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Java

Comparable vs comparator

• 第一，字面含义不同

我们先从二者的字面含义来理解它，Comparable翻译为中文是“比较”的意思，而Comparator是“比较器”的意思。Comparable是以-able结尾的，表示它自身具备着某种能力，而Comparator是以-or结尾，表示自身是比较的参与者，这是从字面含义先来理解二者的不同。

• 第二，用法不同

二者都是顶级的接口，但拥有的方法和用法是不同的，下面我们分别来看。

Comparable用法

Comparable接口只有一个方法compareTo，实现Comparable接口并重写compareTo方法就可以实现某个类的排序了，它支持Collections.sort和Arrays.sort的排序。

在我们没有使用Comparable时，程序的执行是这样的

从上图可以看出，当自定义类Person没有实现Comparable时，List集合是没有排序的，只能以元素的插入顺序作为输出的顺序。

然而这个时候，老板有一个需求：需要根据Person对象的年龄age属性进行倒序，也就是根据age属性从大到小进行排序，这个时候就可以请出，我们本文的主角：Comparable出场了。

Comparable的使用是在自定义对象的类中实现Comparable接口，并重写compareTo方法来实现自定义排序规则的，具体实现代码如下：

程序的执行结果如下图所示：

compareTo排序方法说明

compareTo方法接收的参数p是要对比的对象，排序规则是用当前对象和要对比的对象进行比较，然后返回一个int类型的值。正序从小到大的排序规则是：使用当前的对象值减去要对比对象的值；而倒序从大到小的排序规则刚好相反：是用对比对象的值减去当前对象的值。

注意事项：如果自定义对象没有实现Comparable接口，那么它是不能使用Collections.sort方法进行排序的

Comparator用法

Comparator和Comparable的排序方法是不同的，Comparable排序的方法是compareTo，而Comparator排序的方法是compare，具体实现代码如下：

程序的执行结果如下图所示：

匿名类:

第三，使用场景不同

通过上面示例的实现代码我们可以看出，使用Comparable必须要修改原有的类，也就是你要排序那个类，就要在那个中实现Comparable接口并重写compareTo方法，所以Comparable更像是“对内”进行排序的接口。

而Comparator的使用则不相同，Comparator无需修改原有类。也就是在最极端情况下，即使Person类是第三方提供的，我们依然可以通过创建新的自定义比较器Comparator，来实现对第三方类Person的排序功能。也就是说通过Comparator接口可以实现和原有类的解耦，在不修改原有类的情况下实现排序功能，所以Comparator可以看作是“对外”提供排序的接口。

总结

Comparable和Comparator都是用来实现元素排序的，它们二者的区别如下：

• Comparable是“比较”的意思，而Comparator是“比较器”的意思；
• Comparable是通过重写compareTo方法实现排序的，而Comparator是通过重写compare方法实现排序的；
• Comparable必须由自定义类内部实现排序方法，而Comparator是外部定义并实现排序的。

所以用一句话总结二者的区别：Comparable可以看作是“对内”进行排序接口，而Comparator是“对外”进行排序的接口。

List

在Java中，List是一种接口类型，它定义了一组用于操作列表（List）数据结构的方法。ArrayList是List接口的一个实现类，它使用数组来实现List接口中定义的方法。在这里，使用List list = new ArrayList<>();这样的语法是因为：

1. 泛型：List中的Integer表示这个List只能存储Integer类型的元素。这是Java泛型的一种应用，它可以在编译时检查类型错误，避免在运行时出现类型不匹配的错误。
2. 多态性：使用List接口作为类型声明，而不是具体的ArrayList类，可以让代码更具有可扩展性。这样，如果需要更改实现方式，只需要更改赋值右侧的实现类，而不需要更改其余代码。
3. 简洁性：使用diamond运算符（<>）可以让代码更简洁。在Java 7之前，需要写成List list = new ArrayList();这样的形式。

Collection.sort()

如果要给自定义泛型的集合排序，需要确保该泛型类实现了 Comparable 接口，并重写 compareTo 方法。 compareTo 方法用于比较两个对象的大小关系，以便于排序。或者通过实现Comparator接口来给自定义范型的集合排序。

//1
public class Person implements Comparable<Person> {
    private String name;
    private int age;

    // constructor, getter and setter methods

    @Override
    public int compareTo(Person other) {
        return Integer.compare(this.age, other.age);
    }
}

//2
import java.util.*;

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

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }
}

class AgeComparator implements Comparator<Person> {
    @Override
    public int compare(Person p1, Person p2) {
        return Integer.compare(p1.getAge(), p2.getAge());
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Person> persons = new ArrayList<>();
        persons.add(new Person("John", 25));
        persons.add(new Person("Alice", 30));
        persons.add(new Person("Bob", 20));

        Collections.sort(persons, new AgeComparator());

        for (Person p : persons) {
            System.out.println(p.getName() + " " + p.getAge());
        }
    }
}

Object-Orientated

Collection

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

Java的数组可以看作是一种集合

• 数组初始化后大小不可变；
• 数组只能按索引顺序存取。

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。

List

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)

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：E remove(int index)
• 删除某个元素：boolean 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()

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。

【遍历集合list】

我们要始终坚持使用迭代器Iterator来访问List。Iterator本身也是一个对象，但它是由List的实例调用iterator()方法的时候创建的。Iterator对象知道如何遍历一个List，并且不同的List类型，返回的Iterator对象实现也是不同的，但总是具有最高的访问效率。

Iterator对象有两个方法：boolean hasNext()判断是否有下一个元素，E next()返回下一个元素。因此，使用Iterator遍历List代码如下：

List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
        for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
            String s = it.next();
            System.out.println(s);
        }

Java的for each循环本身就可以帮我们使用Iterator遍历。上面的代码再改写如下：

List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
   for (String s : list) {
       System.out.println(s);
   }

【list转化为array】

把List变为Array有三种方法，第一种是调用toArray()方法直接返回一个Object[]数组

List<String> list = List.of("apple", "pear", "banana");
Object[] array = list.toArray();
for (Object s : array) {
    System.out.println(s);
}

第二种方式是给toArray(T[])传入一个类型相同的Array，List内部自动把元素复制到传入的Array中：

List<Integer> list = List.of(12, 34, 56);
       Integer[] array = list.toArray(new Integer[3]);
       for (Integer n : array) {
           System.out.println(n);
       }

最后一种更简洁的写法是通过List接口定义的T[] toArray(IntFunction<T[]> generator)方法：

Integer[] array = list.toArray(Integer[]::new);

Map

Map也是一个接口，最常用的实现类是HashMap。

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

• put(K key, V value): 将指定的键值对存储到HashMap中。
• get(Object key): 返回与指定键关联的值，如果键不存在，则返回null。
• containsKey(Object key): 检查HashMap中是否包含指定的键。
• containsValue(Object value): 检查HashMap中是否包含指定的值。
• remove(Object key): 从HashMap中删除指定键对应的键值对。
• size(): 返回HashMap中键值对的数量。
• isEmpty(): 检查HashMap是否为空。
• clear(): 清空HashMap，删除所有的键值对。
• keySet(): 返回HashMap中所有键构成的Set集合。
• values(): 返回HashMap中所有值构成的Collection集合。
• entrySet(): 返回HashMap中所有键值对构成的Set集合。
• putAll(Map<? extends K, ? extends V> m): 将另一个Map中的所有键值对添加到HashMap中。
• replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function): 使用指定的函数对HashMap中的每个键值对进行替换操作。
• computeIfAbsent(K key, Function<? super K, ? extends V> mappingFunction): 如果指定的键尚未与值关联，则使用给定函数计算一个值，并将其存储到HashMap中。
• computeIfPresent(K key, BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction): 如果指定的键存在且与非空值关联，则使用给定函数重新计算该值，

在map中使用的作为key的对象也需要自己重新正确的编写equals()方法

通过key计算索引的方式就是调用key对象的hashCode()方法，它返回一个int整数。HashMap正是通过这个方法直接定位key对应的value的索引，继而直接返回value。

因此，正确使用Map必须保证：

1. 作为key的对象必须正确覆写equals()方法，相等的两个key实例调用equals()必须返回true；
2. 作为key的对象还必须正确覆写hashCode()方法，且hashCode()方法要严格遵循以下规范：

• 如果两个对象相等，则两个对象的hashCode()必须相等；
• 如果两个对象不相等，则两个对象的hashCode()尽量不要相等。

如何编写正确的equals()？

public class Person {
    String firstName;
    String lastName;
    int age;
}

把需要比较的字段找出来：

• firstName
• lastName
• age

然后，引用类型使用Objects.equals()比较，基本类型使用==比较。

在正确实现equals()的基础上，我们还需要正确实现hashCode()，即上述3个字段分别相同的实例，hashCode()返回的int必须相同：

public class Person {
    String firstName;
    String lastName;
    int age;

    @Override
    int hashCode() {
        int h = 0;
        h = 31 * h + firstName.hashCode();
        h = 31 * h + lastName.hashCode();
        h = 31 * h + age;
        return h;
    }
}

注意到String类已经正确实现了hashCode()方法，我们在计算Person的hashCode()时，反复使用31*h，这样做的目的是为了尽量把不同的Person实例的hashCode()均匀分布到整个int范围。

和实现equals()方法遇到的问题类似，如果firstName或lastName为null，上述代码工作起来就会抛NullPointerException。为了解决这个问题，我们在计算hashCode()的时候，经常借助Objects.hash()来计算：

int hashCode() {
    return Objects.hash(firstName, lastName, age);
}

所以，编写equals()和hashCode()遵循的原则是：

equals()用到的用于比较的每一个字段，都必须在hashCode()中用于计算；equals()中没有使用到的字段，绝不可放在hashCode()中计算。

Extension

1. hashCode()返回的int范围高达±21亿，先不考虑负数，HashMap内部使用的数组得有多大？

既然HashMap内部使用了数组，通过计算key的hashCode()直接定位value所在的索引，那么第一个问题来了：hashCode()返回的int范围高达±21亿，先不考虑负数，HashMap内部使用的数组得有多大？

