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[Java知识库]用代码带你“深入”理解90%的初学者都没理解清楚的Java基础知识

大家好呀,最近很多小伙伴问我一些很基础的问题,看来是基础没有打牢啊,这期我就在代码中带大家回顾Java中的基础知识,可以自己敲一下看看,加深理解。根据这些知识我还整理了一张图,基本上每个知识点都有注释详解。大家有需要的可以找我要。点这里加群领取资料
在这里插入图片描述

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Java中的类

我们先剖析一个完整的Java程序,它的基本结构是什么:

/**
 * 可以用来自动创建文档的注释
 */
public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        // 向屏幕输出文本:
        System.out.println("Hello, world!");
        /* 多行注释开始
        注释内容
        注释结束 */
    }
} // class定义结束

因为Java是面向对象的语言,一个程序的基本单位就是class,class是关键字,这里定义的class名字就是Hello:

public class Hello { // 类名是Hello
    // ...
} // class定义结束

类名要求:
类名必须以英文字母开头,后接字母,数字和下划线的组合,习惯以大写字母开头。
要注意遵守命名习惯,好的类命名:
Hello
NoteBook
VRPlayer
注意到public是访问修饰符,表示该class是公开的。
不写public,也能正确编译,但是这个类将无法从命令行执行。
在class内部,可以定义若干方法(method):

public class Hello {
    public static void main(String[] args) { // 方法名是main
        // 方法代码...
    } // 方法定义结束
}

方法定义了一组执行语句,方法内部的代码将会被依次顺序执行。
这里的方法名是main,返回值是void,表示没有任何返回值。
我们注意到public除了可以修饰class外,也可以修饰方法。而关键字static是另一个修饰符,它表示静态方法,后面我们会讲解方法的类型,目前,我们只需要知道,Java入口程序规定的方法必须是静态方法,方法名必须为main,括号内的参数必须是String数组。
方法名也有命名规则,命名和class一样,但是首字母小写:
好的方法命名:
main
goodMorning
playVR
在方法内部,语句才是真正的执行代码。Java的每一行语句必须以分号结束:

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, world!"); // 语句
    }
}

在Java程序中,注释是一种给人阅读的文本,不是程序的一部分,所以编译器会自动忽略注释。

Java中的变量

在Java中,变量分为两种:基本类型的变量和引用类型的变量。
我们先讨论基本类型的变量。
在Java中,变量必须先定义后使用,在定义变量的时候,可以给它一个初始值。例如:
int x = 1;
上述语句定义了一个整型int类型的变量,名称为x,初始值为1。
不写初始值,就相当于给它指定了默认值。默认值总是0。
来看一个完整的定义变量,然后打印变量值的例子:

// 定义并打印变量
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 100; // 定义int类型变量x,并赋予初始值100
        System.out.println(x); // 打印该变量的值
    }
}

运行结果:

100

变量的一个重要特点是可以重新赋值。例如,对变量x,先赋值100,再赋值200,观察两次打印的结果:

// 重新赋值变量
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 100; // 定义int类型变量x,并赋予初始值100
        System.out.println(x); // 打印该变量的值,观察是否为100
        x = 200; // 重新赋值为200
        System.out.println(x); // 打印该变量的值,观察是否为200
    }
}

运行结果:

100
200

注意到第一次定义变量x的时候,需要指定变量类型int,因此使用语句int x = 100;。而第二次重新赋值的时候,变量x已经存在了,不能再重复定义,因此不能指定变量类型int,必须使用语句x = 200;。
变量不但可以重新赋值,还可以赋值给其他变量。让我们来看一个例子:

// 变量之间的赋值
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 100; // 定义变量n,同时赋值为100
        System.out.println("n = " + n); // 打印n的值
        n = 200; // 变量n赋值为200
        System.out.println("n = " + n); // 打印n的值
        int x = n; // 变量x赋值为n(n的值为200,因此赋值后x的值也是200)
        System.out.println("x = " + x); // 打印x的值
        x = x + 100; // 变量x赋值为x+100(x的值为200,因此赋值后x的值是200+100=300)
        System.out.println("x = " + x); // 打印x的值
        System.out.println("n = " + n); // 再次打印n的值,n应该是200还是300?
   }
}

运行结果:

n = 100
n = 200
x = 200
x = 300
n = 200

Java中的常量

定义变量的时候,如果加上final修饰符,这个变量就变成了常量:

final double PI = 3.14; // PI是一个常量
double r = 5.0;
double area = PI * r * r;
PI = 300; // compile error!

