那一年，從北郵畢業(yè)，同一年，在大洋的彼岸誕生了一門對軟件業(yè)將產(chǎn)生重大影響的編程語言，它就是——Java。1998年的時候，開始學(xué)習(xí)Java1.2，并在Java Orbix 上做服務(wù)，而如今Java 9 已經(jīng)來了，而且 Java 10 也已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

對一個全棧而言，Java 是必備的編程語言之一。 而談到Java，雖萬語千言卻不知從何開始，老碼農(nóng)從個人的角度看一下Java 語言的編程基礎(chǔ)。

虛擬機

Java 真正牛X的地方就在于JVM。JVM是一個抽象的計算機，具有指令集、寄存器、垃圾回收堆、棧、存儲區(qū)、類文件的格式等細(xì)節(jié)。所有平臺上的JVM向上提供給Java字節(jié)碼的接口完全相同，但向下提供適應(yīng)不同平臺的接口，規(guī)定了JVM的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并實現(xiàn)了Java程序的平臺無關(guān)性。這就是常說的，Java的跨平臺，但跨越不同實現(xiàn)的JVM時還是有些許不同的。

JVM是運行java程序的核心虛擬機，而運行java程序不僅需要核心虛擬機，也需要其他的類加載器，字節(jié)碼校驗器以及大量的基礎(chǔ)類庫。JRE除了包含JVM之外還包含運行Java程序的其他環(huán)境支持。

當(dāng)JVM啟動時，由三個類加載器對類進(jìn)行加載：

1. bootstrap classloader 是由JVM實現(xiàn)的，不是java.lang.ClassLoader的子類 ，負(fù)責(zé)加載Java的核心類，其加載的類由 sun.boot.class.path指定，或者在執(zhí)行java命令時使用-Xbootclasspath選項, 還可以使用-D選項指定sun.boot.class.path系統(tǒng)屬性值
2. extension classloader ，它負(fù)責(zé)加載JRE的擴展目錄中JAR的類包，為引入除Java核心類以外的新功能提供了一個標(biāo)準(zhǔn)機制。
3. system/application classloader，加載來自-classpath或者java.class.path系統(tǒng)屬性以及CLASSPATH操作系統(tǒng)屬性所指定的JAR包和類路徑?？梢酝ㄟ^靜態(tài)方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找到該類加載器。如果沒有特別指定，則用戶自定義的任何類加載器都將該類加載器作為它的父加載器。

ClassLoader加載Class的一般過程如下：

垃圾回收是JVM 中的一項重要技術(shù)。所謂垃圾回收只是針對內(nèi)存資源，而對于物理資源如數(shù)據(jù)庫連接、IO讀寫等JVM無能為力，所有程序中都需要顯式釋放。為了更快回收垃圾，可以將對象的引用變量設(shè)為null。垃圾回收具有不可預(yù)知性，即使調(diào)用了對象的finalize() ，System.gc()方法也不能確定何時回收，只是通知JVM而已。垃圾回收機制能精確標(biāo)記活著的對象，能精確定位對象之間關(guān)系，前者是完全回收的前提，后者實現(xiàn)歸并和復(fù)制等功能?，F(xiàn)在JVM有多種不同的垃圾回收算法實現(xiàn)，不同的垃圾回收算法都有著典型的場景， 根據(jù)內(nèi)存和cpu使用的不同可以對垃圾回收算法進(jìn)行調(diào)整。

語法

作為一種編程語言，基本語法都是類似的，包括數(shù)據(jù)類型，操作符，語句，判斷和分支，循環(huán)，遞歸等。

對于Java 的關(guān)鍵字可以做個文字游戲，排列成打油詩。

• if volatile default， catch class short, 
• abstract package private, throw this protected.
• else char break, return super true, 
• instanceof interface long, switch null native.
• while boolean case, try final static, 
• extends false transient, throws void public.
• import new float, continue for double,
•  implements int byte, do synchronized.
• finally, goto const......

如果沒有記錯的話，goto 和 const 是 java 的保留字而不是關(guān)鍵字。弄清楚每個關(guān)鍵字的意義、用法、典型場景等，才算是“磨刀不誤砍柴功”。

數(shù)據(jù)

java 中的基本類型有4類8種：整型（int, short, long, byte），浮點型（ float, double），邏輯型 boolean和 文本型 char。

Java中的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大多在java.util 中體現(xiàn)，主要分為Collection和map兩個主要接口，而程序中最終使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則是繼承自這些接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類。

import java.util.Hashtable; 
import java.util.ArrayList; 
import java.util.HashMap; 
import java.util.HashSet; 
import java.util.LinkedHashMap; 
import java.util.LinkedHashSet; 
import java.util.LinkedList; 
import java.util.Stack; 
import java.util.TreeMap; 
import java.util.TreeSet; 
import java.util.Vector; 
..... 

