同的是，Map存储的是key-value的映射关系，并且，它_不保证顺序_。在遍历的时候，遍历的顺序既不一定是put()时放入的key的顺序，也不一定是key的排序顺序。使用Map时，任何依赖顺序的逻辑都是不可靠的。以HashMap为例，假设我们放入"A"，"B"，"C"这3个key，遍历的时候，每个key会保证被遍历一次且仅遍历一次，但顺序完全没有保证，甚至对于不同的JDK版本，相同的代码遍历的输出顺序都是不同的！

使用Map

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我们知道，List是一种顺序列表，如果有一个存储学生Student实例的List，要在List中根据name查找某个指定的Student的分数，应该怎么办？

最简单的方法是遍历List并判断name是否相等，然后返回指定元素：

List<Student> list = ...
Student target = null;
for (Student s : list) {
    if ("Xiao Ming".equals(s.name)) {
        target = s;
        break;
    }
}
System.out.println(target.score);

用Map来实现根据name查询某个Student的代码如下：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

Run

如果只是想查询某个key是否存在，可以调用boolean containsKey(K key)方法。

如果我们在存储Map映射关系的时候，对同一个key调用两次put()方法，分别放入不同的value，会有什么问题呢？例如：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

Run

重复放入key-value并不会有任何问题，但是一个key只能关联一个value。在上面的代码中，一开始我们把key对象"apple"映射到Integer对象123，然后再次调用put()方法把"apple"映射到789，这时，原来关联的value对象123就被“冲掉”了。实际上，put()方法的签名是V put(K key, V value)，如果放入的key已经存在，put()方法会返回被删除的旧的value，否则，返回null。

始终牢记：Map中不存在重复的key，因为放入相同的key，只会把原有的key-value对应的value给替换掉。

此外，在一个Map中，虽然key不能重复，但value是可以重复的：

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("apple", 123);
map.put("pear", 123); // ok

遍历Map

对Map来说，要遍历key可以使用for each循环遍历Map实例的keySet()方法返回的Set集合，它包含不重复的key的集合：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

Run

同时遍历key和value可以使用for each循环遍历Map对象的entrySet()集合，它包含每一个key-value映射：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

Run

遍历Map时，不可假设输出的key是有序的！

小结

Map是一种映射表，可以通过key快速查找value。

可以通过for each遍历keySet()，也可以通过for each遍历entrySet()，直接获取key-value。

最常用的一种Map实现是HashMap。

编写equals和hashCode

总结

要正确使用HashMap，作为key的类必须正确覆写equals()和hashCode()方法；

一个类如果覆写了equals()，就必须覆写hashCode()，并且覆写规则是：

如果equals()返回true，则hashCode()返回值必须相等；
如果equals()返回false，则hashCode()返回值尽量不要相等。

原理

实现hashCode()方法可以通过Objects.hashCode()辅助方法实现。

我们知道Map是一种键-值（key-value）映射表，可以通过key快速查找对应的value。

以HashMap为例，观察下面的代码：

Map<String, Person> map = new HashMap<>();
map.put("a", new Person("Xiao Ming"));
map.put("b", new Person("Xiao Hong"));
map.put("c", new Person("Xiao Jun"));

map.get("a"); // Person("Xiao Ming")
map.get("x"); // null

HashMap之所以能根据key直接拿到value，原因是它内部通过空间换时间的方法，用一个大数组存储所有value，并根据key直接计算出value应该存储在哪个索引。

如果key的值为"a"，计算得到的索引总是1，因此返回value为Person("Xiao Ming")，如果key的值为"b"，计算得到的索引总是5，因此返回value为Person("Xiao Hong")，这样，就不必遍历整个数组，即可直接读取key对应的value。

当我们使用key存取value的时候，就会引出一个问题：

我们放入Map的key是字符串"a"，但是，当我们获取Map的value时，传入的变量不一定就是放入的那个key对象。

....

