Java 核心技术 - 基础

概述

Java最早是由SUN公司（已被Oracle收购）的詹姆斯·高斯林（高司令，人称Java之父）在上个世纪90年代初开发的一种编程语言，最初被命名为Oak，目标是针对小型家电设备的嵌入式应用，结果市场没啥反响。谁料到互联网的崛起，让Oak重新焕发了生机，于是SUN公司改造了Oak，在1995年以Java的名称正式发布，原因是Oak已经被人注册了，因此SUN注册了Java这个商标。随着互联网的高速发展，Java逐渐成为最重要的网络编程语言。

Java介于编译型语言和解释型语言之间。编译型语言如C、C++，代码是直接编译成机器码执行，但是不同的平台（x86、ARM等）CPU的指令集不同，因此，需要编译出每一种平台的对应机器码。解释型语言如Python、Ruby没有这个问题，可以由解释器直接加载源码然后运行，代价是运行效率太低。而Java是将代码编译成一种“字节码”，它类似于抽象的CPU指令，然后，针对不同平台编写虚拟机，不同平台的虚拟机负责加载字节码并执行，这样就实现了“一次编写，到处运行”的效果。当然，这是针对Java开发者而言。对于虚拟机，需要为每个平台分别开发。为了保证不同平台、不同公司开发的虚拟机都能正确执行Java字节码，SUN公司制定了一系列的Java虚拟机规范。从实践的角度看，JVM的兼容性做得非常好，低版本的Java字节码完全可以正常运行在高版本的JVM上。

随着Java的发展，SUN给Java又分出了三个不同版本：

• Java SE：Standard Edition
• Java EE：Enterprise Edition
• Java ME：Micro Edition

这三者之间有啥关系呢？

简单来说，Java SE就是标准版，包含标准的JVM和标准库，而Java EE是企业版，它只是在Java SE的基础上加上了大量的API和库，以便方便开发Web应用、数据库、消息服务等，Java EE的应用使用的虚拟机和Java SE完全相同。

Java ME就和Java SE不同，它是一个针对嵌入式设备的“瘦身版”，Java SE的标准库无法在Java ME上使用，Java ME的虚拟机也是“瘦身版”。

毫无疑问，Java SE是整个Java平台的核心，而Java EE是进一步学习Web应用所必须的。我们熟悉的Spring等框架都是Java EE开源生态系统的一部分。不幸的是，Java ME从来没有真正流行起来，反而是Android开发成为了移动平台的标准之一，因此，没有特殊需求，不建议学习Java ME。

因此我们推荐的Java学习路线图如下：

1. 首先要学习Java SE，掌握Java语言本身、Java核心开发技术以及Java标准库的使用；

2. 如果继续学习Java EE，那么Spring框架、数据库开发、分布式架构就是需要学习的；

3. 如果要学习大数据开发，那么Hadoop、Spark、Flink这些大数据平台就是需要学习的，他们都基于Java或Scala开发；

4. 如果想要学习移动开发，那么就深入Android平台，掌握Android App开发。

无论怎么选择，Java SE的核心技术是基础，这个教程的目的就是让你完全精通Java SE！

Java版本

从1995年发布1.0版本开始，到目前为止，最新的Java版本是Java 15：

• 时间 版本
• 1995 1.0
• 1998 1.2
• 2000 1.3
• 2002 1.4
• 2004 1.5 / 5.0
• 2005 1.6 / 6.0
• 2011 1.7 / 7.0
• 2014 1.8 / 8.0
• 2017/9 1.9 / 9.0
• 2018/3 10
• 2018/9 11
• 2019/3 12
• 2019/9 13
• 2020/3 14
• 2020/9 15
• 2021/3 16

Java 8 和 Java 11 现在业界用的比较多。

名词解释

初学者学Java，经常听到JDK、JRE这些名词，它们到底是啥？

• JDK：Java Development Kit
• JRE：Java Runtime Environment

简单地说，JRE就是运行Java字节码的虚拟机。但是，如果只有Java源码，要编译成Java字节码，就需要JDK，因为JDK除了包含JRE，还提供了编译器、调试器等开发工具。

