兰州大学Java实验教学资源与实践

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简介：Java编程作为计算机科学的核心领域，在大学教育中扮演着关键角色。兰州大学为学生提供的Java实验资源，以马俊教授的课程标准为指导，旨在通过实际操作加深对Java编程的理解和掌握。实验内容涉及Java基础语法、面向对象编程、异常处理、集合框架、IO流、多线程、网络编程等关键知识点，强调理论与实践相结合，使学生能够提升编程技能和问题解决能力。

1. Java编程基础

1.1 Java语言概述

Java是一种高级的面向对象的编程语言，它强调跨平台性，即“一次编写，到处运行”的特性。Java设计初衷是为了实现一种能适应各种环境的计算机语言。其跨平台的能力来源于Java虚拟机（JVM），这使得Java程序能够在安装了相应JVM的不同操作系统上运行，无需修改代码。

1.2 Java程序结构

Java程序通常由类（class）构成，每个类文件通常对应一个 .java 文件。Java程序的执行入口是 main 方法，它有一个特定的签名 public static void main(String[] args) 。Java支持单继承和多实现，即一个类可以继承自另一个类，同时实现多个接口。

1.3 开发环境搭建

开始Java编程之前，需要搭建一个开发环境。通常这包括安装Java开发工具包（JDK）和集成开发环境（IDE），例如IntelliJ IDEA或Eclipse。安装JDK后，还需配置环境变量，如 JAVA_HOME 和 PATH ，以便在任何目录下通过命令行运行Java程序和编译器。

以下是一个简单的Java程序示例，该程序打印“Hello, World!”：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

在上述代码中，我们定义了一个 HelloWorld 类，它包含一个 main 方法，该方法是程序的入口点。使用 System.out.println 方法来输出字符串到控制台。编写代码后，需要将其编译并运行，以验证程序的正确性。

2. 面向对象编程概念

面向对象编程（OOP）是一种编程范式，其核心思想是将数据（属性）和行为（方法）封装在对象中，强调对象间的相互作用。通过模拟现实世界中的实体和过程，OOP能够帮助开发者构建模块化和可重用的代码。

2.1 面向对象的三大特征

在这一子章节中，将详细介绍面向对象编程的三大基本特征：封装、继承和多态，探讨它们的概念、意义以及在Java编程中的实现和应用。

2.1.1 封装、继承、多态的概念和意义

封装 是指将数据（属性）和代码（方法）绑定在一起，形成一个独立的对象，并对对象的实现细节进行隐藏，只暴露必要的接口供外部访问。封装可以防止外界直接访问对象内部状态，从而增强了代码的模块性和安全性。

// 一个简单的封装示例
public class Person {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

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

在上述代码中， Person 类将 name 属性封装在内部，提供 setName 和 getName 方法来设置和获取该属性，外部代码不能直接访问 name ，只能通过这些方法与对象交互。

继承 是一种允许新创建的类（子类）继承一个已存在的类（父类）的属性和方法的机制，子类可以重用父类的代码，并可以扩展新的功能。继承促进了代码复用，同时也支持了层次化的分类和扩展。

// 继承的简单实现
public class Employee extends Person {
    private String department;

    public String getDepartment() {
        return department;
    }

    public void setDepartment(String department) {
        this.department = department;
    }
}

在这个例子中， Employee 类继承了 Person 类，拥有了 Person 类的所有属性和方法，并添加了自己的属性 department 和相关的方法。

多态 是指允许不同类的对象对同一消息做出响应的能力。在Java中，多态通常通过方法重载（overloading）和方法重写（overriding）来实现。多态使得程序具有良好的扩展性和可维护性。

// 多态的应用示例
public class Animal {
    public void makeSound() {
        System.out.println("Animal makes a sound");
    }
}

public class Dog extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("Dog barks");
    }
}

在这个例子中， Dog 类重写了 Animal 类的 makeSound 方法，使得 Dog 对象能够发出不同于一般动物的声音。

2.1.2 类与对象的创建和使用

在Java中，类是创建对象的模板，对象是类的具体实例。创建类和对象的过程包括定义类、实例化对象和通过对象访问成员变量和方法。

// 类的定义和对象的创建
public class Computer {
    private String brand;
    private int year;

    public Computer(String brand, int year) {
        this.brand = brand;
        this.year = year;
    }

    public void displayInfo() {
        System.out.println("This is a " + year + " " + brand + " computer.");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Computer myComputer = new Computer("Lenovo", 2021);
        myComputer.displayInfo();
    }
}