实际上HashMap初始化时默认的数组大小只有16，任何key，无论它的hashCode()有多大，都可以简单地通过

把索引确定在0～15，即永远不会超出数组范围，上述算法只是一种最简单的实现。

int index = key.hashCode() & 0xf; // 0xf = 15

2. 如果添加超过16个key-value到HashMap，数组不够用了怎么办？

添加超过一定数量的key-value时，HashMap会在内部自动扩容，每次扩容一倍，即长度为16的数组扩展为长度32，相应地，需要重新确定hashCode()计算的索引位置。例如，对长度为32的数组计算hashCode()对应的索引，计算方式要改为：

int index = key.hashCode() & 0x1f; // 0x1f = 31

由于扩容会导致重新分布已有的key-value，所以，频繁扩容对HashMap的性能影响很大。如果我们确定要使用一个容量为10000个key-value的HashMap，更好的方式是创建HashMap时就指定容量：

Map<String, Integer> map = new HashMap<>(10000);

虽然指定容量是10000，但HashMap内部的数组长度总是2n，因此，实际数组长度被初始化为比10000大的16384 which is 2^14.

3. 如果不同的两个key，例如"a"和"b"，它们的hashCode()恰好是相同的（这种情况是完全可能的，因为不相等的两个实例，只要求hashCode()尽量不相等），那么，当我们放入：

map.put("a", new Person("Xiao Ming"));
map.put("b", new Person("Xiao Hong"));

时，由于计算出的数组索引相同，后面放入的"Xiao Hong"会不会把"Xiao Ming"覆盖了？

当然不会！使用Map的时候，只要key不相同，它们映射的value就互不干扰。但是，在HashMap内部，确实可能存在不同的key，映射到相同的hashCode()，即相同的数组索引上，肿么办？

我们就假设"a"和"b"这两个key最终计算出的索引都是5，那么，在HashMap的数组中，实际存储的不是一个Person实例，而是一个List，它包含两个Entry，一个是"a"的映射，一个是"b"的映射：

  ┌───┐
0 │   │
  ├───┤
1 │   │
  ├───┤
2 │   │
  ├───┤
3 │   │
  ├───┤
4 │   │
  ├───┤
5 │ ●─┼───> List<Entry<String, Person>>
  ├───┤
6 │   │
  ├───┤
7 │   │
  └───┘

在查找的时候，例如：

Person p = map.get("a");

HashMap内部通过"a"找到的实际上是List<Entry<String, Person>>，它还需要遍历这个List，并找到一个Entry，它的key字段是"a"，才能返回对应的Person实例。

我们把不同的key具有相同的hashCode()的情况称之为哈希冲突。在冲突的时候，一种最简单的解决办法是用List存储hashCode()相同的key-value。显然，如果冲突的概率越大，这个List就越长，Map的get()方法效率就越低，这就是为什么要尽量满足条件二：

如果两个对象不相等，则两个对象的hashCode()尽量不要相等。

小结

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。

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

TreeMap

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。

       ┌───┐
       │Map│
       └───┘
         ▲
    ┌────┴─────┐
    │          │
┌───────┐ ┌─────────┐
│HashMap│ │SortedMap│
└───────┘ └─────────┘
               ▲
               │
          ┌─────────┐
          │ TreeMap │
          └─────────┘

SortedMap保证遍历时以Key的顺序来进行排序。例如，放入的Key是"apple"、"pear"、"orange"，遍历的顺序一定是"apple"、"orange"、"pear"，因为String默认按字母排序：

使用TreeMap时，放入的Key必须实现Comparable接口。String、Integer这些类已经实现了Comparable接口，因此可以直接作为Key使用。作为Value的对象则没有任何要求。

如果作为Key的class没有实现Comparable接口，那么，必须在创建TreeMap时同时指定一个自定义排序算法：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Map<Person, Integer> map = new TreeMap<>(new Comparator<Person>() {
            public int compare(Person p1, Person p2) {
                return p1.name.compareTo(p2.name);
            }
        });
        map.put(new Person("Tom"), 1);
        map.put(new Person("Bob"), 2);
        map.put(new Person("Lily"), 3);
        for (Person key : map.keySet()) {
            System.out.println(key);
        }
        // {Person: Bob}, {Person: Lily}, {Person: Tom}
        System.out.println(map.get(new Person("Bob"))); // 2
    }
}

class Person {
    public String name;
    Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String toString() {
        return "{Person: " + name + "}";
    }
}

注意到Comparator接口要求实现一个比较方法，它负责比较传入的两个元素a和b，如果a<b，则返回负数，通常是-1，如果a==b，则返回0，如果a>b，则返回正数，通常是1。TreeMap内部根据比较结果对Key进行排序。

从上述代码执行结果可知，打印的Key确实是按照Comparator定义的顺序排序的。如果要根据Key查找Value，我们可以传入一个new Person("Bob")作为Key，它会返回对应的Integer值2。

另外，注意到Person类并未覆写equals()和hashCode()，因为TreeMap不使用equals()和hashCode()。

我们来看一个稍微复杂的例子：这次我们定义了Student类，并用分数score进行排序，高分在前：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Map<Student, Integer> map = new TreeMap<>(new Comparator<Student>() {
            public int compare(Student p1, Student p2) {
                return p1.score > p2.score ? -1 : 1;
            }
        });
        map.put(new Student("Tom", 77), 1);
        map.put(new Student("Bob", 66), 2);
        map.put(new Student("Lily", 99), 3);
        for (Student key : map.keySet()) {
            System.out.println(key);
        }
        System.out.println(map.get(new Student("Bob", 66))); // null?
    }
}

class Student {
    public String name;
    public int score;
    Student(String name, int score) {
        this.name = name;
        this.score = score;
    }
    public String toString() {
        return String.format("{%s: score=%d}", name, score);
    }
}

Properties

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。

可以从文件系统读取这个.properties文件：

String f = "setting.properties";
Properties props = new Properties();
props.load(new java.io.FileInputStream(f));

String filepath = props.getProperty("last_open_file");
String interval = props.getProperty("auto_save_interval", "120");

可见，用Properties读取配置文件，一共有三步：

1. 创建Properties实例；
2. 调用load()读取文件；
3. 调用getProperty()获取配置。

调用getProperty()获取配置时，如果key不存在，将返回null。我们还可以提供一个默认值，这样，当key不存在的时候，就返回默认值。

也可以从classpath读取.properties文件，因为load(InputStream)方法接收一个InputStream实例，表示一个字节流，它不一定是文件流，也可以是从jar包中读取的资源流：

Properties props = new Properties();
props.load(getClass().getResourceAsStream("/common/setting.properties"));

试试从内存读取一个字节流：

import java.io.*;
import java.util.Properties;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String settings = "# test" + "\n" + "course=Java" + "\n" + "last_open_date=2019-08-07T12:35:01";
        ByteArrayInputStream input = new ByteArrayInputStream(settings.getBytes("UTF-8"));
        Properties props = new Properties();
        props.load(input);

        System.out.println("course: " + props.getProperty("course"));
        System.out.println("last_open_date: " + props.getProperty("last_open_date"));
        System.out.println("last_open_file: " + props.getProperty("last_open_file"));
        System.out.println("auto_save: " + props.getProperty("auto_save", "60"));
    }
}

Set

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)

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        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
    }
}

放入Set的元素和Map的key类似，都要正确实现equals()和hashCode()方法，否则该元素无法正确地放入Set。

最常用的Set实现类是HashSet，实际上，HashSet仅仅是对HashMap的一个简单封装，它的核心代码如下：

public class HashSet<E> implements Set<E> {
    // 持有一个HashMap:
    private HashMap<E, Object> map = new HashMap<>();

    // 放入HashMap的value:
    private static final Object PRESENT = new Object();

    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT) == null;
    }

    public boolean contains(Object o) {
        return map.containsKey(o);
    }

    public boolean remove(Object o) {
        return map.remove(o) == PRESENT;
    }
}

Set接口并不保证有序，而SortedSet接口则保证元素是有序的：

• HashSet是无序的，因为它实现了Set接口，并没有实现SortedSet接口；
• TreeSet是有序的，因为它实现了SortedSet接口。

用一张图表示：

       ┌───┐
       │Set│
       └───┘
         ▲
    ┌────┴─────┐
    │          │
┌───────┐ ┌─────────┐
│HashSet│ │SortedSet│
└───────┘ └─────────┘
               ▲
               │
          ┌─────────┐
          │ TreeSet │
          └─────────┘

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<>();
        set.add("apple");
        set.add("banana");
        set.add("pear");
        set.add("orange");
        for (String s : set) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

在这里打印出来的并不是按照既不是添加的顺序，也不是String排序的顺序，在不同版本的JDK中，这个顺序也可能是不同的。

但是如果用treeset的话，输出出来的就会是有序的了。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new TreeSet<>();
        set.add("apple");
        set.add("banana");
        set.add("pear");
        set.add("orange");
        for (String s : set) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

使用TreeSet和使用TreeMap的要求一样，添加的元素必须正确实现Comparable接口，如果没有实现Comparable接口，那么创建TreeSet时必须传入一个Comparator对象。

Queue

在Java的标准库中，队列接口Queue定义了以下几个方法：

• int size()：获取队列长度；
• boolean add(E)/boolean offer(E)：添加元素到队尾；
• E remove()/E poll()：获取队首元素并从队列中删除；
• E element()/E peek()：获取队首元素但并不从队列中删除。

对于具体的实现类，有的Queue有最大队列长度限制，有的Queue没有。注意到添加、删除和获取队列元素总是有两个方法，这是因为在添加或获取元素失败时，这两个方法的行为是不同的。如下表所示（举个例子，add方法有可能会抛出一场而offer方法并不会）

	throw Exception	返回false或null
添加元素到队尾	add(E e)	boolean offer(E e)
取队首元素并删除	E remove()	E poll()
取队首元素但不删除	E element()	E peek()

注意：不要把null添加到队列中，否则poll()方法返回null时，很难确定是取到了null元素还是队列为空。

PriorityQueue.

