Java編程問題（簡體書）

JDK8-21版本快速迭代，即使僅關注LTS版，層出不窮的新特性也會令開發人員應接不暇。所以本書并不總是提倡新的解決方案，而是側重于呈現某個問題的合理解決方案。本書精心挑選250余個Java日常開發中經常需面對的難題，涉及字符串、數字、集合、數據結構、日期和時間、不可變性、類型推斷Optional、Java I/O、Java反射、函數式編程、并發和HTTP客戶端WebSocket API等內容。書中為這些問題提供了解決思路與方案，這些知識還可幫你更從容面對面試與筆試。

JDK 8到12的版本快速迭代，使得現代Java的學習曲線變得陡峭，也增加了開發人員進入熟練編碼期的時間成本。然而，這些新的特性和概念，可以用來解決當下的許多問題。本書將從復雜性、性能、可讀性等方面入手，通過解釋正確的實踐和決策，讓你能夠采用客觀的方法來解決常見問題。
本書涵蓋了很多主題，如字符串、數字、數組、集合、數據結構、日期和時間、不可變性、類型推斷、Optional、Java I/O、Java反射、函數式編程、并發和HTTP client API等，共包含1000 示例和300 應用程序。通過學習這些內容，你可以提高編程水平，豐富技能工具箱，順利完成各種日常任務。無論你的任務簡單、中等還是復雜，掌握這些核心知識都是必要的。
閱讀本書后，你將深刻理解很多Java的概念，并能夠在面對開發問題時，設計出最佳的解決方案。
本書適合誰
本書對于初學者和中級Java開發人員特別有用。同樣的，書中深入探討的問題也是大部分Java開發者在日常工作中可能會遇到的難題。
閱讀本書并不需要過多的技術背景，只需你熱愛Java，并且具備閱讀Java代碼片段的能力。
本書包含了什么內容
第1章，字符串、數字和數學，我們將探討39個涉及字符串、數字和數學運算的問題。首先，我們會研究一些經典的字符串問題，如統計重復項數量、反轉字符串以及刪除空格等。隨后，我們會深入探討數字和數學運算相關問題，例如計算大數之和、處理運算溢出、比較無符號數，以及計算取整除和模數等。在解決這些問題時，我們不僅會提供多種方法，還將嘗試運用Java 8的函數式編程風格。此外，我們還會討論一些與JDK 9、10、11和12版本相關的話題。
第2章，對象、不可變性和Switch表達式，包含18個涉及對象、不可變性和Switch表達式的問題。本章從幾個處理空引用的問題開始，然后探討檢查索引、equals()和hashCode()以及不可變性（例如，編寫不可變類，并在不可變類中傳遞/返回可變對象）。本章的最后一部分涉及克隆對象和JDK 12的新版Switch表達式。到本章結束時，你將基本了解對象和不可變性。此外，你還將知道如何處理新版的Switch表達式。這些知識對于任何Java開發人員來說都是寶貴且必不可少的。
第3章，處理日期和時間，我們將探討20個與日期和時間相關的問題，包括轉換、格式化、加減、定義周期/持續時間、計算等方面。在此過程中，我們會用到Date、Calendar、LocalDate、LocalTime、LocalDateTime、ZonedDateTime、OffsetDateTime、OffsetTime和Instant等類。通過本章的學習，你將能夠熟練掌握各種日期和時間操作，了解相關API，并能將這些知識整合應用到實際業務需求中。
第4章，類型推斷，包含21個涉及JEP 286或Java局部變量類型推斷（LVTI）的問題，也稱為var類型。這些問題經過精心設計，以揭示使用var的最佳實踐和常見錯誤。到本章結束時，你將全面了解var，以便在生產環境中應用它。
第5章，數組、集合和數據結構，我們將詳細討論與數組、集合和數據結構相關的30個問題，并提供其解決方案。這些問題涵蓋了眾多常見需求，如排序、檢索、比較、反轉、填充、合并、復制及替換等操作。所有的解決方案都是基于Java 8～12版本實現的。讀完本章后，你將構建起一套完善的知識體系，以便更有效地解決各類與數組、集合和數據結構有關的問題。
第6章，Java I/O路徑、文件、緩存、掃描和格式化，包括20個Java文件I/O相關的問題。通過操作、輪詢、監聽文件流路徑，以及介紹讀寫文本文件/二進制文件的有效方式，本章將涵蓋Java開發者日常可能遇到的絕大多數I/O相關問題。這些知識將為你解決相關問題提供思路。
第7章，Java反射類、接口、構造函數、方法和字段，包括17個Java反射API的相關問題，從那些經典問題，如檢查和實例化Java artifact（模塊、包、類、接口、超類、構造函數、方法、注解、數組等），到JDK 11引入的合成構造函數和基于嵌套的訪問控制，據此提供了對Java反射API的全面介紹。看完本章后，Java反射API在你面前將再無任何秘密，你可以給你的同事秀下反射都可以做什么。
第8章，函數式編程：基礎與設計模式，包括11個和Java函數式編程相關的問題。首先我們將從零開始了解生成函數式接口的完整過程，然后還將使用函數式編程來解釋一套基于GoF的設計模式。
