java语言学习

Java 是一种广泛使用的编程语言,适用于各种应用开发,从移动应用到企业级服务器应用。以下是一个详细的 Java 语言学习大纲,涵盖了从基础到高级的主题。

一、Java 简介

  1. Java 的历史和特点
  2. Java 的应用领域
  3. Java 开发环境搭建
    • JDK 安装与配置
    • IDE 选择与安装(如 Eclipse, IntelliJ IDEA)

二、Java 基础

当然可以。下面我将结合一些简单的代码示例来讲解 Java 基础中的关键概念。

1. 基本语法

注释:

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// 这是单行注释

/*
这是多行注释
可以跨越多行
*/

/**
* 这是文档注释
* 用于生成 API 文档
*/
public class CommentsExample {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello, World!");
}
}

标识符和关键字:

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public class IdentifiersExample {
public static void main(String[] args) {
int age = 25; // 'age' 是一个合法的标识符
// int class = 10; // 'class' 是关键字,不能用作标识符
}
}

数据类型:

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public class DataTypesExample {
public static void main(String[] args) {
byte b = 10;
short s = 20;
int i = 30;
long l = 40L;
float f = 50.0f;
double d = 60.0d;
char c = 'A';
boolean bool = true;

System.out.println("byte: " + b);
System.out.println("short: " + s);
System.out.println("int: " + i);
System.out.println("long: " + l);
System.out.println("float: " + f);
System.out.println("double: " + d);
System.out.println("char: " + c);
System.out.println("boolean: " + bool);
}
}

变量和常量:

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public class VariablesExample {
public static void main(String[] args) {
int variable = 10; // 变量
final int constant = 20; // 常量

variable = 30; // 变量可以重新赋值
// constant = 40; // 常量不能重新赋值,会导致编译错误

System.out.println("Variable: " + variable);
System.out.println("Constant: " + constant);
}
}

2. 运算符

算术运算符:

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public class ArithmeticOperatorsExample {
public static void main(String[] args) {
int a = 10;
int b = 5;

System.out.println("Addition: " + (a + b));
System.out.println("Subtraction: " + (a - b));
System.out.println("Multiplication: " + (a * b));
System.out.println("Division: " + (a / b));
System.out.println("Modulus: " + (a % b));
}
}

关系运算符:

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public class RelationalOperatorsExample {
public static void main(String[] args) {
int a = 10;
int b = 5;

System.out.println("Equal: " + (a == b));
System.out.println("Not Equal: " + (a != b));
System.out.println("Greater Than: " + (a > b));
System.out.println("Less Than: " + (a < b));
System.out.println("Greater Than or Equal: " + (a >= b));
System.out.println("Less Than or Equal: " + (a <= b));
}
}

逻辑运算符:

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public class LogicalOperatorsExample {
public static void main(String[] args) {
boolean x = true;
boolean y = false;

System.out.println("AND: " + (x && y));
System.out.println("OR: " + (x || y));
System.out.println("NOT: " + (!x));
}
}

位运算符:

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public class BitwiseOperatorsExample {
public static void main(String[] args) {
int a = 60; // 60 = 0011 1100
int b = 13; // 13 = 0000 1101

System.out.println("AND: " + (a & b)); // 12 = 0000 1100
System.out.println("OR: " + (a | b)); // 61 = 0011 1101
System.out.println("XOR: " + (a ^ b)); // 49 = 0011 0001
System.out.println("NOT: " + (~a)); // -61 = 1100 0011
System.out.println("Left Shift: " + (a << 2)); // 240 = 1111 0000
System.out.println("Right Shift: " + (a >> 2)); // 15 = 0000 1111
System.out.println("Unsigned Right Shift: " + (a >>> 2)); // 15 = 0000 1111
}
}

赋值运算符:

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public class AssignmentOperatorsExample {
public static void main(String[] args) {
int a = 10;

a += 5; // a = a + 5
System.out.println("Addition Assignment: " + a);

a -= 3; // a = a - 3
System.out.println("Subtraction Assignment: " + a);

a *= 2; // a = a * 2
System.out.println("Multiplication Assignment: " + a);

a /= 4; // a = a / 4
System.out.println("Division Assignment: " + a);

a %= 3; // a = a % 3
System.out.println("Modulus Assignment: " + a);
}
}

3. 控制流程

条件语句:

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public class ConditionalStatementsExample {
public static void main(String[] args) {
int number = 10;

if (number > 0) {
System.out.println("Number is positive.");
} else if (number < 0) {
System.out.println("Number is negative.");
} else {
System.out.println("Number is zero.");
}

int day = 3;
switch (day) {
case 1:
System.out.println("Monday");
break;
case 2:
System.out.println("Tuesday");
break;
case 3:
System.out.println("Wednesday");
break;
default:
System.out.println("Other day");
break;
}
}
}

循环语句:

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public class LoopStatementsExample {
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("For loop iteration: " + i);
}

int j = 0;
while (j < 5) {
System.out.println("While loop iteration: " + j);
j++;
}

int k = 0;
do {
System.out.println("Do-While loop iteration: " + k);
k++;
} while (k < 5);
}
}

跳转语句:

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public class JumpStatementsExample {
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
if (i == 5) {
break; // 跳出循环
}
System.out.println("Break example: " + i);
}

for (int i = 0; i < 10; i++) {
if (i % 2 == 0) {
continue; // 跳过本次循环
}
System.out.println("Continue example: " + i);
}

int result = add(10, 20);
System.out.println("Return example: " + result);
}

public static int add(int a, int b) {
return a + b; // 从方法中返回
}
}

三、面向对象编程

面向对象编程(Object-Oriented Programming,OOP)是一种编程范式,它通过“对象”来组织代码,这些对象是类的实例。Java 是一种面向对象的编程语言,因此理解 OOP 的概念对于掌握 Java 至关重要。

1. 类和对象

类(Class):

  • 类是对象的蓝图或模板,它定义了对象的属性和行为。

对象(Object):

  • 对象是类的实例,它具有类定义的属性和行为。

示例代码:

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// 定义一个类
public class Car {
// 属性(成员变量)
String brand;
String model;
int year;

// 方法(行为)
void start() {
System.out.println("The car is starting.");
}

void stop() {
System.out.println("The car is stopping.");
}
}

// 创建对象并使用
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 Car 对象
Car myCar = new Car();
myCar.brand = "Toyota";
myCar.model = "Corolla";
myCar.year = 2020;

// 调用对象的方法
myCar.start();
myCar.stop();

// 输出对象的属性
System.out.println("Brand: " + myCar.brand);
System.out.println("Model: " + myCar.model);
System.out.println("Year: " + myCar.year);
}
}

2. 方法

方法(Method):

  • 方法是一段可重用的代码块,用于执行特定的任务。
  • 方法可以有参数和返回值。

方法重载(Method Overloading):

  • 方法重载是指在同一个类中定义多个同名但参数列表不同的方法。

示例代码:

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public class Calculator {
// 方法重载示例
int add(int a, int b) {
return a + b;
}

double add(double a, double b) {
return a + b;
}

int add(int a, int b, int c) {
return a + b + c;
}
}

public class Main {
public static void main(String[] args) {
Calculator calc = new Calculator();

System.out.println("Addition of two integers: " + calc.add(10, 20));
System.out.println("Addition of two doubles: " + calc.add(10.5, 20.5));
System.out.println("Addition of three integers: " + calc.add(10, 20, 30));
}
}

3. 构造器

构造器(Constructor):

  • 构造器是一种特殊的方法,用于初始化对象。
  • 构造器与类同名,没有返回类型。

默认构造器(Default Constructor):

  • 如果类中没有定义任何构造器,Java 会提供一个默认的无参构造器。

示例代码:

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public class Person {
String name;
int age;

// 构造器
Person(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}

void display() {
System.out.println("Name: " + name);
System.out.println("Age: " + age);
}
}

public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 使用构造器创建对象
Person person = new Person("John Doe", 30);
person.display();
}
}

4. 封装

封装(Encapsulation):

  • 封装是将数据(属性)和操作数据的方法(行为)绑定在一起,并隐藏对象的内部实现细节。
  • 通过访问修饰符(如 private, public)来控制对属性和方法的访问。

示例代码:

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

// Getter 和 Setter 方法
public String getName() {
return name;
}

public void setName(String name) {
this.name = name;
}

public int getAge() {
return age;
}

public void setAge(int age) {
if (age > 0) {
this.age = age;
}
}
}

public class Main {
public static void main(String[] args) {
Employee emp = new Employee();
emp.setName("Jane Doe");
emp.setAge(25);

System.out.println("Employee Name: " + emp.getName());
System.out.println("Employee Age: " + emp.getAge());
}
}

5. 继承

继承(Inheritance):

