Java笔记

Java快速入门

1.1第一个java程序

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public class test1{
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("第一个java程序");
    }
}

继承

Student是Person子类

向上转型

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Student s = new Student();
Person p  = new Person();
Person p = new Student();
//允许

向下转型

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Person p1 = new Student(); // upcasting, ok
Person p2 = new Person();
Student s1 = (Student) p1; // ok
Student s2 = (Student) p2; // runtime error! ClassCastException!
//不能把父类转换成子类,因为子类的功能比父类多

instanceof,在向下转移前可以先判断

多态

Override是覆写(重写)Overload是新方法

接口

定义一个接口用interface

实现一个接口用implements

java核心类

1.1 字符串和编码

比较字符串用equals(),要忽略大小写比较，使用equalsIgnoreCase()方法

学习地址:https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1260469698963456

1.2 StringBuilder

StringBuffer，这是Java早期的一个StringBuilder的线程安全版本，它通过同步来保证多个线程操作StringBuffer也是安全的，但是同步会带来执行速度的下降。

StringBuilder和StringBuffer接口完全相同，现在完全没有必要使用StringBuffer。

1.3 包装类型

  • 基本类型：byte，short，int，long，boolean，float，double，char

  • 引用类型：所有class和interface类型

  • 基本类型 对应的引用类型
    boolean java.lang.Boolean
    byte java.lang.Byte
    short java.lang.Short
    int java.lang.Integer
    long java.lang.Long
    float java.lang.Float
    double java.lang.Double
    char java.lang.Character

1.X BigInteger

java.math.BigInteger用来表示任意大小的整数。BigInteger内部用一个int[]数组来模拟一个非常大的整数；

和long型整数运算比，BigInteger不会有范围限制，但缺点是速度比较慢；

BigInteger和Integer、Long一样，也是不可变类，并且也继承自Number类；

使用longValueExact()方法时，如果超出了long型的范围，会抛出ArithmeticException；

如果BigInteger的值超过了float的最大范围，返回 Infinity 。

1.X BigDecimal

BigDecimal用于表示精确的小数，常用于财务计算；

比较BigDecimal的值是否相等，必须使用compareTo()而不能使用equals()。

1.x Java提供的常用工具类有：

  • Math：数学计算
  • Random：生成伪随机数
  • SecureRandom：生成安全的随机数

异常处理

因为Java的异常是class，它的继承关系如下：

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                     │  Object   │
                     └───────────┘
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                           │
                     ┌───────────┐
                     │ Throwable │
                     └───────────┘
                           ▲
                 ┌─────────┴─────────┐
                 │                   │
           ┌───────────┐       ┌───────────┐
           │   Error   │       │ Exception │
           └───────────┘       └───────────┘
                 ▲                   ▲
         ┌───────┘              ┌────┴──────────┐
         │                      │               │
┌─────────────────┐    ┌─────────────────┐┌───────────┐
│OutOfMemoryError │... │RuntimeException ││IOException│...
└─────────────────┘    └─────────────────┘└───────────┘
                                ▲
                    ┌───────────┴─────────────┐
                    │                         │
         ┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
         │NullPointerException │ │IllegalArgumentException │...
         └─────────────────────┘ └─────────────────────────┘

异常类型

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Exception
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├─ RuntimeException
│  │
│  ├─ NullPointerException
│  │
│  ├─ IndexOutOfBoundsException
│  │
│  ├─ SecurityException
│  │
│  └─ IllegalArgumentException
│     │
│     └─ NumberFormatException
│
├─ IOException
│  │
│  ├─ UnsupportedCharsetException
│  │
│  ├─ FileNotFoundException
│  │
│  └─ SocketException
│
├─ ParseException
│
├─ GeneralSecurityException
│
├─ SQLException
│
└─ TimeoutException

