目录

一、正则表达式

正则表达式简介

匹配规则

匹配任意字符

匹配数字

匹配常用字符

匹配空格字符

匹配非数字

重复匹配

复杂匹配规则

匹配开头和结尾

匹配指定范围

或规则匹配

使用括号

分组匹配

Pattern

非贪婪匹配

搜索和替换

分割字符串

搜索字符串

替换字符串

反向引用

二、加密与安全

编码算法

URL编码

Base64编码

哈希算法

哈希碰撞

哈希算法的用途

SHA-1

BouncyCastle

Hmac算法

对称加密算法

使用AES加密

口令加密算法

密钥交换算法

非对称加密算法

签名算法

DSA签名

ECDSA签名

数字证书

三、多线程

多线程基础

进程

进程 vs 线程

多线程

创建新线程

线程的优先级

线程的状态

中断线程

守护线程

线程同步

不需要synchronized的操作

同步方法

死锁

死锁

使用wait和notify

使用ReentrantLock

使用Condition

使用ReadWriteLock

使用StampedLock

使用Concurrent集合

使用Atomic

使用线程池

ScheduledThreadPool

使用Future

使用CompletableFuture

使用ForkJoin

使用ThreadLocal

四、Maven基础

Maven介绍

Maven项目结构

安装Maven

依赖管理

依赖关系

唯一ID

Maven镜像

搜索第三方组件

命令行编译

在IDE中使用Maven

构建流程

构建流程

Lifecycle和Phase

Goal

使用插件

模块管理

中央仓库

私有仓库

本地仓库

使用mvnw

安装Maven Wrapper

发布Artifact

以静态文件发布

通过Nexus发布到中央仓库

发布到私有仓库

五、网络编程

网络编程基础

IP地址

域名

网络模型

常用协议

 TCP编程

服务器端

客户端

Socket流

UDP编程

服务器端

客户端

发送Email

准备SMTP登录信息

发送邮件

发送HTML邮件

发送附件

发送内嵌图片的HTML邮件

常见问题

接收Email

HTTP编程

HTTP编程

RMI远程调用

六、XML与JSON

XML简介

XML的结构

使用DOM

使用SAX

使用Jackson

 使用JSON

七、JDBC编程

JDBC简介

NoSQL

数据库类别

安装MySQL

JDBC

JDBC查询

JDBC连接

JDBC查询

SQL注入

数据类型

JDBC更新

插入

插入并获取主键

更新

删除

JDBC事务

JDBC Batch

JDBC连接池

八、函数式编程

Lambda基础

Lambda表达式

FunctionalInterface

方法引用

构造方法引用

使用Stream

 创建Stream

Stream.of()

基于数组或Collection

基于Supplier

其他方法

基本类型

 使用map

使用filter

使用reduce

输出集合

输出为List

输出为数组

输出为Map

分组输出

其他操作

排序

去重

截取

合并

flatMap

并行

其他聚合方法

九、设计模式

开闭原则

里氏替换原则

创建型模式

工厂方法

抽象工厂

 生成器

 原型

单例

结构型模式

适配器

桥接

组合

装饰器

 外观

享元

代理

远程代理

虚代理

保护代理

智能引用

行为型模式

责任链

命令

 解释器

迭代器

中介

 备忘录

观察者

状态

 策略

模板方法

访问者

一、正则表达式

正则表达式简介

在了解正则表达式之前，我们先看几个非常常见的问题：

• 如何判断字符串是否是有效的电话号码？例如：010-1234567，123ABC456，13510001000等；

• 如何判断字符串是否是有效的电子邮件地址？例如：[email protected]，test#example等；

• 如何判断字符串是否是有效的时间？例如：12:34，09:60，99:99等。

一种直观的想法是通过程序判断，这种方法需要为每种用例创建规则，然后用代码实现。下面是判断手机号的代码：

boolean isValidMobileNumber(String s) {
    // 是否是11位？
    if (s.length() != 11) {
        return false;
    }
    // 每一位都是0~9：
    for (int i=0; i<s.length(); i++) {
        char c = s.charAt(i);
        if (c < '0' || c > '9') {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

上述代码仅仅做了非常粗略的判断，并未考虑首位数字不能为0等更详细的情况。

除了判断手机号，我们还需要判断电子邮件地址、电话、邮编等等：

• boolean isValidMobileNumber(String s) { ... }
• boolean isValidEmail(String s) { ... }
• boolean isValidPhoneNumber(String s) { ... }
• boolean isValidZipCode(String s) { ... }
• ...

为每一种判断逻辑编写代码实在是太繁琐了。有没有更简单的方法？

有！用正则表达式！

正则表达式可以用字符串来描述规则，并用来匹配字符串。例如，判断手机号，我们用正则表达式\d{11}：

boolean isValidMobileNumber(String s) {
    return s.matches("\\d{11}");
}

使用正则表达式的好处有哪些？一个正则表达式就是一个描述规则的字符串，所以，只需要编写正确的规则，我们就可以让正则表达式引擎去判断目标字符串是否符合规则。

正则表达式是一套标准，它可以用于任何语言。Java标准库的java.util.regex包内置了正则表达式引擎，在Java程序中使用正则表达式非常简单。

举个例子：要判断用户输入的年份是否是20##年，我们先写出规则如下：

一共有4个字符，分别是：2，0，0~9任意数字，0~9任意数字。

对应的正则表达式就是：20\d\d，其中\d表示任意一个数字。

把正则表达式转换为Java字符串就变成了20\\d\\d，注意Java字符串用\\表示\。

最后，用正则表达式匹配一个字符串的代码如下：

// regex
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String regex = "20\\d\\d";
        System.out.println("2019".matches(regex)); // true
        System.out.println("2100".matches(regex)); // false
    }
}

可见，使用正则表达式，不必编写复杂的代码来判断，只需给出一个字符串表达的正则规则即可。

匹配规则

正则表达式的匹配规则是从左到右按规则匹配。我们首先来看如何使用正则表达式来做精确匹配。

对于正则表达式abc来说，它只能精确地匹配字符串"abc"，不能匹配"ab"，"Abc"，"abcd"等其他任何字符串。

如果正则表达式有特殊字符，那就需要用\转义。例如，正则表达式a\&c，其中\&是用来匹配特殊字符&的，它能精确匹配字符串"a&c"，但不能匹配"ac"、"a-c"、"a&&c"等。

要注意正则表达式在Java代码中也是一个字符串，所以，对于正则表达式a\&c来说，对应的Java字符串是"a\\&c"，因为\也是Java字符串的转义字符，两个\\实际上表示的是一个\：

// regex
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String re1 = "abc";
        System.out.println("abc".matches(re1));
        System.out.println("Abc".matches(re1));
        System.out.println("abcd".matches(re1));

        String re2 = "a\\&c"; // 对应的正则是a\&c
        System.out.println("a&c".matches(re2));
        System.out.println("a-c".matches(re2));
        System.out.println("a&&c".matches(re2));
    }
}

如果想匹配非ASCII字符，例如中文，那就用\u####的十六进制表示，例如：a\u548cc匹配字符串"a和c"，中文字符和的Unicode编码是548c。

匹配任意字符

精确匹配实际上用处不大，因为我们直接用String.equals()就可以做到。大多数情况下，我们想要的匹配规则更多的是模糊匹配。我们可以用.匹配一个任意字符。

例如，正则表达式a.c中间的.可以匹配一个任意字符，例如，下面的字符串都可以被匹配：

• "abc"，因为.可以匹配字符b；
• "a&c"，因为.可以匹配字符&；
• "acc"，因为.可以匹配字符c。

但它不能匹配"ac"、"a&&c"，因为.匹配一个字符且仅限一个字符。

匹配数字

用.可以匹配任意字符，这个口子开得有点大。如果我们只想匹配0~9这样的数字，可以用\d匹配。例如，正则表达式00\d可以匹配：

• "007"，因为\d可以匹配字符7；
• "008"，因为\d可以匹配字符8。

它不能匹配"00A"，"0077"，因为\d仅限单个数字字符。

匹配常用字符

用\w可以匹配一个字母、数字或下划线，w的意思是word。例如，java\w可以匹配：

• "javac"，因为\w可以匹配英文字符c；
• "java9"，因为\w可以匹配数字字符9；。
• "java_"，因为\w可以匹配下划线_。

它不能匹配"java#"，"java "，因为\w不能匹配#、空格等字符。

匹配空格字符

用\s可以匹配一个空格字符，注意空格字符不但包括空格，还包括tab字符（在Java中用\t表示）。例如，a\sc可以匹配：

• "a c"，因为\s可以匹配空格字符；
• "a c"，因为\s可以匹配tab字符\t。

它不能匹配"ac"，"abc"等。

匹配非数字

用\d可以匹配一个数字，而\D则匹配一个非数字。例如，00\D可以匹配：

• "00A"，因为\D可以匹配非数字字符A；
• "00#"，因为\D可以匹配非数字字符#。

00\d可以匹配的字符串"007"，"008"等，00\D是不能匹配的。

类似的，\W可以匹配\w不能匹配的字符，\S可以匹配\s不能匹配的字符，这几个正好是反着来的。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String re1 = "java\\d"; // 对应的正则是java\d
        System.out.println("java9".matches(re1));
        System.out.println("java10".matches(re1));
        System.out.println("javac".matches(re1));