二者关系如下：

要学习Java开发，当然需要安装JDK了。

那JSR、JCP……又是啥？

• JSR规范：Java Specification Request
• JCP组织：Java Community Process

为了保证Java语言的规范性，SUN公司搞了一个JSR规范，凡是想给Java平台加一个功能，比如说访问数据库的功能，大家要先创建一个JSR规范，定义好接口，这样，各个数据库厂商都按照规范写出Java驱动程序，开发者就不用担心自己写的数据库代码在MySQL上能跑，却不能跑在PostgreSQL上。

所以JSR是一系列的规范，从JVM的内存模型到Web程序接口，全部都标准化了。而负责审核JSR的组织就是JCP。

一个JSR规范发布时，为了让大家有个参考，还要同时发布一个“参考实现”，以及一个“兼容性测试套件”：

• RI：Reference Implementation
• TCK：Technology Compatibility Kit

比如有人提议要搞一个基于Java开发的消息服务器，这个提议很好啊，但是光有提议还不行，得贴出真正能跑的代码，这就是RI。如果有其他人也想开发这样一个消息服务器，如何保证这些消息服务器对开发者来说接口、功能都是相同的？所以还得提供TCK。

通常来说，RI只是一个“能跑”的正确的代码，它不追求速度，所以，如果真正要选择一个Java的消息服务器，一般是没人用RI的，大家都会选择一个有竞争力的商用或开源产品。

参考：Java消息服务JMS的JSR：https://jcp.org/en/jsr/detail?id=914

Java 入门的内容都烂大街了，随便一本书里都有，这里就不浪费时间了。

这里我想说一下关于软件安装、环境配置、资料搜索的问题。我大学的时候就沉迷于这三件事情，浪费了许多珍贵的时间，我只想说你要时刻牢记你的目标是什么，不要在那里感动自己。这句话也送给我自己。

面向对象

Java是一种面向对象的编程语言。面向对象编程，英文是Object-Oriented Programming，简称OOP。

那什么是面向对象编程？

和面向对象编程不同的，是面向过程编程。面向过程编程，是把模型分解成一步一步的过程。比如，老板告诉你，要编写一个TODO任务，必须按照以下步骤一步一步来：

• 读取文件；
• 编写TODO；
• 保存文件。

而面向对象编程，顾名思义，你得首先有个对象：

有了对象后，就可以和对象进行互动：

GirlFriend gf = new GirlFriend();
gf.name = "Alice";
gf.send("flowers");

因此，面向对象编程，是一种通过对象的方式，把现实世界映射到计算机模型的一种编程方法。

在本章中，我们将讨论：

面向对象的基本概念，包括：

• 类
• 实例
• 方法

面向对象的实现方式，包括：

• 继承
• 多态

Java语言本身提供的机制，包括：

• package
• classpath
• jar

以及Java标准库提供的核心类，包括：

• 字符串
• 包装类型
• JavaBean
• 枚举
• 常用工具类

异常处理

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!

还有一些错误是随机出现，并且永远不可能避免的。比如：

• 网络突然断了，连接不到远程服务器；
• 内存耗尽，程序崩溃了；
• 用户点“打印”，但根本没有打印机；
• ……

所以，一个健壮的程序必须处理各种各样的错误。

所谓错误，就是程序调用某个函数的时候，如果失败了，就表示出错。

调用方如何获知调用失败的信息？有两种方法：

方法一：约定返回错误码。

例如，处理一个文件，如果返回0，表示成功，返回其他整数，表示约定的错误码：

int code = processFile("C:\\test.txt");
if (code == 0) {
    // ok:
} else {
    // error:
    switch (code) {
    case 1:
        // file not found:
    case 2:
        // no read permission:
    default:
        // unknown error:
    }
}

因为使用int类型的错误码，想要处理就非常麻烦。这种方式常见于底层C函数。

方法二：在语言层面上提供一个异常处理机制。

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：

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：

1. RuntimeException以及它的子类；
2. 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。

注意：编译器对RuntimeException及其子类不做强制捕获要求，不是指应用程序本身不应该捕获并处理RuntimeException。是否需要捕获，具体问题具体分析。

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：

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;
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：

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;
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) {
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

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。

在toGBK()方法中，因为调用了String.getBytes(String)方法，就必须捕获UnsupportedEncodingException。我们也可以不捕获它，而是在方法定义处用throws表示toGBK()方法可能会抛出UnsupportedEncodingException，就可以让toGBK()方法通过编译器检查：