在这个例子中，首先定义了一个 Computer 类，包含了品牌和年份两个属性，以及一个构造方法和一个显示信息的方法。然后在 Main 类的 main 方法中创建了一个 Computer 类的对象，并通过这个对象调用了 displayInfo 方法来显示信息。

2.2 面向对象的高级特性

这一子章节将探索接口与抽象类的区别及应用，以及内部类与匿名类的使用场景。

2.2.1 接口与抽象类的区别和应用

接口（Interface）和抽象类（Abstract class）是Java中实现多态的两种方式，它们都不能被直接实例化，但可以定义对象可以做什么，即声明方法。接口和抽象类的定义、功能和使用场景上存在明显差异。

接口 是一种完全抽象的类，只包含方法的定义，不能有方法的实现。接口定义了一组方法规范，任何实现该接口的类都必须提供这些方法的具体实现。

// 接口定义示例
public interface Movable {
    void move(double x, double y);
}

上述代码中定义了一个名为 Movable 的接口，它包含了一个 move 方法的声明。

抽象类 可以包含一个或多个抽象方法，也可以包含具体的方法实现。抽象类可以有构造方法，但不能直接被实例化。抽象类的主要目的是为子类提供一个共享的模板，子类可以继承抽象类并实现其抽象方法。

// 抽象类定义示例
public abstract class Animal {
    public abstract void makeSound();

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

在这个例子中， Animal 是一个抽象类，它包含了一个抽象方法 makeSound 和一个具体方法 eat 。

接口与抽象类的主要区别：

• 接口可以实现多重继承，而类只能继承单个抽象类。
• 接口中定义的方法默认为 public ，而抽象类中的方法可以有其他访问修饰符（如 protected ）。
• 接口中不能包含成员变量，而抽象类中可以包含成员变量。
• 抽象类可以包含构造器，接口则不能。

接口和抽象类的应用场景：

• 使用接口实现类之间的多重继承，提供通用方法。
• 使用抽象类实现代码的复用，提供一个共享模板。

2.2.2 内部类与匿名类的使用场景

内部类 是指在一个类的内部定义的类。内部类可以访问其外部类的所有成员，包括私有成员，而内部类对外部是隐藏的。内部类主要有成员内部类、局部内部类、静态内部类和匿名内部类几种形式。

// 成员内部类示例
public class OuterClass {
    private class InnerClass {
        void display() {
            System.out.println("Inner class displays.");
        }
    }
}

在这个例子中， InnerClass 是一个成员内部类，它位于 OuterClass 内部。

匿名类 是没有名称的内部类，它不能有构造器，但可以在创建对象时直接实现一个或多个接口。匿名类通常用于创建一个小型的对象，其代码块定义了该对象应该拥有的方法。

// 匿名类使用示例
Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("This is a anonymous class.");
    }
};

在这个例子中，匿名类实现了 Runnable 接口，并重写了 run 方法。

内部类和匿名类的使用场景：

• 当类的实现需要访问外部类的成员时，可以使用内部类。
• 当需要实现临时对象或事件处理程序时，可以使用匿名类。
• 如果一个类只需要实现一次，之后不再复用，使用匿名类更方便。
• 如果需要重写多个方法，或者想要为代码块提供额外的功能，可以使用匿名类。

通过以上内容的介绍，我们了解了面向对象编程的三大基本特征和高级特性，以及在Java中的应用和实现。这些概念的深入理解对于编写高质量和易于维护的代码至关重要。在接下来的章节中，我们将进一步探讨Java编程的其他高级主题。

3. 异常处理机制

3.1 异常的分类与处理

3.1.1 理解Java中的异常层次结构

在Java语言中，异常处理是通过一个层级式的体系结构来实现的，用于处理程序运行时发生的各种不正常情况。异常层次结构的根是 java.lang.Throwable 类，它的两个主要子类是 java.lang.Error 和 java.lang.Exception 。 Error 类用于处理严重的错误，通常是与系统相关的问题，比如 OutOfMemoryError 或者 StackOverflowError ，这些问题一般不是由程序本身能够解决的，而是需要程序管理员介入处理。另一方面， Exception 类用于处理较为常见的可恢复的错误情况，如 IOException 或 NullPointerException 。

