Java SE 基础知识

1. Java虚拟机（JVM）

2. Java的加载与执行原理

2.1. 编译阶段

在编译阶段，Java程序员编写的.java源代码文件会经过javac编译器的处理。javac编译器会读取一个或多个.java源文件，对其进行词法分析、语法分析和语义分析等编译过程，最终将这些符合Java语法规则的源代码文件编译生成对应的.class字节码文件。这些.class文件包含了JVM能够理解和执行的字节码指令，而不是特定操作系统的机器码。

2.2. 运行阶段

运行阶段是在JVM（Java虚拟机）中完成的，这是Java实现”一次编译，到处运行”跨平台特性的核心机制。

2.2.1. 类加载过程

当使用java命令启动程序时，JVM首先通过ClassLoader（类加载器）来加载所需的.class文件。ClassLoader会根据CLASSPATH环境变量或命令行指定的路径来定位并加载.class文件。加载后的.class文件会经过以下步骤：

1. 加载：将.class文件的二进制数据读入内存
2. 链接：包括验证字节码的正确性和安全性、为静态变量分配内存并设置默认值等
3. 初始化：执行静态初始化代码，为静态变量赋予正确的初始值

2.2.2. JVM执行过程

加载完成后，JVM内部会进行一系列处理：

• 类加载验证：确保加载的字节码符合JVM规范，没有安全隐患
• 解释执行与即时编译：JVM既可以解释执行字节码，也可以通过JIT（即时编译器）将热点代码编译成本地机器码以提高执行效率
• 运行时数据管理：JVM管理程序运行所需的各种内存区域，包括堆、栈、方法区等
• 垃圾回收：自动管理内存，回收不再使用的对象

2.2.3. 与操作系统的交互

JVM作为Java程序和底层操作系统之间的中间层，屏蔽了不同操作系统的差异。无论是Windows、Linux还是macOS，同一份.class字节码文件都可以在对应平台的JVM上运行。JVM会将字节码指令最终转换为特定操作系统的机器码，并通过操作系统调用硬件资源完成程序的实际执行。

这种设计使得Java程序具有良好的跨平台性，开发者只需编写一次代码，编译成字节码后就可以在任何安装了相应JVM的平台上运行，而无需针对不同操作系统重新编译。

3. JDK、JRE、JVM分别是什么？他们的关系是什么？

JDK（Java Development Kit）是Java开发工具包，提供了Java开发人员所需的开发工具和JRE。JRE（Java Runtime Environment）是Java运行环境，包括Java虚拟机（JVM）和Java程序所需的核心类库。JVM（Java Virtual Machine）是Java虚拟机，负责运行.class文件中的字节码指令。简而言之，JDK包含JRE和开发工具，JRE包含JVM和标准类库，而JVM是实现Java跨平台特性的核心机制。

4. class 和 public class 的区别

一个Java源文件可以定义多个类，编译后，每个类都会生成对应的.class字节码文件。如果一个类被声明为public，那么该类的名称必须与源文件名相同。一个源文件中可以没有public类，但如果有，那么只能有一个。每个类都可以包含一个main方法作为程序入口，但在实际开发中，通常只设定一个入口。

class A{
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("A执行了");
    }
}
class B{
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("B执行了");
    }
}
public class X{
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("X执行了，这个 Java 源文件名为 X.java");
    }
}

5. Java标识符命名规范

Java 标识符的命名遵循驼峰命名法：

• 类名、接口名： 首字母大写，后续每个单词首字母大写。例如：StudentService
• 变量名、方法名： 首字母小写，后续每个单词首字母大写。例如：productPrice
• 常量名： 全部大写，单词之间使用下划线分隔。例如：LOGIN_SUCCESS
• 包名： 全部小写。例如：com.camellia.javase.extends

6. Java中的加号运算符

public class PlusTest{
    public static void main(String[] args) {
        int a=10;
        int b=20;
        String str="10";
        // 字符串拼接
        System.out.println(str + b); // 1020;
        str="30";
        // 当一个表达式中出现多个+，若没有（），遵循从左到右。
        System.out.println(a + b + str); // 3030;
        // 添加了（）优先级比较高。
        System.out.println(a+(b+str)); // 102030
    }
}