第9章，函數式編程：進階，包括22個Java函數式編程的進階問題。在本章我們會重點關注流的經典操作（如f?ilter和map）的相關問題，并討論無限流、null-safe流和默認方法這些內容。本章還會涵蓋分組、分區、收集器（包括JDK 12的teeing()收集器和自定義收集器開發）這些內容。此外，我們也會針對takeWhile()、dropWhile()、組合函數、謂詞、比較器、Lambda表達式的驗證和調試等其他熱門問題展開討論。
第10章，并發：線程池、Callable接口以及同步器，包含了涉及Java并發的14個問題。我們從幾個涉及線程生命周期、對象和類級別的鎖的基礎問題開始，然后討論關于Java線程池的一系列問題，包含JDK 8實現的工作竊取（work-stealing）線程池。之后，我們會花點精力研究Callable和Future。最后，我們將探究Java有關同步器的一些問題［例如屏障（barrier）、信號量（semaphore）和交換器（exchanger）］。通過本章的學習，你應該可以熟悉Java并發的主要內容并準備好處理一些高級問題了。
第11章，并發：深入探討，包含13個Java并發相關問題，涵蓋fork/join框架、CompletableFuture、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock、原子變量（atomic variables）、任務取消、可中斷方法、thread-local和死鎖（deadlock）等內容。并發性是每一位開發人員的必修課，尤其在求職面試中頗受重視，這也是為什么上一章和本章如此重要的原因。完成本章閱讀后，你將對并發有相當的了解
第12章，Optional，包括24個問題，旨在提示你注意使用Optional的幾條規則。
第13章，HTTP Client和WebSocket API，包括20個涵蓋HTTP Client和WebSocket API的相關問題。還記得HttpUrlConnection嗎？JDK 11附帶的HTTP Client API可以認為是對HttpUrlConnection的重新發明。HTTP Client API易于使用并支持HTTP/2（默認）和HTTP/1.1。為了向后兼容，當服務器不支持HTTP/2時，HTTP Client API會自動從HTTP/2降級到HTTP 1.1。此外，HTTP Client API支持同步和異步編程模型，并依賴流來傳輸數據（響應式流）。它還支持WebSocket協議，該協議在實時Web應用程序中被使用，以提供具有低開銷的客戶端-服務器通信。
如何從本書中獲得最大的收益
最好先掌握一些Java語言的基礎知識，建議安裝以下組件：
· 適合自己的IDE（非必須）。
· JDK 12和Maven 3.3.x。
· 必要時，安裝一些額外的第三方庫。
下載示例代碼文件
你可以從https://www.packtpub.com的賬戶下載本書的示例代碼文件。如果你在其他地方購買了本書，你也可以訪問https://www.packtpub.com/support并注冊，隨后相關文件將直接通過電子郵件發送給你。
以下是下載代碼文件的詳細步驟：
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· 適用于Windows的WinRAR / 7-Zip。
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本書的代碼包也托管在GitHub上，其網址為https://github.com/PacktPublishing/Java-Coding-Problems。如果代碼有更新，該GitHub倉庫也會同步更新。
此外，Packt還提供了更多書籍資源，你可以在https://github.com/PacktPublishing獲取。歡迎前來一探究竟！
下載彩色圖像
本書還提供了書中所涉及圖片的PDF文件（彩色圖像）。你可以在這里下載：https://static.packt-cdn.com/downloads/9781789801415_ColorImages.pdf。
書中的特殊文本格式說明
CodeInText：表示文本中的代碼字、數據庫表名稱、文件夾名稱、文件名、文件擴展名、路徑名、虛擬URL、用戶輸入和Twitter句柄等。例如：“如果當前字符存在于Map實例中，那么只需將其出現次數加1。”
書中代碼格式如下：
public Map countDuplicateCharacters(String str) {
Map result = new HashMap<>();
//或者使用for (char ch : str.toCharArray()) { ... }
for (int i = 0; i < str.length(); i ) {
char ch = str.charAt(i);
result.compute(ch, (k, v) -> (v == null) ? 1 : v);
}
return result;
}
粗體：用于表示新的術語、重要的文本等。例如，菜單或對話框中出現的詞語，在文本中呈現如下：“在Java中，邏輯AND運算符用&&表示，邏輯OR運算符用||表示，邏輯XOR運算符用^表示。”
提示：提示和技巧以這種形式呈現。