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Queue;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> q = new PriorityQueue<>();
        // 添加3个元素到队列:
        q.offer("apple");
        q.offer("pear");
        q.offer("banana");
        System.out.println(q.poll()); // apple
        System.out.println(q.poll()); // banana
        System.out.println(q.poll()); // pear
        System.out.println(q.poll()); // null,因为队列为空
    }
}

放入的顺序是apple、pear、banana但是出来的顺序是apple、banana、pear。这就是因为我们使用了 PriorityQueue<>，优先队列能够将队列中的元素按照顺序取出。所以，存入优先队列里面的元素也必须需要实现Comparable接口。如果没有实现Comparable接口的话，我们需要提供一个Comparator对象来判断两个元素的顺序。

import java.util.Comparator;
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Queue;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<User> q = new PriorityQueue<>(new UserComparator());
        // 添加3个元素到队列:
        q.offer(new User("Bob", "A1"));
        q.offer(new User("Alice", "A2"));
        q.offer(new User("Boss", "V1"));
        System.out.println(q.poll()); // Boss/V1
        System.out.println(q.poll()); // Bob/A1
        System.out.println(q.poll()); // Alice/A2
        System.out.println(q.poll()); // null,因为队列为空
    }
}

class UserComparator implements Comparator<User> {
    public int compare(User u1, User u2) {
        if (u1.number.charAt(0) == u2.number.charAt(0)) {
            // 如果两人的号都是A开头或者都是V开头,比较号的大小:
            return u1.number.compareTo(u2.number);
        }
        if (u1.number.charAt(0) == 'V') {
            // u1的号码是V开头,优先级高:
            return -1;
        } else {
            return 1;
        }
    }
}

class User {
    public final String name;
    public final String number;

    public User(String name, String number) {
        this.name = name;
        this.number = number;
    }

    public String toString() {
        return name + "/" + number;
    }
}

上面的UserComparator的比较逻辑其实还是有问题的，它会把A10排在A2的前面

Deque (Double Ended Queue)

Java集合提供了接口Deque来实现一个双端队列，它的功能是：

• 既可以添加到队尾，也可以添加到队首；
• 既可以从队首获取，又可以从队尾获取。

我们来比较一下Queue和Deque出队和入队的方法：

	Queue	Deque
添加元素到队尾	add(E e) / offer(E e)	addLast(E e) / offerLast(E e)
取队首元素并删除	E remove() / E poll()	E removeFirst() / E pollFirst()
取队首元素但不删除	E element() / E peek()	E getFirst() / E peekFirst()
添加元素到队首	无	addFirst(E e) / offerFirst(E e)
取队尾元素并删除	无	E removeLast() / E pollLast()
取队尾元素但不删除	无	E getLast() / E peekLast()

// 不推荐的写法:
LinkedList<String> d1 = new LinkedList<>();
d1.offerLast("z");
// 推荐的写法：
Deque<String> d2 = new LinkedList<>();
d2.offerLast("z");

可见面向抽象编程的一个原则就是：尽量持有接口，而不是具体的实现类。

小结

Deque实现了一个双端队列（Double Ended Queue），它可以：

• 将元素添加到队尾或队首：addLast()/offerLast()/addFirst()/offerFirst()；
• 从队首／队尾获取元素并删除：removeFirst()/pollFirst()/removeLast()/pollLast()；
• 从队首／队尾获取元素但不删除：getFirst()/peekFirst()/getLast()/peekLast()；
• 总是调用xxxFirst()/xxxLast()以便与Queue的方法区分开；
• 避免把null添加到队列。

Stack

在Java中，我们用Deque可以实现Stack的功能：

• 把元素压栈：push(E)/addFirst(E)；
• 把栈顶的元素“弹出”：pop()/removeFirst()；
• 取栈顶元素但不弹出：peek()/peekFirst()

为什么Java的集合类没有单独的Stack接口呢？因为有个遗留类名字就叫Stack，出于兼容性考虑，所以没办法创建Stack接口，只能用Deque接口来“模拟”一个Stack了。

当我们把Deque作为Stack使用时，注意只调用push()/pop()/peek()方法，不要调用addFirst()/removeFirst()/peekFirst()方法，这样代码更加清晰。

Stack的作用

Stack在计算机中使用非常广泛，JVM在处理Java方法调用的时候就会通过栈这种数据结构维护方法调用的层次，例如

static void main(String[] args) {
    foo(123);
}

static String foo(x) {
    return "F-" + bar(x + 1);
}

static int bar(int x) {
    return x << 2;
}

JVM会创建方法调用栈，每调用一个方法时，先将参数压栈，然后执行对应的方法；当方法返回时，返回值压栈，调用方法通过出栈操作获得方法返回值。

因为方法调用栈有容量限制，嵌套调用过多会造成栈溢出，即引发StackOverflowError：

使用栈的思想来实现将10进制转化为16进制的功能

import java.util.Stack;

public class DecimalToHexadecimal {
    public static String decimalToHex(int decimal) {
        if (decimal == 0) {
            return "0"; // 十进制数为0时，直接返回"0"
        }

        Stack<Character> stack = new Stack<>();

        while (decimal > 0) {
            int remainder = decimal % 16;
            char hexDigit = getHexDigit(remainder);
            stack.push(hexDigit);
            decimal /= 16;
        }

        StringBuilder hexBuilder = new StringBuilder();
        while (!stack.isEmpty()) {
            hexBuilder.append(stack.pop());
        }

        return hexBuilder.toString();
    }

    private static char getHexDigit(int digit) {
        if (digit >= 0 && digit <= 9) {
            return (char) (digit + '0'); // 将数字转换为字符
        } else {
            return (char) (digit - 10 + 'A'); // 将数字转换为A~F之间的字符
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int decimalNumber = 255;
        String hexadecimalNumber = decimalToHex(decimalNumber);
        System.out.println("十进制数 " + decimalNumber + " 转换为十六进制数为 " + hexadecimalNumber);
    }
}

Iterator

java的集合类都可以使用for each循环，

List<String> list = List.of("Apple", "Orange", "Pear");
for (String s : list) {
    System.out.println(s);
}

实际上，Java编译器并不知道如何遍历List。上述代码能够编译通过，只是因为编译器把for each循环通过Iterator改写为了普通的for循环：

for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
     String s = it.next();
     System.out.println(s);
}

使用迭代器的好处在于，调用方总是以统一的方式遍历各种集合类型，而不必关心它们内部的存储结构。

例如，我们虽然知道ArrayList在内部是以数组形式存储元素，并且，它还提供了get(int)方法。虽然我们可以用for循环遍历：

for (int i=0; i<list.size(); i++) {
    Object value = list.get(i);
}

但是这样一来，调用方就必须知道集合的内部存储结构。并且，如果把ArrayList换成LinkedList，get(int)方法耗时会随着index的增加而增加。如果把ArrayList换成Set，上述代码就无法编译，因为Set内部没有索引。

用Iterator遍历就没有上述问题，因为Iterator对象是集合对象自己在内部创建的，它自己知道如何高效遍历内部的数据集合，调用方则获得了统一的代码，编译器才能把标准的for each循环自动转换为Iterator遍历。

如果我们自己编写了一个集合类，想要使用for each循环，只需满足以下条件：

• 集合类实现Iterable接口，该接口要求返回一个Iterator对象；
• 用Iterator对象迭代集合内部数据。

这里的关键在于，集合类通过调用iterator()方法，返回一个Iterator对象，这个对象必须自己知道如何遍历该集合。

一个简单的Iterator示例如下，它总是以倒序遍历集合：

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ReverseList<String> rlist = new ReverseList<>();
        rlist.add("Apple");
        rlist.add("Orange");
        rlist.add("Pear");
        for (String s : rlist) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

class ReverseList<T> implements Iterable<T> {

    private List<T> list = new ArrayList<>();

    public void add(T t) {
        list.add(t);
    }

    @Override
    public Iterator<T> iterator() {
        return new ReverseIterator(list.size());
    }

    class ReverseIterator implements Iterator<T> {
        int index;

        ReverseIterator(int index) {
            this.index = index;
        }

        @Override
        public boolean hasNext() {
            return index > 0;
        }

        @Override
        public T next() {
            index--;
            return ReverseList.this.list.get(index);
        }
    }
}

Collections类

位于java.util包中

它为集合类提供了很多静态的方法，方便我们操作各种集合

1.创建空集合:

• 创建空List：List<T> emptyList()
• 创建空Map：Map<K, V> emptyMap()
• 创建空Set：Set<T> emptySet()

要注意到返回的空集合是不可变集合，无法向其中添加或删除元素。

此外，也可以用各个集合接口提供的of(T...)方法创建空集合。例如，以下创建空List的两个方法是等价的：

List<String> list1 = List.of();
List<String> list2 = Collections.emptyList();

2.创建单元素集合:

Collections提供了一系列方法来创建一个单元素集合：

• 创建一个元素的List：List<T> singletonList(T o)
• 创建一个元素的Map：Map<K, V> singletonMap(K key, V value)
• 创建一个元素的Set：Set<T> singleton(T o)

