Java 知识体系

一、Java 语言基础

这是所有 Java 程序的基石。

  1. 基础语法
    • 数据类型：
      • 基本数据类型：byte, short, int, long, float, double, char, boolean
      • 引用数据类型：类、接口、数组、枚举等
    • 变量与常量：final 关键字
    • 运算符：算术、关系、逻辑、位、赋值、条件（三元）、instanceof 等
    • 流程控制：if-else, switch-case, for, while, do-while, break, continue, return
  2. 面向对象编程 (OOP)
    • 四大特性：
      • 封装：通过访问控制符（private, protected, public, 默认）隐藏实现细节，提供公共方法访问。
      • 继承：extends 关键字，实现代码复用。单继承，但可多层继承。
      • 多态：
        • 编译时多态：方法重载（Overload）
        • 运行时多态：方法重写（Override），基于继承和接口实现，通过父类/接口引用指向子类对象。
      • 抽象：abstract 类和接口（interface）用于定义规范。
    • 类与对象：类的定义、对象的创建（new）、构造方法、this 关键字。
    • 方法：方法的定义、参数传递（值传递）、递归。
  3. 关键字和核心概念
    • static: 静态变量、静态方法、静态代码块。
    • final: 修饰变量（常量）、方法（不可重写）、类（不可继承）。
    • this 和 super: 访问当前对象和父类对象。
    • package 和 import: 包机制，用于管理类和解决命名冲突。

二、异常处理

Java 提供了强大的异常处理机制来增强程序的健壮性。

  1. 异常体系结构：
    • Throwable -> Error (系统错误，不可处理) 和 Exception (异常，可处理)。
    • Exception -> RuntimeException (运行时异常/非受检异常) 和 非运行时异常 (受检异常，Checked Exception)。
  2. 处理机制：
    • try-catch-finally: 捕获并处理异常。
    • throws: 声明方法可能抛出的异常，交给调用者处理。
    • throw: 主动抛出一个异常对象。
  3. 自定义异常：继承 Exception 或 RuntimeException 来创建自定义异常类。

三、集合框架 (Java Collections Framework)

用于存储和操作数据组，是 Java 中最重要和常用的库之一。

  1. 核心接口：
    • Collection: 所有集合类的根接口。
      • List: 有序、可重复。 -> ArrayList, LinkedList, Vector
      • Set: 无序、不可重复。 -> HashSet, LinkedHashSet, TreeSet
    • Map: 键值对存储。 -> HashMap, LinkedHashMap, TreeMap, Hashtable
  2. 实现类比较：
    • ArrayList vs LinkedList: 数组实现 vs 链表实现，随机访问快 vs 增删快。
    • HashSet vs TreeSet: 哈希表实现（无序） vs 红黑树实现（有序）。
    • HashMap vs Hashtable: 线程不安全 vs 线程安全；允许 null key/value vs 不允许。
    • HashMap vs ConcurrentHashMap: 非线程安全 vs 分段锁/ CAS 实现的线程安全。
  3. 工具类：
    • Collections: 提供排序、查找、同步化等静态方法。
    • Arrays: 用于操作数组的工具类。

四、泛型 (Generics)

提供编译时类型安全检查，并消除强制类型转换。

  1. 泛型类/接口/方法：class Box<T> {...}, public <T> T getData(T data) {...}
  2. 类型通配符：? (无界), ? extends T (上界), ? super T (下界)。用于增加 API 的灵活性，遵循 PECS (Producer-Extends, Consumer-Super) 原则。

五、输入输出 (I/O)

Java I/O 系统提供了读写数据的多种方式。

  1. **流 (Stream)**：
    • 字节流：InputStream / OutputStream (处理所有类型数据，如图片、视频)。
      • 常用实现：FileInputStream, FileOutputStream, BufferedInputStream, BufferedOutputStream
    • 字符流：Reader / Writer (专门处理文本数据，解决编码问题)。
      • 常用实现：FileReader, FileWriter, BufferedReader, BufferedWriter, InputStreamReader (桥梁，将字节流转换为字符流)
  2. **NIO (New I/O)**：
    • 核心概念：Channel, Buffer, Selector。
    • 提供了非阻塞、高性能的 I/O 操作方式。

六、多线程 (Concurrency)