譯者的話
關于本書
這是一本Java領域的重量級作品。盡管本書首版出版于2019年末，但時至今日，書中圍繞JDK 8～12的特性所展開的探索與實踐，仍然值得眾多開發者深入學習體會。
本書的特色在于，它不僅會告訴你該如何運用好Java這門語言，還會剖析一些常見的編程陷阱，幫助你規避一些開發問題，從而編寫出更加高效和優雅的程序。所以，無論是從頭到尾詳讀各章內容并主動實踐，還是從感興趣的章節或具體問題入手，你一定會從這200多個精心設計的問題中獲得寶貴的經驗。
關于我們
我們很榮幸能夠負責本書的翻譯工作。在翻譯分工方面，金嘉怡負責前后輔文及第1～5章，夏鈺輝負責第6～9章，黃堅負責第10～13章。在大家完成翻譯之后，金嘉怡負責通讀全文，完成校對與統稿，并盡量保證風格和術語的統一。
形成初稿后，為了讓不同讀者群體都有良好的閱讀體驗，金嘉怡還邀請到了數十位審校成員，其中不乏多位具有8年、5年、3年以上工作經驗的開發者，以及剛畢業的計算機專業的朋友。大家的奉獻使得本書更趨完善，其中，經驗豐富的從業者為內容的專業性提供了保障，而新手視角的建議，也讓各種復雜概念的表述更加通俗易懂。
參與審校的貢獻者分別是郭澤軒、韓西雅、侯旭、藍海珊、李琦敏、李永敬、劉瓊、龍翔、陸雙雙、沈曼、石一舟、譚文斌、王銘洋、王勝、王思未、王曉迪、魏黎、邢立文、熊梓潼、徐增昀、楊茜嵐、易玉、趙曉暉、周銀、朱子晟（按照姓名拼音排序）等。在此，誠摯感謝為本書無私付出的每一位貢獻者。
本書的翻譯工作歷時近一年，大家都犧牲了大量的個人時間，盡管我們已經盡最大努力來給讀者呈現最好的效果，但由于水平有限，譯作中仍不可避免地存在一些疏漏及不足之處。期待大家提出寶貴的意見，幫助我們不斷改進。