        String re2 = "java\\D";
        System.out.println("javax".matches(re2));
        System.out.println("java#".matches(re2));
        System.out.println("java5".matches(re2));
    }
}

重复匹配

我们用\d可以匹配一个数字，例如，A\d可以匹配"A0"，"A1"，如果要匹配多个数字，比如"A380"，怎么办？

修饰符*可以匹配任意个字符，包括0个字符。我们用A\d*可以匹配：

• A：因为\d*可以匹配0个数字；
• A0：因为\d*可以匹配1个数字0；
• A380：因为\d*可以匹配多个数字380。

修饰符+可以匹配至少一个字符。我们用A\d+可以匹配：

• A0：因为\d+可以匹配1个数字0；
• A380：因为\d+可以匹配多个数字380。

但它无法匹配"A"，因为修饰符+要求至少一个字符。

修饰符?可以匹配0个或一个字符。我们用A\d?可以匹配：

• A：因为\d?可以匹配0个数字；
• A0：因为\d?可以匹配1个数字0。

但它无法匹配"A33"，因为修饰符?超过1个字符就不能匹配了。

如果我们想精确指定n个字符怎么办？用修饰符{n}就可以。A\d{3}可以精确匹配：

• A380：因为\d{3}可以匹配3个数字380。

如果我们想指定匹配n~m个字符怎么办？用修饰符{n,m}就可以。A\d{3,5}可以精确匹配：

• A380：因为\d{3,5}可以匹配3个数字380；
• A3800：因为\d{3,5}可以匹配4个数字3800；
• A38000：因为\d{3,5}可以匹配5个数字38000。

如果没有上限，那么修饰符{n,}就可以匹配至少n个字符。

单个字符的匹配规则如下：

多个字符的匹配规则如下：

复杂匹配规则

匹配开头和结尾

用正则表达式进行多行匹配时，我们用^表示开头，$表示结尾。例如，^A\d{3}$，可以匹配"A001"、"A380"。

匹配指定范围

如果我们规定一个7~8位数字的电话号码不能以0开头，应该怎么写匹配规则呢？\d{7,8}是不行的，因为第一个\d可以匹配到0。

使用[...]可以匹配范围内的字符，例如，[123456789]可以匹配1~9，这样就可以写出上述电话号码的规则：[123456789]\d{6,7}。

把所有字符全列出来太麻烦，[...]还有一种写法，直接写[1-9]就可以。

要匹配大小写不限的十六进制数，比如1A2b3c，我们可以这样写：[0-9a-fA-F]，它表示一共可以匹配以下任意范围的字符：

• 0-9：字符0~9；
• a-f：字符a~f；
• A-F：字符A~F。

如果要匹配6位十六进制数，前面讲过的{n}仍然可以继续配合使用：[0-9a-fA-F]{6}。

[...]还有一种排除法，即不包含指定范围的字符。假设我们要匹配任意字符，但不包括数字，可以写[^1-9]{3}：

• 可以匹配"ABC"，因为不包含字符1~9；
• 可以匹配"A00"，因为不包含字符1~9；
• 不能匹配"A01"，因为包含字符1；
• 不能匹配"A05"，因为包含字符5。

或规则匹配

用|连接的两个正则规则是或规则，例如，AB|CD表示可以匹配AB或CD。

我们来看这个正则表达式java|php：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String re = "java|php";
        System.out.println("java".matches(re));
        System.out.println("php".matches(re));
        System.out.println("go".matches(re));
    }
}

它可以匹配"java"或"php"，但无法匹配"go"。

要把go也加进来匹配，可以改写为java|php|go。

使用括号

现在我们想要匹配字符串learn java、learn php和learn go怎么办？一个最简单的规则是learn\sjava|learn\sphp|learn\sgo，但是这个规则太复杂了，可以把公共部分提出来，然后用(...)把子规则括起来表示成learn\\s(java|php|go)。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String re = "learn\\s(java|php|go)";
        System.out.println("learn java".matches(re));
        System.out.println("learn Java".matches(re));
        System.out.println("learn php".matches(re));
        System.out.println("learn Go".matches(re));
    }
}

上面的规则仍然不能匹配learn Java、learn Go这样的字符串。试修改正则，使之能匹配大写字母开头的learn Java、learn Php、learn Go。

复杂匹配规则主要有：

分组匹配

我们前面讲到的(...)可以用来把一个子规则括起来，这样写learn\s(java|php|go)就可以更方便地匹配长字符串了。

实际上(...)还有一个重要作用，就是分组匹配。

我们来看一下如何用正则匹配区号-电话号码这个规则。利用前面讲到的匹配规则，写出来很容易：

\d{3,4}\-\d{6,8}

虽然这个正则匹配规则很简单，但是往往匹配成功后，下一步是提取区号和电话号码，分别存入数据库。于是问题来了：如何提取匹配的子串？

当然可以用String提供的indexOf()和substring()这些方法，但它们从正则匹配的字符串中提取子串没有通用性，下一次要提取learn\s(java|php)还得改代码。

正确的方法是用(...)先把要提取的规则分组，把上述正则表达式变为(\d{3,4})\-(\d{6,8})。

现在问题又来了：匹配后，如何按括号提取子串？

现在我们没办法用String.matches()这样简单的判断方法了，必须引入java.util.regex包，用Pattern对象匹配，匹配后获得一个Matcher对象，如果匹配成功，就可以直接从Matcher.group(index)返回子串：

import java.util.regex.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Pattern p = Pattern.compile("(\\d{3,4})\\-(\\d{7,8})");
        Matcher m = p.matcher("010-12345678");
        if (m.matches()) {
            String g1 = m.group(1);
            String g2 = m.group(2);
            System.out.println(g1);
            System.out.println(g2);
        } else {
            System.out.println("匹配失败!");
        }
    }
}

运行上述代码，会得到两个匹配上的子串010和12345678。

要特别注意，Matcher.group(index)方法的参数用1表示第一个子串，2表示第二个子串。如果我们传入0会得到什么呢？答案是010-12345678，即整个正则匹配到的字符串。

Pattern

我们在前面的代码中用到的正则表达式代码是String.matches()方法，而我们在分组提取的代码中用的是java.util.regex包里面的Pattern类和Matcher类。实际上这两种代码本质上是一样的，因为String.matches()方法内部调用的就是Pattern和Matcher类的方法。

但是反复使用String.matches()对同一个正则表达式进行多次匹配效率较低，因为每次都会创建出一样的Pattern对象。完全可以先创建出一个Pattern对象，然后反复使用，就可以实现编译一次，多次匹配：

import java.util.regex.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Pattern pattern = Pattern.compile("(\\d{3,4})\\-(\\d{7,8})");
        pattern.matcher("010-12345678").matches(); // true
        pattern.matcher("021-123456").matches(); // true
        pattern.matcher("022#1234567").matches(); // false
        // 获得Matcher对象:
        Matcher matcher = pattern.matcher("010-12345678");
        if (matcher.matches()) {
            String whole = matcher.group(0); // "010-12345678", 0表示匹配的整个字符串
            String area = matcher.group(1); // "010", 1表示匹配的第1个子串
            String tel = matcher.group(2); // "12345678", 2表示匹配的第2个子串
            System.out.println(area);
            System.out.println(tel);
        }
    }
}

使用Matcher时，必须首先调用matches()判断是否匹配成功，匹配成功后，才能调用group()提取子串。

利用提取子串的功能，我们轻松获得了区号和号码两部分。

非贪婪匹配

在介绍非贪婪匹配前，我们先看一个简单的问题：

给定一个字符串表示的数字，判断该数字末尾0的个数。例如：

• "123000"：3个0
• "10100"：2个0
• "1001"：0个0

可以很容易地写出该正则表达式：(\d+)(0*)，Java代码如下：

import java.util.regex.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Pattern pattern = Pattern.compile("(\\d+)(0*)");
        Matcher matcher = pattern.matcher("1230000");
        if (matcher.matches()) {
            System.out.println("group1=" + matcher.group(1)); // "1230000"
            System.out.println("group2=" + matcher.group(2)); // ""
        }
    }
}

然而打印的第二个子串是空字符串""。

实际上，我们期望分组匹配结果是：

但实际的分组匹配结果是这样的：

仔细观察上述实际匹配结果，实际上它是完全合理的，因为\d+确实可以匹配后面任意个0。

这是因为正则表达式默认使用贪婪匹配：任何一个规则，它总是尽可能多地向后匹配，因此，\d+总是会把后面的0包含进来。

要让\d+尽量少匹配，让0*尽量多匹配，我们就必须让\d+使用非贪婪匹配。在规则\d+后面加个?即可表示非贪婪匹配。我们改写正则表达式如下：

import java.util.regex.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Pattern pattern = Pattern.compile("(\\d+?)(0*)");
        Matcher matcher = pattern.matcher("1230000");
        if (matcher.matches()) {
            System.out.println("group1=" + matcher.group(1)); // "123"
            System.out.println("group2=" + matcher.group(2)); // "0000"
        }
    }
}

