Java的高级特性

Java的高级特性概述：

Lambda表达式

Lambda表达式是Java 8及更高版本中引入的一个重要特性，它提供了一种简洁的方式来表示匿名方法（即没有名称的方法）。Lambda表达式特别适用于实现仅有一个抽象方法的接口（这类接口被称为函数式接口）。Lambda表达式使得代码更加简洁、易于阅读，并且提高了编程效率。

Lambda表达式的基本语法

(参数列表) -> { 方法体 }

• 参数列表：Lambda表达式接收的参数。如果参数列表为空，可以省略小括号()。如果只有一个参数，并且该参数的类型可以通过上下文推断出来，那么小括号和参数类型都可以省略。
• ->：Lambda操作符，用于分隔参数列表和方法体。
• 方法体：Lambda表达式需要执行的操作。如果方法体只包含一条语句，并且该语句的结果需要作为Lambda表达式的返回值，那么大括号{}可以省略，同时该语句的结束分号;也可以省略。但是，如果方法体包含多条语句，或者需要显式地返回结果，那么大括号{}和必要的分号;就不能省略。

使用Lambda表达式实现打印字符串的Runnable接口

Runnable runnable = () -> System.out.println("Hello, Lambda!");
new Thread(runnable).start();

在这个例子中，Runnable是一个函数式接口，它有一个无参数、无返回值的run方法。我们使用Lambda表达式() -> System.out.println("Hello, Lambda!")来实现了这个run方法，从而创建了Runnable接口的一个匿名实现。

Lambda表达式在Java中广泛应用于集合的遍历、筛选、映射等操作，以及并发编程中的线程池、CompletableFuture等场景。

在集合操作中使用Lambda表达式进行过滤和映射示例

假设我们有一个Person类，它有两个属性：name（姓名）和age（年龄），并且我们有一个Person对象的列表。我们的目标是找出列表中所有年龄大于30岁的人，并打印出他们的姓名。

首先，我们定义Person类：

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

    // 构造函数、getter和setter省略

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

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    // toString方法省略，但建议在实际类中实现以方便打印
}

其次，使用Lambda表达式实现过滤和打印的功能

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;

public class LambdaExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个Person对象的列表
        List people = Arrays.asList(
                new Person("Alice", 31),
                new Person("Bob", 25),
                new Person("Charlie", 35),
                new Person("David", 29)
        );

        // 使用Lambda表达式和stream API来过滤年龄大于30的人，并收集他们的姓名
        List namesOfOldPeople = people.stream()
                .filter(person -> person.getAge() > 30) // 过滤操作
                .map(Person::getName) // 映射操作，使用方法引用
                .collect(Collectors.toList()); // 收集结果

        // 打印结果
        namesOfOldPeople.forEach(System.out::println);
    }
}

在这个例子中，我们首先通过Arrays.asList创建了一个Person对象的列表。然后，我们使用stream()方法将列表转换为流，以便进行链式操作。通过filter()方法，我们传入了一个Lambda表达式person -> person.getAge() > 30来过滤出年龄大于30的Person对象。接着，我们使用map()方法，并通过方法引用Person::getName将过滤后的Person对象映射为他们的姓名字符串。最后，我们使用collect(Collectors.toList())将映射后的流收集到一个新的列表中，并通过forEach()方法和System.out::println来打印出这些姓名。

这个例子展示了Lambda表达式在集合操作中的强大功能，以及如何与Java 8引入的流API结合使用来简化代码。

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流（Streams）API

流（Streams）API是Java 8中引入的一个关键特性，它提供了一种高效且表达力强的方式来处理集合（如List、Set）以及数组等数据源。流API的设计初衷是为了让集合操作更加灵活、易于理解，并且可以利用多核处理器的优势进行并行处理。