金嘉怡　夏鈺輝　黃堅
2023年12月　

第1章　字符串、數字和數學 1
問題 1
解決方案 2
1.統計重復字符的數量 3
2.尋找第一個非重復字符 5
3.反轉字母和單詞 7
4.檢查字符串是否僅包含數字 7
5.統計元音和輔音的數量 8
6.統計某個特定字符的出現次數 10
7.將String轉換為int、long、float或double類型 11
8.去除字符串中的空格 12
9.用分隔符連接多個字符串 12
10.生成全部排列組合 13
11.檢查字符串是否為回文 15
12.刪除重復的字符 16
13.刪除給定的字符 17
14.找到出現次數最多的字符 19
15.按長度對字符串數組排序 20
16.檢查字符串是否包含子串 22
17.計算字符串中子串的出現次數 22
18.判斷兩個字符串是否互為變位詞 23
19.聲明多行字符串（文本塊） 24
20.重復拼接同一個字符串n次 25
21.刪除首尾空格 27
22.尋找最長公共前綴 27
23.應用縮進 28
24.字符串轉換 30
25.求最小值與最大值 30
26.求兩個大數之和（int/long）并處理運算溢出的情況 31
27.解析特定進制下的無符號數 32
28.通過無符號轉換轉變數字 33
29.比較兩個無符號數 33
30.無符號數的除法和取模 34
31.判斷float/double是否為有限浮點數 34
32.對兩個布爾表達式執行邏輯AND / OR / XOR運算 35
33.將BigInteger轉換為基本類型 36
34.將long類型轉換為int類型 37
35.計算取整除和模數 37
36.相鄰浮點數 38
37.求兩個大數的乘積（int/long）并處理運算溢出的情況 39
38.融合乘加（FMA） 40
39.緊湊數字格式化 41
小結 44

第2章　對象、不可變性和Switch表達式 45
問題 45
解決方案 46
40.用函數式和命令式風格的代碼檢查空引用 46
41.檢查空引用并拋出自定義的NullPointerException異常 48
42.檢查空引用并拋出指定的異常 50
43.檢查空引用并返回非空默認引用 51
44.檢查索引是否在[0, length)范圍內 52
45.檢查子區間是否在[0, length)范圍內 54
46. equals()和hashCode() 55
47.簡述不可變對象 59
48.不可變字符串 59
49.編寫一個不可變類 62
50.在不可變類中傳遞/返回可變對象 63
51.使用建造者模式編寫不可變類 65
52.避免在不可變對象中出現錯誤數據 68
53.克隆對象 69
54.重寫toString() 73
55.新版Switch表達式 75
56.多個case標簽 77
57.語句塊 77
小結 78

第3章　處理日期和時間 79
問題 79
解決方案 80
58.字符串與日期時間的轉換 80
59.格式化日期和時間 83
60.獲取當前日期/時間（不含時間/日期） 86
61.基于LocalDate和LocalTime構建LocalDateTime 86
62.通過Instant類獲取機器時間 86
63.使用基于日期的值（Period）定義時間段；使用基于時間的值（Duration）表示一小段時間 89
64.提取日期和時間單位 93
65.加減日期時間 94
66.獲取所有時區的UTC和GMT 95
67.獲取所有可用時區的本地日期時間 96
68.顯示有關航班的日期時間信息 97
69.將Unix時間戳轉換為日期時間 99
70.查找某月的第一天/最后一天 99
71.定義/提取時區偏移 102
72.在Date和Temporal之間轉換 103
73.遍歷一段日期范圍 106
74.計算年齡 108
75.獲得一天的起始和結束時間 108
76.兩個日期之間的差異 111
77.實現一個國際象棋計時器 113
小結 116