因此，给定一个匹配规则，加上?后就变成了非贪婪匹配。

我们再来看这个正则表达式(\d??)(9*)，注意\d?表示匹配0个或1个数字，后面第二个?表示非贪婪匹配，因此，给定字符串"9999"，匹配到的两个子串分别是""和"9999"，因为对于\d?来说，可以匹配1个9，也可以匹配0个9，但是因为后面的?表示非贪婪匹配，它就会尽可能少的匹配，结果是匹配了0个9。

搜索和替换

分割字符串

使用正则表达式分割字符串可以实现更加灵活的功能。String.split()方法传入的正是正则表达式。我们来看下面的代码：

"a b c".split("\\s"); // { "a", "b", "c" }
"a b  c".split("\\s"); // { "a", "b", "", "c" }
"a, b ;; c".split("[\\,\\;\\s]+"); // { "a", "b", "c" }

如果我们想让用户输入一组标签，然后把标签提取出来，因为用户的输入往往是不规范的，这时，使用合适的正则表达式，就可以消除多个空格、混合,和;这些不规范的输入，直接提取出规范的字符串。

搜索字符串

使用正则表达式还可以搜索字符串，我们来看例子：

import java.util.regex.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "the quick brown fox jumps over the lazy dog.";
        Pattern p = Pattern.compile("\\wo\\w");
        Matcher m = p.matcher(s);
        while (m.find()) {
            String sub = s.substring(m.start(), m.end());
            System.out.println(sub);
        }
    }
}

我们获取到Matcher对象后，不需要调用matches()方法（因为匹配整个串肯定返回false），而是反复调用find()方法，在整个串中搜索能匹配上\\wo\\w规则的子串，并打印出来。这种方式比String.indexOf()要灵活得多，因为我们搜索的规则是3个字符：中间必须是o，前后两个必须是字符[A-Za-z0-9_]。

替换字符串

使用正则表达式替换字符串可以直接调用String.replaceAll()，它的第一个参数是正则表达式，第二个参数是待替换的字符串。我们还是来看例子：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "The     quick\t\t brown   fox  jumps   over the  lazy dog.";
        String r = s.replaceAll("\\s+", " ");
        System.out.println(r); // "The quick brown fox jumps over the lazy dog."
    }
}

上面的代码把不规范的连续空格分隔的句子变成了规范的句子。可见，灵活使用正则表达式可以大大降低代码量。

反向引用

如果我们要把搜索到的指定字符串按规则替换，比如前后各加一个<b>xxxx</b>，这个时候，使用replaceAll()的时候，我们传入的第二个参数可以使用$1、$2来反向引用匹配到的子串。例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "the quick brown fox jumps over the lazy dog.";
        String r = s.replaceAll("\\s([a-z]{4})\\s", " <b>$1</b> ");
        System.out.println(r);
    }
}

上述代码的运行结果是：

the quick brown fox jumps <b>over</b> the <b>lazy</b> dog.

它实际上把任何4字符单词的前后用<b>xxxx</b>括起来。实现替换的关键就在于" <b>$1</b> "，它用匹配的分组子串([a-z]{4})替换了$1。

二、加密与安全

在计算机系统中，什么是加密与安全呢？

我们举个栗子：假设Bob要给Alice发一封邮件，在邮件传送的过程中，黑客可能会窃取到邮件的内容，所以需要防窃听。黑客还可能会篡改邮件的内容，Alice必须有能力识别出邮件有没有被篡改。最后，黑客可能假冒Bob给Alice发邮件，Alice必须有能力识别出伪造的邮件。

所以，应对潜在的安全威胁，需要做到三防：

• 防窃听
• 防篡改
• 防伪造

计算机加密技术就是为了实现上述目标，而现代计算机密码学理论是建立在严格的数学理论基础上的，密码学已经逐渐发展成一门科学。对于绝大多数开发者来说，设计一个安全的加密算法非常困难，验证一个加密算法是否安全更加困难，当前被认为安全的加密算法仅仅是迄今为止尚未被攻破。因此，要编写安全的计算机程序，我们要做到：

• 不要自己设计山寨的加密算法；
• 不要自己实现已有的加密算法；
• 不要自己修改已有的加密算法。

编码算法

要学习编码算法，我们先来看一看什么是编码。

ASCII码就是一种编码，字母A的编码是十六进制的0x41，字母B是0x42，以此类推：

因为ASCII编码最多只能有127个字符，要想对更多的文字进行编码，就需要用Unicode。而中文的中使用Unicode编码就是0x4e2d，使用UTF-8则需要3个字节编码：

因此，最简单的编码是直接给每个字符指定一个若干字节表示的整数，复杂一点的编码就需要根据一个已有的编码推算出来。

比如UTF-8编码，它是一种不定长编码，但可以从给定字符的Unicode编码推算出来。

URL编码

URL编码是浏览器发送数据给服务器时使用的编码，它通常附加在URL的参数部分，例如：

百度安全验证

之所以需要URL编码，是因为出于兼容性考虑，很多服务器只识别ASCII字符。但如果URL中包含中文、日文这些非ASCII字符怎么办？不要紧，URL编码有一套规则：

• 如果字符是A~Z，a~z，0~9以及-、_、.、*，则保持不变；
• 如果是其他字符，先转换为UTF-8编码，然后对每个字节以%XX表示。

例如：字符中的UTF-8编码是0xe4b8ad，因此，它的URL编码是%E4%B8%AD。URL编码总是大写。

Java标准库提供了一个URLEncoder类来对任意字符串进行URL编码：

import java.net.URLEncoder;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String encoded = URLEncoder.encode("中文!", StandardCharsets.UTF_8);
        System.out.println(encoded);
    }
}

上述代码的运行结果是%E4%B8%AD%E6%96%87%21，中的URL编码是%E4%B8%AD，文的URL编码是%E6%96%87，!虽然是ASCII字符，也要对其编码为%21。

和标准的URL编码稍有不同，URLEncoder把空格字符编码成+，而现在的URL编码标准要求空格被编码为%20，不过，服务器都可以处理这两种情况。

如果服务器收到URL编码的字符串，就可以对其进行解码，还原成原始字符串。Java标准库的URLDecoder就可以解码：

import java.net.URLDecoder;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String decoded = URLDecoder.decode("%E4%B8%AD%E6%96%87%21", StandardCharsets.UTF_8);
        System.out.println(decoded);
    }
}

要特别注意：URL编码是编码算法，不是加密算法。URL编码的目的是把任意文本数据编码为%前缀表示的文本，编码后的文本仅包含A~Z，a~z，0~9，-，_，.，*和%，便于浏览器和服务器处理。

Base64编码

URL编码是对字符进行编码，表示成%xx的形式，而Base64编码是对二进制数据进行编码，表示成文本格式。

Base64编码可以把任意长度的二进制数据变为纯文本，且只包含A~Z、a~z、0~9、+、/、=这些字符。它的原理是把3字节的二进制数据按6bit一组，用4个int整数表示，然后查表，把int整数用索引对应到字符，得到编码后的字符串。

举个例子：3个byte数据分别是e4、b8、ad，按6bit分组得到39、0b、22和2d：

因为6位整数的范围总是0~63，所以，能用64个字符表示：字符A~Z对应索引0~25，字符a~z对应索引26~51，字符0~9对应索引52~61，最后两个索引62、63分别用字符+和/表示。

在Java中，二进制数据就是byte[]数组。Java标准库提供了Base64来对byte[]数组进行编解码：

import java.util.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] input = new byte[] { (byte) 0xe4, (byte) 0xb8, (byte) 0xad };
        String b64encoded = Base64.getEncoder().encodeToString(input);
        System.out.println(b64encoded);
    }
}

编码后得到5Lit4个字符。要对Base64解码，仍然用Base64这个类：

import java.util.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] output = Base64.getDecoder().decode("5Lit");
        System.out.println(Arrays.toString(output)); // [-28, -72, -83]
    }
}

有的童鞋会问：如果输入的byte[]数组长度不是3的整数倍肿么办？这种情况下，需要对输入的末尾补一个或两个0x00，编码后，在结尾加一个=表示补充了1个0x00，加两个=表示补充了2个0x00，解码的时候，去掉末尾补充的一个或两个0x00即可。

实际上，因为编码后的长度加上=总是4的倍数，所以即使不加=也可以计算出原始输入的byte[]。Base64编码的时候可以用withoutPadding()去掉=，解码出来的结果是一样的：

import java.util.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] input = new byte[] { (byte) 0xe4, (byte) 0xb8, (byte) 0xad, 0x21 };
        String b64encoded = Base64.getEncoder().encodeToString(input);
        String b64encoded2 = Base64.getEncoder().withoutPadding().encodeToString(input);
        System.out.println(b64encoded);
        System.out.println(b64encoded2);
        byte[] output = Base64.getDecoder().decode(b64encoded2);
        System.out.println(Arrays.toString(output));
    }
}

因为标准的Base64编码会出现+、/和=，所以不适合把Base64编码后的字符串放到URL中。一种针对URL的Base64编码可以在URL中使用的Base64编码，它仅仅是把+变成-，/变成_：

import java.util.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] input = new byte[] { 0x01, 0x02, 0x7f, 0x00 };
        String b64encoded = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(input);
        System.out.println(b64encoded);
        byte[] output = Base64.getUrlDecoder().decode(b64encoded);
        System.out.println(Arrays.toString(output));
    }
}