要注意到返回的单元素集合也是不可变集合，无法向其中添加或删除元素。

此外，也可以用各个集合接口提供的of(T...)方法创建单元素集合。例如，以下创建单元素List的两个方法是等价的：

List<String> list1 = List.of("apple");
List<String> list2 = Collections.singletonList("apple");

实际上，使用List.of(T...)更方便，因为它既可以创建空集合，也可以创建单元素集合，还可以创建任意个元素的集合：

List<String> list1 = List.of(); // empty list
List<String> list2 = List.of("apple"); // 1 element
List<String> list3 = List.of("apple", "pear"); // 2 elements
List<String> list4 = List.of("apple", "pear", "orange"); // 3 elements

3.排序:

Collections可以对List进行排序。因为排序会直接修改List元素的位置，因此必须传入可变List：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple");
        list.add("pear");
        list.add("orange");
        // 排序前:
        System.out.println(list);
        Collections.sort(list);
        // 排序后:
        System.out.println(list);
    }
}

4.shuffle:

import java.util.*;


public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i=0; i<10; i++) {
            list.add(i);
        }
        // 洗牌前:
        System.out.println(list);
        Collections.shuffle(list);
        // 洗牌后:
        System.out.println(list);
    }
}

5.不可变集合

Collections还提供了一组方法把可变集合封装成不可变集合：

• 封装成不可变List：List<T> unmodifiableList(List<? extends T> list)
• 封装成不可变Set：Set<T> unmodifiableSet(Set<? extends T> set)
• 封装成不可变Map：Map<K, V> unmodifiableMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

这种封装实际上是通过创建一个代理对象，拦截掉所有修改方法实现的。我们来看看效果：

6.线程安全集合

Collections还提供了一组方法，可以把线程不安全的集合变为线程安全的集合：

• 变为线程安全的List：List<T> synchronizedList(List<T> list)
• 变为线程安全的Set：Set<T> synchronizedSet(Set<T> s)
• 变为线程安全的Map：Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m)

多线程的概念我们会在后面讲。因为从Java 5开始，引入了更高效的并发集合类，所以上述这几个同步方法已经没有什么用了。

IO

File object

import Java.io.*;

File f = new File(Absolute path/Relative Path);

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

This is can help to find the separator of the currect system.

File.separator

InputStream

InputStream就是Java标准库提供的最基本的输入流。它位于java.io这个包里。java.io包提供了所有同步IO的功能。

要特别注意的一点是，InputStream并不是一个接口，而是一个抽象类，它是所有输入流的超类。这个抽象类定义的一个最重要的方法就是int read()，签名如下：

public abstract int read() throws IOException;

这个方法会读取输入流的下一个字节，并返回字节表示的int值（0~255）。如果已读到末尾，返回-1表示不能继续读取了

FileInputStream是InputStream的一个子类。顾名思义，FileInputStream就是从文件流中读取数据。下面的代码演示了如何完整地读取一个FileInputStream的所有字节：

public void readFile() throws IOException {
    // 创建一个FileInputStream对象:
    InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt");
    for (;;) {
        int n = input.read(); // 反复调用read()方法，直到返回-1
        if (n == -1) {
            break;
        }
        System.out.println(n); // 打印byte的值
    }
    input.close(); // 关闭流
}

InputStream和OutputStream都是通过close()方法来关闭流。关闭流就会释放对应的底层资源。

我们还要注意到在读取或写入IO流的过程中，可能会发生错误，例如，文件不存在导致无法读取，没有写权限导致写入失败，等等，这些底层错误由Java虚拟机自动封装成IOException异常并抛出。因此，所有与IO操作相关的代码都必须正确处理IOException。

仔细观察上面的代码，会发现一个潜在的问题：如果读取过程中发生了IO错误，InputStream就没法正确地关闭，资源也就没法及时释放。

因此，我们需要用try ... finally来保证InputStream在无论是否发生IO错误的时候都能够正确地关闭：

只需要编写try语句，让编译器自动为我们关闭资源，Java7引入的新特性。推荐的写法如下：

public void readFile() throws IOException {
    try (InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt")) {
        int n;
        while ((n = input.read()) != -1) {
            System.out.println(n);
        }
    } // 编译器在此自动为我们写入finally并调用close()
}

实际上，编译器并不会特别地为InputStream加上自动关闭。编译器只看try(resource = ...)中的对象是否实现了java.lang.AutoCloseable接口，如果实现了，就自动加上finally语句并调用close()方法。InputStream和OutputStream都实现了这个接口，因此，都可以用在try(resource)中。

上段代码与以下代码等价:

public void readFile() throws IOException {
    InputStream input = null;
    try {
        input = new FileInputStream("src/readme.txt");
        int n;
        while ((n = input.read()) != -1) { // 利用while同时读取并判断
            System.out.println(n);
        }
    } finally {
        if (input != null) { input.close(); }
    }
}

缓冲

在InputStream中提供了两个重载的方法来支持读取多个字节。

• int read(byte[] b)：读取若干字节并填充到byte[]数组，返回读取的字节数
• int read(byte[] b, int off, int len)：指定byte[]数组的偏移量和最大填充数

利用上述方法一次读取多个字节时，需要先定义一个byte[]数组作为缓冲区，read()方法会尽可能多地读取字节到缓冲区， 但不会超过缓冲区的大小。read()方法的返回值不再是字节的int值，而是返回实际读取了多少个字节。如果返回-1，表示没有更多的数据了。

public void readFile() throws IOException {
    try (InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt")) {
        // 定义1000个字节大小的缓冲区:
        byte[] buffer = new byte[1000];
        int n;
        while ((n = input.read(buffer)) != -1) { // 读取到缓冲区
            System.out.println("read " + n + " bytes.");
        }
    }
}

阻塞

在调用InputStream的read()方法读取数据时，我们说read()方法是阻塞（Blocking）的。它的意思是，对于下面的代码：

int n;
n = input.read(); // 必须等待read()方法返回才能执行下一行代码
int m = n;

执行到第二行代码时，必须等read()方法返回后才能继续。因为读取IO流相比执行普通代码，速度会慢很多，因此，无法确定read()方法调用到底要花费多长时间。

InputStream实现类

用FileInputStream可以从文件获取输入流，这是InputStream常用的一个实现类。此外，ByteArrayInputStream可以在内存中模拟一个InputStream：

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        byte[] data = { 72, 101, 108, 108, 111, 33 };
        try (InputStream input = new ByteArrayInputStream(data)) {
            int n;
            while ((n = input.read()) != -1) {
                System.out.println((char)n);
            }
        }
    }
}

ByteArrayInputStream实际上是把一个byte[]数组在内存中变成一个InputStream，虽然实际应用不多，但测试的时候，可以用它来构造一个InputStream。

举个栗子：我们想从文件中读取所有字节，并转换成char然后拼成一个字符串，可以这么写：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String s;
        try (InputStream input = new FileInputStream("C:\\test\\README.txt")) {
            int n;
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while ((n = input.read()) != -1) {
                sb.append((char) n);
            }
            s = sb.toString();
        }
        System.out.println(s);
    }
}

OutputStream:

和InputStream类似，OutputStream也是抽象类，它是所有输出流的超类。这个抽象类定义的一个最重要的方法就是void write(int b)，签名如下：

public abstract void write(int b) throws IOException;

这个方法会写入一个字节到输出流。要注意的是，虽然传入的是int参数，但只会写入一个字节，即只写入int最低8位表示字节的部分（相当于b & 0xff）。

和InputStream类似，OutputStream也提供了close()方法关闭输出流，以便释放系统资源。要特别注意：OutputStream还提供了一个flush()方法，它的目的是将缓冲区的内容真正输出到目的地。

public void writeFile() throws IOException {
    OutputStream output = new FileOutputStream("out/readme.txt");
    output.write(72); // H
    output.write(101); // e
    output.write(108); // l
    output.write(108); // l
    output.write(111); // o
    output.close();
}

每次写入一个字节非常麻烦，更常见的方法是一次性写入若干字节。这时，可以用OutputStream提供的重载方法void write(byte[])来实现：

public void writeFile() throws IOException {
    OutputStream output = new FileOutputStream("out/readme.txt");
    output.write("Hello".getBytes("UTF-8")); // Hello
    output.close();
}

和InputStream一样，上述代码没有考虑到在发生异常的情况下如何正确地关闭资源。写入过程也会经常发生IO错误，例如，磁盘已满，无权限写入等等。我们需要用try(resource)来保证OutputStream在无论是否发生IO错误的时候都能够正确地关闭：

public void writeFile() throws IOException {
    try (OutputStream output = new FileOutputStream("out/readme.txt")) {
        output.write("Hello".getBytes("UTF-8")); // Hello
    } // 编译器在此自动为我们写入finally并调用close()
}

阻塞

和InputStream一样，OutputStream的write()方法也是阻塞的。

OutputStream实现类

用FileOutputStream可以从文件获取输出流，这是OutputStream常用的一个实现类。此外，ByteArrayOutputStream可以在内存中模拟一个OutputStream：

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        byte[] data;
        try (ByteArrayOutputStream output = new ByteArrayOutputStream()) {
            output.write("Hello ".getBytes("UTF-8"));
            output.write("world!".getBytes("UTF-8"));
            data = output.toByteArray();
        }
        System.out.println(new String(data, "UTF-8"));
    }
}

Filter模式

Java的IO标准库提供的InputStream根据来源可以包括：

• FileInputStream：从文件读取数据，是最终数据源；
• ServletInputStream：从HTTP请求读取数据，是最终数据源；
• Socket.getInputStream()：从TCP连接读取数据，是最终数据源；