我们经常使用String作为key，因为String已经正确覆写了equals()方法。但如果我们放入的key是一个自己写的类，就必须保证正确覆写了equals()方法。

使用EnumMap

因为HashMap是一种通过对key计算hashCode()，通过空间换时间的方式，直接定位到value所在的内部数组的索引，因此，查找效率非常高。

如果作为key的对象是enum类型，那么，还可以使用Java集合库提供的一种EnumMap，它在内部以一个非常紧凑的数组存储value，并且根据enum类型的key直接定位到内部数组的索引，并不需要计算hashCode()，不但效率最高，而且没有额外的空间浪费。

使用TreeMap

我们已经知道，HashMap是一种以空间换时间的映射表，它的实现原理决定了内部的Key是无序的，即遍历HashMap的Key时，其顺序是不可预测的（但每个Key都会遍历一次且仅遍历一次）。

还有一种Map，它在内部会对Key进行排序，这种Map就是SortedMap。注意到SortedMap是接口，它的实现类是TreeMap。

使用Properties

在编写应用程序的时候，经常需要读写配置文件。例如，用户的设置：

# 上次最后打开的文件:
last_open_file=/data/hello.txt
# 自动保存文件的时间间隔:
auto_save_interval=60

配置文件的特点是，它的Key-Value一般都是String-String类型的，因此我们完全可以用Map<String, String>来表示它。

因为配置文件非常常用，所以Java集合库提供了一个Properties来表示一组“配置”。由于历史遗留原因，Properties内部本质上是一个Hashtable，但我们只需要用到Properties自身关于读写配置的接口。

使用Set

我们知道，Map用于存储key-value的映射，对于充当key的对象，是不能重复的，并且，不但需要正确覆写equals()方法，还要正确覆写hashCode()方法。

如果我们只需要存储不重复的key，并不需要存储映射的value，那么就可以使用Set。

Set用于存储不重复的元素集合，它主要提供以下几个方法：

将元素添加进Set<E>：boolean add(E e)
将元素从Set<E>删除：boolean remove(Object e)
判断是否包含元素：boolean contains(Object e)

我们来看几个简单的例子：

        Set<String> set = new HashSet<>();
        System.out.println(set.add("abc")); // true
        System.out.println(set.add("xyz")); // true
        System.out.println(set.add("xyz")); // false，添加失败，因为元素已存在
        System.out.println(set.contains("xyz")); // true，元素存在
        System.out.println(set.contains("XYZ")); // false，元素不存在
        System.out.println(set.remove("hello")); // false，删除失败，因为元素不存在
        System.out.println(set.size()); // 2，一共两个元素

使用Queue

队列（Queue）是一种经常使用的集合。Queue实际上是实现了一个先进先出（FIFO：First In First Out）的有序表。它和List的区别在于，List可以在任意位置添加和删除元素，而Queue只有两个操作：

把元素添加到队列末尾；
从队列头部取出元素。

## IO

IO是指Input/Output，即输入和输出。以内存为中心：

Input指从外部读入数据到内存，例如，把文件从磁盘读取到内存，从网络读取数据到内存等等。
Output指把数据从内存输出到外部，例如，把数据从内存写入到文件，把数据从内存输出到网络等等。

为什么要把数据读到内存才能处理这些数据？因为代码是在内存中运行的，数据也必须读到内存，最终的表示方式无非是byte数组，字符串等，都必须存放在内存里。

从Java代码来看，输入实际上就是从外部，例如，硬盘上的某个文件，把内容读到内存，并且以Java提供的某种数据类型表示，例如，byte[]，String，这样，后续代码才能处理这些数据。

因为内存有“易失性”的特点，所以必须把处理后的数据以某种方式输出，例如，写入到文件。Output实际上就是把Java表示的数据格式，例如，byte[]，String等输出到某个地方。

IO流是一种顺序读写数据的模式，它的特点是单向流动。数据类似自来水一样在水管中流动，所以我们把它称为IO流。

InputStream / OutputStream

IO流以byte（字节）为最小单位，因此也称为_字节流_。例如，我们要从磁盘读入一个文件，包含6个字节，就相当于读入了6个字节的数据：

╔════════════╗
║   Memory   ║
╚════════════╝
       ▲
       │0x48
       │0x65
       │0x6c
       │0x6c
       │0x6f
       │0x21
 ╔═══════════╗
 ║ Hard Disk ║
 ╚═══════════╝

这6个字节是按顺序读入的，所以是输入字节流。

反过来，我们把6个字节从内存写入磁盘文件，就是输出字节流：

╔════════════╗
║   Memory   ║
╚════════════╝
       │0x21
       │0x6f
       │0x6c
       │0x6c
       │0x65
       │0x48
       ▼
 ╔═══════════╗
 ║ Hard Disk ║
 ╚═══════════╝