  • 继承是一种机制,允许一个类(子类)继承另一个类(父类)的属性和方法。
  • 子类可以扩展或修改父类的行为。

示例代码:

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// 父类
public class Animal {
void eat() {
System.out.println("This animal is eating.");
}
}

// 子类
public class Dog extends Animal {
void bark() {
System.out.println("The dog is barking.");
}
}

public class Main {
public static void main(String[] args) {
Dog dog = new Dog();
dog.eat(); // 继承自父类的方法
dog.bark(); // 子类自己的方法
}
}

6. 多态

多态(Polymorphism):

  • 多态是指同一个方法在不同的对象中有不同的实现。
  • 多态可以通过方法重载和方法重写实现。

方法重写(Method Overriding):

  • 方法重写是指子类重新定义父类中已有的方法。

示例代码:

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// 父类
public class Shape {
void draw() {
System.out.println("Drawing a shape.");
}
}

// 子类
public class Circle extends Shape {
@Override
void draw() {
System.out.println("Drawing a circle.");
}
}

// 子类
public class Square extends Shape {
@Override
void draw() {
System.out.println("Drawing a square.");
}
}

public class Main {
public static void main(String[] args) {
Shape shape1 = new Circle();
Shape shape2 = new Square();

shape1.draw(); // 输出: Drawing a circle.
shape2.draw(); // 输出: Drawing a square.
}
}

7. 抽象类和接口

抽象类(Abstract Class):

  • 抽象类是不能实例化的类,它用于定义抽象方法和具体方法。
  • 抽象方法只有声明,没有实现,需要在子类中实现。

接口(Interface):

  • 接口是一种完全抽象的类,它只包含抽象方法和常量。
  • 类可以实现多个接口。

示例代码:

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// 抽象类
abstract class Animal {
abstract void makeSound(); // 抽象方法

void sleep() {
System.out.println("The animal is sleeping.");
}
}

// 实现抽象类
class Dog extends Animal {
@Override
void makeSound() {
System.out.println("The dog barks.");
}
}

// 接口
interface Drawable {
void draw(); // 接口方法
}

// 实现接口
class Circle implements Drawable {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Drawing a circle.");
}
}

public class Main {
public static void main(String[] args) {
Animal dog = new Dog();
dog.makeSound(); // 输出: The dog barks.
dog.sleep(); // 输出: The animal is sleeping.

Drawable circle = new Circle();
circle.draw(); // 输出: Drawing a circle.
}
}

四、高级特性

Java 的高级特性包括异常处理、泛型、集合框架、多线程、I/O 流、网络编程等。这些特性在实际开发中非常重要,能够帮助开发者编写更高效、更健壮的代码。下面我将结合代码和开发中遇到的问题来详细讲解这些高级特性。

1. 异常处理

异常处理(Exception Handling):

  • 异常处理机制用于处理程序运行时出现的错误或异常情况。
  • Java 中的异常分为 Checked ExceptionUnchecked Exception

示例代码:

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public class ExceptionHandlingExample {
public static void main(String[] args) {
try {
int result = divide(10, 0);
System.out.println("Result: " + result);
} catch (ArithmeticException e) {
System.out.println("Error: " + e.getMessage());
} finally {
System.out.println("Finally block executed.");
}
}

public static int divide(int a, int b) {
return a / b;
}
}

开发中遇到的问题:

  • 在实际开发中,如果没有正确处理异常,可能会导致程序崩溃或产生不可预料的结果。例如,数据库操作时可能会抛出 SQLException,文件操作时可能会抛出 IOException,这些都需要通过异常处理机制来捕获和处理。

2. 泛型

泛型(Generics):

  • 泛型允许在定义类、接口和方法时使用类型参数,从而提高代码的复用性和类型安全性。

示例代码:

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import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class GenericsExample {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Hello");
list.add("World");

for (String item : list) {
System.out.println(item);
}
}
}

开发中遇到的问题:

  • 在没有泛型之前,集合类(如 ArrayList)存储的对象都是 Object 类型,需要进行类型转换,容易引发 ClassCastException。使用泛型可以避免这种问题,提高代码的类型安全性。

3. 集合框架

集合框架(Collections Framework):

  • 集合框架提供了一套用于存储和操作对象组的接口和类。
  • 常用的集合类包括 ArrayList, LinkedList, HashSet, TreeSet, HashMap, TreeMap 等。

示例代码:

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import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Set;

public class CollectionsExample {
public static void main(String[] args) {
// ArrayList
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Apple");
list.add("Banana");
System.out.println("ArrayList: " + list);