Base64编码的目的是把二进制数据变成文本格式，这样在很多文本中就可以处理二进制数据。例如，电子邮件协议就是文本协议，如果要在电子邮件中添加一个二进制文件，就可以用Base64编码，然后以文本的形式传送。

Base64编码的缺点是传输效率会降低，因为它把原始数据的长度增加了1/3。

和URL编码一样，Base64编码是一种编码算法，不是加密算法。

如果把Base64的64个字符编码表换成32个、48个或者58个，就可以使用Base32编码，Base48编码和Base58编码。字符越少，编码的效率就会越低。

哈希算法

哈希算法（Hash）又称摘要算法（Digest），它的作用是：对任意一组输入数据进行计算，得到一个固定长度的输出摘要。

哈希算法最重要的特点就是：

• 相同的输入一定得到相同的输出；
• 不同的输入大概率得到不同的输出。

哈希算法的目的就是为了验证原始数据是否被篡改。

Java字符串的hashCode()就是一个哈希算法，它的输入是任意字符串，输出是固定的4字节int整数：

"hello".hashCode(); // 0x5e918d2
"hello, java".hashCode(); // 0x7a9d88e8
"hello, bob".hashCode(); // 0xa0dbae2f

两个相同的字符串永远会计算出相同的hashCode，否则基于hashCode定位的HashMap就无法正常工作。这也是为什么当我们自定义一个class时，覆写equals()方法时我们必须正确覆写hashCode()方法。

哈希碰撞

哈希碰撞是指，两个不同的输入得到了相同的输出：

"AaAaAa".hashCode(); // 0x7460e8c0
"BBAaBB".hashCode(); // 0x7460e8c0

有童鞋会问：碰撞能不能避免？答案是不能。碰撞是一定会出现的，因为输出的字节长度是固定的，String的hashCode()输出是4字节整数，最多只有4294967296种输出，但输入的数据长度是不固定的，有无数种输入。所以，哈希算法是把一个无限的输入集合映射到一个有限的输出集合，必然会产生碰撞。

碰撞不可怕，我们担心的不是碰撞，而是碰撞的概率，因为碰撞概率的高低关系到哈希算法的安全性。一个安全的哈希算法必须满足：

• 碰撞概率低；
• 不能猜测输出。

不能猜测输出是指，输入的任意一个bit的变化会造成输出完全不同，这样就很难从输出反推输入（只能依靠暴力穷举）。假设一种哈希算法有如下规律：

hashA("java001") = "123456"
hashA("java002") = "123457"
hashA("java003") = "123458"

那么很容易从输出123459反推输入，这种哈希算法就不安全。安全的哈希算法从输出是看不出任何规律的：

hashB("java001") = "123456"
hashB("java002") = "580271"
hashB("java003") = ???

常用的哈希算法有：

根据碰撞概率，哈希算法的输出长度越长，就越难产生碰撞，也就越安全。

Java标准库提供了常用的哈希算法，并且有一套统一的接口。我们以MD5算法为例，看看如何对输入计算哈希：

import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = md.digest(); // 16 bytes: 68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

使用MessageDigest时，我们首先根据哈希算法获取一个MessageDigest实例，然后，反复调用update(byte[])输入数据。当输入结束后，调用digest()方法获得byte[]数组表示的摘要，最后，把它转换为十六进制的字符串。

运行上述代码，可以得到输入HelloWorld的MD5是68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6。

哈希算法的用途

因为相同的输入永远会得到相同的输出，因此，如果输入被修改了，得到的输出就会不同。

我们在网站上下载软件的时候，经常看到下载页显示的哈希：

如何判断下载到本地的软件是原始的、未经篡改的文件？我们只需要自己计算一下本地文件的哈希值，再与官网公开的哈希值对比，如果相同，说明文件下载正确，否则，说明文件已被篡改。

哈希算法的另一个重要用途是存储用户口令。如果直接将用户的原始口令存放到数据库中，会产生极大的安全风险：

• 数据库管理员能够看到用户明文口令；
• 数据库数据一旦泄漏，黑客即可获取用户明文口令。

不存储用户的原始口令，那么如何对用户进行认证？

方法是存储用户口令的哈希，例如，MD5。

在用户输入原始口令后，系统计算用户输入的原始口令的MD5并与数据库存储的MD5对比，如果一致，说明口令正确，否则，口令错误。

因此，数据库存储用户名和口令的表内容应该像下面这样：

这样一来，数据库管理员看不到用户的原始口令。即使数据库泄漏，黑客也无法拿到用户的原始口令。想要拿到用户的原始口令，必须用暴力穷举的方法，一个口令一个口令地试，直到某个口令计算的MD5恰好等于指定值。

使用哈希口令时，还要注意防止彩虹表攻击。

什么是彩虹表呢？上面讲到了，如果只拿到MD5，从MD5反推明文口令，只能使用暴力穷举的方法。

然而黑客并不笨，暴力穷举会消耗大量的算力和时间。但是，如果有一个预先计算好的常用口令和它们的MD5的对照表：

这个表就是彩虹表。如果用户使用了常用口令，黑客从MD5一下就能反查到原始口令：

bob的MD5：f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1，原始口令：hello123；

alice的MD5：25d55ad283aa400af464c76d713c07ad，原始口令：12345678；

tim的MD5：bed128365216c019988915ed3add75fb，原始口令：passw0rd。

这就是为什么不要使用常用密码，以及不要使用生日作为密码的原因。

即使用户使用了常用口令，我们也可以采取措施来抵御彩虹表攻击，方法是对每个口令额外添加随机数，这个方法称之为加盐（salt）：

digest = md5(salt+inputPassword)

经过加盐处理的数据库表，内容如下：

加盐的目的在于使黑客的彩虹表失效，即使用户使用常用口令，也无法从MD5反推原始口令。

SHA-1

SHA-1也是一种哈希算法，它的输出是160 bits，即20字节。SHA-1是由美国国家安全局开发的，SHA算法实际上是一个系列，包括SHA-0（已废弃）、SHA-1、SHA-256、SHA-512等。

在Java中使用SHA-1，和MD5完全一样，只需要把算法名称改为"SHA-1"：

import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = md.digest(); // 20 bytes: db8ac1c259eb89d4a131b253bacfca5f319d54f2
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

类似的，计算SHA-256，我们需要传入名称"SHA-256"，计算SHA-512，我们需要传入名称"SHA-512"。Java标准库支持的所有哈希算法可以在这里查到。

 注意：MD5因为输出长度较短，短时间内破解是可能的，目前已经不推荐使用。

BouncyCastle

我们知道，Java标准库提供了一系列常用的哈希算法。

但如果我们要用的某种算法，Java标准库没有提供怎么办？

方法一：自己写一个，难度很大；

方法二：找一个现成的第三方库，直接使用。

BouncyCastle就是一个提供了很多哈希算法和加密算法的第三方库。它提供了Java标准库没有的一些算法，例如，RipeMD160哈希算法。

我们来看一下如何使用BouncyCastle这个第三方提供的算法。

首先，我们必须把BouncyCastle提供的jar包放到classpath中。这个jar包就是bcprov-jdk15on-xxx.jar，可以从官方网站下载。

Java标准库的java.security包提供了一种标准机制，允许第三方提供商无缝接入。我们要使用BouncyCastle提供的RipeMD160算法，需要先把BouncyCastle注册一下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 注册BouncyCastle:
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
        // 按名称正常调用:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("RipeMD160");
        md.update("HelloWorld".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = md.digest();
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

其中，注册BouncyCastle是通过下面的语句实现的：

Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

注册只需要在启动时进行一次，后续就可以使用BouncyCastle提供的所有哈希算法和加密算法。

Hmac算法

在前面讲到哈希算法时，我们说，存储用户的哈希口令时，要加盐存储，目的就在于抵御彩虹表攻击。

我们回顾一下哈希算法：

digest = hash(input)

正是因为相同的输入会产生相同的输出，我们加盐的目的就在于，使得输入有所变化：

digest = hash(salt + input)

这个salt可以看作是一个额外的“认证码”，同样的输入，不同的认证码，会产生不同的输出。因此，要验证输出的哈希，必须同时提供“认证码”。

Hmac算法就是一种基于密钥的消息认证码算法，它的全称是Hash-based Message Authentication Code，是一种更安全的消息摘要算法。

Hmac算法总是和某种哈希算法配合起来用的。例如，我们使用MD5算法，对应的就是HmacMD5算法，它相当于“加盐”的MD5：

HmacMD5 ≈ md5(secure_random_key, input)

因此，HmacMD5可以看作带有一个安全的key的MD5。使用HmacMD5而不是用MD5加salt，有如下好处：

• HmacMD5使用的key长度是64字节，更安全；
• Hmac是标准算法，同样适用于SHA-1等其他哈希算法；
• Hmac输出和原有的哈希算法长度一致。

可见，Hmac本质上就是把key混入摘要的算法。验证此哈希时，除了原始的输入数据，还要提供key。

为了保证安全，我们不会自己指定key，而是通过Java标准库的KeyGenerator生成一个安全的随机的key。下面是使用HmacMD5的代码：

import java.math.BigInteger;
import javax.crypto.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
        SecretKey key = keyGen.generateKey();
        // 打印随机生成的key:
        byte[] skey = key.getEncoded();
        System.out.println(new BigInteger(1, skey).toString(16));
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");
        mac.init(key);
        mac.update("HelloWorld".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = mac.doFinal();
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