在设计和实现异常处理逻辑时，开发人员需要对异常层次结构有清晰的理解，以便能够精确捕获和处理对应的异常类型。错误的异常处理可能会导致程序在运行时出错或者资源泄露。

try {
    // 业务逻辑代码
} catch (IOException e) {
    // 处理IO相关异常
} catch (NullPointerException e) {
    // 处理空指针异常
} catch (Exception e) {
    // 处理其他通用异常
} finally {
    // 清理资源，无论是否发生异常都会执行
}

3.1.2 异常捕获和处理的原则

异常捕获和处理应当遵循一些基本原则以确保程序的健壮性和可维护性。一个重要的原则是尽量捕获最具体的异常类型，避免使用过于宽泛的 catch 块，这不仅会导致无法精确处理异常，还可能掩盖一些重要的错误信息。例如，如果一段代码可能会抛出 IOException 和 NullPointerException ，应当分别捕获这两种异常而不是仅仅捕获 Exception 。

此外，应当在异常处理代码中记录足够的信息用于后续的故障诊断和分析。在实际的生产环境中，使用日志框架（如Log4j、SLF4J等）记录异常信息，要比使用 System.err.println 更为合适和高效。合理的异常处理还可以避免异常被无声地吞掉，这可能导致问题进一步扩大。

// 记录异常信息的日志输出示例
try {
    // 业务逻辑代码
} catch (IOException e) {
    LOGGER.error("IO异常发生", e);
    // 可能还需要进行其他处理
} catch (NullPointerException e) {
    LOGGER.error("空指针异常发生", e);
    // 可能还需要进行其他处理
}

3.2 异常处理的高级应用

3.2.1 自定义异常的实现和使用

在某些情况下，标准的Java异常类可能无法充分描述特定的问题，此时开发人员可以自定义异常类来表示特定的错误情况。自定义异常通常继承自 Exception 类（受检异常）或者 RuntimeException 类（非受检异常），具体继承自哪个类取决于这个异常是否需要被强制处理。

自定义异常类一般包含两个构造器：一个是无参构造器，另一个是带有详细错误信息的构造器。还可以添加额外的方法来提供更多的上下文信息。自定义异常通常用于表示在特定的业务逻辑中出现的错误，比如无效的参数或者操作条件等。

public class CustomException extends Exception {
    private int errorCode;
    public CustomException(String message, int errorCode) {
        super(message);
        this.errorCode = errorCode;
    }

    public int getErrorCode() {
        return errorCode;
    }
}

使用自定义异常时，应当遵循Java异常处理的最佳实践，确保异常的类型能够清晰地描述问题，并且在合适的层次捕获和处理异常。

3.2.2 异常与日志记录的最佳实践

异常处理与日志记录是相辅相成的。良好的日志记录不仅可以帮助开发人员和系统管理员理解问题发生的环境和上下文，还可以在问题发生后提供必要的信息来快速定位和解决问题。使用日志记录异常信息时，应当记录异常的类型、消息以及堆栈跟踪信息，还可以记录相关的业务信息，如时间戳、请求参数等。

在Java中，日志框架通常提供了方便的方法来记录异常信息。例如，使用SLF4J和Logback组合时，可以简单地调用 logger.error("发生错误", exception) 来记录一个异常。日志框架通常会捕获异常并记录其堆栈跟踪信息，无需手动添加。

try {
    // 业务逻辑代码
} catch (Exception e) {
    LOGGER.error("捕获到异常", e);
    throw e; // 重新抛出异常，可能被更高层次捕获处理
}

在实际应用中，应当避免在日志中记录重复的信息，以免造成日志混乱。合理地配置日志级别，只记录对问题诊断有帮助的信息，可以大大提升日志系统的效率。

在本章节中，我们详细讨论了异常处理机制在Java编程中的重要性，以及如何有效地实现和应用异常处理。接下来，我们将转向Java集合框架，探讨其结构、遍历方式以及在实际开发中的高级应用。

4. Java集合框架

4.1 集合框架概述

4.1.1 集合框架的结构和重要接口

集合框架是Java编程中处理对象集合的基础。在Java中，集合框架定义了一组接口，这些接口描述了各种集合类型的共通操作，包括存储、检索、和操作集合元素。集合框架的结构以 java.util 包为根，其核心接口分为Collection、Map和Iterator。