// HashSet
Set<Integer> set = new HashSet<>();
set.add(10);
set.add(20);
set.add(10); // 重复元素不会被添加
System.out.println("HashSet: " + set);

// HashMap
Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("Alice", 25);
map.put("Bob", 30);
System.out.println("HashMap: " + map);
}
}

开发中遇到的问题:

  • 在实际开发中,选择合适的集合类非常重要。例如,如果需要频繁插入和删除元素,应该使用 LinkedList;如果需要快速查找元素,应该使用 HashMap。选择不当可能会导致性能问题。

4. 多线程

多线程(Multithreading):

  • 多线程允许程序同时执行多个任务,提高程序的执行效率。
  • Java 提供了 Thread 类和 Runnable 接口来创建和管理线程。

示例代码:

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public class MultithreadingExample {
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(new MyRunnable(), "Thread 1");
Thread thread2 = new Thread(new MyRunnable(), "Thread 2");

thread1.start();
thread2.start();
}
}

class MyRunnable implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

开发中遇到的问题:

  • 多线程编程中常见的问题包括线程安全问题(如竞态条件、死锁)和性能问题(如线程上下文切换开销)。需要使用同步机制(如 synchronized 关键字、Lock 接口)来保证线程安全。

5. I/O 流

I/O 流(Input/Output Stream):

  • I/O 流用于处理输入和输出操作,包括文件读写、网络数据传输等。
  • Java 提供了多种 I/O 流类,如 FileInputStream, FileOutputStream, BufferedReader, BufferedWriter 等。

示例代码:

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import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;

public class IOExample {
public static void main(String[] args) {
try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("input.txt"))) {
String line;
while ((line = reader.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

开发中遇到的问题:

  • 在处理 I/O 操作时,需要注意资源的释放(如关闭文件流),否则可能会导致资源泄漏。Java 7 引入的 try-with-resources 语句可以自动关闭资源,简化代码。

6. 网络编程

网络编程(Network Programming):

  • 网络编程用于实现不同主机之间的通信。
  • Java 提供了 SocketServerSocket 类来实现 TCP 通信,DatagramSocket 类来实现 UDP 通信。

示例代码:

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import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class NetworkProgrammingExample {
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Server()).start();
new Thread(new Client()).start();
}
}

class Server implements Runnable {
@Override
public void run() {
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {
System.out.println("Server started on port 8080");
while (true) {
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
String inputLine;
while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
out.println("Server: " + inputLine);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

class Client implements Runnable {
@Override
public void run() {
try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true)) {
out.println("Hello from Client");
String response = in.readLine();
System.out.println(response);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

开发中遇到的问题:

  • 网络编程中常见的问题包括网络延迟、数据包丢失、连接中断等。需要通过异常处理和重试机制来保证通信的可靠性。

五、Java 工具和框架

Java 生态系统中有许多强大的工具和框架,它们可以帮助开发者提高开发效率、简化开发流程,并提供丰富的功能。下面我将详细讲解一些常用的 Java 工具和框架,并结合代码示例进行说明。

1. Maven

Maven:

  • Maven 是一个项目管理和构建工具,它使用项目对象模型(POM)来管理项目的构建、报告和文档。

示例代码:

  • pom.xml 文件示例:

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    <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <groupId>com.example</groupId>
    <artifactId>my-project</artifactId>
    <version>1.0-SNAPSHOT</version>

    <dependencies>
    <dependency>
    <groupId>junit</groupId>
    <artifactId>junit</artifactId>
    <version>4.12</version>
    <scope>test</scope>
    </dependency>
    </dependencies>
    </project>
  • 使用 Maven 构建项目:

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    mvn clean install

2. Spring Framework

Spring Framework:

  • Spring 是一个开源的 Java 应用框架,它提供了一个全面的编程和配置模型,用于构建企业级应用。

示例代码:

  • 创建一个简单的 Spring 应用:
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    import org.springframework.context.ApplicationContext;
    import org.springframework.context.annotation.AnnotationConfigApplicationContext;
    import org.springframework.context.annotation.Bean;
    import org.springframework.context.annotation.Configuration;

    @Configuration
    public class SpringExample {
    @Bean
    public HelloService helloService() {
    return new HelloService();
    }

    public static void main(String[] args) {
    ApplicationContext context = new AnnotationConfigApplicationContext(SpringExample.class);
    HelloService helloService = context.getBean(HelloService.class);
    helloService.sayHello();
    }
    }

    class HelloService {
    public void sayHello() {
    System.out.println("Hello, Spring!");
    }
    }