一般的，一個空的對象需要占用12字節(jié)的堆空間，一個空的String就要占用40字節(jié)的堆空間，這或許就是推薦用stringbuilder的一個原因吧。在Java中，類型決定行為，例如byte可以起到限制數(shù)據(jù)的作用，但是并不能節(jié)約內(nèi)存，在內(nèi)存中byte和int一樣是占用4字節(jié)的空間。一個對象的占用堆空間的多少一般與類中非static的基本數(shù)據(jù)類型和引用變量有關(guān)。每一個數(shù)組中的元素都是一個對象，每一個對象都有一個16字節(jié)的數(shù)組對象頭。

回憶一下堆棧，Java 的堆是一個運行時數(shù)據(jù)區(qū),類的對象從中分配空間。只有通過new()方法才能保證每次都創(chuàng)建一個新的對象，它們不需要程序代碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負(fù)責(zé)的。Java的棧存取速度比堆要快，棧數(shù)據(jù)可以共享，存在棧中的數(shù)據(jù)大小與生存期必須是確定的，主要存放一些基本類型的變量和對象句柄。

（圖片來自 https://www.programcreek.com/2013/09/top-8-diagrams-for-understanding-java/）

可以通過如下的方式粗略的判斷不同數(shù)據(jù)類型的內(nèi)存使用狀況：

Runtime.getRuntime().gc(); 
Thread.yield(); 
iBefore = Runtime.getRuntime().freeMemory(); 
類 變量 = new 類（參數(shù)類別）; 
Runtime.getRuntime().gc(); 
Thread.yield(); 
iAfter = Runtime.getRuntime().freeMemory(); 
System.out.println(iBefore-iAfter);  

另外，Java 中的引用對內(nèi)存也有著不同的影響，主要包括：

• 強引用： strong reference
• 軟引用： soft reference
• 弱引用： weak reference
• 虛引用： Phantom Reference 

接口

抽象類和接口是Java 的兩大利器， 抽象類是OOP 的共性，而接口則簡單規(guī)范，提高了代碼的可維護(hù)性和可擴展性，同時是軟件松耦合的重要方式。對修改關(guān)閉，對擴展（不同的實現(xiàn)implements）開放，接口本身就是對開閉原則的一種體現(xiàn)。

Java接口是一系列方法的聲明，是一些方法特征的集合，一個接口只有方法而沒有方法的實現(xiàn)。弄一點玄虛，接口是一組規(guī)則的集合，它規(guī)定了實現(xiàn)本接口的類或接口必須擁有的一組規(guī)則，是在一定粒度上同類事物的抽象表示。

<修飾符>interface<接口名>{  
[<常量聲明>]  
[<抽象方法聲明>]  
}  

接口是類型轉(zhuǎn)換的前提和動態(tài)調(diào)用的保證。實現(xiàn)某一接口就完成了類型的轉(zhuǎn)換也就是多重繼承，一般用來作為一個類型的等級結(jié)構(gòu)的起點；動態(tài)調(diào)用則只關(guān)心類型，不關(guān)心具體類。接口可以為不同類順利交互提供標(biāo)準(zhǔn)。

　　Java中的類描述了一個實體，包括實體的狀態(tài)，也包括實體可能發(fā)出的動作。而接口定義了一個實體可能發(fā)出的動作，但只是定義了這些動作的原型，沒有實現(xiàn)，也沒有任何狀態(tài)信息。所以接口有點象一個規(guī)范、一個協(xié)議，是一個抽象的概念；而類則是實現(xiàn)了這個協(xié)議，滿足了這個規(guī)范的具體實體，是一個具體的概念。

從程序角度簡單理解，接口就是函數(shù)聲明，類就是函數(shù)實現(xiàn)。需要注意的是同一個聲明可能有很多種實現(xiàn)。 　　

泛型

所謂“泛型”，就是寬泛的數(shù)據(jù)類型，任意的數(shù)據(jù)類型。Java 中的泛型是以C++模板為參照的，本質(zhì)是參數(shù)化類型的應(yīng)用，主要包括：

泛型類，例如：

public class MyGeneric<T,V> { 
T obj_a; 
V obj_b; 
MyGeneric(T obj_1,V obj_2){ 
this.obj_a = obj_1; 
this.obj_b = obj_2; 
} 