和MD5相比，使用HmacMD5的步骤是：

1. 通过名称HmacMD5获取KeyGenerator实例；
2. 通过KeyGenerator创建一个SecretKey实例；
3. 通过名称HmacMD5获取Mac实例；
4. 用SecretKey初始化Mac实例；
5. 对Mac实例反复调用update(byte[])输入数据；
6. 调用Mac实例的doFinal()获取最终的哈希值。

我们可以用Hmac算法取代原有的自定义的加盐算法，因此，存储用户名和口令的数据库结构如下：

有了Hmac计算的哈希和SecretKey，我们想要验证怎么办？这时，SecretKey不能从KeyGenerator生成，而是从一个byte[]数组恢复：

import java.util.Arrays;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] hkey = new byte[] { 106, 70, -110, 125, 39, -20, 52, 56, 85, 9, -19, -72, 52, -53, 52, -45, -6, 119, -63,
                30, 20, -83, -28, 77, 98, 109, -32, -76, 121, -106, 0, -74, -107, -114, -45, 104, -104, -8, 2, 121, 6,
                97, -18, -13, -63, -30, -125, -103, -80, -46, 113, -14, 68, 32, -46, 101, -116, -104, -81, -108, 122,
                89, -106, -109 };

        SecretKey key = new SecretKeySpec(hkey, "HmacMD5");
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");
        mac.init(key);
        mac.update("HelloWorld".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = mac.doFinal();
        System.out.println(Arrays.toString(result));
        // [126, 59, 37, 63, 73, 90, 111, -96, -77, 15, 82, -74, 122, -55, -67, 54]
    }
}

恢复SecretKey的语句就是new SecretKeySpec(hkey, "HmacMD5")。

对称加密算法

对称加密算法就是传统的用一个密码进行加密和解密。例如，我们常用的WinZIP和WinRAR对压缩包的加密和解密，就是使用对称加密算法：

从程序的角度看，所谓加密，就是这样一个函数，它接收密码和明文，然后输出密文：

secret = encrypt(key, message);

而解密则相反，它接收密码和密文，然后输出明文：

plain = decrypt(key, secret);

在软件开发中，常用的对称加密算法有：

密钥长度直接决定加密强度，而工作模式和填充模式可以看成是对称加密算法的参数和格式选择。Java标准库提供的算法实现并不包括所有的工作模式和所有填充模式，但是通常我们只需要挑选常用的使用就可以了。

最后注意，DES算法由于密钥过短，可以在短时间内被暴力破解，所以现在已经不安全了。

使用AES加密

AES算法是目前应用最广泛的加密算法。我们先用ECB模式加密并解密：

import java.security.*;
import java.util.Base64;

import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message: " + message);
        // 128位密钥 = 16 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes("UTF-8");
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
        return cipher.doFinal(input);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
        SecretKey keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

Java标准库提供的对称加密接口非常简单，使用时按以下步骤编写代码：

1. 根据算法名称/工作模式/填充模式获取Cipher实例；
2. 根据算法名称初始化一个SecretKey实例，密钥必须是指定长度；
3. 使用SerectKey初始化Cipher实例，并设置加密或解密模式；
4. 传入明文或密文，获得密文或明文。

ECB模式是最简单的AES加密模式，它只需要一个固定长度的密钥，固定的明文会生成固定的密文，这种一对一的加密方式会导致安全性降低，更好的方式是通过CBC模式，它需要一个随机数作为IV参数，这样对于同一份明文，每次生成的密文都不同：

import java.security.*;
import java.util.Base64;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        System.out.println("Message: " + message);
        // 256位密钥 = 32 bytes Key:
        byte[] key = "1234567890abcdef1234567890abcdef".getBytes("UTF-8");
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes("UTF-8");
        byte[] encrypted = encrypt(key, data);
        System.out.println("Encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(key, encrypted);
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        // CBC模式需要生成一个16 bytes的initialization vector:
        SecureRandom sr = SecureRandom.getInstanceStrong();
        byte[] iv = sr.generateSeed(16);
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        byte[] data = cipher.doFinal(input);
        // IV不需要保密，把IV和密文一起返回:
        return join(iv, data);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        // 把input分割成IV和密文:
        byte[] iv = new byte[16];
        byte[] data = new byte[input.length - 16];
        System.arraycopy(input, 0, iv, 0, 16);
        System.arraycopy(input, 16, data, 0, data.length);
        // 解密:
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
        IvParameterSpec ivps = new IvParameterSpec(iv);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivps);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    public static byte[] join(byte[] bs1, byte[] bs2) {
        byte[] r = new byte[bs1.length + bs2.length];
        System.arraycopy(bs1, 0, r, 0, bs1.length);
        System.arraycopy(bs2, 0, r, bs1.length, bs2.length);
        return r;
    }
}

在CBC模式下，需要一个随机生成的16字节IV参数，必须使用SecureRandom生成。因为多了一个IvParameterSpec实例，因此，初始化方法需要调用Cipher的一个重载方法并传入IvParameterSpec。

观察输出，可以发现每次生成的IV不同，密文也不同。

口令加密算法

上一节我们讲的AES加密，细心的童鞋可能会发现，密钥长度是固定的128/192/256位，而不是我们用WinZip/WinRAR那样，随便输入几位都可以。

这是因为对称加密算法决定了口令必须是固定长度，然后对明文进行分块加密。又因为安全需求，口令长度往往都是128位以上，即至少16个字符。

但是我们平时使用的加密软件，输入6位、8位都可以，难道加密方式不一样？

实际上用户输入的口令并不能直接作为AES的密钥进行加密（除非长度恰好是128/192/256位），并且用户输入的口令一般都有规律，安全性远远不如安全随机数产生的随机口令。因此，用户输入的口令，通常还需要使用PBE算法，采用随机数杂凑计算出真正的密钥，再进行加密。

PBE就是Password Based Encryption的缩写，它的作用如下：

key = generate(userPassword, secureRandomPassword);

PBE的作用就是把用户输入的口令和一个安全随机的口令采用杂凑后计算出真正的密钥。以AES密钥为例，我们让用户输入一个口令，然后生成一个随机数，通过PBE算法计算出真正的AES口令，再进行加密，代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 把BouncyCastle作为Provider添加到java.security:
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
        // 原文:
        String message = "Hello, world!";
        // 加密口令:
        String password = "hello12345";
        // 16 bytes随机Salt:
        byte[] salt = SecureRandom.getInstanceStrong().generateSeed(16);
        System.out.printf("salt: %032x\n", new BigInteger(1, salt));
        // 加密:
        byte[] data = message.getBytes("UTF-8");
        byte[] encrypted = encrypt(password, salt, data);
        System.out.println("encrypted: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(password, salt, encrypted);
        System.out.println("decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
    }

    // 加密:
    public static byte[] encrypt(String password, byte[] salt, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        PBEKeySpec keySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray());
        SecretKeyFactory skeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC");
        SecretKey skey = skeyFactory.generateSecret(keySpec);
        PBEParameterSpec pbeps = new PBEParameterSpec(salt, 1000);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skey, pbeps);
        return cipher.doFinal(input);
    }

    // 解密:
    public static byte[] decrypt(String password, byte[] salt, byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        PBEKeySpec keySpec = new PBEKeySpec(password.toCharArray());
        SecretKeyFactory skeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC");
        SecretKey skey = skeyFactory.generateSecret(keySpec);
        PBEParameterSpec pbeps = new PBEParameterSpec(salt, 1000);
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skey, pbeps);
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

使用PBE时，我们还需要引入BouncyCastle，并指定算法是PBEwithSHA1and128bitAES-CBC-BC。观察代码，实际上真正的AES密钥是调用Cipher的init()方法时同时传入SecretKey和PBEParameterSpec实现的。在创建PBEParameterSpec的时候，我们还指定了循环次数1000，循环次数越多，暴力破解需要的计算量就越大。

如果我们把salt和循环次数固定，就得到了一个通用的“口令”加密软件。如果我们把随机生成的salt存储在U盘，就得到了一个“口令”加USB Key的加密软件，它的好处在于，即使用户使用了一个非常弱的口令，没有USB Key仍然无法解密，因为USB Key存储的随机数密钥安全性非常高。

密钥交换算法

对称加密算法解决了数据加密的问题。我们以AES加密为例，在现实世界中，小明要向路人甲发送一个加密文件，他可以先生成一个AES密钥，对文件进行加密，然后把加密文件发送给对方。因为对方要解密，就必须需要小明生成的密钥。

现在问题来了：如何传递密钥？

在不安全的信道上传递加密文件是没有问题的，因为黑客拿到加密文件没有用。但是，如何如何在不安全的信道上安全地传输密钥？

要解决这个问题，密钥交换算法即DH算法：Diffie-Hellman算法应运而生。

DH算法解决了密钥在双方不直接传递密钥的情况下完成密钥交换，这个神奇的交换原理完全由数学理论支持。

我们来看DH算法交换密钥的步骤。假设甲乙双方需要传递密钥，他们之间可以这么做：

1. 甲首选选择一个素数p，例如509，底数g，任选，例如5，随机数a，例如123，然后计算A=g^a mod p，结果是215，然后，甲发送p＝509，g=5，A=215给乙；
2. 乙方收到后，也选择一个随机数b，例如，456，然后计算B=g^b mod p，结果是181，乙再同时计算s=A^b mod p，结果是121；
3. 乙把计算的B=181发给甲，甲计算s＝B^a mod p的余数，计算结果与乙算出的结果一样，都是121。