• Collection 接口是单列集合的根接口，它包含了列表（List）、集合（Set）和队列（Queue）等子接口。
• Map 接口是双列集合的根接口，它通过键值对来存储数据。
• Iterator 接口提供了一种遍历集合的方法，它允许遍历集合的同时对元素进行删除操作，但不支持增加操作。

集合框架中的主要实现类包括 ArrayList 、 LinkedList 、 HashSet 、 LinkedHashSet 、 HashMap 、 TreeMap 等。

// 示例：遍历ArrayList的简单代码块
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;

public class CollectionDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("Item1");
        list.add("Item2");
        list.add("Item3");

        Iterator<String> iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            String item = iterator.next();
            System.out.println(item);
        }
    }
}

以上代码展示了如何创建一个 ArrayList 并使用 Iterator 进行遍历。在集合框架中，不同类型的集合用于解决不同类型的问题，例如，若需要保持插入顺序，可以使用 LinkedHashMap ，若需要快速检索，可以使用 HashMap 。

4.1.2 集合的遍历方式和性能考量

遍历集合是日常开发中最常见的操作之一，Java集合框架提供了多种遍历方式。以下列出了一些常见的遍历方式，并进行了性能上的考量：

• 使用 Iterator 遍历：这种方式在遍历集合时允许删除元素，但不支持添加操作。从性能上考虑，使用 Iterator 进行遍历是一个平衡的选择，适用于大多数场景。
• 使用增强型for循环：Java 5之后引入的增强型for循环（也称为for-each循环），提高了代码的可读性，对性能影响不大，但在遍历大数据量时可能会稍逊于传统的for循环。
• 使用普通的for循环：这种遍历方式在编译器层面转换为迭代器模式，性能稳定，可以手动控制迭代步长，但在遍历大型集合时代码可读性较差。

// 使用增强型for循环遍历数组的示例
int[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int number : numbers) {
    System.out.println(number);
}

在考虑性能时，除了遍历方式，还应考虑到集合的内部数据结构对性能的影响。例如， ArrayList 在随机访问元素时非常快速，但在频繁插入和删除元素时，由于其内部使用数组实现，性能会明显下降。相反， LinkedList 在插入和删除操作上性能较好，但随机访问性能不如 ArrayList 。

4.2 高级集合应用

4.2.1 Map接口的实现细节和应用场景

Map接口存储键值对的数据结构，并允许快速检索。其最常用的实现包括HashMap、LinkedHashMap和TreeMap，它们各自有不同的特点和适用场景：

• HashMap 提供了基于哈希表的Map实现，不允许有重复的键，而且不保证映射的顺序。它通常用于性能要求较高的场景，比如快速查找。
• LinkedHashMap 在HashMap的基础上维护了键值对的插入顺序，适合需要顺序遍历键值对的场景。
• TreeMap 基于红黑树实现，能够保证键值对处于排序状态。适合需要按键顺序进行操作的场景，如根据键值排序输出等。

Map的使用场景非常广泛，例如：

• 缓存实现，如将频繁访问的数据存储在内存中以加快访问速度。
• 轻量级的数据库，如存储会话信息等。
• 数据统计，如统计网页访问次数等。

// 示例：使用HashMap存储和访问数据
import java.util.HashMap;

public class MapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("Key1", 1);
        map.put("Key2", 2);

        Integer value = map.get("Key1");
        System.out.println("Value for 'Key1': " + value);
    }
}

4.2.2 Set和List的比较及其选择依据

Set和List是Java集合框架中的两个主要接口，它们都实现了Collection接口，但各有侧重点。Set集合用于存储不重复的元素，而List用于存储有序的元素集合。两者之间的比较和选择依据如下：

• 元素唯一性 ：Set接口要求所有元素都是唯一的，而List则允许重复元素存在。
• 元素顺序 ：List接口通过索引保持元素的插入顺序，而Set不保证元素的任何顺序。
• 性能考量 ：List在随机访问时表现更佳，而Set在频繁的添加和删除操作中更为高效。