泛型接口，例如：

interface MyInterface<T extends Comparable<T>>{ 
//... 
} 

泛型方法，例如：

<T extends Comparator<T>, V extends T> boolean MyIn(T x, V[] y) 

泛型中的類型參數(shù)只能用來表示引用類型，不能用來表示基本類型，如 int、double、char 等。但是傳遞基本類型不會報錯，因為它們會自動裝箱成對應(yīng)的包裝類。類型參數(shù)必須是一個合法的標(biāo)識符，習(xí)慣上使用單個大寫字母，通常情況下，K 表示鍵，V 表示值，E 表示異?；蝈e誤，T 表示一般意義上的數(shù)據(jù)類型。

使用有界通配符，可以為參數(shù)類型指定上界和下界，從而能夠限制方法能夠操作的對象類型。最常用的是指定有界通配符上界，使用extends子句創(chuàng)建。 對于實現(xiàn)了<? extends T>的集合類只能將它視為生產(chǎn)者向外提供元素（get)，而不能作為消費者來對外獲取元素(add)。

Java泛型只能用于在編譯期間的靜態(tài)類型檢查，然后編譯器生成的代碼會擦除相應(yīng)的類型信息，這樣到了運行期間實際上JVM根本就知道泛型所代表的具體類型。在Java中不允許創(chuàng)建泛型數(shù)組，無法對泛型代碼直接使用instanceof。

使用泛型，可以消除顯示的強制類型轉(zhuǎn)換，提高代碼復(fù)用，還可以提供更強的類型檢查，避免運行時的ClassCastException。

反射

JAVA反射機制是在運行狀態(tài)中，對于任意一個類，都能夠知道這個類的所有屬性和方法；對于任意一個對象，都能夠調(diào)用它的任意一個方法。普通調(diào)用需要在編譯前必須了解所有的class，包括成員變量，成員方法，繼承關(guān)系等。而反射可以于運行時加載、探知、使用編譯期間完全未知的類。也就是說，Java程序可以加載一個運行時才得知名稱的class，獲悉其完整構(gòu)造。

Java反射的方式主要分為兩類：Java.lang.reflect.*和Cg-lib工具包。

因為在反射調(diào)用中同樣要遵循java的可見性規(guī)約，因此Class.getMethod方法只能查找到該類的public方法。如果要獲取聲明為private的方法對象，則需要通過Class.getDeclaredMethod，而且在invoke前要設(shè)置setAccessable(true)才能保證調(diào)用成功。如果的確需要調(diào)用父類方法，可以通過Class.getInterface方法查找父類，再實例化一個父類對象，然后按照調(diào)用private Method的方式進(jìn)行調(diào)用。

反射的應(yīng)用廣泛，例如Spring容器的注入，就是運用了反射的方式，通過配置文件讀取欲實例化的類的名稱，屬性，然后由spring容器統(tǒng)一實例化，既達(dá)到了注入的目的，又可以通過容器統(tǒng)一控制bean的作用域、生命周期等。J

在框架和容器中，比較廣泛的就是java bean的規(guī)范，或者POJO，以及一些作為與數(shù)據(jù)庫交互載體的持久化對象，都會有要求：

每個field都要有setXxx/getXxx方法，命名符合駝峰命名法，且需要聲明為public的。

含有一個無參的構(gòu)造方法。 ***條就是為了方便反射屬性值，通過get/set方法。另一條是為了保證可以通過cls.newInstance()實例化一個新對象。 另外還有servlet（要有init、service、doGet、doPost方法），filter（要有doFilter方法）。這些組件定義的規(guī)范就是為了容器可以通過反射的方式進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)用和管理。

ava.lang.reflect包中還自帶了代理模式的一個實現(xiàn)，靜態(tài)代理和動態(tài)代理都是有意思的事， 很多插件化開發(fā)都使用了代理模式。

注解

注解這種機制允許在編寫代碼的同時可以直接編寫元數(shù)據(jù)。注解就是代碼的元數(shù)據(jù)，包含了代碼自身的信息。

注解可以被用在包，類，方法，變量，參數(shù)上。自Java8開始，有一種注解幾乎可以被放在代碼的任何位置，叫做類型注解。被注解的代碼并不會直接被注解影響，只會向第三系統(tǒng)提供關(guān)于自己的信息以用于不同的需求。注解會被編譯至class文件中，而且會在運行時被處理程序提取出來用于業(yè)務(wù)邏輯。當(dāng)然，創(chuàng)建在運行時不可用的注解也是可能的，甚至可以創(chuàng)建只在源文件中可用，在編譯時不可用的注解。