所以最终双方协商出的密钥s是121。注意到这个密钥s并没有在网络上传输。而通过网络传输的p，g，A和B是无法推算出s的，因为实际算法选择的素数是非常大的。

所以，更确切地说，DH算法是一个密钥协商算法，双方最终协商出一个共同的密钥，而这个密钥不会通过网络传输。

如果我们把a看成甲的私钥，A看成甲的公钥，b看成乙的私钥，B看成乙的公钥，DH算法的本质就是双方各自生成自己的私钥和公钥，私钥仅对自己可见，然后交换公钥，并根据自己的私钥和对方的公钥，生成最终的密钥secretKey，DH算法通过数学定律保证了双方各自计算出的secretKey是相同的。

使用Java实现DH算法的代码如下：

import java.math.BigInteger;
import java.security.*;
import java.security.spec.*;

import javax.crypto.KeyAgreement;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // Bob和Alice:
        Person bob = new Person("Bob");
        Person alice = new Person("Alice");

        // 各自生成KeyPair:
        bob.generateKeyPair();
        alice.generateKeyPair();

        // 双方交换各自的PublicKey:
        // Bob根据Alice的PublicKey生成自己的本地密钥:
        bob.generateSecretKey(alice.publicKey.getEncoded());
        // Alice根据Bob的PublicKey生成自己的本地密钥:
        alice.generateSecretKey(bob.publicKey.getEncoded());

        // 检查双方的本地密钥是否相同:
        bob.printKeys();
        alice.printKeys();
        // 双方的SecretKey相同，后续通信将使用SecretKey作为密钥进行AES加解密...
    }
}

class Person {
    public final String name;

    public PublicKey publicKey;
    private PrivateKey privateKey;
    private byte[] secretKey;

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

    // 生成本地KeyPair:
    public void generateKeyPair() {
        try {
            KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("DH");
            kpGen.initialize(512);
            KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
            this.privateKey = kp.getPrivate();
            this.publicKey = kp.getPublic();
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public void generateSecretKey(byte[] receivedPubKeyBytes) {
        try {
            // 从byte[]恢复PublicKey:
            X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(receivedPubKeyBytes);
            KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("DH");
            PublicKey receivedPublicKey = kf.generatePublic(keySpec);
            // 生成本地密钥:
            KeyAgreement keyAgreement = KeyAgreement.getInstance("DH");
            keyAgreement.init(this.privateKey); // 自己的PrivateKey
            keyAgreement.doPhase(receivedPublicKey, true); // 对方的PublicKey
            // 生成SecretKey密钥:
            this.secretKey = keyAgreement.generateSecret();
        } catch (GeneralSecurityException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public void printKeys() {
        System.out.printf("Name: %s\n", this.name);
        System.out.printf("Private key: %x\n", new BigInteger(1, this.privateKey.getEncoded()));
        System.out.printf("Public key: %x\n", new BigInteger(1, this.publicKey.getEncoded()));
        System.out.printf("Secret key: %x\n", new BigInteger(1, this.secretKey));
    }
}

但是DH算法并未解决中间人攻击，即甲乙双方并不能确保与自己通信的是否真的是对方。消除中间人攻击需要其他方法。

非对称加密算法

从DH算法我们可以看到，公钥-私钥组成的密钥对是非常有用的加密方式，因为公钥是可以公开的，而私钥是完全保密的，由此奠定了非对称加密的基础。

非对称加密就是加密和解密使用的不是相同的密钥：只有同一个公钥-私钥对才能正常加解密。

因此，如果小明要加密一个文件发送给小红，他应该首先向小红索取她的公钥，然后，他用小红的公钥加密，把加密文件发送给小红，此文件只能由小红的私钥解开，因为小红的私钥在她自己手里，所以，除了小红，没有任何人能解开此文件。

非对称加密的典型算法就是RSA算法，它是由Ron Rivest，Adi Shamir，Leonard Adleman这三个哥们一起发明的，所以用他们仨的姓的首字母缩写表示。

非对称加密相比对称加密的显著优点在于，对称加密需要协商密钥，而非对称加密可以安全地公开各自的公钥，在N个人之间通信的时候：使用非对称加密只需要N个密钥对，每个人只管理自己的密钥对。而使用对称加密需要则需要N*(N-1)/2个密钥，因此每个人需要管理N-1个密钥，密钥管理难度大，而且非常容易泄漏。

既然非对称加密这么好，那我们抛弃对称加密，完全使用非对称加密行不行？也不行。因为非对称加密的缺点就是运算速度非常慢，比对称加密要慢很多。

所以，在实际应用的时候，非对称加密总是和对称加密一起使用。假设小明需要给小红需要传输加密文件，他俩首先交换了各自的公钥，然后：

1. 小明生成一个随机的AES口令，然后用小红的公钥通过RSA加密这个口令，并发给小红；
2. 小红用自己的RSA私钥解密得到AES口令；
3. 双方使用这个共享的AES口令用AES加密通信。

可见非对称加密实际上应用在第一步，即加密“AES口令”。这也是我们在浏览器中常用的HTTPS协议的做法，即浏览器和服务器先通过RSA交换AES口令，接下来双方通信实际上采用的是速度较快的AES对称加密，而不是缓慢的RSA非对称加密。

Java标准库提供了RSA算法的实现，示例代码如下：

import java.math.BigInteger;
import java.security.*;
import javax.crypto.Cipher;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 明文:
        byte[] plain = "Hello, encrypt use RSA".getBytes("UTF-8");
        // 创建公钥／私钥对:
        Person alice = new Person("Alice");
        // 用Alice的公钥加密:
        byte[] pk = alice.getPublicKey();
        System.out.println(String.format("public key: %x", new BigInteger(1, pk)));
        byte[] encrypted = alice.encrypt(plain);
        System.out.println(String.format("encrypted: %x", new BigInteger(1, encrypted)));
        // 用Alice的私钥解密:
        byte[] sk = alice.getPrivateKey();
        System.out.println(String.format("private key: %x", new BigInteger(1, sk)));
        byte[] decrypted = alice.decrypt(encrypted);
        System.out.println(new String(decrypted, "UTF-8"));
    }
}

class Person {
    String name;
    // 私钥:
    PrivateKey sk;
    // 公钥:
    PublicKey pk;

    public Person(String name) throws GeneralSecurityException {
        this.name = name;
        // 生成公钥／私钥对:
        KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        kpGen.initialize(1024);
        KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
        this.sk = kp.getPrivate();
        this.pk = kp.getPublic();
    }

    // 把私钥导出为字节
    public byte[] getPrivateKey() {
        return this.sk.getEncoded();
    }

    // 把公钥导出为字节
    public byte[] getPublicKey() {
        return this.pk.getEncoded();
    }

    // 用公钥加密:
    public byte[] encrypt(byte[] message) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, this.pk);
        return cipher.doFinal(message);
    }

    // 用私钥解密:
    public byte[] decrypt(byte[] input) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, this.sk);
        return cipher.doFinal(input);
    }
}

RSA的公钥和私钥都可以通过getEncoded()方法获得以byte[]表示的二进制数据，并根据需要保存到文件中。要从byte[]数组恢复公钥或私钥，可以这么写：

byte[] pkData = ...
byte[] skData = ...
KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance("RSA");
// 恢复公钥:
X509EncodedKeySpec pkSpec = new X509EncodedKeySpec(pkData);
PublicKey pk = kf.generatePublic(pkSpec);
// 恢复私钥:
PKCS8EncodedKeySpec skSpec = new PKCS8EncodedKeySpec(skData);
PrivateKey sk = kf.generatePrivate(skSpec);

以RSA算法为例，它的密钥有256/512/1024/2048/4096等不同的长度。长度越长，密码强度越大，当然计算速度也越慢。

如果修改待加密的byte[]数据的大小，可以发现，使用512bit的RSA加密时，明文长度不能超过53字节，使用1024bit的RSA加密时，明文长度不能超过117字节，这也是为什么使用RSA的时候，总是配合AES一起使用，即用AES加密任意长度的明文，用RSA加密AES口令。

此外，只使用非对称加密算法不能防止中间人攻击。

签名算法

我们使用非对称加密算法的时候，对于一个公钥-私钥对，通常是用公钥加密，私钥解密。

如果使用私钥加密，公钥解密是否可行呢？实际上是完全可行的。

不过我们再仔细想一想，私钥是保密的，而公钥是公开的，用私钥加密，那相当于所有人都可以用公钥解密。这个加密有什么意义？

这个加密的意义在于，如果小明用自己的私钥加密了一条消息，比如小明喜欢小红，然后他公开了加密消息，由于任何人都可以用小明的公钥解密，从而使得任何人都可以确认小明喜欢小红这条消息肯定是小明发出的，其他人不能伪造这个消息，小明也不能抵赖这条消息不是自己写的。