以下表格展示了Set和List的不同实现及其特点：

集合类型	特点	实现类
HashSet	基于哈希表实现，不保证元素顺序	HashSet
LinkedHashSet	继承自HashSet，维护元素的插入顺序	LinkedHashSet
TreeSet	基于红黑树实现，元素有序且唯一	TreeSet
ArrayList	动态数组实现，按索引快速访问	ArrayList
LinkedList	基于链表实现，提供快速的插入和删除操作	LinkedList

// 示例：使用HashSet和ArrayList的性能差异
import java.util.HashSet;
import java.util.ArrayList;

public class CollectionPerformance {
    public static void main(String[] args) {
        // 测试添加元素到HashSet的性能
        HashSet<String> hashSet = new HashSet<>();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            hashSet.add("Item" + i);
        }

        // 测试添加元素到ArrayList的性能
        ArrayList<String> arrayList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            arrayList.add("Item" + i);
        }
    }
}

在实际开发中，选择Set还是List应基于具体的应用需求。例如，如果需要保证元素的唯一性且不关心元素顺序，可以选择HashSet；如果需要按照特定顺序访问元素，可以选择TreeSet。而List更适合需要频繁插入和删除元素的场景，特别是当需要通过索引快速访问数据时。

以上内容是基于章节要求编写的，如需要进一步细化或扩展某个方面，请提供更具体的指示。

5. Java IO流操作

5.1 IO流基础

5.1.1 IO流的基本概念和分类

在Java中，IO流是进行输入和输出的基础，它是一种数据传输的通道。IO流被广泛应用于文件读写、网络通信和内存数据的交换等领域。Java中的IO流主要分为输入流（InputStream和Reader）和输出流（OutputStream和Writer）两大类。

输入流 用于从源（如文件、键盘等）读取数据到内存中，而 输出流 则用于将内存中的数据写入目标（如文件、网络或控制台）。Java通过抽象基类来定义流的行为，并提供了一系列的子类以支持不同类型的IO操作。

5.1.2 字节流和字符流的使用和区别

字节流（InputStream和OutputStream）是处理二进制数据的基础流，它以字节为单位进行读写操作，适用于所有类型的数据。字节流不会涉及字符编码的问题，因此对于非文本数据的处理尤为合适。

字符流（Reader和Writer）则是在字节流的基础上，增加了对字符编码的支持，用于处理文本数据。它们是基于字符的读写流，能够处理Unicode字符，因此更适合处理文本文件。

在使用中，Java虚拟机(JVM)对字符流的处理方式有缓存机制，而字节流则没有。另外，字符流通常会涉及到字符编码转换，而字节流则直接操作字节数据，不会进行编码转换。

代码块示例

下面展示了一个简单的文件复制程序，分别使用字节流和字符流来完成任务。代码中涉及了 FileInputStream 和 FileOutputStream （字节流）以及 FileReader 和 FileWriter （字符流）的使用。

import java.io.*;

public class StreamCopyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 字节流复制文件示例
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("source.dat");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.dat")) {
            int content;
            while ((content = fis.read()) != -1) {
                fos.write(content);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 字符流复制文件示例
        try (FileReader fr = new FileReader("source.txt");
             FileWriter fw = new FileWriter("target.txt")) {
            int content;
            while ((content = fr.read()) != -1) {
                fw.write(content);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在以上示例中，如果源文件是文本文件，那么使用字符流是更为合适的选择，因为它可以正确处理编码转换。而对于二进制文件，如图片或视频等，使用字节流则更加直接有效。

5.2 IO流的高级特性

5.2.1 文件操作的高级技巧

在Java中， java.nio.file 包提供了更为高级的文件操作API。这一部分的API提供了更强大的文件和目录处理能力，如路径（Path）、文件属性访问（Files）、目录流（DirectoryStream）等。

在进行文件操作时，可以使用 Files 类提供的静态方法，如 Files.copy() 、 Files.move() 、 Files.delete() 等来执行文件的复制、移动和删除操作。同时， Files.readAttributes() 方法可以用来读取文件属性， Files.write() 方法可以用来写入文件内容。

代码块示例

下面是使用 Files 类操作文件的示例代码。

import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardCopyOption;
import java.nio.file.attribute.BasicFileAttributes;

public class AdvancedFileOperations {
    public static void main(String[] args) {
        Path sourcePath = Paths.get("source.txt");
        Path targetPath = Paths.get("target.txt");
        // 复制文件
        try {
            Files.copy(sourcePath, targetPath, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 获取文件属性
        try {
            BasicFileAttributes attr = Files.readAttributes(sourcePath, BasicFileAttributes.class);
            System.out.println("File last modified: " + attr.lastModifiedTime());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 删除文件
        try {
            Files.delete(sourcePath);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这段代码首先执行了文件的复制操作，然后获取了文件的一些基本属性并打印出来，最后删除了源文件。