Java自帶的內(nèi)建注解可以叫元注解，由JVM 對這些注解進(jìn)行執(zhí)行。常見的元注解如下：

@Retention：用來說明如何存儲已被標(biāo)記的注解，值包括：SOURCE， CLASS和RUNTIME。

@Target：這個注解用于限制某個元素可以被注解的類型。例如：

• ANNOTATION_TYPE ：應(yīng)用到其他注解上
• CONSTRUCTOR：使用到構(gòu)造器上
• FIELD：使用到域或?qū)傩陨?/li>
• LOCAL_VARIABLE：使用到局部變量上。
• METHOD：使用到方法級別的注解上。
• PACKAGE：使用到包聲明上
• PARAMETER：使用到方法的參數(shù)上
• TYPE：使用到一個類的任何元素上。

@Documented：被注解的元素將會作為Javadoc產(chǎn)生的文檔中的內(nèi)容，都默認(rèn)不會成為成為文檔中的內(nèi)容。這個注解可以對其它注解使用。

@Inherited：在默認(rèn)情況下，注解不會被子類繼承。被此注解標(biāo)記的注解會被所有子類繼承。

還有 @Deprecated，@SuppressWarnings，@Override等等。

Java反射API包含了許多方法來在運行時從類、方法或者其它元素獲取注解的手段。接口AnnotatedElement包含了大部分重要的方法，如下：

• getAnnotations(): 返回該元素的所有注解，包括沒有顯式定義該元素上的注解。
• isAnnotationPresent(annotation): 檢查傳入的注解是否存在于當(dāng)前元素。
• getAnnotation(class): 按照傳入的參數(shù)獲取指定類型的注解。返回null說明當(dāng)前元素不帶有此注解。

自己寫個注解，會讓代碼變得簡潔。一些類庫如：JAXB, Spring Framework, Findbugs, Log4j, Hibernate, Junit等，使用注解來完成代碼質(zhì)量分析，單元測試，XML解析，依賴注入和許多其它的工作。

線程

一個JVM 相當(dāng)于操作系統(tǒng)的一個進(jìn)程，Java線程是進(jìn)程的一個實體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位，JVM線程調(diào)度程序是基于優(yōu)先級的搶先調(diào)度機制。 線程有自己的堆棧和局部變量，但線程之間沒有單獨的地址空間，一個線程包含以下內(nèi)容：

• 一個指向當(dāng)前被執(zhí)行指令的指令指針
• 一個棧
• 一個寄存器值的集合，定義了一部分描述正在執(zhí)行線程的處理器狀態(tài)的值
• 一個私有的數(shù)據(jù)區(qū)

在 Java程序中，有兩種方法創(chuàng)建線程：對 Thread 類進(jìn)行派生并覆蓋 run方法和通過實現(xiàn)Runnable接口創(chuàng)建。獲取當(dāng)前線程的對象的方法是Thread.currentThread()。實現(xiàn)Runnable接口相對于繼承Thread類而言，更適合多個相同的程序代碼的線程去處理同一個資源，繞過單繼承限制，而且線程池只能放入實現(xiàn)Runable或callable類線程，一般不直接放入繼承Thread的類。

線程池的基本思想還是一種對象池的思想，開辟一塊內(nèi)存空間，里面存放了眾多（未死亡）的線程，池中線程執(zhí)行調(diào)度由池管理器來處理。當(dāng)有線程任務(wù)時，從池中取一個，執(zhí)行完成后線程對象歸池，這樣可以避免反復(fù)創(chuàng)建線程對象所帶來的性能開銷，節(jié)省了系統(tǒng)的資源。線程池分好多種：固定尺寸的線程池、單任務(wù)線程池、可變尺寸連接池、延遲連接池、自定義線程池等等。

理解Java線程的狀態(tài)機（新建，就緒，運行，睡眠／阻塞／等待，消亡等）對于線程的使用很有幫助。

（圖片來自http://blog.csdn.net/Evankaka/article/details/44153709）

在使用任何多線程技術(shù)的時候，都要關(guān)注線程安全。盡管線程安全類中封裝了必要的同步機制，從而客戶端無須進(jìn)一步采取同步措施，但還是要關(guān)注一下資源競爭即所謂的競態(tài)條件。競態(tài)條件成立的三個條件： 1）兩個處理共享變量 2）至少一個處理會對變量進(jìn)行修改 3）一個處理未完成前另一個處理會介入進(jìn)來 只要三個條件有一個不具備，就可以寫線程安全的程序了。 規(guī)避一，沒有共享內(nèi)存，就不存在競態(tài)條件了，例如利用獨立進(jìn)程和actor模型。 規(guī)避二，比如Java中的immutable 規(guī)避三,不介入，使用協(xié)調(diào)模式的線程如coroutine等，也可以使用表示不便介入的標(biāo)識——鎖、mutex、semaphore，實際上是使用中的狀態(tài)牌。鎖的使用問題包括死鎖和無法組合，只能寄托于事務(wù)內(nèi)存來奢望解決了。

