Java學(xué)習(xí)筆記 - 第001天

概述

在過去的20年里，如果要選一個(gè)最成功的編程語言那一定非Java莫屬。根據(jù)TIOBE Index發(fā)布的編程語言排行榜，自2001年以來Java語言在這個(gè)排行榜上最差的名次是第二名。在20年的發(fā)展歷程中，Java已經(jīng)不僅僅是一門編程語言，它更是一個(gè)平臺(tái)，是一系列的計(jì)算機(jī)軟件和規(guī)范形成的技術(shù)體系，從嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)終端到個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等領(lǐng)域，Java都占據(jù)著舉足輕重的位置。按照官方網(wǎng)站在2016年提供的數(shù)據(jù)，全球有900萬Java開發(fā)人員并有約60億臺(tái)設(shè)備都在運(yùn)行Java程序，這些數(shù)字都是非常震撼的。

術(shù)語

想了解Java，有三個(gè)術(shù)語必須要知道：

JDK：Java開發(fā)者工具 - Java Developer's Kit
JRE：Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境 - Java Runtime Environment
JVM：Java虛擬機(jī) - Java Virtual Machine

歷史

關(guān)于Java這20年的故事，不是一兩句話能說清楚的，下面用編年史的方式做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

  • 1991年4月，James Gosling（計(jì)算機(jī)界的全能奇才，被稱為“Java之父”）領(lǐng)導(dǎo)的Green Project啟動(dòng)，雖然項(xiàng)目項(xiàng)目并不成功，但是在項(xiàng)目中誕生的Oak語言伴隨著互聯(lián)網(wǎng)潮流的興起，迅速找到了適合自己發(fā)展的市場(chǎng)定位并最終蛻變?yōu)镴ava語言。
  • 1995年5月23日，Java誕生。
  • 1996年1月23日，JDK 1.0正式發(fā)布。
  • 1996年5月，第一屆JavaOne大會(huì)在舊金山舉行。
  • 1997年2月19日， SUN公司發(fā)布JDK 1.1，代表性的技術(shù)包括：JAR文件格式、JDBC、JavaBeans、RMI、內(nèi)部類和反射等。
  • 1998年12月4日，JDK迎來了里程碑式的版本JDK 1.2，SUN公司將Java技術(shù)拆分為3個(gè)方向，分別是面向桌面應(yīng)用開發(fā)的J2SE、面向企業(yè)級(jí)開發(fā)的J2EE和面向移動(dòng)終端開發(fā)的J2ME。該版本首次在Java虛擬機(jī)中內(nèi)置了JIT編譯器。
  • 2000年5月8日，JDK 1.3發(fā)布，代號(hào)Kestrel，改進(jìn)了數(shù)學(xué)運(yùn)算、時(shí)間以及Java 2D等API，新增了和聲音處理相關(guān)的類庫(kù)。此后，SUN公司基本每個(gè)兩年發(fā)布一個(gè)JDK的主版本，產(chǎn)品代號(hào)都以動(dòng)物命名。
  • 2002年2月13日，JDK 1.4發(fā)布，代號(hào)Merlin，Java開始走向成熟并逐漸達(dá)到巔峰，今天很多主流框架仍然可以在JDK 1.4上直接運(yùn)行。該版本中引入了正則表達(dá)式、異常鏈、NIO、日志類、XML解析器等。
  • 2004年9月30日，JDK 1.5發(fā)布，代號(hào)Tiger，該版本在Java語法的易用性上做出了很大的改進(jìn)，引入了自動(dòng)裝箱、泛型、注解、枚舉、可變參數(shù)列表、for-each循環(huán)等特性，同時(shí)在這個(gè)版本中還對(duì)Java內(nèi)存模型進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)引入了更優(yōu)質(zhì)的用于多線程編程的java.util.concurrent包。
  • 2006年12月11日，JDK 1.6發(fā)布，代號(hào)Mustang，在這個(gè)版本中，J2SE、J2EE和J2ME被更名為Java SE、Java EE和Java ME，提供了對(duì)腳本語言的支持以及編譯器API和微型HTTP服務(wù)器API等內(nèi)容。此外，該版本還對(duì)Java虛擬機(jī)內(nèi)部進(jìn)行了大量的優(yōu)化，包括垃圾回收、類加載、鎖機(jī)制等。同年，SUN公司開始逐漸陷入困境。
  • 2009年2月19日，JDK 1.7發(fā)布，代號(hào)Dolphin，JDK 1.7最初計(jì)劃引入很多開發(fā)者翹首以盼的功能，包括Lambda表達(dá)式，Jigsaw項(xiàng)目、動(dòng)態(tài)語言支持、G1收集器和Coin項(xiàng)目，但是如前所述，由于SUN公司已經(jīng)陷入困境，無力推動(dòng)研發(fā)工作按正常計(jì)劃進(jìn)行，在4月20日Oracle公司宣布以74億美元收購(gòu)SUN公司，Java商標(biāo)從此歸Oracle所有，此后Oracle公司執(zhí)行了所謂的“B計(jì)劃”，大幅裁剪了JDK 1.7的預(yù)定目標(biāo)，把諸多內(nèi)容推遲到了JDK 1.8中，隨后又宣布Jigsaw在JDK 1.8中依然無法完成。
  • 2014年3月18日，在漫長(zhǎng)的等待后，“跳票王”O(jiān)racle公司終于推出了JDK 1.8，沒有產(chǎn)品代號(hào)，這一次真可以說得上是“千呼萬喚始出來”。