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;
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) throws UnsupportedEncodingException {
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

上述代码仍然会得到编译错误，但这一次，编译器提示的不是调用return s.getBytes(“GBK”);的问题，而是byte[] bs = toGBK(“中文”);。因为在main()方法中，调用toGBK()，没有捕获它声明的可能抛出的UnsupportedEncodingException。

修复方法是在main()方法中捕获异常并处理：

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            byte[] bs = toGBK("中文");
            System.out.println(Arrays.toString(bs));
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            System.out.println(e);
        }
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        // 用指定编码转换String为byte[]:
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

可见，只要是方法声明的Checked Exception，不在调用层捕获，也必须在更高的调用层捕获。所有未捕获的异常，最终也必须在main()方法中捕获，不会出现漏写try的情况。这是由编译器保证的。main()方法也是最后捕获Exception的机会。

如果是测试代码，上面的写法就略显麻烦。如果不想写任何try代码，可以直接把main()方法定义为throws Exception：

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        // 用指定编码转换String为byte[]:
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

因为main()方法声明了可能抛出Exception，也就声明了可能抛出所有的Exception，因此在内部就无需捕获了。代价就是一旦发生异常，程序会立刻退出。

还有一些童鞋喜欢在toGBK()内部“消化”异常：

static byte[] toGBK(String s) {
    try {
        return s.getBytes("GBK");
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        // 什么也不干
    }
    return null;
这种捕获后不处理的方式是非常不好的，即使真的什么也做不了，也要先把异常记录下来：

static byte[] toGBK(String s) {
    try {
        return s.getBytes("GBK");
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        // 先记下来再说:
        e.printStackTrace();
    }
    return null;
}

所有异常都可以调用printStackTrace()方法打印异常栈，这是一个简单有用的快速打印异常的方法。

抛出异常

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
    }
}

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());
    }
}

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。

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。

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

除了int等基本类型外，Java的其他类型全部都是class（包括interface）。例如：

• String
• Object
• Runnable
• Exception
• …

仔细思考，我们可以得出结论：class（包括interface）的本质是数据类型（Type）。无继承关系的数据类型无法赋值：

Number n = new Double(123.456); // OK
String s = new Double(123.456); // compile error!

而class是由JVM在执行过程中动态加载的。JVM在第一次读取到一种class类型时，将其加载进内存。

每加载一种class，JVM就为其创建一个Class类型的实例，并关联起来。注意：这里的Class类型是一个名叫Class的class。它长这样：

public final class Class {
    private Class() {}
}

以String类为例，当JVM加载String类时，它首先读取String.class文件到内存，然后，为String类创建一个Class实例并关联起来：

Class cls = new Class(String);

这个Class实例是JVM内部创建的，如果我们查看JDK源码，可以发现Class类的构造方法是private，只有JVM能创建Class实例，我们自己的Java程序是无法创建Class实例的。

所以，JVM持有的每个Class实例都指向一个数据类型（class或interface）：

一个Class实例包含了该class的所有完整信息：

由于JVM为每个加载的class创建了对应的Class实例，并在实例中保存了该class的所有信息，包括类名、包名、父类、实现的接口、所有方法、字段等，因此，如果获取了某个Class实例，我们就可以通过这个Class实例获取到该实例对应的class的所有信息。

这种通过Class实例获取class信息的方法称为反射（Reflection）。

如何获取一个class的Class实例？有三个方法：

方法一：直接通过一个class的静态变量class获取：

Class cls = String.class;

方法二：如果我们有一个实例变量，可以通过该实例变量提供的getClass()方法获取：

String s = "Hello";
Class cls = s.getClass();

方法三：如果知道一个class的完整类名，可以通过静态方法Class.forName()获取：

Class cls = Class.forName("java.lang.String");

因为Class实例在JVM中是唯一的，所以，上述方法获取的Class实例是同一个实例。

动态加载

JVM在执行Java程序的时候，并不是一次性把所有用到的class全部加载到内存，而是第一次需要用到class时才加载。例如：

// Main.java
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        if (args.length > 0) {
            create(args[0]);
        }
    }

    static void create(String name) {
        Person p = new Person(name);
    }
}

当执行Main.java时，由于用到了Main，因此，JVM首先会把Main.class加载到内存。然而，并不会加载Person.class，除非程序执行到create()方法，JVM发现需要加载Person类时，才会首次加载Person.class。如果没有执行create()方法，那么Person.class根本就不会被加载。