如果我们要给FileInputStream添加缓冲功能，则可以从FileInputStream派生一个又一个的类：

比如BufferedFileInputStream，DigestFileInputStream和CipherFileInputStream类，但是这样做的话很可能会遇到子类爆炸的情况。

                          ┌─────────────────┐
                          │ FileInputStream │
                          └─────────────────┘
                                   ▲
             ┌───────────┬─────────┼─────────┬───────────┐
             │           │         │         │           │
┌───────────────────────┐│┌─────────────────┐│┌─────────────────────┐
│BufferedFileInputStream│││DigestInputStream│││CipherFileInputStream│
└───────────────────────┘│└─────────────────┘│└─────────────────────┘
                         │                   │
    ┌─────────────────────────────┐ ┌─────────────────────────────┐
    │BufferedDigestFileInputStream│ │BufferedCipherFileInputStream│
    └─────────────────────────────┘ └─────────────────────────────┘

为了解决这个问题，JDK首先将InputStream分为两大类：

一类是直接提供数据的基础InputStream，例如：

• FileInputStream
• ByteArrayInputStream
• ServletInputStream
• …

一类是提供额外附加功能的InputStream，例如：

• BufferedInputStream
• DigestInputStream
• CipherInputStream
• …

当我们需要给一个“基础”InputStream附加各种功能时，我们先确定这个能提供数据源的InputStream，因为我们需要的数据总得来自某个地方，例如，FileInputStream，数据来源自文件：

InputStream file = new FileInputStream("test.gz");

紧接着，我们希望FileInputStream能提供缓冲的功能来提高读取的效率，因此我们用BufferedInputStream包装这个InputStream，得到的包装类型是BufferedInputStream，但它仍然被视为一个InputStream：

InputStream buffered = new BufferedInputStream(file);

最后，假设该文件已经用gzip压缩了，我们希望直接读取解压缩的内容，就可以再包装一个GZIPInputStream：

InputStream gzip = new GZIPInputStream(buffered);

无论我们包装多少次，得到的对象始终是InputStream，我们直接用InputStream来引用它，就可以正常读取：

┌─────────────────────────┐
│GZIPInputStream          │
│┌───────────────────────┐│
││BufferedFileInputStream││
││┌─────────────────────┐││
│││   FileInputStream   │││
││└─────────────────────┘││
│└───────────────────────┘│
└─────────────────────────┘

上述这种通过一个“基础”组件再叠加各种“附加”功能组件的模式，称之为Filter模式（或者装饰器模式：Decorator）。它可以让我们通过少量的类来实现各种功能的组合：

                 ┌─────────────┐
                 │ InputStream │
                 └─────────────┘
                       ▲ ▲
┌────────────────────┐ │ │ ┌─────────────────┐
│  FileInputStream   │─┤ └─│FilterInputStream│
└────────────────────┘ │   └─────────────────┘
┌────────────────────┐ │     ▲ ┌───────────────────┐
│ByteArrayInputStream│─┤     ├─│BufferedInputStream│
└────────────────────┘ │     │ └───────────────────┘
┌────────────────────┐ │     │ ┌───────────────────┐
│ ServletInputStream │─┘     ├─│  DataInputStream  │
└────────────────────┘       │ └───────────────────┘
                             │ ┌───────────────────┐
                             └─│CheckedInputStream │
                               └───────────────────┘

类似的，OutputStream也是以这种模式来提供各种功能：

                  ┌─────────────┐
                  │OutputStream │
                  └─────────────┘
                        ▲ ▲
┌─────────────────────┐ │ │ ┌──────────────────┐
│  FileOutputStream   │─┤ └─│FilterOutputStream│
└─────────────────────┘ │   └──────────────────┘
┌─────────────────────┐ │     ▲ ┌────────────────────┐
│ByteArrayOutputStream│─┤     ├─│BufferedOutputStream│
└─────────────────────┘ │     │ └────────────────────┘
┌─────────────────────┐ │     │ ┌────────────────────┐
│ ServletOutputStream │─┘     ├─│  DataOutputStream  │
└─────────────────────┘       │ └────────────────────┘
                              │ ┌────────────────────┐
                              └─│CheckedOutputStream │
                                └────────────────────┘

操作Zip

ZipInputStream是一种FilterInputStream，它可以直接读取zip包的内容：

┌───────────────────┐
│    InputStream    │
└───────────────────┘
          ▲
          │
┌───────────────────┐
│ FilterInputStream │
└───────────────────┘
          ▲
          │
┌───────────────────┐
│InflaterInputStream│
└───────────────────┘
          ▲
          │
┌───────────────────┐
│  ZipInputStream   │
└───────────────────┘
          ▲
          │
┌───────────────────┐
│  JarInputStream   │
└───────────────────┘

另一个JarInputStream是从ZipInputStream派生，它增加的主要功能是直接读取jar文件里面的MANIFEST.MF文件。因为本质上jar包就是zip包，只是额外附加了一些固定的描述文件。

读取zip包

我们要创建一个ZipInputStream，通常是传入一个FileInputStream作为数据源，然后，循环调用getNextEntry()，直到返回null，表示zip流结束。

一个ZipEntry表示一个压缩文件或目录，如果是压缩文件，我们就用read()方法不断读取，直到返回-1：

try (ZipInputStream zip = new ZipInputStream(new FileInputStream(...))) {
    ZipEntry entry = null;
    while ((entry = zip.getNextEntry()) != null) {
        String name = entry.getName();
        if (!entry.isDirectory()) { //判断当前的entry不是目录而是zip文件就可以开始读了
            int n;
            while ((n = zip.read()) != -1) {
                ...
            }
        }
    }
}

写入zip包

使用了ZipOutputStream，是一种FilterOutputStream，它可以直接写入内容到zip包。

我们要先创建一个ZipOutputStream，通常是包装一个FileOutputStream，然后，每写入一个文件前，先调用putNextEntry()，然后用write()写入byte[]数据，写入完毕后调用closeEntry()结束这个文件的打包。

try (ZipOutputStream zip = new ZipOutputStream(new FileOutputStream(...))) {
    File[] files = ...
    for (File file : files) {
        zip.putNextEntry(new ZipEntry(file.getName()));
        zip.write(Files.readAllBytes(file.toPath()));
        zip.closeEntry();
    }
}

读取classpath资源

我们知道，Java存放.class的目录或jar包也可以包含任意其他类型的文件，例如：

• 配置文件，例如.properties；
• 图片文件，例如.jpg；
• 文本文件，例如.txt，.csv；

从classpath读取文件就可以避免不同环境下文件路径不一致的问题：如果我们把default.properties文件放到classpath中，就不用关心它的实际存放路径。

在classpath中的资源文件，路径总是以／开头，我们先获取当前的Class对象，然后调用getResourceAsStream()就可以直接从classpath读取任意的资源文件：

调用getResourceAsStream()需要特别注意的一点是，如果资源文件不存在，它将返回null。因此，我们需要检查返回的InputStream是否为null，如果为null，表示资源文件在classpath中没有找到：

try (InputStream input = getClass().getResourceAsStream("/default.properties")) {
    if (input != null) {
        // TODO:
    }
}

如果我们把默认的配置放到jar包中，再从外部文件系统读取一个可选的配置文件，就可以做到既有默认的配置文件，又可以让用户自己修改配置：

Properties props = new Properties();
props.load(inputStreamFromClassPath("/default.properties"));
props.load(inputStreamFromFile("./conf.properties"));

类路径（Classpath）是用于指定在 Java 应用程序中查找类和资源文件的路径。它是一组目录和 JAR 文件的集合，这些文件包含了编译后的 Java 类文件和其他资源文件。

Cautious

把资源存储在classpath中可以避免文件路径依赖；

Class对象的getResourceAsStream()可以从classpath中读取指定资源；

根据classpath读取资源时，需要检查返回的InputStream是否为null。

序列化

序列化是指把一个java对变成二进制内容，本质上就是一个byte[]数组。

为什么要把Java对象序列化呢？因为序列化后可以把byte[]保存到文件中，或者把byte[]通过网络传输到远程，这样，就相当于把Java对象存储到文件或者通过网络传输出去了。

一个Java对象要能序列化，必须实现一个特殊的java.io.Serializable接口，它的定义如下：

public interface Serializable {
}

Serializable接口没有定义任何方法，它是一个空接口。我们把这样的空接口称为“标记接口”（Marker Interface），实现了标记接口的类仅仅是给自身贴了个“标记”，并没有增加任何方法。

序列化的例子

在这里我们需要用到ObjectOutputStream，它负责将一个java对象写入一个字节流。

import java.io.*;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ByteArrayOutputStream buffer = new ByteArrayOutputStream();
        try (ObjectOutputStream output = new ObjectOutputStream(buffer)) {
            // 写入int:
            output.writeInt(12345);
            // 写入String:
            output.writeUTF("Hello");
            // 写入Object:
            output.writeObject(Double.valueOf(123.456));
        }
        System.out.println(Arrays.toString(buffer.toByteArray()));
    }
}

ObjectOutputStream既可以写入基本类型，如int，boolean，也可以写入String（以UTF-8编码），还可以写入实现了Serializable接口的Object。

因为写入Object时需要大量的类型信息，所以写入的内容很大。

反序列化例子

和ObjectOutputStream相反，ObjectInputStream负责从一个字节流读取Java对象：

try (ObjectInputStream input = new ObjectInputStream(...)) {
    int n = input.readInt();
    String s = input.readUTF();
    Double d = (Double) input.readObject();
}

