7、Java 核心 API 与常用类库详解

开篇概览：Java 核心类库体系

Java 标准库（Java Standard Library）提供了大量开箱即用的类和接口，覆盖字符串处理、日期时间、数学运算、系统操作、对象基础等核心功能。掌握这些核心 API，可大幅提升开发效率，避免重复造轮子。

本章重点介绍以下核心类库：

• 字符串处理：String（不可变）、StringBuilder（单线程高效）、StringBuffer（线程安全）；
• 日期时间 API：传统 Date/Calendar（已过时） vs 现代 LocalDateTime 系列（Java 8+ 推荐）；
• 数学工具：Math（数学函数）、Random（随机数）；
• 系统操作：System（标准输入输出、属性、垃圾回收）；
• 包装类：Integer、Double 等，支持自动装箱/拆箱；
• Object 类：所有类的根类，提供 equals、hashCode、toString 等基础方法。

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一、字符串处理：String、StringBuilder、StringBuffer

1.1 String（不可变字符串）

• 特点：内容不可变，每次修改都生成新对象；
• 适用场景：字符串内容不频繁变化（如配置、常量）；
• 线程安全：是（因不可变）。

示例：String 基本操作

public class StringDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建字符串
        String str1 = "Hello";
        String str2 = new String("World");

        // 字符串拼接（+ 操作符底层使用 StringBuilder）
        String result = str1 + " " + str2;
        System.out.println("拼接结果: " + result); // Hello World

        // 常用方法
        System.out.println("长度: " + result.length());           // 11
        System.out.println("转大写: " + result.toUpperCase());    // HELLO WORLD
        System.out.println("是否包含 'Hello': " + result.contains("Hello")); // true
        System.out.println("子串: " + result.substring(6));       // World

        // 字符串比较：必须用 equals()，不能用 ==
        String s1 = "Java";
        String s2 = new String("Java");
        System.out.println("s1 == s2: " + (s1 == s2));           // false（引用不同）
        System.out.println("s1.equals(s2): " + s1.equals(s2));   // true（内容相同）
    }
}

⚠️ 注意：频繁拼接字符串（如循环中）应避免使用 String +，性能极低。

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1.2 StringBuilder（可变、非线程安全）

• 特点：内容可变，内部使用字符数组动态扩容；
• 适用场景：单线程下大量字符串拼接；
• 性能：远高于 String 拼接。

示例：StringBuilder 高效拼接

public class StringBuilderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建 StringBuilder 对象
        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        // 循环拼接（高效）
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            sb.append("第").append(i).append("项, ");
        }

        // 转为 String
        String result = sb.toString();
        System.out.println("拼接结果: " + result); // 第1项, 第2项, 第3项, 第4项, 第5项,

        // 其他操作
        sb.insert(0, "【开头】"); // 在开头插入
        sb.delete(sb.length() - 2, sb.length()); // 删除末尾逗号和空格
        System.out.println("处理后: " + sb.toString());
    }
}

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1.3 StringBuffer（可变、线程安全）

• 特点：与 StringBuilder 功能相同，但方法加 synchronized；
• 适用场景：多线程环境下的字符串拼接（极少使用，因性能低）；
• 性能：低于 StringBuilder。

✅ 选择建议：

• 单线程 → StringBuilder；
• 多线程 → 优先考虑其他同步方案，而非 StringBuffer。

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二、日期时间 API

2.1 传统 API（已过时，不推荐）

• java.util.Date：表示时间戳，但方法设计混乱；
• java.util.Calendar：可修改日期，但线程不安全、API 复杂。

示例：传统 API（仅作了解）

import java.util.*;

public class OldDateDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // Date 表示当前时间
        Date now = new Date();
        System.out.println("当前时间（Date）: " + now);

        // Calendar 用于操作日期
        Calendar cal = Calendar.getInstance();
        cal.set(2023, Calendar.DECEMBER, 25); // 设置日期（月份从0开始！）
        Date christmas = cal.getTime();
        System.out.println("圣诞节: " + christmas);

        // 获取年份（注意：YEAR 返回的是当前年份 - 1900）
        int year = cal.get(Calendar.YEAR);
        System.out.println("年份: " + year); // 2023
    }
}

