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【Java常用API】-----System 与 标准 I/O流

news 2025/11/17 14:13:51

1. System 类

1.1 System 类简介

System 是 Java 中一个非常重要的工具类，提供了与操作系统和运行环境相关的实用方法。它封装了系统级的操作，如退出程序、获取时间戳、数组拷贝等，是开发中频繁使用的内置类。

与 Math 类类似，System 类也遵循“工具类”设计模式：

特点：

  • 私有化构造方法：不能通过 new 创建对象；
  • 所有方法均为静态：可以直接通过类名调用，例如 System.exit(0)。
  • 高度优化：底层直接对接操作系统或 JVM 内部机制；
  • 线程安全：大多数方法在多线程环境下可安全使用。

注意：
System.out.println() 实际上是调用了 PrintStream 的输出流，而 System.out 是标准输出流的引用，指向控制台。同理，System.in 是标准输入流，通常对应键盘输入；System.err 是标准错误流，专门用于报告异常信息。

1.2 System 类的常用方法

以下是 System 类中最常用的几个静态方法及其说明：

方法名说明
public static void exit(int status)终止当前运行的 Java 虚拟机
public static long currentTimeMillis()返回从 1970 年 1 月 1 日 00:00:00 UTC 到现在的毫秒数
public static void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)高效地复制数组元素
public static final InputStream in标准输入流（通常为键盘）
public static final PrintStream out标准输出流（通常为控制台）
public static final PrintStream err标准错误流（用于输出错误信息）

注意：
in、out、err 是 System 类的静态字段，而非方法，但它们构成了 Java I/O 的基础入口。

1.3 具体方法详解与示例

1.3.1 exit() - 终止虚拟机

System.exit(int status) 方法用于立即终止当前正在运行的 Java 虚拟机，并返回一个状态码给操作系统。

1.3.1.1 基本用法示例：
public class demo {public static void main(String[] args) {System.out.println("程序开始执行...");System.exit(0); // 正常退出System.out.println("这行不会被执行"); // 不会打印}
}

输出：
在这里插入图片描述

1.3.1.2 参数含义：status
  • status = 0：表示程序正常结束；
  • status ≠ 0：表示程序异常或错误退出，通常用于通知外部进程出错。
示例：异常退出
public class demo {public static void main(String[] args) {boolean someCondition = true;if (someCondition) {System.err.println("配置文件缺失！");System.exit(1); // 错误码 1 表示配置问题}}
}

输出：
在这里插入图片描述

⚠️ 注意：

  • System.exit() 会强制关闭所有线程、资源和 I/O 流，可能导致未保存的数据丢失；
  • 在 GUI 或服务器应用中应谨慎使用，避免服务中断；
  • 使用时建议先清理资源（如关闭数据库连接），再调用 exit()。

1.3.2 currentTimeMillis() - 获取时间戳

System.currentTimeMillis() 是 Java 中最常用的时间测量工具，返回自Unix 时间原点以来的毫秒数。

1.3.2.1 时间原点（Epoch）

Unix 时间原点：1970年1月1日 00:00:00 UTC（协调世界时）

由于中国位于东八区（UTC+8），因此：

  • 当前北京时间比 UTC 时间快 8 小时；
  • 比如：当 UTC 是 1970-01-01 00:00:00 时，北京是 1970-01-01 08:00:00。

历史背景：
1969年8月，贝尔实验室程序员肯·汤普逊（Ken Thompson）利用妻子离开一个月的机会，在老旧的 PDP-7 机器上开发出了 Unix 的早期版本。随后他与丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）共同创造了 C 语言，并重写了 UNIX。
1970年1月1日 被定为 Unix 时间的起点，也被称为“C语言的生日”。

1.3.2.2 单位换算关系
单位换算关系
1 秒= 1000 毫秒
1 毫秒= 1000 微秒
1 微秒= 1000 纳秒
更小单位皮秒、飞秒、阿托秒、仄秒、幺秒（用于科学计算）
1.3.2.3 基本用法示例：
public class demo {public static void main(String[] args) {long startTime = System.currentTimeMillis();// 执行一段耗时操作for (int i = 0; i < 1000000; i++) {Math.sqrt(i);}long endTime = System.currentTimeMillis();System.out.println("起始时间："+startTime + " 毫秒");System.out.println("结束时间："+endTime+" 毫秒");System.out.println("耗时：" + (endTime - startTime) + " 毫秒");}
}

输出：
在这里插入图片描述

优点：

  • 简单高效，适合性能测试；
  • 不依赖外部库，无需引入额外依赖；
  • 支持跨平台一致性。

1.3.3 arraycopy() - 数组拷贝

System.arraycopy() 是 Java 中最快、最高效的数组复制方法，其底层由本地代码实现（native），性能远超手动循环。

1.3.3.1 方法签名 与 参数说明：
public static void arraycopy(Object src,        // 源数组int srcPos,        // 源数组起始索引Object dest,       // 目标数组int destPos,       // 目标数组起始索引int length         // 复制元素个数
)
参数说明
src源数组，必须是非 null
srcPos源数组中开始复制的位置（包含）
dest目标数组，必须足够大以容纳复制的数据 且非null
destPos目标数组中开始写入的位置（包含）
length要复制的元素数量，必须 ≥ 0
1.3.3.2 基本用法示例：
public class demo {public static void main(String[] args) {int[] source = {1, 2, 3, 4, 5};int[] target = new int[10];// 将 source 数组的第 1~3 个元素（即 2,3,4）复制到 target 的第 2~4 个位置System.arraycopy(source, 1, target, 2, 3);// 输出 target 数组for (int x : target) {System.out.print(x + " ");}}
}