5.2.2 IO流与网络编程的结合应用

IO流还可以与Java的网络编程功能结合使用。在Java中，网络编程主要基于 java.net 包中的类和接口来实现，如 Socket 类、 ServerSocket 类等。

通过这些类，可以建立客户端和服务端之间的连接，并使用IO流进行数据的读写操作。这种结合允许开发能够进行数据通信的应用程序，比如网络应用、服务端监听、数据传输等。

代码块示例

以下是一个简单的网络通信示例，展示了如何使用 Socket 和IO流进行简单的数据交换。

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class SimpleSocketIO {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 1234; // Server port number

        try (Socket socket = new Socket("localhost", port)) {
            // Connect to the server
            // Sending data to the server
            OutputStream output = socket.getOutputStream();
            String msg = "Hello from client!";
            output.write(msg.getBytes());
            output.flush();

            // Receiving data from the server
            InputStream input = socket.getInputStream();
            byte[] bytes = new byte[1024];
            int bytesRead = input.read(bytes);
            String response = new String(bytes, 0, bytesRead);
            System.out.println("Server says: " + response);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这段代码展示了客户端如何连接到运行在本地主机上特定端口的服务器，发送一条消息，并接收来自服务器的响应。整个过程中IO流负责在客户端和服务器之间传输数据。

通过以上各章节内容的详细介绍和代码示例，我们可以看到Java IO流操作不仅有着丰富的API支持，而且在多种应用场景下都有着不可替代的作用，是Java编程中不可或缺的一部分。

6. Java多线程编程

6.1 线程的创建与管理

6.1.1 线程的生命周期和优先级

在Java中，线程是程序中独立运行的最小单位，可以用来实现多任务的并发处理。线程的生命周期包括创建、就绪、运行、阻塞和死亡五个阶段。在创建阶段，线程对象通过new Thread()创建；进入就绪状态时，线程具备了运行条件，但CPU尚未分配资源；运行状态是指线程正在获取CPU资源执行任务；阻塞状态是指线程因某些原因放弃CPU使用权，暂时停止运行；当线程的run()方法执行完毕，或者被其他线程终止或中断时，线程进入死亡状态。

线程的优先级可以影响线程获取CPU时间片的几率，优先级范围从1到10，1为最低优先级，10为最高优先级。默认情况下，线程优先级是5，即NORM_PRIORITY。优先级高的线程获得较多的执行机会，但这并不意味着低优先级的线程不会被执行。

Thread thread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // Thread task
    }
});
thread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY); // 设置线程优先级为最高
thread.start(); // 启动线程

6.1.2 同步机制和线程安全问题

Java提供了多种同步机制来控制对共享资源的访问，以防止多线程环境中出现数据不一致的问题。最常用的同步机制是synchronized关键字，它确保了在任何时刻，只有一个线程可以执行synchronized块内的代码。另一个机制是使用java.util.concurrent.locks.Lock接口，提供了更灵活的锁定操作。

线程安全问题通常出现在多个线程访问共享资源时，如果不进行适当的同步控制，就可能会导致数据的不一致。例如，当多个线程同时修改一个共享计数器时，可能会产生竞态条件。

public class Counter {
    private int count = 0;
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

6.2 高级多线程技术

6.2.1 线程池的原理和使用

线程池是一种线程使用模式，它可以管理多个线程，优化资源利用，减少上下文切换开销，以及提供线程的执行调度。线程池的原理基于预创建一组线程，并将线程作为资源进行管理。

在Java中，线程池可以通过Executor框架来实现，核心类是java.util.concurrent.Executors。该框架提供了几个预定义的线程池实现，如ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor。

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10); // 创建一个固定大小的线程池
Future<Integer> future = executorService.submit(new Callable<Integer>() {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        // 执行耗时操作
        return 1;
    }
});
executorService.shutdown(); // 关闭线程池