这就是JVM动态加载class的特性。

动态加载class的特性对于Java程序非常重要。利用JVM动态加载class的特性，我们才能在运行期根据条件加载不同的实现类。例如，Commons Logging总是优先使用Log4j，只有当Log4j不存在时，才使用JDK的logging。利用JVM动态加载特性，大致的实现代码如下：

// Commons Logging优先使用Log4j:
LogFactory factory = null;
if (isClassPresent("org.apache.logging.log4j.Logger")) {
    factory = createLog4j();
} else {
    factory = createJdkLog();
}

boolean isClassPresent(String name) {
    try {
        Class.forName(name);
        return true;
    } catch (Exception e) {
        return false;
    }
}

这就是为什么我们只需要把Log4j的jar包放到classpath中，Commons Logging就会自动使用Log4j的原因。

访问字段/调用方法

对任意的一个Object实例，只要我们获取了它的Class，就可以获取它的一切信息。

我们先看看如何通过Class实例获取字段信息。Class类提供了以下几个方法来获取字段：

• Field getField(name)：根据字段名获取某个public的field（包括父类）
• Field getDeclaredField(name)：根据字段名获取当前类的某个field（不包括父类）
• Field[] getFields()：获取所有public的field（包括父类）
• Field[] getDeclaredFields()：获取当前类的所有field（不包括父类）

一个Field对象包含了一个字段的所有信息：

• getName()：返回字段名称，例如，”name”；
• getType()：返回字段类型，也是一个Class实例，例如，String.class；
• getModifiers()：返回字段的修饰符，它是一个int，不同的bit表示不同的含义。

我们已经能通过Class实例获取所有Field对象，同样的，可以通过Class实例获取所有Method信息。Class类提供了以下几个方法来获取Method：

• Method getMethod(name, Class…)：获取某个public的Method（包括父类）
• Method getDeclaredMethod(name, Class…)：获取当前类的某个Method（不包括父类）
• Method[] getMethods()：获取所有public的Method（包括父类）
• Method[] getDeclaredMethods()：获取当前类的所有Method（不包括父类）

一个Method对象包含一个方法的所有信息：

• getName()：返回方法名称，例如：”getScore”；
• getReturnType()：返回方法返回值类型，也是一个Class实例，例如：String.class；
• getParameterTypes()：返回方法的参数类型，是一个Class数组，例如：{String.class, int.class}；
• getModifiers()：返回方法的修饰符，它是一个int，不同的bit表示不同的含义。

通过Class实例获取Constructor的方法如下：

• getConstructor(Class…)：获取某个public的Constructor；
• getDeclaredConstructor(Class…)：获取某个Constructor；
• getConstructors()：获取所有public的Constructor；
• getDeclaredConstructors()：获取所有Constructor。

注意Constructor总是当前类定义的构造方法，和父类无关，因此不存在多态的问题。

调用非public的Constructor时，必须首先通过setAccessible(true)设置允许访问。setAccessible(true)可能会失败。

动态代理

我们来比较Java的class和interface的区别：

• 可以实例化class（非abstract）；
• 不能实例化interface。

所有interface类型的变量总是通过某个实例向上转型并赋值给接口类型变量的：

CharSequence cs = new StringBuilder();

有没有可能不编写实现类，直接在运行期创建某个interface的实例呢？

这是可能的，因为Java标准库提供了一种动态代理（Dynamic Proxy）的机制：可以在运行期动态创建某个interface的实例。

什么叫运行期动态创建？听起来好像很复杂。所谓动态代理，是和静态相对应的。我们来看静态代码怎么写：

定义接口：

public interface Hello {
    void morning(String name);
}

编写实现类：

public class HelloWorld implements Hello {
    public void morning(String name) {
        System.out.println("Good morning, " + name);
    }
}

创建实例，转型为接口并调用：

Hello hello = new HelloWorld();
hello.morning("Bob");

这种方式就是我们通常编写代码的方式。

还有一种方式是动态代码，我们仍然先定义了接口Hello，但是我们并不去编写实现类，而是直接通过JDK提供的一个Proxy.newProxyInstance()创建了一个Hello接口对象。这种没有实现类但是在运行期动态创建了一个接口对象的方式，我们称为动态代码。JDK提供的动态创建接口对象的方式，就叫动态代理。