除了能读取基本类型和String类型外，调用readObject()可以直接返回一个Object对象。要把它变成一个特定类型，必须强制转型。

readObject()可能抛出的异常有：

• ClassNotFoundException：没有找到对应的Class；
• InvalidClassException：Class不匹配。

对于ClassNotFoundException，这种情况常见于一台电脑上的Java程序把一个Java对象，例如，Person对象序列化以后，通过网络传给另一台电脑上的另一个Java程序，但是这台电脑的Java程序并没有定义Person类，所以无法反序列化。

对于InvalidClassException，这种情况常见于序列化的Person对象定义了一个int类型的age字段，但是反序列化时，Person类定义的age字段被改成了long类型，所以导致class不兼容。

为了解决这两个bug

Java的序列化允许class定义一个特殊的serialVersionUID静态变量，用于标识Java类的序列化“版本”，通常可以由IDE自动生成。如果增加或修改了字段，可以改变serialVersionUID的值，这样就能自动阻止不匹配的class版本：

public class Person implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 2709425275741743919L;
}

反序列化时，由JVM直接构造出Java对象，不调用构造方法，构造方法内部的代码，在反序列化时根本不可能执行。

小结

可序列化的Java对象必须实现java.io.Serializable接口，类似Serializable这样的空接口被称为“标记接口”（Marker Interface）；

反序列化时不调用构造方法，可设置serialVersionUID作为版本号（非必需）；

Java的序列化机制仅适用于Java，如果需要与其它语言交换数据，必须使用通用的序列化方法，例如JSON。

Reader/Writer

Reader

这两个是java的IO库中提供的另外两个输入输出流接口，和InputStream的区别是，InputStream是一个字节流，以byte为单位读取，而Reader是一个字符流，即以char为单位读取。

InputStream	Reader
字节流，以byte为单位	字符流，以char为单位
读取字节（-1，0~255）：int read()	读取字符（-1，0~65535）：int read()
读到字节数组：int read(byte[] b)	读到字符数组：int read(char[] c)

java.io.Reader是所有字符输入流的超类，它最主要的方法是：

public int read() throws IOException;

public void readFile() throws IOException {
    // 创建一个FileReader对象:
    Reader reader = new FileReader("src/readme.txt"); // 字符编码是???
    for (;;) {
        int n = reader.read(); // 反复调用read()方法，直到返回-1
        if (n == -1) {
            break;
        }
        System.out.println((char)n); // 打印char
    }
    reader.close(); // 关闭流
}

如果我们读取一个纯ASCII编码的文本文件，上述代码工作是没有问题的。但如果文件中包含中文，就会出现乱码，因为FileReader默认的编码与系统相关，例如，Windows系统的默认编码可能是GBK，打开一个UTF-8编码的文本文件就会出现乱码。

要避免乱码问题，我们需要在创建FileReader时指定编码：

Reader reader = new FileReader("src/readme.txt", StandardCharsets.UTF_8);

和InputStream类似，Reader也是一种资源，需要保证出错的时候也能正确关闭，所以我们需要用try (resource)来保证Reader在无论有没有IO错误的时候都能够正确地关闭：

try (Reader reader = new FileReader("src/readme.txt", StandardCharsets.UTF_8) {
    // TODO
}

Reader还提供了一次性读取若干字符并填充到char[]数组的方法：

public int read(char[] c) throws IOException

它返回实际读入的字符个数，最大不超过char[]数组的长度。返回-1表示流结束。

利用这个方法，我们可以先设置一个缓冲区，然后，每次尽可能地填充缓冲区：

public void readFile() throws IOException {
    try (Reader reader = new FileReader("src/readme.txt", StandardCharsets.UTF_8)) {
        char[] buffer = new char[1000];
        int n;
        while ((n = reader.read(buffer)) != -1) {
            System.out.println("read " + n + " chars.");
        }
    }
}

CharArrayReader

CharArrayReader可以在内存中模拟一个Reader，它的作用实际上是把一个char[]数组变成一个Reader，这和ByteArrayInputStream非常类似：

try (Reader reader = new CharArrayReader("Hello".toCharArray())) {
}

StringReader

StringReader可以直接把String作为数据源，它和CharArrayReader几乎一样：

try (Reader reader = new StringReader("Hello")) {
}

InputStreamReader

Reader和InputStream有什么关系？

除了特殊的CharArrayReader和StringReader，普通的Reader实际上是基于InputStream构造的，因为Reader需要从InputStream中读入字节流（byte），然后，根据编码设置，再转换为char就可以实现字符流。如果我们查看FileReader的源码，它在内部实际上持有一个FileInputStream。

既然Reader本质上是一个基于InputStream的byte到char的转换器，那么，如果我们已经有一个InputStream，想把它转换为Reader，是完全可行的。InputStreamReader就是这样一个转换器，它可以把任何InputStream转换为Reader。示例代码如下：

// 持有InputStream:
InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt");
// 变换为Reader:
Reader reader = new InputStreamReader(input, "UTF-8");

构造InputStreamReader时，我们需要传入InputStream，还需要指定编码，就可以得到一个Reader对象。上述代码可以通过try (resource)更简洁地改写如下：

try (Reader reader = new InputStreamReader(new FileInputStream("src/readme.txt"), "UTF-8")) {
    // TODO:
}

上述代码实际上就是FileReader的一种实现方式。

使用try (resource)结构时，当我们关闭Reader时，它会在内部自动调用InputStream的close()方法，所以，只需要关闭最外层的Reader对象即可。

使用InputStreamReader，可以把一个InputStream转换成一个Reader。

小结

Reader定义了所有字符输入流的超类：

• FileReader实现了文件字符流输入，使用时需要指定编码；
• CharArrayReader和StringReader可以在内存中模拟一个字符流输入。

Reader是基于InputStream构造的：可以通过InputStreamReader在指定编码的同时将任何InputStream转换为Reader。

总是使用try (resource)保证Reader正确关闭。

Writer

OutputStream	Writer
字节流，以byte为单位	字符流，以char为单位
写入字节（0~255）：void write(int b)	写入字符（0~65535）：void write(int c)
写入字节数组：void write(byte[] b)	写入字符数组：void write(char[] c)
无对应方法	写入String：void write(String s)

Writer是所有字符输出流的超类，它提供的方法主要有：

• 写入一个字符（0~65535）：void write(int c)；
• 写入字符数组的所有字符：void write(char[] c)；
• 写入String表示的所有字符：void write(String s)。

FileWriter

FileWriter就是向文件中写入字符流的Writer。它的使用方法和FileReader类似：

try (Writer writer = new FileWriter("readme.txt", StandardCharsets.UTF_8)) {
    writer.write('H'); // 写入单个字符
    writer.write("Hello".toCharArray()); // 写入char[]
    writer.write("Hello"); // 写入String
}

CharArrayWriter

CharArrayWriter可以在内存中创建一个Writer，它的作用实际上是构造一个缓冲区，可以写入char，最后得到写入的char[]数组，这和ByteArrayOutputStream非常类似：

try (CharArrayWriter writer = new CharArrayWriter()) {
    writer.write(65);
    writer.write(66);
    writer.write(67);
    char[] data = writer.toCharArray(); // { 'A', 'B', 'C' }
}

StringWriter

StringWriter也是一个基于内存的Writer，它和CharArrayWriter类似。实际上，StringWriter在内部维护了一个StringBuffer，并对外提供了Writer接口。

OutputStreamWriter

除了CharArrayWriter和StringWriter外，普通的Writer实际上是基于OutputStream构造的，它接收char，然后在内部自动转换成一个或多个byte，并写入OutputStream。因此，OutputStreamWriter就是一个将任意的OutputStream转换为Writer的转换器：

try (Writer writer = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("readme.txt"), "UTF-8")) {
    // TODO:
}

上述代码实际上就是FileWriter的一种实现方式。这和上一节的InputStreamReader是一样的。

小结

Writer定义了所有字符输出流的超类：

• FileWriter实现了文件字符流输出；
• CharArrayWriter和StringWriter在内存中模拟一个字符流输出。

使用try (resource)保证Writer正确关闭。

Writer是基于OutputStream构造的，可以通过OutputStreamWriter将OutputStream转换为Writer，转换时需要指定编码。

PrintStream/PrintWriter

PrintStream是一种FilterOutputStream，它在OutputStream的接口上，额外提供了一些写入各种数据类型的方法：

• 写入int：print(int)
• 写入boolean：print(boolean)
• 写入String：print(String)
• 写入Object：print(Object)，实际上相当于print(object.toString())

PrintWriter

PrintStream最终输出的总是byte数据，而PrintWriter则是扩展了Writer接口，它的print()/println()方法最终输出的是char数据。两者的使用方法几乎是一模一样的：

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args)     {
        StringWriter buffer = new StringWriter();
        try (PrintWriter pw = new PrintWriter(buffer)) {
            pw.println("Hello");
            pw.println(12345);
            pw.println(true);
        }
        System.out.println(buffer.toString());
    }
}

小结

PrintStream是一种能接收各种数据类型的输出，打印数据时比较方便：

• System.out是标准输出；
• System.err是标准错误输出。

PrintWriter是基于Writer的输出。

Files

从Java 7开始，提供了Files这个工具类，能极大地方便我们读写文件。

虽然Files是java.nio包里面的类，但他俩封装了很多读写文件的简单方法，例如，我们要把一个文件的全部内容读取为一个byte[]，可以这么写：

byte[] data = Files.readAllBytes(Path.of("/path/to/file.txt"));

如果是文本文件，可以把一个文件的全部内容读取为String：

// 默认使用UTF-8编码读取:
String content1 = Files.readString(Path.of("/path/to/file.txt"));
// 可指定编码:
String content2 = Files.readString(Path.of("/path", "to", "file.txt"), StandardCharsets.ISO_8859_1);
// 按行读取并返回每行内容:
List<String> lines = Files.readAllLines(Path.of("/path/to/file.txt"));