日志,使用JDK Logging

JDK的Logging定义了7个日志级别，从严重到普通：

  • SEVERE
  • WARNING
  • INFO
  • CONFIG
  • FINE
  • FINER
  • FINEST

因为默认级别是INFO，因此，INFO级别以下的日志，不会被打印出来。使用日志级别的好处在于，调整级别，就可以屏蔽掉很多调试相关的日志输出。

日志,使用Commons Logging

默认情况下，Commons Loggin自动搜索并使用Log4j（Log4j是另一个流行的日志系统），如果没有找到Log4j，再使用JDK Logging。

Commons Logging定义了6个日志级别：

  • FATAL
  • ERROR
  • WARNING
  • INFO
  • DEBUG
  • TRACE

默认级别是INFO。

反射

class类

方法一：直接通过一个class的静态变量class获取：

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Class cls = String.class;

方法二：如果我们有一个实例变量，可以通过该实例变量提供的getClass()方法获取：

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String s = "Hello";
Class cls = s.getClass();

方法三：如果知道一个class的完整类名，可以通过静态方法Class.forName()获取：

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Class cls = Class.forName("java.lang.String");

注意一下Class实例比较和instanceof的差别：

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Integer n = new Integer(123);

boolean b1 = n instanceof Integer; // true，因为n是Integer类型
boolean b2 = n instanceof Number; // true，因为n是Number类型的子类

boolean b3 = n.getClass() == Integer.class; // true，因为n.getClass()返回Integer.class
boolean b4 = n.getClass() == Number.class; // false，因为Integer.class!=Number.class

用instanceof不但匹配指定类型，还匹配指定类型的子类。而用==判断class实例可以精确地判断数据类型，但不能作子类型比较。

通常情况下，我们应该用instanceof判断数据类型，因为面向抽象编程的时候，我们不关心具体的子类型。只有在需要精确判断一个类型是不是某个class的时候，我们才使用==判断class实例。

如果获取到了一个Class实例，我们就可以通过该Class实例来创建对应类型的实例：

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// 获取String的Class实例:
Class cls = String.class;
// 创建一个String实例:
String s = (String) cls.newInstance();

上述代码相当于new String()。通过Class.newInstance()可以创建类实例，它的局限是：只能调用public的无参数构造方法。带参数的构造方法，或者非public的构造方法都无法通过Class.newInstance()被调用。

访问字段

  • Field getField(name)：根据字段名获取某个public的field（包括父类）
  • Field getDeclaredField(name)：根据字段名获取当前类的某个field（不包括父类）
  • Field[] getFields()：获取所有public的field（包括父类）
  • Field[] getDeclaredFields()：获取当前类的所有field（不包括父类）
  1. getDeclaredFiled 仅能获取类本身的属性成员（包括私有、共有、保护）
  2. getField 仅能获取类(及其父类可以自己测试) public属性成员

Java的反射API提供的Field类封装了字段的所有信息：

通过Class实例的方法可以获取Field实例：getField()，getFields()，getDeclaredField()，getDeclaredFields()；

通过Field实例可以获取字段信息：getName()，getType()，getModifiers()；

通过Field实例可以读取或设置某个对象的字段，如果存在访问限制，要首先调用setAccessible(true)来访问非public字段。

通过反射读写字段是一种非常规方法，它会破坏对象的封装。

调用方法

  • Method getMethod(name, Class...)：获取某个public的Method（包括父类）
  • Method getDeclaredMethod(name, Class...)：获取当前类的某个Method（不包括父类）
  • Method[] getMethods()：获取所有public的Method（包括父类）
  • Method[] getDeclaredMethods()：获取当前类的所有Method（不包括父类）

一个Method对象包含一个方法的所有信息：

  • getName()：返回方法名称，例如："getScore"；
  • getReturnType()：返回方法返回值类型，也是一个Class实例，例如：String.class；
  • getParameterTypes()：返回方法的参数类型，是一个Class数组，例如：{String.class, int.class}；
  • getModifiers()：返回方法的修饰符，它是一个int，不同的bit表示不同的含义。

小结

Java的反射API提供的Method对象封装了方法的所有信息：

通过Class实例的方法可以获取Method实例：getMethod()，getMethods()，getDeclaredMethod()，getDeclaredMethods()；