6.2.2 并发工具类的应用和选择

java.util.concurrent包提供了大量的并发工具类，用于简化多线程编程的复杂性。例如，java.util.concurrent.locks.ReentrantLock可以用来替代synchronized，提供了更高级的线程同步功能；java.util.concurrent.CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作；CyclicBarrier和Semaphore也提供了不同场景下的线程同步需求。

选择合适的并发工具类需要根据具体场景的需求，例如，当需要实现生产者-消费者模型时，可以使用BlockingQueue；当需要限制对资源的访问时，可以使用Semaphore。

CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(2, new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        // 当所有线程都到达屏障点时执行的任务
    }
});
// 线程等待在屏障点，直到所有线程都到达
cyclicBarrier.await();

总结

Java多线程编程是构建高效、并发应用程序的关键技术之一。理解线程的生命周期、优先级、同步机制，以及线程安全问题是掌握多线程编程的基石。通过合理使用线程池和并发工具类，可以有效地解决资源调度和管理的问题。掌握这些知识，对于开发高性能的Java应用程序至关重要。

7. Java网络编程

7.1 网络编程基础

7.1.1 基于Socket的网络编程模型

网络编程是使不同计算机上的应用程序通过网络进行数据交换的过程。Java通过Socket编程提供了在不同机器间进行通信的能力。在网络编程中，Socket是实现端对端通信的关键组件。基本的Socket通信模型涉及客户端Socket和服务器端Socket两个主要组件。

客户端Socket负责发起连接到服务器，而服务器端Socket则在指定端口上监听来自客户端的连接请求。一旦连接建立，客户端和服务器之间就可以通过输入输出流进行双向通信。

下面是一个简单的TCP客户端Socket编程示例：

import java.io.*;
import java.net.*;

public class SimpleClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String host = "localhost"; // 服务器地址
        int port = 12345; // 服务器端口号
        try (Socket socket = new Socket(host, port);
             PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
             BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {
            // 发送数据到服务器
            out.println("Hello, Server!");
            // 从服务器接收数据
            String response = in.readLine();
            System.out.println("Server response: " + response);
        } catch (UnknownHostException e) {
            System.err.println("Server not found: " + e.getMessage());
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("I/O error: " + e.getMessage());
        }
    }
}

在上面的代码中，客户端创建了一个 Socket 实例来连接到服务器的指定地址和端口。接着，使用 PrintWriter 和 BufferedReader 来进行数据的发送和接收。发送一条消息后，客户端等待服务器的响应并输出。

7.1.2 URI、URL和URN的区别与应用

在网络编程中，资源标识符是不可或缺的。URI(Uniform Resource Identifier)是一个通用的概念，它包括URL(Uniform Resource Locator)和URN(Uniform Resource Name)。

• URI是用于标识互联网上资源的一种抽象，它是一个较广义的概念，包括了URL和URN。URI的格式由一系列的组件组成，如scheme、authority、path、query和fragment。

• URL是一种特定类型的URI，它不仅标识了资源，还指明了资源的位置和访问资源的方式，通常用于定位互联网上的网页或文件。一个URL的示例是 http://www.example.com/ 。

• URN也是一种URI，它为资源分配了一个名字，并在需要时通过某种命名机制来解析该名字。URN的格式通常是 urn:namespace:name ，例如 urn:isbn:0451450523 。

下面是一个利用URL进行HTTP请求的简单示例：

import java.net.*;

public class URLExample {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        URL url = new URL("http://www.example.com");
        HttpURLConnection connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
        // 设置请求方式为GET
        connection.setRequestMethod("GET");
        connection.setRequestProperty("User-Agent", "Mozilla/5.0");
        // 读取响应
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(connection.getInputStream()));
        String inputLine;
        StringBuffer content = new StringBuffer();
        while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
            content.append(inputLine);
        }
        in.close();
        // 打印内容
        System.out.println(content.toString());
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个 URL 实例来指定目标网站。通过使用 HttpURLConnection 类打开一个连接，并设置请求的方法为GET。之后，我们读取了服务器的响应并将其打印出来。

7.2 高级网络编程实践

7.2.1 使用NIO进行非阻塞网络编程

Java的NIO (New I/O) 是一种基于Channel(通道)和Buffer(缓冲区)的I/O操作方法。NIO提供了与传统的基于流的I/O不同的I/O操作方式，它支持面向缓冲区的、基于通道的I/O操作。NIO是面向缓冲区的，意味着你可以使用和管理一个缓冲区（Buffer）对象，数据会被读入或者写入到这个Buffer中。NIO还支持选择器（Selectors），这使得一个单独的线程可以管理多个网络连接。