流的基本概念

• 流（Stream）：流是数据源到数据汇（比如另一个集合、累加器或终端操作）的序列。流操作可以是中间操作（如过滤、映射）或终端操作（如收集、归约）。
• 数据源：流的数据源可以是集合、数组、生成器函数等。
• 中间操作：中间操作会返回一个新的流，并且可以被链式调用。中间操作包括过滤（filter）、映射（map）、排序（sorted）等。
• 终端操作：终端操作会处理流中的元素，并产生一个结果，比如集合（collect）、值（reduce）、无结果（forEach）等。终端操作会触发流的执行。

流的特点

• 惰性求值：流操作是惰性的，即中间操作不会立即执行，而是会等到终端操作时才会实际处理流中的元素。
• 不可变性：流操作不会修改数据源，而是返回一个新的流。
• 函数式编程：流API的设计符合函数式编程的原则，允许你以声明式的方式处理数据集合。

流的常见操作

• 过滤（Filter）：通过给定的条件过滤流中的元素。
• 映射（Map）：将流中的每个元素转换成另一种形式。
• 排序（Sorted）：对流中的元素进行排序。
• 收集（Collect）：将流中的元素收集到集合中，如List、Set等。
• 归约（Reduce）：通过某种操作将流中的元素归约成一个单一的值。
• 匹配（Match）：检查流中的元素是否满足某些条件，如anyMatch、allMatch、noneMatch。

示例

假设我们有一个Person对象的列表，我们想要找出所有年龄大于30岁的人的姓名列表：

List people = // 假设这是我们的Person对象列表
List namesOfOldPeople = people.stream()
    .filter(p -> p.getAge() > 30) // 过滤操作
    .map(Person::getName) // 映射操作，使用方法引用
    .collect(Collectors.toList()); // 收集结果

// 现在namesOfOldPeople包含了所有年龄大于30岁的人的姓名

在这个例子中，我们首先通过stream()方法将列表转换为流，然后链式调用了filter()和map()两个中间操作，最后通过collect()终端操作将结果收集到一个新的列表中。

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方法引用

与Lambda表达式紧密相关的是方法引用，它是对Lambda表达式的一种更简洁的写法，是Lambda表达式的一个简洁表示形式，它允许你直接引用已存在的方法或构造函数。当Lambda表达式的主体只是调用一个已存在的方法时，你可以使用方法引用来代替Lambda表达式。

方法引用主要几种形式：

静态方法引用

使用类名来引用静态方法。

Integer::parseInt // 相当于 x -> Integer.parseInt(x)

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特定对象的实例方法引用

使用特定对象来引用其实例方法。

String str = "Hello";
Consumer greeting = str::length; // 注意：这里实际上是不常见的用法，因为greeting没有使用到外部定义的str对象，更常见的是下面的形式
// 更常见的实例方法引用形式是在流操作中使用，比如list.forEach(System.out::println);

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特定类型的任意对象的实例方法引用

使用类名来引用其任意对象的实例方法。这要求Lambda表达式中的参数是类类型的一个实例，并且该实例方法没有修改除参数以外的对象状态。

List list = Arrays.asList("apple", "banana", "cherry");
list.forEach(String::toUpperCase); // 相当于 list.forEach(s -> s.toUpperCase());

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构造器引用

使用类名来引用其构造器。

Supplier> listSupplier = ArrayList::new; // 相当于 Supplier> 

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注解

Java从1.5版本开始引入了注解，注解是Java中的一个重要特性，它为代码提供了元数据。这些元数据可以在编译时、加载时或运行时被读取，以执行各种任务，如自动生成代码、生成文档、进行编译时检查、在运行时处理类等。Java提供了内置的注解，如@Override、@Deprecated等，同时也允许你定义自己的注解。

在Java中，注解是通过@interface关键字定义的，它看起来很像接口，但实际上是一种特殊的类型。注解可以附加在类、方法、参数、变量、包等程序元素上，以提供关于这些元素的额外信息。