一个最简单的动态代理实现如下：

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        InvocationHandler handler = new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println(method);
                if (method.getName().equals("morning")) {
                    System.out.println("Good morning, " + args[0]);
                }
                return null;
            }
        };
        Hello hello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(
            Hello.class.getClassLoader(), // 传入ClassLoader
            new Class[] { Hello.class }, // 传入要实现的接口
            handler); // 传入处理调用方法的InvocationHandler
        hello.morning("Bob");
    }
}

interface Hello {
    void morning(String name);
}

在运行期动态创建一个interface实例的方法如下：

1. 定义一个InvocationHandler实例，它负责实现接口的方法调用；

2. 通过Proxy.newProxyInstance()创建interface实例，它需要3个参数：

   1. 使用的ClassLoader，通常就是接口类的ClassLoader；
   2. 需要实现的接口数组，至少需要传入一个接口进去；
   3. 用来处理接口方法调用的InvocationHandler实例。

3. 将返回的Object强制转型为接口。

动态代理实际上是JVM在运行期动态创建class字节码并加载的过程，它并没有什么黑魔法，把上面的动态代理改写为静态实现类大概长这样：

public class HelloDynamicProxy implements Hello {
    InvocationHandler handler;
    public HelloDynamicProxy(InvocationHandler handler) {
        this.handler = handler;
    }
    public void morning(String name) {
        handler.invoke(
           this,
           Hello.class.getMethod("morning", String.class),
           new Object[] { name });
    }
}

其实就是JVM帮我们自动编写了一个上述类（不需要源码，可以直接生成字节码），并不存在可以直接实例化接口的黑魔法。

注解

注解的作用

• Annotation是JDK5.0引入的新技术
• Annotation的作用：
  • 不是程序本身，可以对程序作出解释（这一点和注释没什么区别）
  • 可以被其他程序（比如编译器）读取
• Annotation的格式
  • 注解是以“@注释名”在代码中存在的，还可以添加一些参数值，例如：@SuppressWarnings（value=“unchecked”）
• Annotation在哪里使用？
  • 可以附加在package，class，method，field等上面，相当于给他们添加了额外的辅助信息。我们可以通过反射机制变成实现对这些元数据的访问。

内置注解

Java 定义了一套注解，共有 7 个，3 个在 java.lang 中，剩下 4 个在 java.lang.annotation 中。

作用在代码的注解是

• @Override - 检查该方法是否是重写方法。如果发现其父类，或者是引用的接口中并没有该方法时，会报编译错误。
• @Deprecated - 标记过时方法。如果使用该方法，会报编译警告。
• @SuppressWarnings - 指示编译器去忽略注解中声明的警告。

作用在其他注解的注解(或者说 元注解)是:

• @Retention - 标识这个注解怎么保存，是只在代码中，还是编入class文件中，或者是在运行时可以通过反射访问。
• @Documented - 标记这些注解是否包含在用户文档中。
• @Target - 标记这个注解应该是哪种 Java 成员。
• @Inherited - 标记这个注解是继承于哪个注解类(默认 注解并没有继承于任何子类)

从 Java 7 开始，额外添加了 3 个注解:

• @SafeVarargs - Java 7 开始支持，忽略任何使用参数为泛型变量的方法或构造函数调用产生的警告。
• @FunctionalInterface - Java 8 开始支持，标识一个匿名函数或函数式接口。
• @Repeatable - Java 8 开始支持，标识某注解可以在同一个声明上使用多次。

定义注解

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。

处理注解

Java的注解本身对代码逻辑没有任何影响。根据@Retention的配置：

• SOURCE类型的注解在编译期就被丢掉了；
• CLASS类型的注解仅保存在class文件中，它们不会被加载进JVM；
• RUNTIME类型的注解会被加载进JVM，并且在运行期可以被程序读取。

如何使用注解完全由工具决定。SOURCE类型的注解主要由编译器使用，因此我们一般只使用，不编写。CLASS类型的注解主要由底层工具库使用，涉及到class的加载，一般我们很少用到。只有RUNTIME类型的注解不但要使用，还经常需要编写。