因此，私钥加密得到的密文实际上就是数字签名，要验证这个签名是否正确，只能用私钥持有者的公钥进行解密验证。使用数字签名的目的是为了确认某个信息确实是由某个发送方发送的，任何人都不可能伪造消息，并且，发送方也不能抵赖。

在实际应用的时候，签名实际上并不是针对原始消息，而是针对原始消息的哈希进行签名，即：

signature = encrypt(privateKey, sha256(message))

对签名进行验证实际上就是用公钥解密：

hash = decrypt(publicKey, signature)

然后把解密后的哈希与原始消息的哈希进行对比。

因为用户总是使用自己的私钥进行签名，所以，私钥就相当于用户身份。而公钥用来给外部验证用户身份。

常用数字签名算法有：

• MD5withRSA
• SHA1withRSA
• SHA256withRSA

它们实际上就是指定某种哈希算法进行RSA签名的方式。

import java.math.BigInteger;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws GeneralSecurityException {
        // 生成RSA公钥/私钥:
        KeyPairGenerator kpGen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        kpGen.initialize(1024);
        KeyPair kp = kpGen.generateKeyPair();
        PrivateKey sk = kp.getPrivate();
        PublicKey pk = kp.getPublic();

        // 待签名的消息:
        byte[] message = "Hello, I am Bob!".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);

        // 用私钥签名:
        Signature s = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
        s.initSign(sk);
        s.update(message);
        byte[] signed = s.sign();
        System.out.println(String.format("signature: %x", new BigInteger(1, signed)));

        // 用公钥验证:
        Signature v = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
        v.initVerify(pk);
        v.update(message);
        boolean valid = v.verify(signed);
        System.out.println("valid? " + valid);
    }
}

使用其他公钥，或者验证签名的时候修改原始信息，都无法验证成功。

DSA签名

除了RSA可以签名外，还可以使用DSA算法进行签名。DSA是Digital Signature Algorithm的缩写，它使用ElGamal数字签名算法。

DSA只能配合SHA使用，常用的算法有：

• SHA1withDSA
• SHA256withDSA
• SHA512withDSA

和RSA数字签名相比，DSA的优点是更快。

ECDSA签名

椭圆曲线签名算法ECDSA：Elliptic Curve Digital Signature Algorithm也是一种常用的签名算法，它的特点是可以从私钥推出公钥。比特币的签名算法就采用了ECDSA算法，使用标准椭圆曲线secp256k1。BouncyCastle提供了ECDSA的完整实现。

数字证书

我们知道，摘要算法用来确保数据没有被篡改，非对称加密算法可以对数据进行加解密，签名算法可以确保数据完整性和抗否认性，把这些算法集合到一起，并搞一套完善的标准，这就是数字证书。

因此，数字证书就是集合了多种密码学算法，用于实现数据加解密、身份认证、签名等多种功能的一种安全标准。

数字证书可以防止中间人攻击，因为它采用链式签名认证，即通过根证书（Root CA）去签名下一级证书，这样层层签名，直到最终的用户证书。而Root CA证书内置于操作系统中，所以，任何经过CA认证的数字证书都可以对其本身进行校验，确保证书本身不是伪造的。

我们在上网时常用的HTTPS协议就是数字证书的应用。浏览器会自动验证证书的有效性：

要使用数字证书，首先需要创建证书。正常情况下，一个合法的数字证书需要经过CA签名，这需要认证域名并支付一定的费用。开发的时候，我们可以使用自签名的证书，这种证书可以正常开发调试，但不能对外作为服务使用，因为其他客户端并不认可未经CA签名的证书。

在Java程序中，数字证书存储在一种Java专用的key store文件中，JDK提供了一系列命令来创建和管理key store。我们用下面的命令创建一个key store，并设定口令123456：

keytool -storepass 123456 -genkeypair -keyalg RSA -keysize 1024 -sigalg SHA1withRSA -validity 3650 -alias mycert -keystore my.keystore -dname "CN=www.sample.com, OU=sample, O=sample, L=BJ, ST=BJ, C=CN"

几个主要的参数是：

• keyalg：指定RSA加密算法；
• sigalg：指定SHA1withRSA签名算法；
• validity：指定证书有效期3650天；
• alias：指定证书在程序中引用的名称；
• dname：最重要的CN=www.sample.com指定了Common Name，如果证书用在HTTPS中，这个名称必须与域名完全一致。

执行上述命令，JDK会在当前目录创建一个my.keystore文件，并存储创建成功的一个私钥和一个证书，它的别名是mycert。

有了key store存储的证书，我们就可以通过数字证书进行加解密和签名：

import java.io.InputStream;
import java.math.BigInteger;
import java.security.*;
import java.security.cert.*;
import javax.crypto.Cipher;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] message = "Hello, use X.509 cert!".getBytes("UTF-8");
        // 读取KeyStore:
        KeyStore ks = loadKeyStore("/my.keystore", "123456");
        // 读取私钥:
        PrivateKey privateKey = (PrivateKey) ks.getKey("mycert", "123456".toCharArray());
        // 读取证书:
        X509Certificate certificate = (X509Certificate) ks.getCertificate("mycert");
        // 加密:
        byte[] encrypted = encrypt(certificate, message);
        System.out.println(String.format("encrypted: %x", new BigInteger(1, encrypted)));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(privateKey, encrypted);
        System.out.println("decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
        // 签名:
        byte[] sign = sign(privateKey, certificate, message);
        System.out.println(String.format("signature: %x", new BigInteger(1, sign)));
        // 验证签名:
        boolean verified = verify(certificate, message, sign);
        System.out.println("verify: " + verified);
    }

    static KeyStore loadKeyStore(String keyStoreFile, String password) {
        try (InputStream input = Main.class.getResourceAsStream(keyStoreFile)) {
            if (input == null) {
                throw new RuntimeException("file not found in classpath: " + keyStoreFile);
            }
            KeyStore ks = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
            ks.load(input, password.toCharArray());
            return ks;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    static byte[] encrypt(X509Certificate certificate, byte[] message) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(certificate.getPublicKey().getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, certificate.getPublicKey());
        return cipher.doFinal(message);
    }

    static byte[] decrypt(PrivateKey privateKey, byte[] data) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(privateKey.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    static byte[] sign(PrivateKey privateKey, X509Certificate certificate, byte[] message)
            throws GeneralSecurityException {
        Signature signature = Signature.getInstance(certificate.getSigAlgName());
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(message);
        return signature.sign();
    }

    static boolean verify(X509Certificate certificate, byte[] message, byte[] sig) throws GeneralSecurityException {
        Signature signature = Signature.getInstance(certificate.getSigAlgName());
        signature.initVerify(certificate);
        signature.update(message);
        return signature.verify(sig);
    }
}

在上述代码中，我们从key store直接读取了私钥-公钥对，私钥以PrivateKey实例表示，公钥以X509Certificate表示，实际上数字证书只包含公钥，因此，读取证书并不需要口令，只有读取私钥才需要。如果部署到Web服务器上，例如Nginx，需要把私钥导出为Private Key格式，把证书导出为X509Certificate格式。

以HTTPS协议为例，浏览器和服务器建立安全连接的步骤如下：

1. 浏览器向服务器发起请求，服务器向浏览器发送自己的数字证书；
2. 浏览器用操作系统内置的Root CA来验证服务器的证书是否有效，如果有效，就使用该证书加密一个随机的AES口令并发送给服务器；
3. 服务器用自己的私钥解密获得AES口令，并在后续通讯中使用AES加密。

上述流程只是一种最常见的单向验证。如果服务器还要验证客户端，那么客户端也需要把自己的证书发送给服务器验证，这种场景常见于网银等。

注意：数字证书存储的是公钥，以及相关的证书链和算法信息。私钥必须严格保密，如果数字证书对应的私钥泄漏，就会造成严重的安全威胁。如果CA证书的私钥泄漏，那么该CA证书签发的所有证书将不可信。数字证书服务商DigiNotar就发生过私钥泄漏导致公司破产的事故。

三、多线程

多线程基础

现代操作系统（Windows，macOS，Linux）都可以执行多任务。多任务就是同时运行多个任务，例如：

CPU执行代码都是一条一条顺序执行的，但是，即使是单核cpu，也可以同时运行多个任务。因为操作系统执行多任务实际上就是让CPU对多个任务轮流交替执行。

例如，假设我们有语文、数学、英语3门作业要做，每个作业需要30分钟。我们把这3门作业看成是3个任务，可以做1分钟语文作业，再做1分钟数学作业，再做1分钟英语作业：

这样轮流做下去，在某些人眼里看来，做作业的速度就非常快，看上去就像同时在做3门作业一样

类似的，操作系统轮流让多个任务交替执行，例如，让浏览器执行0.001秒，让QQ执行0.001秒，再让音乐播放器执行0.001秒，在人看来，CPU就是在同时执行多个任务。

即使是多核CPU，因为通常任务的数量远远多于CPU的核数，所以任务也是交替执行的。

进程

在计算机中，我们把一个任务称为一个进程，浏览器就是一个进程，视频播放器是另一个进程，类似的，音乐播放器和Word都是进程。

某些进程内部还需要同时执行多个子任务。例如，我们在使用Word时，Word可以让我们一边打字，一边进行拼写检查，同时还可以在后台进行打印，我们把子任务称为线程。

进程和线程的关系就是：一个进程可以包含一个或多个线程，但至少会有一个线程。

操作系统调度的最小任务单位其实不是进程，而是线程。常用的Windows、Linux等操作系统都采用抢占式多任务，如何调度线程完全由操作系统决定，程序自己不能决定什么时候执行，以及执行多长时间。