特點(diǎn)

自Java誕生以來，你可能聽過很多關(guān)于Java有多么牛逼的描述，但是其中很多內(nèi)容都是過去時(shí)，當(dāng)下的Java最吸引人的地方應(yīng)該在于以下幾個(gè)方面。

  • 對(duì)函數(shù)式編程的支持：面向?qū)ο蟮木幊趟枷胱寫?yīng)用程序的開發(fā)變得簡(jiǎn)單輕松，通過給對(duì)象發(fā)送消息很多問題就可以得到解決；而函數(shù)式編程的思想則源于λ 演算，強(qiáng)調(diào)使用表達(dá)式而不是語句，通過不改變狀態(tài)的操作讓代碼沒有副作用，這些都迎合了很多領(lǐng)域的開發(fā)者的需求，當(dāng)下很多高級(jí)編程語言都提供了對(duì)函數(shù)式編程的支持，Java終于在JDK 1.8中引入了Lambda表達(dá)式、函數(shù)式接口、方法引用等高級(jí)語法來支持函數(shù)式編程，且看一小段代碼。
import java.util.List;
import java.util.Arrays;
class Hello {
  public static void main(String[] args) {
      List<String> list = Arrays.asList("apple", "grape", "pitaya");
      list.forEach(System.out::println);
  }
}
  • 始終如一的平臺(tái)可移植性：平臺(tái)可移植性從來都是Java最大的賣點(diǎn)，通過在不同的平臺(tái)下安裝對(duì)應(yīng)的JVM來加載類文件執(zhí)行，雖然在犧牲了執(zhí)行效率，但獲得的是完美的平臺(tái)可移植性。
  • 支持多種編程語言混編：目前的JVM已經(jīng)能夠支持諸如Groovy、Scala、Clojure這樣的語言進(jìn)行開發(fā)。使用非Java語言主要是出于這些考慮：首先使用領(lǐng)域特定語言可以方便構(gòu)建、持續(xù)集成、業(yè)務(wù)規(guī)則建模等操作；其次也可以利用一些動(dòng)態(tài)語言的特性來彌補(bǔ)Java本身的不足，滿足快速Web開發(fā)、腳本編程和測(cè)試等方面的需求。今天有很多軟件和系統(tǒng)的開發(fā)都是通過多語言混編實(shí)現(xiàn)的。
  • 對(duì)多核并發(fā)編程的支持：Java語言內(nèi)置的對(duì)多線程編程的支持是Java早期的一大賣點(diǎn)，但在今天看來已經(jīng)不是什么了不起的事情。隨著CPU進(jìn)入多核時(shí)代，Java在并發(fā)編程上也做出了與時(shí)俱進(jìn)的升級(jí)，從JDK 1.5的java.util.concurrent包，到JDK 1.7引入Fork/Join模式，Java程序已經(jīng)能夠輕松的利用多個(gè)CPU核心提供的計(jì)算能力來協(xié)作完成更復(fù)雜的任務(wù)。