通過Java多線程技術(shù)，可以提高資源利用率，程序擁有更好的響應(yīng)。

排錯

Zero Bug 是每個程序員的目標(biāo)， debug 是項繁重的工作，減少bug一般從Error Handling 開始，在Java 中主要體現(xiàn)在異常處理。

異常處理

Java 中 Exception的繼承關(guān)系如下圖：

（圖片來自https://www.programcreek.com/2013/09/top-8-diagrams-for-understanding-java/）

紅色部分為必須被捕獲，或者在函數(shù)中聲明為拋出該異常。其中，throwable 是一個有趣的東西， 在某些極端情況下， 直接catch throwable 才能得到想要的效果。

靜態(tài)代碼分析

據(jù)說，在整個軟件開發(fā)生命周期中，30% 至 70% 的代碼邏輯設(shè)計和編碼缺陷是可以通過靜態(tài)代碼分析來發(fā)現(xiàn)和修復(fù)的。但是，code review 往往要求大量的時間消耗和相關(guān)知識的積累，因此使用靜態(tài)代碼分析工具自動化執(zhí)行代碼檢查和分析，能夠極大地提高軟件可靠性并節(jié)省軟件開發(fā)和測試成本。

靜態(tài)代碼分析是指無需運行被測代碼，僅通過分析或檢查源程序的語法、結(jié)構(gòu)、過程、接口等來檢查程序的正確性，找出代碼隱藏的錯誤和缺陷，如參數(shù)不匹配，有歧義的嵌套語句，錯誤的遞歸，非法計算，可能出現(xiàn)的空指針引用等等。靜態(tài)代碼分析主要是基于缺陷模式匹配，類型推斷，模型檢查和數(shù)據(jù)流分析等。

通過靜態(tài)代碼分析工具可以自動執(zhí)行靜態(tài)代碼分析，快速定位代碼隱藏錯誤和缺陷；幫助我們更專注于分析和解決bug；顯著減少在代碼逐行檢查上花費的時間，提高軟件可靠性并節(jié)省軟件開發(fā)和測試成本。

常用的靜態(tài)代碼工具有checkstyle，findbugs，PMD等，其中Checkstyle 更加偏重于代碼編寫格式檢查，而 FindBugs，PMD，Jtest 等著重于發(fā)現(xiàn)代碼缺陷，但個人還是喜歡Sonar。

內(nèi)存泄漏

在Java中排錯的一個麻煩就是內(nèi)存泄露。內(nèi)存泄漏是指無用對象持續(xù)占用內(nèi)存或無用對象的內(nèi)存得不到及時釋放，從而造成內(nèi)存空間的浪費。內(nèi)存泄露有時不嚴(yán)重且不易察覺，這樣可能不知道存在內(nèi)存泄露，但有時也會很嚴(yán)重，會引發(fā)Out of memory。

常用的Java內(nèi)存分析工具有VisualVM、jconsole、jhat、JProfiler、Memory Analyzer (MAT)等?？紤]能處理的Heapdump大小及速度，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可視化分析，內(nèi)存資源限制，是否免費使用等，推薦的工具為jmap + MAT。

Java中內(nèi)存分析的一般步驟如下： 

1. 把Java應(yīng)用程序使用的堆dump下來，啟動時加虛擬機參數(shù)：-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=path，這樣在程序發(fā)生OOM時，會自動在相關(guān)路徑下生成dump文件
2. 然后使用Java heap分析工具，找出對象數(shù)量或占用內(nèi)存太多的對象 執(zhí)行jmap -dump:format=b,file=heap.bin pid 其中，format=b，表示dump出來的文件是二進(jìn)制格式，file=heap.bin，表示dump出來的文件名是heap.bin，pid是進(jìn)程號。
3. 需要分析嫌疑對象和其他對象的引用關(guān)系，結(jié)合程序的源代碼，找出原因。 可以將Heapdump拉到本地，使用MAT打開進(jìn)行分析。如果Heapdump較大，本地內(nèi)存不夠，可以在服務(wù)器上執(zhí)行sh ParseHeapDump.sh Heapdumpfile，得到分解后的文件，然后拉到本地，再使用MAT打開，就可以進(jìn)一步分析了。

【本文來自51CTO專欄作者“老曹”的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】

戳這里，看該作者更多好文