Java标准库提供了许多内置的注解，比如@Override（表示某个方法是重写了父类中的方法）、@Deprecated（表示某个程序元素（类、方法等）已过时，不建议使用）、@SuppressWarnings（指示编译器忽略特定的警告）等。

除了内置注解外，Java还允许开发者定义自己的注解。自定义注解时，可以通过元注解（如@Target、@Retention、@Inherited等）来指定注解的适用范围、保留策略等。

• @Target：用于指定注解可以应用的Java元素类型（如类、方法、参数等）。
• @Retention：用于指定注解的保留策略，即注解在何时生效。常见的保留策略有SOURCE（仅在源码中保留，编译时丢弃）、CLASS（在源码和class文件中保留，但运行时不可见）和RUNTIME（在源码、class文件和运行时都保留，因此可以通过反射读取）。
• @Inherited：表示注解类型会被自动继承。如果在一个类上使用了一个被@Inherited注解的注解类型，那么这个类的子类也会继承这个注解。

注解本身不直接影响代码的执行，但它们可以被编译器或运行时环境读取，以执行各种任务。例如，在Java的持久化框架（如JPA）中，注解被用来描述实体类与数据库表之间的映射关系；在Spring框架中，注解被用来实现依赖注入等功能。

反射（Reflection）

在Java中，反射（Reflection）是一种强大的机制（特性），它允许程序在运行时检查和操作类的行为和对象的属性。通过反射，你可以在运行时获取类的信息（如类的字段、方法、构造函数等），并动态地创建对象、调用方法或访问字段。这种机制为Java语言提供了高度的灵活性和动态性。然而，反射也会降低程序的性能，并可能破坏封装性，因此在使用时需要谨慎。

反射的主要用途包括：

1. 动态创建对象：使用Class.forName()加载类，然后使用Class对象的newInstance()方法创建该类的实例。

2. 动态调用方法：通过Method类的实例，可以调用类中的任何方法，包括私有方法。

3. 动态访问字段：通过Field类的实例，可以访问类的私有字段，并对其进行修改。

4. 获取类的信息：使用反射可以获取类的名称、父类、实现的接口、构造函数、方法和字段等信息。

反射的常用类和方法：

• Class：代表类的本身，包含创建对象、获取方法、字段等信息的方法。
• Method：表示类和接口中的方法，可以动态调用方法。
• Field：表示类和接口中的字段，可以访问和修改字段的值。
• Constructor：表示类的构造函数，可以用来动态创建对象。

反射的示例代码

// 动态加载类并创建对象
try {
    Class clazz = Class.forName("com.example.MyClass");
    Object obj = clazz.newInstance();

    // 调用方法
    Method method = clazz.getMethod("myMethod", String.class);
    method.invoke(obj, "Hello, Reflection!");

    // 访问字段
    Field field = clazz.getDeclaredField("myField");
    field.setAccessible(true); // 如果字段是私有的，需要设置为可访问
    Object fieldValue = field.get(obj);
    System.out.println(fieldValue);
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}

注意事项：

• 反射会牺牲一些性能，因为它涉及到了类型检查等动态操作。
• 使用反射访问私有字段和方法时，应谨慎处理，以避免破坏封装性。
• 反射可以绕过Java的访问控制检查，因此应仅在必要时使用，并确保代码的安全性。

泛型（Generics）

在Java中，泛型（Generics）是Java 5引入的一个特性，泛型是一种强大的特性，它提供了编译时类型安全检测机制，允许程序员在类、接口、方法创建时定义一个或多个类型参数（这些类型参数在声明时指定，并在使用时具体化）。通过使用泛型，你可以编写更加灵活、可重用的代码，同时避免了在运行时出现ClassCastException。

泛型的主要优点包括：

1. 类型安全：通过泛型，你可以在编译时期就检查到类型错误，而不是在运行时。
2. 消除强制类型转换：在使用泛型之前，我们经常需要对集合中的元素进行强制类型转换，而使用泛型后，你可以在获取元素时自动获得正确的类型。
3. 提高代码的重用性：你可以编写一套泛型代码来操作多种类型的数据，提高了代码的重用性。