❌ 问题：

• Date 可变（线程不安全）；
• 月份从 0 开始（易错）；
• 无时区、格式化复杂。

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2.2 现代 API（Java 8+ 推荐）

• 包：java.time
• 核心类：
  • LocalDate：仅日期（年-月-日）；
  • LocalTime：仅时间（时:分:秒.纳秒）；
  • LocalDateTime：日期+时间；
  • ZonedDateTime：带时区的日期时间；
  • DateTimeFormatter：格式化与解析。

示例：现代日期时间 API

import java.time.*;
import java.time.format.DateTimeFormatter;

public class NewDateTimeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 获取当前日期时间
        LocalDate today = LocalDate.now();
        LocalTime now = LocalTime.now();
        LocalDateTime dateTime = LocalDateTime.now();
        System.out.println("当前日期: " + today);         // 2024-06-15
        System.out.println("当前时间: " + now);           // 14:30:45.123
        System.out.println("当前日期时间: " + dateTime);  // 2024-06-15T14:30:45.123

        // 2. 创建指定日期时间
        LocalDate birthday = LocalDate.of(1990, 5, 20);
        LocalDateTime meeting = LocalDateTime.of(2024, 7, 1, 9, 0, 0);
        System.out.println("生日: " + birthday);          // 1990-05-20
        System.out.println("会议时间: " + meeting);       // 2024-07-01T09:00

        // 3. 日期计算
        LocalDate nextWeek = today.plusWeeks(1);
        LocalDate lastMonth = today.minusMonths(1);
        System.out.println("下周: " + nextWeek);
        System.out.println("上个月: " + lastMonth);

        // 4. 格式化输出（使用预定义或自定义格式）
        DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy年MM月dd日 HH:mm:ss");
        String formatted = dateTime.format(formatter);
        System.out.println("格式化后: " + formatted);     // 2024年06月15日 14:30:45

        // 5. 解析字符串为日期时间
        String dateStr = "2024-08-15 10:00:00";
        LocalDateTime parsed = LocalDateTime.parse(dateStr, 
            DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
        System.out.println("解析结果: " + parsed);        // 2024-08-15T10:00
    }
}

✅ 现代 API 优势：

• 不可变（线程安全）；
• 清晰的 API 设计；
• 内置格式化支持；
• 无月份从0开始的陷阱。

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三、数学相关：Math 与 Random

3.1 Math 类（工具类，全静态方法）

示例：常用数学函数

public class MathDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 绝对值
        System.out.println("绝对值: " + Math.abs(-10));        // 10

        // 幂运算
        System.out.println("2的3次方: " + Math.pow(2, 3));    // 8.0

        // 平方根
        System.out.println("16的平方根: " + Math.sqrt(16));   // 4.0

        // 最大值/最小值
        System.out.println("最大值: " + Math.max(5, 10));     // 10

        // 向上/向下取整
        System.out.println("向上取整: " + Math.ceil(3.2));    // 4.0
        System.out.println("向下取整: " + Math.floor(3.8));   // 3.0

        // 四舍五入
        System.out.println("四舍五入: " + Math.round(3.6));   // 4

        // 随机数 [0.0, 1.0)
        System.out.println("随机数: " + Math.random());
    }
}

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3.2 Random 类（生成随机数）

示例：生成各种随机数

import java.util.Random;

public class RandomDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Random rand = new Random();

        // 生成 int 范围随机数
        int randomInt = rand.nextInt(100); // [0, 100)
        System.out.println("0-99 的随机整数: " + randomInt);

        // 生成指定范围整数 [min, max)
        int min = 10, max = 20;
        int rangeInt = rand.nextInt(max - min) + min;
        System.out.println("10-19 的随机整数: " + rangeInt);

        // 生成 boolean
        System.out.println("随机布尔值: " + rand.nextBoolean());

        // 生成 double
        System.out.println("随机小数 [0.0, 1.0): " + rand.nextDouble());
    }
}

💡 安全随机数：若需加密级随机数，使用 java.security.SecureRandom。

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四、系统相关：System 类

核心功能：

• System.out / System.err：标准输出/错误流；
• System.in：标准输入流；
• System.getProperty()：获取系统属性；
• System.currentTimeMillis()：获取当前时间戳（毫秒）；
• System.gc()：建议 JVM 执行垃圾回收（不保证立即执行）。

示例：System 类常用操作

import java.util.Scanner;

public class SystemDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 获取系统属性
        String osName = System.getProperty("os.name");
        String javaVersion = System.getProperty("java.version");
        // 获取当前工作目录
        String userDir = System.getProperty("user.dir");
        System.out.println("操作系统: " + osName);
        System.out.println("Java 版本: " + javaVersion);
        System.out.println("当前工作目录: " + userDir);