通过Method实例可以获取方法信息：getName()，getReturnType()，getParameterTypes()，getModifiers()；

通过Method实例可以调用某个对象的方法：Object invoke(Object instance, Object... parameters)；

通过设置setAccessible(true)来访问非public方法；

通过反射调用方法时，仍然遵循多态原则。

调用构造方法

调用Class.newInstance()的局限是，它只能调用该类的public无参数构造方法。如果构造方法带有参数，或者不是public，就无法直接通过Class.newInstance()来调用。

  • getConstructor(Class...)：获取某个public的Constructor；
  • getDeclaredConstructor(Class...)：获取某个Constructor；
  • getConstructors()：获取所有public的Constructor；
  • getDeclaredConstructors()：获取所有Constructor。

Constructor对象封装了构造方法的所有信息；

通过Class实例的方法可以获取Constructor实例：getConstructor()，getConstructors()，getDeclaredConstructor()，getDeclaredConstructors()；

通过Constructor实例可以创建一个实例对象：newInstance(Object... parameters)； 通过设置setAccessible(true)来访问非public构造方法。

获取继承关系

小结

通过Class对象可以获取继承关系：

  • Class getSuperclass()：获取父类类型；
  • Class[] getInterfaces()：获取当前类实现的所有接口。

通过Class对象的isAssignableFrom()方法可以判断一个向上转型是否可以实现。

泛型

Java的泛型是采用擦拭法实现的；

擦拭法决定了泛型<T>：

  • 不能是基本类型，例如：int；
  • 不能获取带泛型类型的Class，例如：Pair<String>.class；
  • 不能判断带泛型类型的类型，例如：x instanceof Pair<String>；
  • 不能实例化T类型，例如：new T()。

泛型方法要防止重复定义方法，例如：public boolean equals(T obj)；

子类可以获取父类的泛型类型<T>。

小结

使用类似<? extends Number>通配符作为方法参数时表示：

  • 方法内部可以调用获取Number引用的方法，例如：Number n = obj.getFirst();；
  • 方法内部无法调用传入Number引用的方法（null除外），例如：obj.setFirst(Number n);。

即一句话总结：使用extends通配符表示可以读，不能写。

使用类似<T extends Number>定义泛型类时表示：

  • 泛型类型限定为Number以及Number的子类。

对比extends和super通配符

我们再回顾一下extends通配符。作为方法参数，<? extends T>类型和<? super T>类型的区别在于：

  • <? extends T>允许调用读方法T get()获取T的引用，但不允许调用写方法set(T)传入T的引用（传入null除外）；
  • <? super T>允许调用写方法set(T)传入T的引用，但不允许调用读方法T get()获取T的引用（获取Object除外）。

一个是允许读不允许写，另一个是允许写不允许读。

无限定通配符

因为<?>通配符既没有extends，也没有super，因此：

  • 不允许调用set(T)方法并传入引用（null除外）；
  • 不允许调用T get()方法并获取T引用（只能获取Object引用）。

换句话说，既不能读，也不能写，那只能做一些null判断：

小结

使用类似<? super Integer>通配符作为方法参数时表示：

  • 方法内部可以调用传入Integer引用的方法，例如：obj.setFirst(Integer n);；
  • 方法内部无法调用获取Integer引用的方法（Object除外），例如：Integer n = obj.getFirst();。

即使用super通配符表示只能写不能读。

使用extends和super通配符要遵循PECS原则。

无限定通配符<?>很少使用，可以用<T>替换，同时它是所有<T>类型的超类。

集合

HashMap

要正确使用HashMap，作为key的类必须正确覆写equals()和hashCode()方法；

一个类如果覆写了equals()，就必须覆写hashCode()，并且覆写规则是：

  • 如果equals()返回true，则hashCode()返回值必须相等；
  • 如果equals()返回false，则hashCode()返回值尽量不要相等。