输出：
在这里插入图片描述

1.3.3.3 进阶用法示例：引用类型与类型兼容性

System.arraycopy() 不仅支持基本类型数组（如 int[]、double[]），也支持引用类型数组（如 String[]、自定义对象数组等）。在引用类型场景下，Java 的多态机制允许一种特殊的类型转换：

当 源数组 和 目标数组 都是 引用类型数组时，只要源数组 元素的类型 是 目标数组 组件类型 的子类型（或相同类型），复制操作就是合法的。
即：子类数组 → 父类数组（合法）
注意：父类数组 → 子类数组（非法）

这体现了 Java 数组的协变（Covariance）特性——子类数组可视为父类数组的子类型。

示例：
父类：
public class Person {private String name;private int age;public Person() {}public Person(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public int getAge() {return age;}public void setAge(int age) {this.age = age;}
}
子类：
public class Student extends Person{private String className;public Student() {super();}public Student(String name, int age, String className) {super(name, age);this.className = className;}public String getClassName() {return className;}public void setClassName(String className) {this.className = className;}
}
测试类：
public class demo6 {public static void main(String[] args) {Student s1 = new Student("张三", 18, "1班");Student s2 = new Student("李四", 24, "2班");Student s3 = new Student("王五", 20, "3班");Student[] arr1 = {s1, s2, s3};          // 子类数组（Student 是 Person 的子类）Person[] arr2 = new Person[3];          // 父类数组//合法：将子类数组拷贝到父类数组（向上转型，类型兼容）System.arraycopy(arr1, 0, arr2, 0, 3);for (int i = 0; i < arr2.length; i++) {// 需要显式向下转型：因为 arr2[i] 编译时类型是 Person，实际是 StudentStudent s = (Student) arr2[i];System.out.println(s.getName() + "---" + s.getAge() + "---" + s.getClassName());}}
}

输出：
在这里插入图片描述

1.3.3.4 常见异常

如果参数不合法，会抛出以下异常：

异常类型触发条件
NullPointerExceptionsrc 或 dest 为 null
ArrayIndexOutOfBoundsExceptionsrcPos < 0、destPos < 0、length < 0 或超出数组边界
ArrayStoreException源数组和目标数组类型不兼容（如把 int[] 复制到 String[]）
示例：NULL异常
public class demo6 {public static void main(String[] args) {try {int[] a = {1, 2, 3};int[] b = null; // 目标数组为 nullSystem.arraycopy(a, 0, b, 0, 2);} catch (Exception e) {System.err.println("数组拷贝失败：" + e.getMessage());}}
}

输出：
在这里插入图片描述

示例：越界异常:
public class demo6 {public static void main(String[] args) {try {int[] a = {1, 2, 3};int[] b = new int[2];System.arraycopy(a, 0, b, 0, 3); // 试图复制 3 个元素，但 b 只有 2 个空间} catch (Exception e) {System.err.println("数组拷贝失败：" + e.getMessage());}}
}

输出：在这里插入图片描述

示例：不兼容异常
public class demo6 {public static void main(String[] args) {try {int[] src = {10, 20, 30};String[] dest = new String[3]; // 类型不匹配：int[] → String[]System.arraycopy(src, 0, dest, 0, 3);} catch (Exception e) {System.err.println("数组拷贝失败：" + e.getMessage());}}
}

输出：
在这里插入图片描述

1.3.4 标准输入/输出流

字段说明
System.in标准输入流（键盘输入）
System.out标准输出流（控制台输出）
System.err标准错误流（用于输出错误信息）

这些流是 Java I/O 体系的起点，也是命令行交互的基础。

1.3.5 标准输入与输出流详解（System.in / System.out / System.err）

Java 程序默认与操作系统通过三个标准流进行通信，System 类将这三个流封装为静态字段，使得开发者可以轻松实现人机交互和日志输出。

1.3.5.1 System.out —— 标准输出流
  • 类型：PrintStream
  • 用途：输出程序的正常结果、提示信息、调试日志等。
  • 默认指向：控制台（终端）
示例：
System.out.print("欢迎使用计算器！\n");
System.out.println("请输入第一个数字：");

技巧：
System.out 是线程安全的，但频繁调用会影响性能。在高性能日志系统中，建议使用 BufferedWriter 或日志框架（如 Log4j、SLF4J）。

1.3.5.2 System.err —— 标准错误流
  • 类型：PrintStream
  • 用途：专门用于输出错误、异常、警告等非正常信息
  • 默认指向：控制台（通常以红色高亮显示）
示例：
if (args.length == 0) {System.err.println("错误：缺少命令行参数！");System.exit(1);
}

注意：

  • IDE（如 IntelliJ IDEA、Eclipse）通常将 err 内容标红，便于快速定位问题。
    所有异常堆栈、配置错误、用户输入错误都应通过 System.err 输出，而不是 System.out。
1.3.5.3 System.in —— 标准输入流
  • 类型：InputStream
  • 用途：读取用户的键盘输入或管道输入
  • 默认来源：键盘

由于 System.in 是字节流，通常需要包装为字符流或使用 Scanner 简化操作。

示例：使用 Scanner 读取输入
import java.util.Scanner;public class InputDemo {public static void main(String[] args) {Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.print("请输入您的姓名：");String name = scanner.nextLine(); // 读取一行System.out.print("请输入年龄：");int age = scanner.nextInt(); // 读取整数System.out.println("您好，" + name + "，您今年 " + age + " 岁。");scanner.close(); // 关闭资源}
}

注意：

  • System.in 是阻塞式输入，程序会等待用户输入；
  • 在服务器或自动化环境中，System.in 可能被重定向为文件或网络流；
  • 使用完毕后建议关闭 Scanner，避免资源泄漏。
http://www.dtcms.com/a/619579.html

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