因为同一个应用程序，既可以有多个进程，也可以有多个线程，因此，实现多任务的方法，有以下几种：

多进程模式（每个进程只有一个线程）：

 多线程模式（一个进程有多个线程）：

 多进程＋多线程模式（复杂度最高）：

进程 vs 线程

进程和线程是包含关系，但是多任务既可以由多进程实现，也可以由单进程内的多线程实现，还可以混合多进程＋多线程。

具体采用哪种方式，要考虑到进程和线程的特点。

和多线程相比，多进程的缺点在于：

• 创建进程比创建线程开销大，尤其是在Windows系统上；
• 进程间通信比线程间通信要慢，因为线程间通信就是读写同一个变量，速度很快。

而多进程的优点在于：

多进程稳定性比多线程高，因为在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

多线程

Java语言内置了多线程支持：一个Java程序实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来执行main()方法，在main()方法内部，我们又可以启动多个线程。此外，JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。

因此，对于大多数Java程序来说，我们说多任务，实际上是说如何使用多线程实现多任务。

和单线程相比，多线程编程的特点在于：多线程经常需要读写共享数据，并且需要同步。例如，播放电影时，就必须由一个线程播放视频，另一个线程播放音频，两个线程需要协调运行，否则画面和声音就不同步。因此，多线程编程的复杂度高，调试更困难。

Java多线程编程的特点又在于：

• 多线程模型是Java程序最基本的并发模型；
• 后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

因此，必须掌握Java多线程编程才能继续深入学习其他内容。

创建新线程

Java语言内置了多线程支持。当Java程序启动的时候，实际上是启动了一个JVM进程，然后，JVM启动主线程来执行main()方法。在main()方法中，我们又可以启动其他线程。

要创建一个新线程非常容易，我们需要实例化一个Thread实例，然后调用它的start()方法：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

但是这个线程启动后实际上什么也不做就立刻结束了。我们希望新线程能执行指定的代码，有以下几种方法：

方法一：从Thread派生一个自定义类，然后覆写run()方法：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

执行上述代码，注意到start()方法会在内部自动调用实例的run()方法。

方法二：创建Thread实例时，传入一个Runnable实例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

或者用Java8引入的lambda语法进一步简写为：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("start new thread!");
        });
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

有童鞋会问，使用线程执行的打印语句，和直接在main()方法执行有区别吗？

区别大了去了。我们看以下代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start...");
        Thread t = new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println("thread run...");
                System.out.println("thread end.");
            }
        };
        t.start();
        System.out.println("main end...");
    }
}

我们用蓝色表示主线程，也就是main线程，main线程执行的代码有4行，首先打印main start，然后创建Thread对象，紧接着调用start()启动新线程。当start()方法被调用时，JVM就创建了一个新线程，我们通过实例变量t来表示这个新线程对象，并开始执行。

接着，main线程继续执行打印main end语句，而t线程在main线程执行的同时会并发执行，打印thread run和thread end语句。

当run()方法结束时，新线程就结束了。而main()方法结束时，主线程也结束了。

我们再来看线程的执行顺序：

1. main线程肯定是先打印main start，再打印main end；
2. t线程肯定是先打印thread run，再打印thread end。

但是，除了可以肯定，main start会先打印外，main end打印在thread run之前、thread end之后或者之间，都无法确定。因为从t线程开始运行以后，两个线程就开始同时运行了，并且由操作系统调度，程序本身无法确定线程的调度顺序。

要模拟并发执行的效果，我们可以在线程中调用Thread.sleep()，强迫当前线程暂停一段时间：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start...");
        Thread t = new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println("thread run...");
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println("thread end.");
            }
        };
        t.start();
        try {
            Thread.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {}
        System.out.println("main end...");
    }
}

sleep()传入的参数是毫秒。调整暂停时间的大小，我们可以看到main线程和t线程执行的先后顺序。

要特别注意：直接调用Thread实例的run()方法是无效的：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.run();
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("hello");
    }
}

直接调用run()方法，相当于调用了一个普通的Java方法，当前线程并没有任何改变，也不会启动新线程。上述代码实际上是在main()方法内部又调用了run()方法，打印hello语句是在main线程中执行的，没有任何新线程被创建。

必须调用Thread实例的start()方法才能启动新线程，如果我们查看Thread类的源代码，会看到start()方法内部调用了一个private native void start0()方法，native修饰符表示这个方法是由JVM虚拟机内部的C代码实现的，不是由Java代码实现的。

线程的优先级

可以对线程设定优先级，设定优先级的方法是：

Thread.setPriority(int n) // 1~10, 默认值5

优先级高的线程被操作系统调度的优先级较高，操作系统对高优先级线程可能调度更频繁，但我们决不能通过设置优先级来确保高优先级的线程一定会先执行。

线程的状态

在Java程序中，一个线程对象只能调用一次start()方法启动新线程，并在新线程中执行run()方法。一旦run()方法执行完毕，线程就结束了。因此，Java线程的状态有以下几种：

• New：新创建的线程，尚未执行；
• Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
• Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
• Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
• Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
• Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕。

用一个状态转移图表示如下：

当线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止。

线程终止的原因有：

• 线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
• 线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
• 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）。

一个线程还可以等待另一个线程直到其运行结束。例如，main线程在启动t线程后，可以通过t.join()等待t线程结束后再继续运行：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start();
        t.join();
        System.out.println("end");
    }
}

当main线程对线程对象t调用join()方法时，主线程将等待变量t表示的线程运行结束，即join就是指等待该线程结束，然后才继续往下执行自身线程。所以，上述代码打印顺序可以肯定是main线程先打印start，t线程再打印hello，main线程最后再打印end。

如果t线程已经结束，对实例t调用join()会立刻返回。此外，join(long)的重载方法也可以指定一个等待时间，超过等待时间后就不再继续等待。

中断线程

如果线程需要执行一个长时间任务，就可能需要能中断线程。中断线程就是其他线程给该线程发一个信号，该线程收到信号后结束执行run()方法，使得自身线程能立刻结束运行。

我们举个栗子：假设从网络下载一个100M的文件，如果网速很慢，用户等得不耐烦，就可能在下载过程中点“取消”，这时，程序就需要中断下载线程的执行。

中断一个线程非常简单，只需要在其他线程中对目标线程调用interrupt()方法，目标线程需要反复检测自身状态是否是interrupted状态，如果是，就立刻结束运行。

我们还是看示例代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1); // 暂停1毫秒
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (! isInterrupted()) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
    }
}

仔细看上述代码，main线程通过调用t.interrupt()方法中断t线程，但是要注意，interrupt()方法仅仅向t线程发出了“中断请求”，至于t线程是否能立刻响应，要看具体代码。而t线程的while循环会检测isInterrupted()，所以上述代码能正确响应interrupt()请求，使得自身立刻结束运行run()方法。

如果线程处于等待状态，例如，t.join()会让main线程进入等待状态，此时，如果对main线程调用interrupt()，join()方法会立刻抛出InterruptedException，因此，目标线程只要捕获到join()方法抛出的InterruptedException，就说明有其他线程对其调用了interrupt()方法，通常情况下该线程应该立刻结束运行。

我们来看下面的示例代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        Thread hello = new HelloThread();
        hello.start(); // 启动hello线程
        try {
            hello.join(); // 等待hello线程结束
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("interrupted!");
        }
        hello.interrupt();
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (!isInterrupted()) {
            n++;
            System.out.println(n + " hello!");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

main线程通过调用t.interrupt()从而通知t线程中断，而此时t线程正位于hello.join()的等待中，此方法会立刻结束等待并抛出InterruptedException。由于我们在t线程中捕获了InterruptedException，因此，就可以准备结束该线程。在t线程结束前，对hello线程也进行了interrupt()调用通知其中断。如果去掉这一行代码，可以发现hello线程仍然会继续运行，且JVM不会退出。

另一个常用的中断线程的方法是设置标志位。我们通常会用一个running标志位来标识线程是否应该继续运行，在外部线程中，通过把HelloThread.running置为false，就可以让线程结束：

public class Main {
    public static void main(String[] args)  throws InterruptedException {
        HelloThread t = new HelloThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1);
        t.running = false; // 标志位置为false
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public volatile boolean running = true;
    public void run() {
        int n = 0;
        while (running) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
        System.out.println("end!");
    }
}

注意到HelloThread的标志位boolean running是一个线程间共享的变量。线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保每个线程都能读取到更新后的变量值。

为什么要对线程间共享的变量用关键字volatile声明？这涉及到Java的内存模型。在Java虚拟机中，变量的值保存在主内存中，但是，当线程访问变量时，它会先获取一个副本，并保存在自己的工作内存中。如果线程修改了变量的值，虚拟机会在某个时刻把修改后的值回写到主内存，但是，这个时间是不确定的！

这会导致如果一个线程更新了某个变量，另一个线程读取的值可能还是更新前的。例如，主内存的变量a = true，线程1执行a = false时，它在此刻仅仅是把变量a的副本变成了false，主内存的变量a还是true