        // 2. 获取当前时间戳（常用于性能测试）
        long start = System.currentTimeMillis();
        // 模拟耗时操作
        try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗时: " + (end - start) + " 毫秒");

        // 3. 标准输入（配合 Scanner）
        System.out.print("请输入您的姓名: ");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        String name = scanner.nextLine();
        System.out.println("您好, " + name + "！");

        // 4. 建议垃圾回收（一般不需要手动调用）
        System.gc();
    }
}

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五、包装类与自动装箱/拆箱

5.1 包装类（Wrapper Classes）

基本类型	包装类
byte	Byte
short	Short
int	Integer
long	Long
float	Float
double	Double
char	Character
boolean	Boolean

5.2 自动装箱（Autoboxing）与拆箱（Unboxing）

• 装箱：基本类型 → 包装类（如 int → Integer）；
• 拆箱：包装类 → 基本类型（如 Integer → int）；
• JVM 自动完成，简化代码。

示例：自动装箱与拆箱

public class WrapperDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 自动装箱：int → Integer
        Integer num1 = 100; // 等价于 Integer.valueOf(100)

        // 自动拆箱：Integer → int
        int num2 = num1;    // 等价于 num1.intValue()

        // 在集合中使用（集合只能存对象）
        java.util.List<Integer> list = new java.util.ArrayList<>();
        list.add(200);      // 自动装箱
        int first = list.get(0); // 自动拆箱

        // 注意：null 值拆箱会抛出 NullPointerException
        Integer nullNum = null;
        // int x = nullNum; // ❌ 运行时抛出 NullPointerException

        // 缓存机制：-128 ~ 127 的 Integer 对象被缓存
        Integer a = 127;
        Integer b = 127;
        System.out.println("a == b (127): " + (a == b)); // true（同一对象）

        Integer c = 128;
        Integer d = 128;
        System.out.println("c == d (128): " + (c == d)); // false（不同对象）
    }
}

⚠️ 注意：

• 避免在循环中频繁装箱/拆箱（性能损耗）；
• == 比较包装类时，仅在缓存范围内可能为 true，应使用 equals()。

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六、Object 类：所有类的根

所有 Java 类隐式继承自 java.lang.Object，因此具备以下方法：

方法	说明
toString()	返回对象的字符串表示（建议重写）
equals(Object obj)	判断两对象是否“相等”（建议重写）
hashCode()	返回哈希码（若重写 equals，必须重写 hashCode）
getClass()	获取运行时类
clone()	创建并返回对象副本（需实现 Cloneable）
finalize()	对象被回收前调用（已废弃，Java 9+）

示例：重写 Object 方法

class Person {
    private String name;
    private int age;

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

    // 重写 toString()：便于打印对象
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{name='" + name + "', age=" + age + "}";
    }

    // 重写 equals()：按 name 和 age 判断相等
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) return true;
        if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
        Person person = (Person) obj;
        return age == person.age && name.equals(person.name);
    }

    // 重写 hashCode()：保证 equals 相等的对象 hashCode 相同
    @Override
    public int hashCode() {
        return name.hashCode() * 31 + age;
    }
}

public class ObjectDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("张三", 25);
        Person p2 = new Person("张三", 25);

        System.out.println("p1: " + p1); // 调用 toString()
        System.out.println("p1.equals(p2): " + p1.equals(p2)); // true
        System.out.println("p1.hashCode() == p2.hashCode(): " + (p1.hashCode() == p2.hashCode())); // true
    }
}

✅ 重写原则：

• equals() 必须满足：自反性、对称性、传递性、一致性；
• hashCode()：相等对象必须有相同哈希码，不相等对象尽量不同。

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七、总结

类库类别	核心类	推荐用法
字符串	String / StringBuilder	不变用 String，拼接用 StringBuilder
日期时间	LocalDateTime 系列	全面替代 Date/Calendar
数学	Math / Random	基础计算与随机数生成
系统	System	获取属性、时间戳、IO 流
包装类	Integer 等	集合存储、自动装箱/拆箱
Object	Object	重写 toString/equals/hashCode

📌 最佳实践：

• 日期时间永远使用 java.time 包；
• 字符串拼接避免循环中用 +；
• 重写 equals 时必须重写 hashCode；
• 包装类比较使用 equals() 而非 ==。

掌握这些核心 API，是编写高效、健壮、可维护 Java 代码的基础。