实现hashCode()方法可以通过Objects.hashCode()辅助方法实现。

TreeMap

SortedMap在遍历时严格按照Key的顺序遍历，最常用的实现类是TreeMap；

作为SortedMap的Key必须实现Comparable接口，或者传入Comparator；

要严格按照compare()规范实现比较逻辑，否则，TreeMap将不能正常工作。

Properties

Java集合库提供的Properties用于读写配置文件.properties。.properties文件可以使用UTF-8编码。

可以从文件系统、classpath或其他任何地方读取.properties文件。

读写Properties时，注意仅使用getProperty()和setProperty()方法，不要调用继承而来的get()和put()等方法。

Set

Set用于存储不重复的元素集合，它主要提供以下几个方法：

  • 将元素添加进Set<E>：boolean add(E e)
  • 将元素从Set<E>删除：boolean remove(Object e)
  • 判断是否包含元素：boolean contains(Object e)

Queue

在Java的标准库中，队列接口Queue定义了以下几个方法：

  • int size()：获取队列长度；
  • boolean add(E)/boolean offer(E)：添加元素到队尾；
  • E remove()/E poll()：获取队首元素并从队列中删除；
  • E element()/E peek()：获取队首元素但并不从队列中删除。

PriorityQueue

PriorityQueue实现了一个优先队列：从队首获取元素时，总是获取优先级最高的元素。

PriorityQueue默认按元素比较的顺序排序（必须实现Comparable接口），也可以通过Comparator自定义排序算法（元素就不必实现Comparable接口）。

Deque

Queue Deque
添加元素到队尾 add(E e) / offer(E e) addLast(E e) / offerLast(E e)
取队首元素并删除 E remove() / E poll() E removeFirst() / E pollFirst()
取队首元素但不删除 E element() / E peek() E getFirst() / E peekFirst()
添加元素到队首 无 addFirst(E e) / offerFirst(E e)
取队尾元素并删除 无 E removeLast() / E pollLast()
取队尾元素但不删除 无 E getLast() / E peekLast()

Deque实现了一个双端队列（Double Ended Queue），它可以：

  • 将元素添加到队尾或队首：addLast()/offerLast()/addFirst()/offerFirst()；
  • 从队首／队尾获取元素并删除：removeFirst()/pollFirst()/removeLast()/pollLast()；
  • 从队首／队尾获取元素但不删除：getFirst()/peekFirst()/getLast()/peekLast()；
  • 总是调用xxxFirst()/xxxLast()以便与Queue的方法区分开；
  • 避免把null添加到队列。

Stack

IO流

IO流是一种流式的数据输入/输出模型：

  • 二进制数据以byte为最小单位在InputStream/OutputStream中单向流动；
  • 字符数据以char为最小单位在Reader/Writer中单向流动。

Java标准库的java.io包提供了同步IO功能：

  • 字节流接口：InputStream/OutputStream；
  • 字符流接口：Reader/Writer。

File

Java标准库的java.io.File对象表示一个文件或者目录：

  • 创建File对象本身不涉及IO操作；
  • 可以获取路径／绝对路径／规范路径：getPath()/getAbsolutePath()/getCanonicalPath()；
  • 可以获取目录的文件和子目录：list()/listFiles()；
  • 可以创建或删除文件和目录。

InputStream

Java标准库的java.io.InputStream定义了所有输入流的超类：

  • FileInputStream实现了文件流输入；
  • ByteArrayInputStream在内存中模拟一个字节流输入。

总是使用try(resource)来保证InputStream正确关闭。

OutputStream

Java标准库的java.io.OutputStream定义了所有输出流的超类：

  • FileOutputStream实现了文件流输出；
  • ByteArrayOutputStream在内存中模拟一个字节流输出。

某些情况下需要手动调用OutputStream的flush()方法来强制输出缓冲区。

总是使用try(resource)来保证OutputStream正确关闭。

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input.transferTo(output); // copy功能;目录已存在

Reader

Reader定义了所有字符输入流的超类：

  • FileReader实现了文件字符流输入，使用时需要指定编码；
  • CharArrayReader和StringReader可以在内存中模拟一个字符流输入。