第4章　類型推斷 117
問題 117
解決方案 118
78.簡單的var示例 118
79.使用var與基本類型 120
80.使用var和隱式類型轉換來提高代碼的可維護性 121
81.顯式向下轉型（downcast）應避免使用var 122
82.在變量名沒有足夠的類型信息保障可讀性時應避免使用var 123
83.結合LVTI和面向接口編程技術 124
84.結合LVTI和鉆石操作符 124
85.將數組賦值給var 125
86.在多變量聲明中使用LVTI 126
87. LVTI和變量作用域 127
88. LVTI和三元操作符 128
89. LVTI和for循環 129
90. LVTI和流 130
91.使用LVTI拆分嵌套/大型表達式鏈 130
92. LVTI和方法返回值及參數類型 131
93. LVTI和匿名類 132
94. LVTI可以是final變量或effectively final變量 132
95. LVTI和Lambda表達式 134
96. LVTI和空初始化器、實例變量以及catch塊變量 134
97. LVTI和泛型類型 135
98. LVTI、通配符、協變和逆變 136
小結 138

第5章　數組、集合和數據結構 139
問題 139
解決方案 140
99.對數組進行排序 140
100.查找數組元素 149
101.檢查兩個數組是否相等或不匹配 153
102.按字典序比較兩個數組 156
103.用數組創建流 158
104.計算數組的最小值、最大值和平均值 159
105.反轉數組 162
106.填充和設置數組 164
107.下一個更大的元素（NGE） 165
108.改變數組大小 166
109.創建不可修改/不可變的集合 167
110.映射默認值 172
111.判斷Map中鍵是否存在或缺失 173
112.從Map中移除元素 177
113.替換Map條目 178
114.比較兩個Map 179
115.對Map進行排序 180
116.復制HashMap 182
117.合并兩個Map 183
118.移除集合中所有符合謂詞條件的元素 184
119.將集合轉換為數組 186
120.使用列表篩選集合 187
121.替換列表元素 188
122.線程安全的集合、棧和隊列 189
123.廣度優先搜索（BFS） 193
124.前綴樹（Trie） 195
125.元組（Tuple） 198
126.并查集 200
127.芬威克樹或二進制索引樹 203
128.布隆過濾器 206
小結 209

第6章　Java I/O路徑、文件、緩存、掃描和格式化 210
問題 210
解決方案 211
129.創建文件路徑 211
130.變換文件路徑 214
131.拼接文件路徑 215
132.通過兩個路徑創建相對路徑 216
133.比較文件路徑 217
134.輪詢路徑 218
135.監聽路徑 225
136.流式獲取文件文本內容 228
137.在文件樹中搜索文件或文件夾 228
138.高效讀寫文本文件 230
139.高效讀寫二進制文件 235
140.大文件搜索 239
141.將一個JSON/CSV文件作為一個對象讀取 241
142.處理臨時文件和文件夾 245
143.過濾文件 249
144.判斷兩個文件是否不匹配 252
145.循環字節緩沖區 254
146.標記解析文件 259
147.將格式化輸出直接寫入文件 263
148.使用Scanner 265
小結 268

第7章　Java反射類、接口、構造函數、方法和字段 269
問題 269
解決方案 270
149.檢查包 270
150.檢查類和超類 273
151.通過反射構造函數實例化 279
152.獲取參數上的注解 282
153.獲取合成構造函數 283
154.檢查可變參數 284
155.檢查默認方法 285
156.通過反射實現基于嵌套的訪問控制 285
157.面向getter和setter使用反射 288
158.反射與注解 294
159.調用實例方法 299
160.獲取靜態方法 300
161.獲取方法、字段和異常的泛型 301
162.獲取公共字段和私有字段 304
163.處理數組 305
164.檢查模塊 306
165.動態代理 307
小結 310

第8章　函數式編程：基礎與設計模式 311
問題 311
解決方案 311
166.編寫函數式接口 312
167. Lambda簡介 317
168.實現環繞執行模式 318
169.實現工廠模式 320
170.實現策略模式 322
171.實現模板方法模式 323
172.實現觀察者模式 325
173.實現貸出模式 327
174.實現裝飾器模式 329
175.實現級聯建造者模式 332
176.實現命令模式 333
小結 335