常量在定义时进行初始化后就不可再次赋值,再次赋值会导致编译错误。
常量的作用是用有意义的变量名来避免魔术数字(Magic number),例如,不要在代码中到处写3.14,而是定义一个常量。如果将来需要提高计算精度,我们只需要在常量的定义处修改,例如,改成3.1416,而不必在所有地方替换3.14。
根据习惯,常量名通常全部大写。

数据类型

byte,short,int,long四大整型类型

Java只定义了带符号的整型,因此,最高位的bit表示符号位(0表示正数,1表示负数)。各种整型能表示的最大范围如下:
byte:-128 ~ 127
short: -32768 ~ 32767
int: -2147483648 ~ 2147483647
long: -9223372036854775808 ~ 9223372036854775807
我们来看定义整型的例子:

// 定义整型
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2147483647;
        int i2 = -2147483648;
        int i3 = 2_000_000_000; // 加下划线更容易识别
        int i4 = 0xff0000; // 十六进制表示的16711680
        int i5 = 0b1000000000; // 二进制表示的512
        long l = 9000000000000000000L; // long型的结尾需要加L
    }
}

特别注意:同一个数的不同进制的表示是完全相同的,例如15=0xf=0b1111。

float,double两大浮点类型

浮点类型的数就是小数,因为小数用科学计数法表示的时候,小数点是可以“浮动”的,如1234.5可以表示成12.345x102,也可以表示成1.2345x103,所以称为浮点数。
下面是定义浮点数的例子:

float f1 = 3.14f;
float f2 = 3.14e38f; // 科学计数法表示的3.14x10^38
double d = 1.79e308;
double d2 = -1.79e308;
double d3 = 4.9e-324; // 科学计数法表示的4.9x10^-324

对于float类型,需要加上f后缀。
浮点数可表示的范围非常大,float类型可最大表示3.4x1038,而double类型可最大表示1.79x10308。

字符类型

字符类型char是基本数据类型,它是character的缩写。一个char保存一个Unicode字符:

char c1 = 'A';
char c2 = '中';

因为Java在内存中总是使用Unicode表示字符,所以,一个英文字符和一个中文字符都用一个char类型表示,它们都占用两个字节。要显示一个字符的Unicode编码,只需将char类型直接赋值给int类型即可:

int n1 = 'A'; // 字母“A”的Unicodde编码是65
int n2 = '中'; // 汉字“中”的Unicode编码是20013

还可以直接用转义字符\u+Unicode编码来表示一个字符:
// 注意是十六进制:

char c3 = '\u0041'; // 'A',因为十六进制0041 = 十进制65
char c4 = '\u4e2d'; // '中',因为十六进制4e2d = 十进制20013

字符类型char表示一个字符。Java的char类型除了可表示标准的ASCII外,还可以表示一个Unicode字符:

// 字符类型
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        char a = 'A';
        char zh = '中';
        System.out.println(a);
        System.out.println(zh);
    }
}

运行结果:

A

注意char类型使用单引号’,且仅有一个字符,要和双引号"的字符串类型区分开。

布尔类型

布尔类型boolean只有true和false两个值,布尔类型总是关系运算的计算结果:

boolean b1 = true;
boolean b2 = false;
boolean isGreater = 5 > 3; // 计算结果为true
int age = 12;
boolean isAdult = age >= 18; // 计算结果为false

Java语言对布尔类型的存储并没有做规定,因为理论上存储布尔类型只需要1 bit,但是通常JVM内部会把boolean表示为4字节整数。

整数运算

自增/自减

Java还提供了++运算和–运算,它们可以对一个整数进行加1和减1的操作:

// 自增/自减运算
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 3300;
        n++; // 3301, 相当于 n = n + 1;
        n--; // 3300, 相当于 n = n - 1;
        int y = 100 + (++n); // 不要这么写
        System.out.println(y);
    }
}

运行结果:

3401

位移运算

在计算机中,整数总是以二进制的形式表示。例如,int类型的整数7使用4字节表示的二进制如下:
00000000 0000000 0000000 00000111
可以对整数进行移位运算。对整数7左移1位将得到整数14,左移两位将得到整数28:

int n = 7;       // 00000000 00000000 00000000 00000111 = 7
int a = n << 1;  // 00000000 00000000 00000000 00001110 = 14
int b = n << 2;  // 00000000 00000000 00000000 00011100 = 28
int c = n << 28; // 01110000 00000000 00000000 00000000 = 1879048192
int d = n << 29; // 11100000 00000000 00000000 00000000 = -536870912

左移29位时,由于最高位变成1,因此结果变成了负数。
类似的,对整数28进行右移,结果如下:

int n = 7;       // 00000000 00000000 00000000 00000111 = 7
int a = n >> 1;  // 00000000 00000000 00000000 00000011 = 3
int b = n >> 2;  // 00000000 00000000 00000000 00000001 = 1
int c = n >> 3;  // 00000000 00000000 00000000 00000000 = 0

如果对一个负数进行右移,最高位的1不动,结果仍然是一个负数:

int n = -536870912;
int a = n >> 1;  // 11110000 00000000 00000000 00000000 = -268435456
int b = n >> 2;  // 11111000 00000000 00000000 00000000 = -134217728
int c = n >> 28; // 11111111 11111111 11111111 11111110 = -2
int d = n >> 29; // 11111111 11111111 11111111 11111111 = -1

还有一种不带符号的右移运算,使用>>>,它的特点是符号位跟着动,因此,对一个负数进行>>>右移,它会变成正数,原因是最高位的1变成了0:

int n = -536870912;
int a = n >>> 1;  // 01110000 00000000 00000000 00000000 = 1879048192
int b = n >>> 2;  // 00111000 00000000 00000000 00000000 = 939524096
int c = n >>> 29; // 00000000 00000000 00000000 00000111 = 7
int d = n >>> 31; // 00000000 00000000 00000000 00000001 = 1

对byte和short类型进行移位时,会首先转换为int再进行位移。
仔细观察可发现,左移实际上就是不断地×2,右移实际上就是不断地÷2。

位运算

位运算是按位进行与、或、非和异或的运算。
与运算的规则是,必须两个数同时为1,结果才为1:

n = 0 & 0; // 0
n = 0 & 1; // 0
n = 1 & 0; // 0
n = 1 & 1; // 1

或运算的规则是,只要任意一个为1,结果就为1:

n = 0 | 0; // 0
n = 0 | 1; // 1
n = 1 | 0; // 1
n = 1 | 1; // 1

非运算的规则是,0和1互换:

n = ~0; // 1
n = ~1; // 0

异或运算的规则是,如果两个数不同,结果为1,否则为0:

n = 0 ^ 0; // 0
n = 0 ^ 1; // 1
n = 1 ^ 0; // 1
n = 1 ^ 1; // 0

对两个整数进行位运算,实际上就是按位对齐,然后依次对每一位进行运算。例如:

// 位运算
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 167776589; // 00001010 00000000 00010001 01001101
        int n = 167776512; // 00001010 00000000 00010001 00000000
        System.out.println(i & n); // 167776512
    }
}

运行结果:

167776512

上述按位与运算实际上可以看作两个整数表示的IP地址10.0.17.77和10.0.17.0,通过与运算,可以快速判断一个IP是否在给定的网段内。

相关概念

运算优先级

在Java的计算表达式中,运算优先级从高到低依次是:

( )
! ~ ++ –
/ %
±<< >> >>> & |
+= -=
= /=

记不住也没关系,只需要加括号就可以保证运算的优先级正确。

溢出

要特别注意,整数由于存在范围限制,如果计算结果超出了范围,就会产生溢出,而溢出不会出错,却会得到一个奇怪的结果:
// 运算溢出

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 2147483640;
        int y = 15;
        int sum = x + y;
        System.out.println(sum); // -2147483641
    }
}

运算结果:

-2147483641

类型转换

在运算过程中,如果参与运算的两个数类型不一致,那么计算结果为较大类型的整型。例如,short和int计算,结果总是int,原因是short首先自动被转型为int:

// 类型自动提升与强制转型
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        short s = 1234;
        int i = 123456;
        int x = s + i; // s自动转型为int
        short y = s + i; // 编译错误!
    }
}