非阻塞的网络编程是指，当一个网络操作（如读取）无法立即完成时，线程不会停下来等待它完成，而是继续执行其他任务，直到该操作可以完成。这对于开发高性能网络服务器尤其重要，因为它可以同时处理成千上万的连接而不需要成千上万的线程。

以下是一个简单的NIO服务器的示例：

import java.net.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        int port = 12345;
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            int readyChannels = selector.select();
            if (readyChannels == 0) continue;

            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            for (SelectionKey key : selectionKeys) {
                if (key.isAcceptable()) {
                    // Handle server socket accept
                }
                if (key.isReadable()) {
                    // Handle input
                }
                if (key.isWritable()) {
                    // Handle output
                }
            }
            selectionKeys.clear();
        }
    }
}

在这个NIO服务器的示例中，我们首先创建了一个 Selector 实例和一个 ServerSocketChannel 实例。我们配置 ServerSocketChannel 为非阻塞模式，并将它注册到选择器上。通过调用选择器的 select 方法，我们等待有准备好的通道，然后检查哪些通道已经准备好进行accept、read或write操作，并根据情况进行处理。选择器使得一个线程可以同时管理多个通道。

7.2.2 常见的网络协议和它们在Java中的实现

网络协议是网络通信的标准和规范。了解这些协议对于进行网络编程是非常重要的。常见的网络协议包括HTTP、HTTPS、FTP、SMTP等。Java提供了丰富的API来支持这些协议的实现。

以HTTP协议为例，Java通过 java.net.HttpURLConnection 类提供了基本的HTTP请求和响应处理功能。更高级的HTTP操作可以使用Apache HttpClient或Jetty等第三方库来实现。

下面是一个简单的使用 HttpURLConnection 发送HTTP GET请求的代码示例：

import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.URL;

public class HTTPGetExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            URL url = new URL("http://www.example.com");
            HttpURLConnection connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
            connection.setRequestMethod("GET");
            connection.setRequestProperty("User-Agent", "Mozilla/5.0");
            int responseCode = connection.getResponseCode();
            System.out.println("GET Response Code :: " + responseCode);
            connection.disconnect();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

此代码示例创建了一个 URL 对象，打开一个 HttpURLConnection 连接，并执行一个HTTP GET请求。请求头中还可以设置其他属性，如 User-Agent 等。然后我们通过 getResponseCode 方法获取响应状态码。

对于更复杂的HTTP操作，如POST请求、身份验证、连接持久化等，可以使用 java.net.http.HttpClient 类，这是Java 11中引入的一个新的HTTP客户端API。

import java.net.URI;
import java.net.http.HttpClient;
import java.net.http.HttpRequest;
import java.net.http.HttpResponse;

public class HTTPPostExample {
    public static void main(String[] args) {
        HttpClient client = HttpClient.newHttpClient();
        URI uri = URI.create("http://www.example.com/post");
        HttpRequest request = HttpRequest.newBuilder()
                .uri(uri)
                .header("Content-Type", "application/json")
                .POST(HttpRequest.BodyPublishers.ofString("{\"key\":\"value\"}"))
                .build();
        client.sendAsync(request, HttpResponse.BodyHandlers.ofString())
            .thenApply(HttpResponse::body)
            .thenAccept(System.out::println)
            .join();
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个HTTP客户端实例，并构建了一个POST请求。请求中的 BodyPublishers.ofString 方法用于添加JSON格式的请求体。我们使用 sendAsync 方法异步发送请求，并获取响应内容。

网络编程是一个复杂的领域，涉及多种协议和技术。掌握Java网络编程的核心概念和高级特性将大大提升开发效率和应用的性能。

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简介：Java编程作为计算机科学的核心领域，在大学教育中扮演着关键角色。兰州大学为学生提供的Java实验资源，以马俊教授的课程标准为指导，旨在通过实际操作加深对Java编程的理解和掌握。实验内容涉及Java基础语法、面向对象编程、异常处理、集合框架、IO流、多线程、网络编程等关键知识点，强调理论与实践相结合，使学生能够提升编程技能和问题解决能力。

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