第9章　函數式編程：進階 336
問題 336
解決方案 337
177.測試高階函數 337
178.測試使用Lambda表達式的方法 338
179.調試Lambda表達式 340
180.過濾流中的非0元素 342
181.無限流、takeWhile()和dropWhile() 344
182.映射流中的元素 351
183.找出流中的元素 356
184.匹配流中元素 357
185.流中的sum、max和min操作 359
186.收集流的返回結果 362
187.連接流的返回結果 364
188.聚合收集器 365
189.分組（grouping） 369
190.分區（partitioning） 376
191. filtering、flattening和mapping收集器 379
192. teeing 382
193.編寫自定義收集器 385
194.方法引用 389
195.并行處理流 391
196. null-safe流 395
197.組合方法、謂詞和比較器 397
198.默認方法 402
小結 403

第10章　并發：線程池、Callable接口以及同步器 404
問題 404
解決方案 405
199.線程生命周期狀態 405
200.對象級鎖與類級鎖的對比 410
201. Java中的線程池 413
202.單線程的線程池 417
203.擁有固定線程數量的線程池 423
204.帶緩存和調度的線程池 424
205.工作竊取（work-stealing）線程池 430
206. Callable和Future 435
207.調用多個Callable任務 440
208.鎖存器（latch） 442
209.屏障（barrier） 445
210.交換器（exchanger） 448
211.信號量（semaphore） 451
212.移相器（phaser） 453
小結 458

第11章　并發：深入探討 459
問題 459
解決方案 460
213.可中斷方法 460
214. fork/join框架 463
215. fork/join框架和compareAndSetForkJoinTaskTag() 469
216. CompletableFuture 472
217.組合多個CompletableFuture實例 486
218.優化忙等待 490
219.任務的取消 491
220.線程局部存儲（ThreadLocal） 492
221.原子變量 496
222.可重入鎖（ReentrantLock） 500
223.可重入讀寫鎖（ReentrantReadWriteLock） 503
224.郵戳鎖（StampedLock） 505
225.死鎖（哲學家就餐問題） 508
小結 511

第12章　Optional 512
問題 512
解決方案 513
226.初始化Optional 513
227. Optional.get()和值丟失 514
228.返回一個預先構造的默認值 514
229.返回一個不存在的默認值 515
230.拋出NoSuchElementException異常 516
231. Optional和null引用 517
232.消費一個存在內容的Optional類 518
233.根據情況返回一個給定的Optional類（或另一個Optional類） 519
234.通過orElseFoo()鏈接多個Lambda表達式 519
235.不要只是為了獲取一個值而使用Optional 521
236.不要將Optional用于字段 521
237.不要將Optional用于構造函數的參數 522
238.不要將Optional用于setter類方法的參數 523
239.不要將Optional用于方法的參數 524
240.不要將Optional用于返回空的或者null的集合或數組 526
241.避免在集合中使用Optional 527
242.將of()和ofNullable()搞混淆 528
243. Optional與OptionalInt 529
244.確定Optional的相等性 529
245.通過map()和flatMap()轉換值 530
246.通過Optional.filter()過濾值 532
247.鏈接Optional和Stream API 532
248. Optional和識別敏感類操作 534
249.在Optional的內容為空時返回布爾值 535
小結 535

第13章　HTTP Client和WebSocket API 536
問題 536
解決方案 537
250. HTTP/2 537
251.觸發一次異步GET請求 538
252.設置一個代理 540
253.設置/獲取請求頭 540
254.指定HTTP方式 542
255.設置請求體 543
256.設置連接身份認證 545
257.設置請求超時 546
258.設置重定向策略 546
259.發送同步和異步請求 547
260.處理cookie 549
261.獲取響應信息 550
262.處理響應的請求體類型 550
263.獲取、更新和保存JSON 552
264.壓縮 555
265.處理表單數據 556
266.下載資源 557
267.使用multipart上傳 558
268. HTTP/2的服務器端推送 561
269. WebSocket 564
小結 566