运行结果:

Main.java:7: 错误: 不兼容的类型: 从int转换到short可能会有损失
short y = s + i; // 编译错误!
^ 1 个错误 错误: 编译失败

也可以将结果强制转型,即将大范围的整数转型为小范围的整数。强制转型使用(类型),例如,将int强制转型为short:

int i = 12345;
short s = (short) i; // 12345

要注意,超出范围的强制转型会得到错误的结果,原因是转型时,int的两个高位字节直接被扔掉,仅保留了低位的两个字节:

// 强制转型
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int i1 = 1234567;
        short s1 = (short) i1; // -10617
        System.out.println(s1);
        int i2 = 12345678;
        short s2 = (short) i2; // 24910
        System.out.println(s2);
    }
}

运行结果:

-10617
24910

因此,强制转型的结果很可能是错的。

浮点数数运算

基本运算和整数运算一样。

相关概念

溢出

整数运算在除数为0时会报错,而浮点数运算在除数为0时,不会报错,但会返回几个特殊值:
NaN表示Not a Number
Infinity表示无穷大
-Infinity表示负无穷大
例如:

double d1 = 0.0 / 0; // NaN
double d2 = 1.0 / 0; // Infinity
double d3 = -1.0 / 0; // -Infinity

强制转型

可以将浮点数强制转型为整数。在转型时,浮点数的小数部分会被丢掉。如果转型后超过了整型能表示的最大范围,将返回整型的最大值。例如:

int n1 = (int) 12.3; // 12
int n2 = (int) 12.7; // 12
int n2 = (int) -12.7; // -12
int n3 = (int) (12.7 + 0.5); // 13
int n4 = (int) 1.2e20; // 2147483647

如果要进行四舍五入,可以对浮点数加上0.5再强制转型:

// 四舍五入
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        double d = 2.6;
        int n = (int) (d + 0.5);
        System.out.println(n);
    }
}

运行结果:

3

类型提升

如果参与运算的两个数其中一个是整型,那么整型可以自动提升到浮点型:

// 类型提升
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 5;
        double d = 1.2 + 24.0 / n; // 6.0
        System.out.println(d);
    }
}

运行结果:

6.0

需要特别注意,在一个复杂的四则运算中,两个整数的运算不会出现自动提升的情况。例如:

double d = 1.2 + 24 / 5; // 5.2

计算结果为5.2,原因是编译器计算24 / 5这个子表达式时,按两个整数进行运算,结果仍为整数4。

布尔运算

对于布尔类型boolean,永远只有true和false两个值。
布尔运算是一种关系运算,包括以下几类:
(因为符号比较多,与编辑器的一些指令冲突,全用代码块表示了)

比较运算符:>>=<<===!=
与运算 &&
或运算 ||
非运算 !
下面是一些示例:
boolean isGreater = 5 > 3; // true
int age = 12;
boolean isZero = age == 0; // false
boolean isNonZero = !isZero; // true
boolean isAdult = age >= 18; // false
boolean isTeenager = age >6 && age <18; // true
关系运算符的优先级从高到低依次是:
!
>>=<<=
==!=
&&
||

短路运算

布尔运算的一个重要特点是短路运算。如果一个布尔运算的表达式能提前确定结果,则后续的计算不再执行,直接返回结果。
因为false && x的结果总是false,无论x是true还是false,因此,与运算在确定第一个值为false后,不再继续计算,而是直接返回false。
我们考察以下代码:

// 短路运算
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        boolean b = 5 < 3;
        boolean result = b && (5 / 0 > 0);
        System.out.println(result);
    }
}

运行结果:

false

如果没有短路运算,&&后面的表达式会由于除数为0而报错,但实际上该语句并未报错,原因在于与运算是短路运算符,提前计算出了结果false。
如果变量b的值为true,则表达式变为true && (5 / 0 > 0)。因为无法进行短路运算,该表达式必定会由于除数为0而报错,可以自行测试。
类似的,对于||运算,只要能确定第一个值为true,后续计算也不再进行,而是直接返回true:
boolean result = true || (5 / 0 > 0); // true

最后,祝大家早日学有所成,拿到满意offer,快速升职加薪,走上人生巅峰。 可以的话请给我一个三连支持一下我哟,我们下期再见

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