泛型的使用场景：

• 集合类（如List、Set、Map等）的泛型化，使得你可以在编译时期就指定集合中元素的类型。
• 泛型方法，允许你定义在方法内部操作的类型。
• 泛型接口，可以定义一个接口，其中的类型参数在实现类或子类中被具体化。
• 泛型类，可以定义一个类，其中的类型参数在创建类的实例时被具体化。

示例代码

// 泛型集合示例
List stringList = new ArrayList<>();
stringList.add("Hello");
// stringList.add(123); // 编译错误，因为泛型集合指定了元素类型为String

// 泛型方法示例
public static  T getFirstElement(List list) {
    if (list != null && !list.isEmpty()) {
        return list.get(0);
    }
    return null;
}

// 使用泛型方法
List intList = new ArrayList<>();
intList.add(1);
Integer firstInt = getFirstElement(intList);

异常处理

Java的异常处理机制是一种结构化的错误处理方式。通过try-catch-finally语句块，你可以捕获并处理在程序执行过程中发生的异常。Java还提供了自定义异常的功能，允许你根据实际需要定义新的异常类。

异常处理的基本结构

Java中的异常处理是通过try、catch和finally（可选）块来实现的。

• try块：包含可能引发异常的代码。
• catch块：紧跟在try块之后，用于捕获并处理try块中抛出的异常。可以有多个catch块来处理不同类型的异常。
• finally块（可选）：无论是否发生异常，finally块中的代码都会被执行。它通常用于执行清理操作，如关闭文件流或数据库连接。

示例代码

try {
    // 尝试执行的代码，可能引发异常
    int result = 10 / 0; // 这里会抛出ArithmeticException
} catch (ArithmeticException e) {
    // 处理ArithmeticException
    System.out.println("发生了算术异常: " + e.getMessage());
} catch (Exception e) {
    // 处理其他类型的异常（可选）
    System.out.println("发生了异常: " + e.getMessage());
} finally {
    // 清理代码，无论是否发生异常都会执行
    System.out.println("执行清理操作");
}

注意事项

• 异常类型：在catch块中，你应该尽可能具体地指定异常类型，而不是简单地使用Exception类。这有助于你更精确地了解异常的原因，并编写更有针对性的处理代码。
• 避免过度使用异常：异常处理虽然强大，但过度使用会使代码变得难以理解和维护。在可能的情况下，应该通过其他方式（如返回值、断言等）来处理错误情况。
• 资源泄露：在使用finally块时，要确保即使在发生异常的情况下也能正确释放资源。

枚举（Enumerations）

枚举（Enumerations）在Java中是一种特殊的类，它用于表示一组常量。通过枚举，你可以定义一组命名的整型常量，使得代码更加清晰易读。枚举在Java 5（JDK 1.5）中被引入，自那以来，它们已经成为了处理固定集合的常用工具。枚举不仅比传统的常量定义方式更加类型安全，还提供了丰富的功能，如枚举方法、枚举构造函数、枚举集合等。

枚举的基本用法：

1. 定义枚举：使用enum关键字来定义一个枚举。枚举中可以直接定义常量，这些常量默认是public static final的。

   enum Color {
       RED, GREEN, BLUE;
   }

2. 枚举的构造函数：虽然枚举中的常量看起来像是静态字段，但实际上它们是通过枚举类型的构造函数创建的实例。枚举可以有构造函数，但构造函数必须是私有的，以防止外部代码创建枚举的实例。

   enum Color {
       RED("红色"), GREEN("绿色"), BLUE("蓝色");
   
       private final String description;
   