写入文件也非常方便：

// 写入二进制文件:
byte[] data = ...
Files.write(Path.of("/path/to/file.txt"), data);
// 写入文本并指定编码:
Files.writeString(Path.of("/path/to/file.txt"), "文本内容...", StandardCharsets.ISO_8859_1);
// 按行写入文本:
List<String> lines = ...
Files.write(Path.of("/path/to/file.txt"), lines);

此外，Files工具类还有copy()、delete()、exists()、move()等快捷方法操作文件和目录。

最后需要特别注意的是，Files提供的读写方法，受内存限制，只能读写小文件，例如配置文件等，不可一次读入几个G的大文件。读写大型文件仍然要使用文件流，每次只读写一部分文件内容。

反射

class类

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）

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Random
├───────────────────────────┤
│name = "java.util.Random"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Runnable
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.Runnable"│

一个Class实例包含了该class的所有完整信息：

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
├───────────────────────────┤
│package = "java.lang"      │
├───────────────────────────┤
│super = "java.lang.Object" │
├───────────────────────────┤
│interface = CharSequence...│
├───────────────────────────┤
│field = value[],hash,...   │
├───────────────────────────┤
│method = indexOf()...      │
└───────────────────────────┘

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）。

获取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。可以用==比较两个Class实例：

Class cls1 = String.class;

String s = "Hello";
Class cls2 = s.getClass();

boolean sameClass = cls1 == cls2; // true

注意一下Class实例比较和instanceof的差别：

Integer n = new Integer(123);

boolean b1 = n instanceof Integer; // true，因为n是Integer类型
boolean b2 = n instanceof Number; // true，因为n是Number类型的子类

boolean b3 = n.getClass() == Integer.class; // true，因为n.getClass()返回Integer.class
boolean b4 = n.getClass() == Number.class; // false，因为Integer.class!=Number.class

获得反射后的Class实例中的信息，如下:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        printClassInfo("".getClass());//String,使用对象调取Class话需要用到.getClass()方法
        printClassInfo(Runnable.class);//Runnable interface
        printClassInfo(java.time.Month.class);//Month
        printClassInfo(String[].class);//String[]
        printClassInfo(int.class);//int
    }
		static void printClassInfo(Class cls) {
    System.out.println("Class name: " + cls.getName());
    System.out.println("Simple name: " + cls.getSimpleName());
    if (cls.getPackage() != null) {
        System.out.println("Package name: " + cls.getPackage().getName());
    }
    System.out.println("is interface: " + cls.isInterface());
    System.out.println("is enum: " + cls.isEnum());
    System.out.println("is array: " + cls.isArray());
    System.out.println("is primitive: " + cls.isPrimitive());
	}
}

// 获取String的Class实例:
Class cls = String.class;
// 创建一个String实例:
String s = (String) cls.newInstance();
//等同于
String s = new String();

String s = (String) cls.newInstance();这样创建类实例的局限是只能调用public的无参构造方法。

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。

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

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）

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class stdClass = Student.class;
        // 获取public字段"score":
        System.out.println(stdClass.getField("score"));
        // 获取继承的public字段"name":
        System.out.println(stdClass.getField("name"));
        // 获取private字段"grade":
        System.out.println(stdClass.getDeclaredField("grade"));
    }
}

class Student extends Person {
    public int score;
    private int grade;
}

class Person {
    public String name;
}

print out: org.example is the package name where this class is.

public int org.example.Student.score
public java.lang.String org.example.Person.name
private int org.example.Student.grade

Field对象

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。

Field f = String.class.getDeclaredField("value");
f.getName(); // "value"
f.getType(); // class [B 表示byte[]类型
int m = f.getModifiers();
Modifier.isFinal(m); // true
Modifier.isPublic(m); // false
Modifier.isProtected(m); // false
Modifier.isPrivate(m); // true
Modifier.isStatic(m); // false

下面这段代码可以先拿到name字段的field,再获取这个实例的name字段的值。

import java.lang.reflect.Field;

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object p = new Person("Xiao Ming");
        Class c = p.getClass();
        Field f = c.getDeclaredField("name");
        Object value = f.get(p);
        System.out.println(value); // "Xiao Ming"
    }
}

class Person {
    private String name;

    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
}

述代码先获取Class实例，再获取Field实例，然后，用Field.get(Object)获取指定实例的指定字段的值。

运行代码，如果不出意外，会得到一个bugIllegalAccessException，这是因为name被定义为一个private字段，正常情况下，Main类无法访问Person类的private字段。要修复错误，可以将private改为public，或者，在调用Object value = f.get(p);前，先写一句：

f.setAccessible(true);

调用Field.setAccessible(true)的意思是，别管这个字段是不是public，一律允许访问。

调用方法

调用构造方法

获取继承关系

动态代理

注解

范型

多线程multi-thread

基础

线程：在计算机中，我们把一个任务称为一个进程，浏览器就是一个进程，视频播放器是另一个进程

进程：某些进程内部还需要同时执行多个子任务。例如，我们在使用Word时，Word可以让我们一边打字，一边进行拼写检查，同时还可以在后台进行打印，我们把子任务称为线程。

进程和线程的关系就是：一个进程可以包含一个或多个线程，但至少会有一个线程。

操作系统调度的最小任务单位是线程。常用的Windows、Linux等操作系统都采用抢占式多任务，如何调度线程完全由操作系统决定，程序自己不能决定什么时候执行，以及执行多长时间。

同一个应用程序，既可以有多个进程，也可以有多个线程，因此，实现多任务的方法，有以下几种：

1. 多进程模式（每个进程只有一个线程）

2. 多线程模式（一个进程有多个线程）

3. 多进程加多线程（多个进程，且每个进程里面可能有多个线程）

进程和线程是包含关系，但是多任务既可以由多进程实现，也可以由单进程内的多线程实现，还可以混合多进程＋多线程。

和多线程相比，多进程的缺点在于：

• 创建进程比创建线程开销大，尤其是在Windows系统上；
• 进程间通信比线程间通信要慢，因为线程间通信就是读写同一个变量，速度很快。

而多进程的优点在于：

多进程稳定性比多线程高，因为在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

多线程

Java语言内置了多线程支持：一个Java程序实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来执行main()方法，在main()方法内部，我们又可以启动多个线程。此外，JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。

因此，对于大多数Java程序来说，我们说多任务，实际上是说如何使用多线程实现多任务。

和单线程相比，多线程编程的特点在于：多线程经常需要读写共享数据，并且需要同步。例如，播放电影时，就必须由一个线程播放视频，另一个线程播放音频，两个线程需要协调运行，否则画面和声音就不同步。因此，多线程编程的复杂度高，调试更困难。

Java多线程编程的特点又在于：

• 多线程模型是Java程序最基本的并发模型；
• 后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

因此，必须掌握Java多线程编程才能继续深入学习其他内容。

创建新线程

Java语言内置了多线程支持。当Java程序启动的时候，实际上是启动了一个JVM进程，然后，JVM启动主线程来执行main()方法。在main()方法中，我们又可以启动其他线程。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

让线程执行指定代码

方法一：从Thread派生一个自定义类，然后覆写run()方法：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

方法二：创建Thread实例时，传入一个Runnable实例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

等同于

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("start new thread!");
        });
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start...");
        Thread t = new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println("thread run...");
                System.out.println("thread end.");
            }
        };
        t.start();
        System.out.println("main end...");
    }
}

我们看线程的执行顺序：

1. main线程肯定是先打印main start，再打印main end；
2. t线程肯定是先打印thread run，再打印thread end。

但是，除了可以肯定，main start会先打印外，main end打印在thread run之前、thread end之后或者之间，都无法确定。因为从t线程开始运行以后，两个线程就开始同时运行了，并且由操作系统调度，程序本身无法确定线程的调度顺序。

模拟并发的效果，调用thread.sleep(),

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start...");
        Thread t = new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println("thread run...");
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println("thread end.");
            }
        };
        t.start();
        try {
            Thread.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {}
        System.out.println("main end...");
    }
}

sleep()传入的参数是毫秒。调整暂停时间的大小，我们可以看到main线程和t线程执行的先后顺序。

要特别注意：直接调用Thread实例的run()方法是无效的：

直接调用run()方法，相当于调用了一个普通的Java方法，当前线程并没有任何改变，也不会启动新线程。上述代码实际上是在main()方法内部又调用了run()方法，打印hello语句是在main线程中执行的，没有任何新线程被创建。

必须调用Thread实例的start()方法才能启动新线程，如果我们查看Thread类的源代码，会看到start()方法内部调用了一个private native void start0()方法，native修饰符表示这个方法是由JVM虚拟机内部的C代码实现的，不是由Java代码实现的。

可以对线程设定优先级，设定优先级的方法是：

Thread.setPriority(int n) // 1~10, 默认值5

JVM自动把1（低）~10（高）的优先级映射到操作系统实际优先级上（不同操作系统有不同的优先级数量）。优先级高的线程被操作系统调度的优先级较高，操作系统对高优先级线程可能调度更频繁，但我们决不能通过设置优先级来确保高优先级的线程一定会先执行。

线程的状态

在Java程序中，一个线程对象只能调用一次start()方法启动新线程，并在新线程中执行run()方法。一旦run()方法执行完毕，线程就结束了。因此，Java线程的状态有以下几种：

• New：新创建的线程，尚未执行；
• Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
• Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
• Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
• Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
• Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

用一个状态转移图表示如下：

         ┌─────────────┐
         │     New     │
         └─────────────┘
                │
                ▼
┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
│┌─────────────┐ ┌─────────────┐│
││  Runnable   │ │   Blocked   ││
│└─────────────┘ └─────────────┘│
│┌─────────────┐ ┌─────────────┐│
││   Waiting   │ │Timed Waiting││
│└─────────────┘ └─────────────┘│
 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │ Terminated  │
         └─────────────┘