Java 内置了对多线程编程的支持。

  1. 线程创建：
    • 继承 Thread 类。
    • 实现 Runnable 接口（更推荐，因为可以避免单继承的限制）。
    • 实现 Callable 接口（可以返回结果和抛出异常）。
  2. 线程生命周期：新建 (New)、就绪 (Runnable)、运行 (Running)、阻塞 (Blocked)、等待 (Waiting)、超时等待 (Timed Waiting)、终止 (Terminated)。
  3. 线程同步：
    • synchronized 关键字：同步方法、同步代码块。
    • Lock 接口：ReentrantLock 等，提供了比 synchronized 更灵活的锁操作。
  4. 线程通信：
    • wait(), notify(), notifyAll() (必须在同步代码块中使用)。
  5. 线程池：
    • ExecutorService 框架：通过 Executors 工厂类创建 (newFixedThreadPool, newCachedThreadPool 等)。
    • 核心参数：核心线程数、最大线程数、存活时间、工作队列、拒绝策略。
    • 优势：降低资源消耗、提高响应速度、便于线程管理。
  6. **并发工具类 (java.util.concurrent)**：
    • AtomicInteger 等原子类：保证操作的原子性。
    • CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore: 常用的同步辅助类。
    • ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList: 线程安全的集合。

七、Java 8+ 新特性 (非常重要)

现代 Java 开发的必备知识。

  1. Lambda 表达式：(parameters) -> expression 或 (parameters) -> { statements; }，用于简化匿名内部类的书写。
  2. 函数式接口：只包含一个抽象方法的接口，如 Runnable, Callable，以及新引入的 Supplier<T>, Consumer<T>, Function<T,R>, Predicate<T>。用 @FunctionalInterface 注解标识。
  3. Stream API：
    • 用于对集合进行函数式、声明式的处理（过滤、映射、排序、归约等）。
    • 操作分为中间操作 (filter, map, sorted, distinct) 和终端操作 (forEach, collect, count, reduce)。
  4. Optional 类：用于避免 NullPointerException 的容器类。
  5. 新的日期时间 API (java.time 包)：LocalDate, LocalTime, LocalDateTime, ZonedDateTime, DateTimeFormatter 等，解决了旧 Date 和 Calendar 类的所有缺陷。
  6. 接口的默认方法和静态方法：允许在接口中提供方法实现。
  7. **模块化系统 (Java 9)**：通过 module-info.java 文件定义模块和其依赖关系。

八、反射 (Reflection)

允许程序在运行时检查和操作类、方法、字段等信息。

  1. 核心类：Class, Field, Method, Constructor。
  2. 用途：动态代理、框架开发（框架通过反射配置和加载用户类）、注解处理等。

九、注解 (Annotation)

为代码提供元数据信息。

  1. 内置注解：@Override, @Deprecated, @SuppressWarnings, @FunctionalInterface。
  2. 元注解：用于定义注解的注解，如 @Target, @Retention, @Documented, @Inherited。
  3. 自定义注解：使用 @interface 关键字定义。
  4. 注解处理：通过反射机制在运行时读取和处理注解。

十、网络编程

  1. 基于 TCP：使用 Socket 和 ServerSocket 类。
  2. 基于 UDP：使用 DatagramSocket 和 DatagramPacket 类。

十一、JVM 基础 (了解)

虽然不是语言特性，但对理解 Java 至关重要。

  1. 内存区域：堆 (Heap)、方法区 (Metaspace)、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。
  2. **垃圾回收 (GC)**：如何判断对象可回收（引用计数法、可达性分析法），常见的垃圾回收算法（标记-清除、复制、标记-整理），以及常见的垃圾收集器（Serial, Parallel, CMS, G1, ZGC）。
  3. 类加载机制：加载、验证、准备、解析、初始化。类加载器（双亲委派模型）。

总结

要扎实掌握 Java，建议按照以下路径学习：

  1. 夯实基础：语言基础、OOP、异常、集合。
  2. 深入特性：泛型、I/O、多线程。
  3. 拥抱现代：熟练掌握 Java 8+ 的 Lambda、Stream API 和新日期时间 API。
  4. 理解原理：适当了解 JVM 内存模型和 GC 机制，这对写出高性能、健壮的代码和排查问题极有帮助。
  5. 实践应用：通过大量编码练习来巩固理论知识，尤其是集合、多线程和 Stream API 的使用。