Reader是基于InputStream构造的：可以通过InputStreamReader在指定编码的同时将任何InputStream转换为Reader。

总是使用try (resource)保证Reader正确关闭。

使用InputStreamReader，可以把一个InputStream转换成一个Reader。

Writer

Writer定义了所有字符输出流的超类：

  • FileWriter实现了文件字符流输出；
  • CharArrayWriter和StringWriter在内存中模拟一个字符流输出。

使用try (resource)保证Writer正确关闭。

Writer是基于OutputStream构造的，可以通过OutputStreamWriter将OutputStream转换为Writer，转换时需要指定编码。

正则表达式

小结

单个字符的匹配规则如下：

正则表达式 规则 可以匹配
A 指定字符 A
\u548c 指定Unicode字符 和
. 任意字符 a，b，&，0
\d 数字0~9 0~`9`
\w 大小写字母，数字和下划线 az，AZ，0~`9，_`
\s 空格、Tab键 空格，Tab
\D 非数字 a，A，&，_，……
\W 非\w &，@，中，……
\S 非\s a，A，&，_，……

多个字符的匹配规则如下：

正则表达式 规则 可以匹配
A* 任意个数字符 空，A，AA，AAA，……
A+ 至少1个字符 A，AA，AAA，……
A? 0个或1个字符 空，A
A{3} 指定个数字符 AAA
A{2,3} 指定范围个数字符 AA，AAA
A{2,} 至少n个字符 AA，AAA，AAAA，……
A{0,3} 最多n个字符 空，A，AA，AAA

小结

复杂匹配规则主要有：

正则表达式 规则 可以匹配
^ 开头 字符串开头
$ 结尾 字符串结束
[ABC] […]内任意字符 A，B，C
[A-F0-9xy] 指定范围的字符 A，……，F，0，……，9，x，y
[^A-F] 指定范围外的任意字符 非A~`F`
AB|CD|EF AB或CD或EF AB，CD，EF

多线程

Java用Thread对象表示一个线程，通过调用start()启动一个新线程；

一个线程对象只能调用一次start()方法；

线程的执行代码写在run()方法中；

线程调度由操作系统决定，程序本身无法决定调度顺序；

Thread.sleep()可以把当前线程暂停一段时间。

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：

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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。

中断线程

对目标线程调用interrupt()方法可以请求中断一个线程，目标线程通过检测isInterrupted()标志获取自身是否已中断。如果目标线程处于等待状态，该线程会捕获到InterruptedException；

目标线程检测到isInterrupted()为true或者捕获了InterruptedException都应该立刻结束自身线程；

通过标志位判断需要正确使用volatile关键字；

volatile关键字解决了共享变量在线程间的可见性问题。

线程同步

多线程同时读写共享变量时，会造成逻辑错误，因此需要通过synchronized同步；

同步的本质就是给指定对象加锁，加锁后才能继续执行后续代码；

注意加锁对象必须是同一个实例；

对JVM定义的单个原子操作不需要同步。

同步方法

用synchronized修饰方法可以把整个方法变为同步代码块，synchronized方法加锁对象是this；

通过合理的设计和数据封装可以让一个类变为“线程安全”；

一个类没有特殊说明，默认不是thread-safe；

多线程能否安全访问某个非线程安全的实例，需要具体问题具体分析。

使用wait和notify

wait和notify用于多线程协调运行：

  • 在synchronized内部可以调用wait()使线程进入等待状态；
  • 必须在已获得的锁对象上调用wait()方法；
  • 在synchronized内部可以调用notify()或notifyAll()唤醒其他等待线程；
  • 必须在已获得的锁对象上调用notify()或notifyAll()方法；
  • 已唤醒的线程还需要重新获得锁后才能继续执行。

使用ReentrantLock

ReentrantLock可以替代synchronized进行同步；

ReentrantLock获取锁更安全；

必须先获取到锁，再进入try {...}代码块，最后使用finally保证释放锁；

可以使用tryLock()尝试获取锁。

使用Condition

可见，使用Condition时，引用的Condition对象必须从Lock实例的newCondition()返回，这样才能获得一个绑定了Lock实例的Condition实例。