因此，我们只讨论如何读取RUNTIME类型的注解。

因为注解定义后也是一种class，所有的注解都继承自java.lang.annotation.Annotation，因此，读取注解，需要使用反射API。

Java提供的使用反射API读取Annotation的方法包括：

判断某个注解是否存在于Class、Field、Method或Constructor：

• Class.isAnnotationPresent(Class)
• Field.isAnnotationPresent(Class)
• Method.isAnnotationPresent(Class)
• Constructor.isAnnotationPresent(Class)

例如：

// 判断@Report是否存在于Person类:
Person.class.isAnnotationPresent(Report.class);

使用反射API读取Annotation：

• Class.getAnnotation(Class)
• Field.getAnnotation(Class)
• Method.getAnnotation(Class)
• Constructor.getAnnotation(Class)

例如：

// 获取Person定义的@Report注解:
Report report = Person.class.getAnnotation(Report.class);
int type = report.type();
String level = report.level();

使用反射API读取Annotation有两种方法。方法一是先判断Annotation是否存在，如果存在，就直接读取：

Class cls = Person.class;
if (cls.isAnnotationPresent(Report.class)) {
    Report report = cls.getAnnotation(Report.class);
    ...
}

第二种方法是直接读取Annotation，如果Annotation不存在，将返回null：

Class cls = Person.class;
Report report = cls.getAnnotation(Report.class);
if (report != null) {
   ...
}

读取方法、字段和构造方法的Annotation和Class类似。但要读取方法参数的Annotation就比较麻烦一点，因为方法参数本身可以看成一个数组，而每个参数又可以定义多个注解，所以，一次获取方法参数的所有注解就必须用一个二维数组来表示。例如，对于以下方法定义的注解：

public void hello(@NotNull @Range(max=5) String name, @NotNull String prefix) {
}

要读取方法参数的注解，我们先用反射获取Method实例，然后读取方法参数的所有注解：

// 获取Method实例:
Method m = ...
// 获取所有参数的Annotation:
Annotation[][] annos = m.getParameterAnnotations();
// 第一个参数（索引为0）的所有Annotation:
Annotation[] annosOfName = annos[0];
for (Annotation anno : annosOfName) {
    if (anno instanceof Range) { // @Range注解
        Range r = (Range) anno;
    }
    if (anno instanceof NotNull) { // @NotNull注解
        NotNull n = (NotNull) anno;
    }
}

使用注解

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

什么是泛型

• 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向上转型为List（T不能变！），但不能把ArrayList向上转型为ArrayList（T不能变成父类）。

泛型就是定义一种模板，例如ArrayList，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实现了List接口，它可以向上转型为List：

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

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

即类型ArrayList可以向上转型为List。

要特别注意：不能把ArrayList向上转型为ArrayList或List。

使用泛型

使用泛型时，把泛型参数替换为需要的class类型，例如：ArrayList，ArrayList等；

可以省略编译器能自动推断出的类型，例如：List 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，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;
    }
}

然后，，把特定类型String替换为T，并申明：

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;
    }
}

• 编写泛型时，需要定义泛型类型；

• 静态方法不能引用泛型类型，必须定义其他类型（例如）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

泛型是一种类似”模板代码“的技术，不同语言的泛型实现方式不一定相同。

Java语言的泛型实现方式是擦拭法（Type Erasure）。

所谓擦拭法是指，虚拟机对泛型其实一无所知，所有的工作都是编译器做的。

例如，我们编写了一个泛型类Pair，这是编译器看到的代码：

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;
    }
}

而虚拟机根本不知道泛型。这是虚拟机执行的代码：

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

因此，Java使用擦拭法实现泛型，导致了：

• 编译器把类型视为Object；
• 编译器根据实现安全的强制转型。

使用泛型的时候，我们编写的代码也是编译器看到的代码：

Pair<String> p = new Pair<>("Hello", "world");
String first = p.getFirst();
String last = p.getLast();

而虚拟机执行的代码并没有泛型：

Pair p = new Pair("Hello", "world");
String first = (String) p.getFirst();
String last = (String) p.getLast();

所以，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,擦拭法决定了泛型：

• 不能是基本类型，例如：int；
• 不能获取带泛型类型的Class，例如：Pair.class；
• 不能判断带泛型类型的类型，例如：x instanceof Pair；
• 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。

参考资料

• https://www.liaoxuefeng.com
• https://www.bilibili.com/video/BV1p4411P7V3?p=1