探秘

想要深入學(xué)習(xí)和了解Java，可以對(duì)JVM進(jìn)行一次探秘。

JVM中的內(nèi)存

  • 程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）程序計(jì)數(shù)器可以視為當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變程序計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。對(duì)于多線程的應(yīng)用程序，每個(gè)線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，線程之間互不影響，因此程序計(jì)數(shù)器是線程私有的內(nèi)存。
  • 虛擬機(jī)棧（VM Stack）
    Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的，它描述了Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，即每個(gè)方法在執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表（存放了編譯期可知的基本數(shù)據(jù)類型，包括：byte、short、int、long、float、double、char、boolean，對(duì)象的引用以及返回地址）、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。在JVM規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將引發(fā)StackOverflowError；如果虛擬機(jī)棧需要擴(kuò)展空間但無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，將引發(fā)OutOfMemoryError。
  • 本地方法棧（Native Method Stack）
    本地方法棧顧名思義是調(diào)用本地方法（用C/C++編寫的方法）時(shí)使用的棧。
  • 堆（Heap）
    堆是JVM所管理的內(nèi)存中最大的一塊，它是被所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，在JVM啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，用于存放對(duì)象實(shí)例。在JVM規(guī)范中明確指出：The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated. 但是隨著JIT編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，對(duì)象實(shí)例的棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化將使得“對(duì)象一定在堆上”這個(gè)說法變得不那么絕對(duì)了。堆是Java垃圾收集器管理的主要區(qū)域，現(xiàn)在的垃圾收集器都基于分代收集算法，堆通常分為新生代和老生代，新生代具體又可細(xì)分為Eden、From Survivor和To Survivor。在啟動(dòng)JVM時(shí)可以通過-Xmx和-Xms來控制堆的大小，還可以通過-Xmn和-XX:NewRatio來控制新生代的大小以及新生代和老生代的比例，如果想了解垃圾收集器的工作細(xì)節(jié)，可以使用-XX:+PrintGCDetails來做到。
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  • 方法區(qū)（Method Area）
    方法區(qū)也是線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)已被JVM加載的類的信息、常量、靜態(tài)變量、JIT編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。方法區(qū)中比較重要的一塊是運(yùn)行時(shí)常量池（Constant Pool），它允許運(yùn)行期間將新的常量放入池中，String類的intern()方法就是一個(gè)例子。當(dāng)常量池?zé)o法再申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)也會(huì)引發(fā)OutOfMemoryError。
  • 直接內(nèi)存
    JDK1.4中引入了NIO（非阻塞式I/O）,它可以使用本地方法分配堆以外的內(nèi)存，然后通過ByteBuffer/CharBuffer對(duì)象來操作這些內(nèi)存，從而實(shí)現(xiàn)提升性能的目標(biāo)。

說明：Java虛擬機(jī)是非常復(fù)雜的，如果想要真正理解它的工作原理，可以嘗試自己寫一個(gè)Java虛擬機(jī)。不要覺得這件事情遙不可及，有一本名為《自己動(dòng)手寫Java虛擬機(jī)》的書就用Go語言實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自己的JVM。

JVM中的對(duì)象

  • 對(duì)象的創(chuàng)建
    虛擬機(jī)遇到一條new指令時(shí)，首先將檢查這個(gè)指令對(duì)應(yīng)的參數(shù)是不是能在常量池中定位到的一個(gè)類的符號(hào)引用，然后還要檢查這個(gè)對(duì)應(yīng)的類是否已經(jīng)被加載、解析和初始化過，如果沒有就要執(zhí)行類加載（具體的細(xì)節(jié)將在后續(xù)的文章中探討）。接下來需要為對(duì)象分配內(nèi)存空間，而且內(nèi)存空間除對(duì)象頭外都要被初始化為0值，這就保證了對(duì)象的屬性在不賦初始值的情況下就能直接使用。再下來，JVM要對(duì)對(duì)象進(jìn)行必要的設(shè)置，主要是對(duì)象頭的設(shè)置以及對(duì)象的初始化工作（按照程序員的意愿為屬性設(shè)定對(duì)應(yīng)的值），到此一個(gè)對(duì)象就真正的完成了創(chuàng)建過程。
  • 對(duì)象的內(nèi)存布局
    對(duì)于HotSpot虛擬機(jī)而言，對(duì)象在內(nèi)存中的布局可以為分3塊區(qū)域：對(duì)象頭、實(shí)力數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。對(duì)象頭包含兩部分信息，第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)識(shí)等；另一部分是類型指針，也就是對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。
  • 對(duì)象的訪問定位

開發(fā)

如果只想運(yùn)行Java程序，那么有JRE就足夠了，因?yàn)樗诉\(yùn)行Java程序所需的虛擬機(jī)還有就是支撐程序運(yùn)行的上下文環(huán)境；如果想要用Java開發(fā)應(yīng)用程序那么就得有JDK，因?yàn)镴DK中包含了Java開發(fā)的必要工具。當(dāng)然，在開發(fā)過程中使用IDE（集成開發(fā)環(huán)境）可以大大提升開發(fā)效率。對(duì)于Java開發(fā)而言，可以選擇的IDE主要有三個(gè)：

  • Eclipse：國(guó)內(nèi)有很多程序員都在使用Eclipse，因?yàn)樗?jiǎn)單、免費(fèi)、還有很多提升開發(fā)效率的特性。

  • IntelliJ：集成的插件和功能較多，代碼提示和修復(fù)能力強(qiáng)大，可以根據(jù)需求對(duì)IDE進(jìn)行定制，有免費(fèi)和付費(fèi)兩種版本，后者支持的功能更多更強(qiáng)大。

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  • NetBeans：我自己使用這個(gè)IDE的次數(shù)非常少，因此也只能說這是官方提供的開發(fā)工具。

書籍

  • 入門讀物：Core Java（中文名：《Java核心技術(shù)》，目前最新的版本是第10版，非常棒的入門書?。?/li>
  • 進(jìn)階讀物：Thinking in Java（中文名：《Java編程思想》）、Effective Java（提升Java水平必讀書籍）、Refactor（中文名《重構(gòu)：改善既有代碼設(shè)計(jì)》，編程大師Martin Fowler神作）、《Java與模式》（美籍華人閻宏博士力作）
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