7. 变量的分类

• 局部变量（Local Variables）： 在方法、代码块或构造方法中声明的变量称为局部变量。局部变量只在其声明的范围内可见，超出该范围就无法访问。局部变量的生命周期仅在其声明的代码块、方法或构造方法执行期间。当代码块或方法执行完毕时，局部变量将被销毁。
• 成员变量（Instance Variables）： 在类中声明的变量，但在方法之外，类的任何地方都可以访问，称为成员变量或实例变量。每个对象都有一份成员变量的副本，它们属于对象的状态。成员变量的生命周期与对象的生命周期相同。它们随着对象的创建而创建，随着对象的销毁而销毁。
• 静态变量（Static Variables）： 使用 static 关键字声明的成员变量称为静态变量。静态变量属于类而不是对象，在类加载时初始化，并且所有对象共享同一份静态变量。静态变量的生命周期与类的生命周期相同。它们在类加载时初始化，随着类的卸载而销毁。

public class VarClassify {
    public static void main(String[] args) {
        // 凡是在方法体中定义的变量，一定是局部变量。
        // 局部变量只在当前方法体中有效。
        int a=100;
    }

    // 在类中定义的变量叫做成员变量。
    // 实例变量
    int b=200;
    // 静态变量
    static int c=300;
}

8. 原码、反码、补码

8.1. byte与bit

字节（byte）是计算机数据存储和处理的基础单位，通常由8个比特（bit）构成。每个比特是计算机中最小的数据存储单位，它只能表示0或1这两种状态。因此，一个字节能够表示8个比特（bit）的信息。

在计算机中，数据通常以字节（byte）为单位进行存储和传输，而比特（bit）是表示数据的最小单位。

• 1KB = 1024byte
• 1MB = 1024KB
• 1GB = 1024MB
• 1TB = 1024GB

8.2. 原码、反码、补码概念及其转换

原码、反码和补码是计算机中表示整数的三种不同方法，它们在位运算和数值计算中扮演着关键角色。以下是它们的定义及其相互转换的方法：

8.2.1. 概念

1. 原码（源码）：

• 原码是整数的最基本的二进制表示形式。
• 正数的原码与其二进制表示形式相同，即最高位为 0。
• 负数的原码最高位为 1，其余位为对应正数的二进制表示。

2. 反码：

• 反码是基于原码生成的，其中正数的反码与其原码一致，而负数的反码则是将原码的符号位保持不变，其余各位进行取反操作后得到的。
• 例如，在8位二进制数中，正数的反码与原码相同，而负数的反码则是将符号位保持不变，其余各位进行取反。

3. 补码：

• 补码的定义是基于反码，其中正数的补码与其原码一致，而负数的补码则是在其反码的基础上加1得到。
• 例如，在8位二进制数中，正数的补码与原码是相同的，而负数的补码则是其反码加1得到的。

8.2.2. 源码转补码

• 正数的原码、反码、补码都相同。
• 负数的反码是将原码除符号位外各位取反得到的。
• 负数的补码是将其反码加 1 得到的。

举例来说，假设有一个 8 位二进制补码表示的负数 -5，补码为 11111011。按照上述步骤转换为原码：

1. 判断符号位：符号位为 1，表示是负数。
2. 求反码：除符号位外的各位取反，得到 10000100（反码）。
3. 求反码加 1：将反码加 1，得到 10000101（原码）。

8.2.3. 补码转源码

1. 判断补码的符号位： 补码的最高位是符号位。如果符号位为 0，则表示补码表示的是正数；如果符号位为 1，则表示补码表示的是负数。
2. 分情况讨论：

• 如果补码表示的是正数，则补码、原码和反码相同，直接将补码作为原码即可。
• 如果补码表示的是负数，则执行下面的步骤：
• 求补码的反码： 将补码除符号位外的各位取反，得到反码。
• 求反码加 1： 将反码加 1，得到原码。

其中值得注意的是-128，它的源码与补码相同。 其原码、反码、补码如下：

• 原码：10000000
• 反码：11111111
• 补码：10000000

所以一个byte（字节）的范围是-128~127，可以表示256种不同的情况（中间包含一个零）。

此外，计算机系统底层采用补码表示法。Java是一种结合了编译和解释阶段的混合型语言。