       Color(String description) {
           this.description = description;
       }
   
       public String getDescription() {
           return description;
       }
   }

3. 实现接口：枚举类型可以实现接口，并且每个枚举常量都可以有自己的实现。

   interface Printable {
       void print();
   }
   
   enum Color implements Printable {
       RED {
           @Override
           public void print() {
               System.out.println("红色");
           }
       },
       GREEN {
           @Override
           public void print() {
               System.out.println("绿色");
           }
       },
       BLUE {
           @Override
           public void print() {
               System.out.println("蓝色");
           }
       };
   
       @Override
       public void print() {
           // 默认实现（可选）
       }
   }

4. 枚举的方法：枚举可以包含抽象方法和具体方法，使得每个枚举常量可以有自己的行为。

5. 枚举的遍历：可以使用values()方法遍历枚举的所有常量，或者使用EnumSet和EnumMap等集合类来操作枚举。

   for (Color c : Color.values()) {
       System.out.println(c + " - " + c.getDescription());
   }

内部类

内部类（Inner Class）是Java编程语言中一个非常重要的概念，它允许你定义在另一个类（称为外部类）里面的类。内部类可以是静态的（Static Inner Class）或非静态的（Non-static Inner Class，也称为实例内部类 Instance Inner Class）。内部类提供了更好的封装性，并且可以方便地访问外部类的成员（包括私有成员）。

非静态内部类

非静态内部类会隐式地持有其外部类的一个引用。因此，你不能在没有外部类实例的情况下创建非静态内部类的实例。创建非静态内部类实例的通常语法是：

OuterClass outer = new OuterClass();
OuterClass.InnerClass inner = outer.new InnerClass();

静态内部类

静态内部类不会持有外部类的引用，因此它可以像其他任何类一样被创建，而不需要外部类的实例。创建静态内部类实例的语法类似于其他类的实例化：

OuterClass.StaticInnerClass inner = new OuterClass.StaticInnerClass();

局部内部类

局部内部类是在方法内部定义的类。它的作用域被限定在定义它的方法或代码块中。局部内部类同样可以访问外部类的成员，但不能访问外部类的非final局部变量（在Java 8及以后版本中，可以使用effectively final的局部变量）。

匿名内部类

匿名内部类是没有名字的内部类，它通常用于实现简单的接口或继承一个类，并在需要时立即使用其实例。匿名内部类常用于GUI编程、事件监听器等场景。

使用内部类的优点

• 更好的封装：内部类可以隐藏起来，不被外部类以外的其他类访问。
• 方便访问外部类的成员：内部类可以直接访问外部类的所有成员（包括私有成员），而不需要使用外部类的公共getter和setter方法。
• 实现多重继承：通过内部类，Java可以间接地实现多重继承（因为Java本身不支持多重继承）。外部类可以继承一个类，而内部类可以实现多个接口。

自动装箱与拆箱

Java 5引入了自动装箱与拆箱机制，它允许自动地将基本数据类型与其对应的包装类进行转换。这简化了代码编写，但也需要注意自动装箱与拆箱可能会导致的性能问题。

自动装箱（Autoboxing）

自动装箱是指将基本数据类型（如int、double等）自动转换为它们对应的包装类（如Integer、Double等）的过程。这个过程是自动完成的，你不需要显式地调用包装类的构造函数。

示例：

int i = 5;
Integer integer = i; // 自动装箱

在上面的例子中，int类型的变量i被自动装箱成了Integer类型的对象integer。

拆箱（Unboxing）

拆箱则是自动装箱的逆过程，即将包装类对象自动转换为它们对应的基本数据类型。这个过程同样是自动完成的，你不需要显式地调用包装类的方法（如intValue()）来获取基本数据类型的值。

示例：

Integer integer = 10;
int i = integer; // 拆箱

在上面的例子中，Integer类型的对象integer被拆箱成了int类型的变量i。

注意事项

• 自动装箱和拆箱虽然简化了编程，但也可能导致性能问题，因为涉及到对象的创建和销毁。
• 在进行拆箱时，如果包装类对象为null，则会抛出NullPointerException。
• 在进行大量数值计算时，建议使用基本数据类型以提高性能。