Condition提供的await()、signal()、signalAll()原理和synchronized锁对象的wait()、notify()、notifyAll()是一致的，并且其行为也是一样的：

  • await()会释放当前锁，进入等待状态；
  • signal()会唤醒某个等待线程；
  • signalAll()会唤醒所有等待线程；
  • 唤醒线程从await()返回后需要重新获得锁。

此外，和tryLock()类似，await()可以在等待指定时间后，如果还没有被其他线程通过signal()或signalAll()唤醒，可以自己醒来：

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if (condition.await(1, TimeUnit.SECOND)) {
    // 被其他线程唤醒
} else {
    // 指定时间内没有被其他线程唤醒
}

可见，使用Condition配合Lock，我们可以实现更灵活的线程同步。

ReadWriteLock

使用ReadWriteLock可以提高读取效率：

  • ReadWriteLock只允许一个线程写入；
  • ReadWriteLock允许多个线程在没有写入时同时读取；
  • ReadWriteLock适合读多写少的场景。

使用Concurrent集合

interface non-thread-safe thread-safe
List ArrayList CopyOnWriteArrayList
Map HashMap ConcurrentHashMap
Set HashSet / TreeSet CopyOnWriteArraySet
Queue ArrayDeque / LinkedList ArrayBlockingQueue / LinkedBlockingQueue
Deque ArrayDeque / LinkedList LinkedBlockingDeque

ExecutorService

JDK提供了ExecutorService实现了线程池功能：

  • 线程池内部维护一组线程，可以高效执行大量小任务；

  • Executors提供了静态方法创建不同类型的ExecutorService；

  • 必须调用shutdown()关闭ExecutorService；

  • ScheduledThreadPool可以定期调度多个任务。

  • 思考：

    Q1:在FixedRate模式下，假设每秒触发，如果某次任务执行时间超过1秒，后续任务会不会并发执行？

    A1:If any execution of this task takes longer than its period, then subsequent executions may start late, but will not concurrently execute.

    译：如果此任务的任何执行时间超过其周期，则后续执行可能会延迟开始，但不会并发执行。

    Q2:如果任务抛出了异常，后续任务是否继续执行？

    A2：If any execution of the task encounters an exception, subsequent executions are suppressed.

    译：如果任务的任何执行遇到异常，则将禁止后续任务的执行。

使用Future

当我们提交一个Callable任务后，我们会同时获得一个Future对象，然后，我们在主线程某个时刻调用Future对象的get()方法，就可以获得异步执行的结果。在调用get()时，如果异步任务已经完成，我们就直接获得结果。如果异步任务还没有完成，那么get()会阻塞，直到任务完成后才返回结果。

一个Future<V>接口表示一个未来可能会返回的结果，它定义的方法有：

  • get()：获取结果（可能会等待）
  • get(long timeout, TimeUnit unit)：获取结果，但只等待指定的时间；
  • cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消当前任务；
  • isDone()：判断任务是否已完成。

网络编程

TCP编程

使用Java进行TCP编程时，需要使用Socket模型：

  • 服务器端用ServerSocket监听指定端口；
  • 客户端使用Socket(InetAddress, port)连接服务器；
  • 服务器端用accept()接收连接并返回Socket；
  • 双方通过Socket打开InputStream/OutputStream读写数据；
  • 服务器端通常使用多线程同时处理多个客户端连接，利用线程池可大幅提升效率；
  • flush()用于强制输出缓冲区到网络。

UDP

使用UDP协议通信时，服务器和客户端双方无需建立连接：

  • 服务器端用DatagramSocket(port)监听端口；
  • 客户端使用DatagramSocket.connect()指定远程地址和端口；
  • 双方通过receive()和send()读写数据；
  • DatagramSocket没有IO流接口，数据被直接写入byte[]缓冲区。