3. Hibernate

Hibernate:

  • Hibernate 是一个对象关系映射(ORM)框架,它简化了 Java 应用与数据库的交互。

示例代码:

  • 配置 hibernate.cfg.xml 文件:

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    <!DOCTYPE hibernate-configuration PUBLIC
    "-//Hibernate/Hibernate Configuration DTD 3.0//EN"
    "http://www.hibernate.org/dtd/hibernate-configuration-3.0.dtd">
    <hibernate-configuration>
    <session-factory>
    <property name="connection.driver_class">com.mysql.cj.jdbc.Driver</property>
    <property name="connection.url">jdbc:mysql://localhost:3306/mydb</property>
    <property name="connection.username">root</property>
    <property name="connection.password">password</property>
    <property name="dialect">org.hibernate.dialect.MySQL5Dialect</property>
    <property name="show_sql">true</property>
    <property name="hbm2ddl.auto">update</property>
    <mapping class="com.example.User"/>
    </session-factory>
    </hibernate-configuration>
  • 创建实体类:

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    import javax.persistence.Entity;
    import javax.persistence.GeneratedValue;
    import javax.persistence.GenerationType;
    import javax.persistence.Id;

    @Entity
    public class User {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long id;
    private String name;

    // Getters and Setters
    }
  • 使用 Hibernate 进行数据库操作:

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    import org.hibernate.Session;
    import org.hibernate.SessionFactory;
    import org.hibernate.Transaction;
    import org.hibernate.cfg.Configuration;

    public class HibernateExample {
    public static void main(String[] args) {
    Configuration config = new Configuration().configure();
    SessionFactory sessionFactory = config.buildSessionFactory();
    Session session = sessionFactory.openSession();
    Transaction tx = session.beginTransaction();

    User user = new User();
    user.setName("John Doe");
    session.save(user);

    tx.commit();
    session.close();
    sessionFactory.close();
    }
    }

4. JUnit

JUnit:

  • JUnit 是一个用于 Java 编程语言的单元测试框架。

示例代码:

  • 创建一个简单的测试类:
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    import org.junit.Test;
    import static org.junit.Assert.assertEquals;

    public class CalculatorTest {
    @Test
    public void testAdd() {
    Calculator calculator = new Calculator();
    int result = calculator.add(10, 20);
    assertEquals(30, result);
    }
    }

    class Calculator {
    public int add(int a, int b) {
    return a + b;
    }
    }

5. Log4j

Log4j:

  • Log4j 是一个用于 Java 的日志记录工具,它可以帮助开发者记录应用程序的运行时信息。

示例代码:

  • 配置 log4j.properties 文件:

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    log4j.rootLogger=DEBUG, stdout
    log4j.appender.stdout=org.apache.log4j.ConsoleAppender
    log4j.appender.stdout.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
    log4j.appender.stdout.layout.ConversionPattern=%d{ISO8601} %-5p %c{1}:%L - %m%n
  • 使用 Log4j 记录日志:

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    import org.apache.log4j.Logger;

    public class Log4jExample {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(Log4jExample.class);

    public static void main(String[] args) {
    logger.info("This is an info message.");
    logger.debug("This is a debug message.");
    logger.error("This is an error message.");
    }
    }

6. Jackson

Jackson:

  • Jackson 是一个用于处理 JSON 数据的 Java 库,它可以将 Java 对象转换为 JSON 格式,也可以将 JSON 数据转换为 Java 对象。

示例代码:

  • 使用 Jackson 进行 JSON 序列化和反序列化:
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    import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;

    public class JacksonExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();

    // Java object to JSON
    User user = new User();
    user.setId(1L);
    user.setName("John Doe");
    String jsonString = mapper.writeValueAsString(user);
    System.out.println("JSON: " + jsonString);

    // JSON to Java object
    User deserializedUser = mapper.readValue(jsonString, User.class);
    System.out.println("User: " + deserializedUser.getName());
    }
    }

    class User {
    private Long id;
    private String name;

    // Getters and Setters
    }

六、项目实践

  1. 需求分析
  2. 系统设计
  3. 编码实现
  4. 测试
  5. 部署

七、面试准备

  1. Java 基础知识复习
  2. 常见面试题解析
  3. 算法和数据结构
  4. 系统设计问题