在Java中，InputStream代表输入字节流，OuputStream代表输出字节流，这是最基本的两种IO流。

Reader / Writer

如果我们需要读写的是字符，并且字符不全是单字节表示的ASCII字符，那么，按照char来读写显然更方便，这种流称为_字符流_。

Java提供了Reader和Writer表示字符流，字符流传输的最小数据单位是char。

例如，我们把char[]数组Hi你好这4个字符用Writer字符流写入文件，并且使用UTF-8编码，得到的最终文件内容是8个字节，英文字符H和i各占一个字节，中文字符你好各占3个字节：

0x48
0x69
0xe4bda0
0xe5a5bd

反过来，我们用Reader读取以UTF-8编码的这8个字节，会从Reader中得到Hi你好这4个字符。

因此，Reader和Writer本质上是一个能自动编解码的InputStream和OutputStream。

使用Reader，数据源虽然是字节，但我们读入的数据都是char类型的字符，原因是Reader内部把读入的byte做了解码，转换成了char。使用InputStream，我们读入的数据和原始二进制数据一模一样，是byte[]数组，但是我们可以自己把二进制byte[]数组按照某种编码转换为字符串。究竟使用Reader还是InputStream，要取决于具体的使用场景。如果数据源不是文本，就只能使用InputStream，如果数据源是文本，使用Reader更方便一些。Writer和OutputStream是类似的。

同步和异步

同步IO是指，读写IO时代码必须等待数据返回后才继续执行后续代码，它的优点是代码编写简单，缺点是CPU执行效率低。

而异步IO是指，读写IO时仅发出请求，然后立刻执行后续代码，它的优点是CPU执行效率高，缺点是代码编写复杂。

Java标准库的包java.io提供了同步IO，而java.nio则是异步IO。上面我们讨论的InputStream、OutputStream、Reader和Writer都是同步IO的抽象类，对应的具体实现类，以文件为例，有FileInputStream、FileOutputStream、FileReader和FileWriter。

本节我们只讨论Java的同步IO，即输入/输出流的IO模型。

File对象

在计算机系统中，文件是非常重要的存储方式。Java的标准库java.io提供了File对象来操作文件和目录。

要构造一个File对象，需要传入文件路径：

  File f = new File("C:\\Windows\\notepad.exe");
  System.out.println(f);

构造File对象时，既可以传入绝对路径，也可以传入相对路径。绝对路径是以根目录开头的完整路径，例如：

File f = new File("C:\\Windows\\notepad.exe");

注意Windows平台使用\作为路径分隔符，在Java字符串中需要用\\表示一个\。Linux平台使用/作为路径分隔符：

File f = new File("/usr/bin/javac");

传入相对路径时，相对路径前面加上当前目录就是绝对路径：

// 假设当前目录是C:\Docs
File f1 = new File("sub\\javac"); // 绝对路径是C:\Docs\sub\javac
File f3 = new File(".\\sub\\javac"); // 绝对路径是C:\Docs\sub\javac
File f3 = new File("..\\sub\\javac"); // 绝对路径是C:\sub\javac

可以用.表示当前目录，..表示上级目录。

File对象有3种形式表示的路径，一种是getPath()，返回构造方法传入的路径，一种是getAbsolutePath()，返回绝对路径，一种是getCanonicalPath，它和绝对路径类似，但是返回的是规范路径。

基础2

异常处理

Java的异常

捕获异常

小结

捕获异常

多catch语句

抛出异常

异常的传播

抛出异常

自定义异常

小结

NullPointerException

处理NullPointerException

使用断言

小结

使用JDK Logging

使用Commons Logging

反射

Class类

访问字段

调用方法

调用构造方法

注解

使用注解

注解的作用

小结

定义注解

元注解

元注解

@Target

@Retention

@Repeatable

@Inherited

如何定义Annotation

小结

处理注解

泛型

什么是泛型

向上转型

小结

使用泛型

泛型接口

小结

编写泛型

静态方法

多个泛型类型

小结

擦拭法

小结

集合

集合简介

Collection

小结

使用List

List的特点

创建List

遍历List

编写equals方法

使用Map

遍历Map

遍历Map

小结

编写equals和hashCode

总结

原理

使用EnumMap

使用TreeMap

使用Properties

使用Set

使用Queue

InputStream / OutputStream

Reader / Writer

同步和异步

File对象

秋収冬藏

引用和评论

SQL教程

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Bitmap 和布隆过滤器傻傻分不清？你这不应该啊