当线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止。

线程终止的原因有：

• 线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
• 线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
• 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）。

Join()

一个线程还可以等待另一个线程直到其运行结束。例如，main线程在启动t线程后，可以通过t.join()等待t线程结束后再继续运行：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start();
        t.join();
        System.out.println("end");
    }
}

中断线程

中断一个线程非常简单，只需要在其他线程中对目标线程调用interrupt()方法，目标线程需要反复检测自身状态是否是interrupted状态，如果是，就立刻结束运行。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1); // 暂停1毫秒
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (! isInterrupted()) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
    }
}

仔细看上述代码，main线程通过调用t.interrupt()方法中断t线程，但是要注意，interrupt()方法仅仅向t线程发出了“中断请求”，至于t线程是否能立刻响应，要看具体代码。而t线程的while循环会检测isInterrupted()，所以上述代码能正确响应interrupt()请求，使得自身立刻结束运行run()方法。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        Thread hello = new HelloThread();
        hello.start(); // 启动hello线程
        try {
            hello.join(); // 等待hello线程结束
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("interrupted!");
        }
        hello.interrupt();
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (!isInterrupted()) {
            n++;
            System.out.println(n + " hello!");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

main线程通过调用t.interrupt()从而通知t线程中断，而此时t线程正位于hello.join()的等待中，此方法会立刻结束等待并抛出InterruptedException。由于我们在t线程中捕获了InterruptedException，因此，就可以准备结束该线程。在t线程结束前，对hello线程也进行了interrupt()调用通知其中断。如果去掉这一行代码，可以发现hello线程仍然会继续运行，且JVM不会退出。

public class Main {
    public static void main(String[] args)  throws InterruptedException {
        HelloThread t = new HelloThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1);
        t.running = false; // 标志位置为false
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public volatile boolean running = true;
    public void run() {
        int n = 0;
        while (running) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
        System.out.println("end!");
    }
}

另一个常用的中断线程的方法是设置标志位。我们通常会用一个running标志位来标识线程是否应该继续运行，在外部线程中，通过把HelloThread.running置为false，就可以让线程结束

注意到HelloThread的标志位boolean running是一个线程间共享的变量。线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保每个线程都能读取到更新后的变量值。

为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明？这涉及到Java的内存模型。在Java虚拟机中，变量的值保存在主内存中，但是，当线程访问变量时，它会先获取一个副本，并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值，虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存，但是，这个时间是不确定的！

┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
│           Main Memory
│                               │
│  ┌───────┐┌───────┐┌───────┐
│  │ var A ││ var B ││ var C │  │
│  └───────┘└───────┘└───────┘
│     │ ▲               │ ▲     │
 ─ ─ ─│─│─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─│─│─ ─ ─
      │ │               │ │
┌ ─ ─ ┼ ┼ ─ ─ ┐   ┌ ─ ─ ┼ ┼ ─ ─ ┐
      ▼ │               ▼ │
│  ┌───────┐  │   │  ┌───────┐  │
   │ var A │         │ var C │
│  └───────┘  │   │  └───────┘  │
   Thread 1          Thread 2
└ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘   └ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘

volatile关键字的目的是告诉虚拟机：

• 每次访问变量时，总是获取主内存的最新值；
• 每次修改变量后，立刻回写到主内存

volatile关键字解决的是可见性问题：当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程能够立刻看到修改后的值。

如果我们去掉volatile关键字，运行上述程序，发现效果和带volatile差不多，这是因为在x86的架构下，JVM回写主内存的速度非常快，但是，换成ARM的架构，就会有显著的延迟。

Daemon Thread

有一种线程的目的就是无限循环，例如，一个定时触发任务的线程：

class TimerThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println(LocalTime.now());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

对于这类线程，我们可以使用守护线程来结束他们

在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。因此，JVM退出时，不必关心守护线程是否已结束。

如何创建守护线程呢？方法和普通线程一样，只是在调用start()方法前，调用setDaemon(true)把该线程标记为守护线程：

Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();

Synchronized

如果多个线程同时读写共享变量，会出现数据不一致的问题。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread add = new AddThread();
        Thread dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);
    }
}

	class Counter {
   	 public static int count = 0;
	}

	class AddThread extends Thread {
    	public void run() {
        	for (int i=0; i<10000; i++) { Counter.count += 1; }
    	}
	}

	class DecThread extends Thread {
   	 public void run() {
     	   for (int i=0; i<10000; i++) { Counter.count -= 1; }
    	}
}

上面的代码每一次结果都可能不同因为没有保证代码执行的原子性

可见，保证一段代码的原子性就是通过加锁和解锁实现的。Java程序使用synchronized关键字对一个对象进行加锁：

synchronized(lock) {
    n = n + 1;
}

下面是使用synchoronized的一个例子，

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        var add = new AddThread();
        var dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);
    }
}

class Counter {
    public static final Object lock = new Object();
    public static int count = 0;
}

class AddThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.count += 1;
            }
        }
    }
}

class DecThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.count -= 1;
            }
        }
    }
}

synchronized(Counter.lock) { // 获取锁
    ...
} // 释放锁

这里表示使用Counter.lock这个实例作为锁，两个线程在执行各自的代码块的时候需要先获得锁，才能进行代码块执行代码，执行结束后，在sychronized修饰的代码块之后，会自动释放这个锁的资源。这样一来，对Counter.count变量进行读写就不可能同时进行。

注意不要错误的使用锁，比如对应该执行原子操作的变量使用两个锁去上锁，这样做是没用的；还有一种情况是对可以同步进行的数据进行上锁。

有些不需要synchronized的操作

• 基本类型（long和double除外）赋值，例如：int n = m；
• 引用类型赋值，例如：List<String> list = anotherList
• 对不可变对象的读写

Sychronized Methods

让线程选择锁的对象，不如在定义对象的时候就将sychronized封装起来。例如以下的一个计数器

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }

    public void dec(int n) {
        synchronized(this) {
            count -= n;
        }
    }

    public int get() {
        return count;
    }
}

这样一来，线程调用add()、dec()方法时，它不必关心同步逻辑，因为synchronized代码块在add()、dec()方法内部。并且，我们注意到，synchronized锁住的对象是this，即当前实例，这又使得创建多个Counter实例的时候，它们之间互不影响，可以并发执行：

如果一个类被设计为允许多线程正确访问，我们就说这个类就是“线程安全”的（thread-safe），上面的Counter类就是线程安全的。Java标准库的java.lang.StringBuffer也是线程安全的。

还有一些不变类，例如String，Integer，LocalDate，它们的所有成员变量都是final，多线程同时访问时只能读不能写，这些不变类也是线程安全的。

public void add(int n) {
    synchronized(this) { // 锁住this
        count += n;
    } // 解锁
}
等价于
public synchronized void add(int n) { // 锁住this
    count += n;
} // 解锁

因此，用synchronized修饰的方法就是同步方法，它表示整个方法都必须用this实例加锁。

对于static方法，是没有this实例的，因为static方法是针对类而不是实例。但是我们注意到任何一个类都有一个由JVM自动创建的Class实例，因此，对static方法添加synchronized，锁住的是该类的Class实例。

public class Counter {
public synchronized static void test(int n) {
    ...
			}
}
等同于
  
public class Counter {
    public static void test(int n) {
        synchronized(Counter.class) {
            ...
        }
    }
}

Deadlock

JVM允许同一个线程重复获取同一个锁，这种能被同一个线程反复获取的锁，就叫做可重入锁。

由于Java的线程锁是可重入锁，所以，获取锁的时候，不但要判断是否是第一次获取，还要记录这是第几次获取。每获取一次锁，记录+1，每退出synchronized块，记录-1，减到0的时候，才会真正释放锁。

死锁：两个线程各自持有不同的锁，然后各自试图获取对方手里的锁，造成了双方无限等待下去，这就是死锁。

死锁发生后，没有任何机制能解除死锁，只能强制结束JVM进程。

那么我们应该如何避免死锁呢？答案是：线程获取锁的顺序要一致。即严格按照先获取lockA，再获取lockB的顺序

Wait and notify

在Java程序中，synchronized解决了多线程竞争的问题。例如，对于一个任务管理器，多个线程同时往队列中添加任务，可以用synchronized加锁：

class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
    }

    public synchronized String getTask() {
        while (queue.isEmpty()) {
        }
        return queue.remove();
    }
}

Wrong!

When you are in the while loop, you lock ‘this’, and you can not invoke addTask

so add this.wait() in getTask() method.

public synchronized String getTask() {
    while (queue.isEmpty()) {
        // 释放this锁:
        this.wait();
        // 重新获取this锁
    }
    return queue.remove();
}

这里的关键是：wait()方法必须在当前获取的锁对象上调用，这里获取的是this锁，因此调用this.wait()

而且必须在sychronized块中才能调用wait()方法。wait()方法调用时会释放线程获得的锁。在wait()方法返回hou，线程又会重新试图获得锁。

在相同的锁对象上调用notify()方法会让等待的线程被唤醒，然后从wait()方法返回。notifyAll()将唤醒所有当前正在this锁等待的线程。notifyAll()更安全。有些时候，如果我们的代码逻辑考虑不周，用notify()会导致只唤醒了一个线程，而其他线程可能永远等待下去醒不过来了。

public synchronized void addTask(String s) {
    this.queue.add(s);
    this.notify(); // 唤醒在this锁等待的线程
}

Design pattern

Factory pattern

The purpose of the factory method is to make creating and using objects separate, and the client always refers to the abstract factory and the abstract product:

工厂方法的目的是使得创建对象和使用对象是分离的，并且客户端总是引用抽象工厂和抽象产品：

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