[翻译]现代java开发指南 第一部分

现代java开发指南 第一部分

第一部分：Java已不是你父亲那一代的样子

第一部分，第二部分

与历史上任何其他的语言相比，这里要排除c语言和cobol语言，现在越来越多的工作中，有用的代码用Java语言写出。在20年前Java首次发布时，它引了软件界的风暴。在那时，相对c++语言，Java语言要更简单，更安全，而且在一段时间后，Java语言的性能也得到了提升（这依赖于具体的使用情况，一个大型的Java程序于相同的c++程序相比，可能会慢一点，或者一样快，或者更快一些）。比起c++，Java牺牲非常少性能，却提供了巨大的生产力提升。

Java是一门blue-collar language，程序员值得信赖的工具，它只会采用已经被别的语言尝试过的正确的理念，同时增加新的特性只会去解决主要的痛点问题。Java是否一直忠于它的使命是一个开放性的问题，但它确实是努力让自已的道路不被当前的时尚所左右太远。在智能芯片，嵌入式设备和大型主机上，java都在用于编写代码。甚至被用来编写对任务和安全要求苛刻的硬件实时软件。

然而，最近一些年，Java得到了不少负面的评价，特别是在互联网初创公司中。相对于别的语言如Ruby和python，Java显得死板，而且与配置自由的框架如Rails相比，java的网页开发框架需要使用大量的xml文件做为配置文件。进一步说，java在大型企业中广泛使用导致了java所采用的编程模式和做法在一个非常大的具有鲜明等级关系的技术团队中会很有用，但是这些编程模式和做法对于快速开发打破常规的初创公司来说，不是很合适。

但是，Java已经改变。Java最近增加了lambda表达式和traits。以库的形式提供了像erlang和go所支持的轻量级线程。并且最重要的是，提供了一个现代的、轻量级的方式用于取代陈旧笨重以大量xml为基础的方法，指导API、库和框架的设计。

最近一些年，Java生态圈发生了一些有趣的事：大量的以jvm为基础的程序语言变得流行；其中一些语言设计的十分好（我个人喜欢Clojure和Kotlin）。但是与这些可行或者推荐的语言相比，Java与其它基于JVM的语言来说，确实有几个优点：熟悉，技持，成熟，和社区。通过新代工具和新代的库，Java实际上在这几个方面做了很多的工作。因此，许多的硅谷初创公司，一但他们成长壮大后，就会回到Java，或者至少是回到JVM上，这点就不会另人惊奇了。

这份介绍性指南的目标是想学习如何写现代精简Java代码的程序员（900万），或者是那些听到了或体验过Java坏的方面的Python/Ruby/Javascript程序员。并且指南展示了Java中已经改变的方面和这些改变的方面如何让Java获得另人赞叹的性能，灵活性和可监控性而不会牺牲太多的Java沉稳方面。

JVM

对Java术语简单价绍一下，Java在概念上被分为三个部分：Java，Java运行时库和Java虚拟机，或者叫JVM。如果你熟悉Node.js，Java语言类同于JavaScript，运行时库类同于Node.js，JVM类同于V8引擎。JVM和运行时库被打包成大家所熟知的Java运行时环境，或者叫JRE（虽然常常人们说JVM实际上指的是JRE）。Java开发工具，JDK，是指某一个JRE的发行版，通常包括很多开发工具像java编绎器javac，还有很多程序监控和性能分析工具。JRE通常有几个分支，如支持嵌入式设备开发版本，但是本博客中，我们只会涉及到JRE支持服务器（桌面）开发的版本，这就是众所周知的 JavaSE（Java标准版）。

有一些项目实现了JVM和JRE的标准，其中一些是开源的项目，还有一些是商业项目。有些JVM非常特殊，如有些JVM运行硬件实时嵌入式设备软件，还有JVM可以在巨大的内存上运行软件。但是我们将会使用HotSpot，一个由Oracle支持的的自由，通用的JVM实现，同时HotSpot也是开源OpenJDK项目的一部分。

Java构建JVM，JVM同时运行Java（虽然JVM最近为了其它语言做了一些专门的修改）。但是什么是JVM，Cliff Click的这个演讲解释了什么是JVM，简单来说，JVM是一台抽象现实的魔法机器。JVM使用漂亮，简单和有用的抽象，好像无限的内存和多态，这些听起来实现代价很高，并且实现这些特征用如此高效的形式以致于他们能很容易能与没有提供这些有用抽象的运行时竞争。更需要说明的是，JVM拥有最好内存回收算法并能在大范围的产品中使用，JVM的JIT允许内联和优化虚方法的调用（这是许多语言中最有用的抽像的核心），在保存虚方法的用处的同时，使调用虚方法非常方便和快捷。JVM的JIT（即时编绎器）是基础的高级性能优化编绎器，和你的应用一起运行。

当然JVM也隐藏了很多的操作系统级别的细节，如内存模型（代码在不同的CPU上运行怎样看待其它的CPU操作引起的变量的状态的变化）和使用定时器。JVM还提供运行时动态链接，热代码交换，监控几乎所有在JVM上运行的代码，还有库中的代码。

这并不是说JVM是完美的。当前Java的数组缺失存放复杂结构体的能力（计划将在Java9中解决），还有适当的尾调用优化。尽管JVM有这样的问题，但是JVM的成熟，测试良好，快速，灵活，还有丰富的运行时分析和监控，让我不会考虑运行一个关键重要的服务器进程在别的任何基础之上（除了JVM别无选择）。

理论已经足够了。在我们深入讲解之前，你应该下载在这里下载最新的JDK，或者使用你系统自带的包管理器安装最新的OpenJDK。

构建

让我们开启现代Java构建工具旅程。在很长的一段历史时间内，Java出现过几个构建工具，如Ant和Maven，他们大多数都基于XML。但是现代的Java开发者使用Gradle（最近成为Android的官方构建工具）。Gradle是一个成熟，深入开发，现代Java构建工具，它使用了在Groovy基础上的DSL语言来说明构建过程。他集成了Maven的简单性和Ant的强大性和灵活性，同时抛弃所有的XML。但是Gradle并不是没有错误：当他使最通用的部分简单和可声明式的同时，就会有很多事情变得非常不通用，这就要求返回来使用命令式的Groovy。

现在让我们使用Gradle创建一个新的Java项目。首先，我们从这里下载Gradle，安装。现在我们开始创建项目，项目名叫JModern。创建一个叫Jmodern的目录，切换到击刚才创建的目录，执行：

gradle init --type java-library

Gradle 创建了项目的初始文件夹结构，包括子类（Library.java和LibraryTest.java），我们将在后面删除这两个文件：

figure1

代码在src/main/java/目录下，测试代码在src/test/java目录下。我们将主类命名为jmodern.Main（所以主类的源文件就在src/main/java/jmodern/Main.java），这个程序将会把Hello World程序做一点小小的变化。同时为了使用Gradle更方便，将会使用Google's Guava。使用你喜欢的编辑器创建src/main/java/jmodern/Main.java，初始的代码如下：

package jmodern;

import com.google.common.base.Strings;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(triple("Hello World!"));
        System.out.println("My name is " + System.getProperty("jmodern.name"));
    }

    static String triple(String str) {
        return Strings.repeat(str, 3);
    }
}

相应创建一个小的测试用例：在src/test/java/jmodern/MainTest.java:

package jmodern;

import static org.hamcrest.CoreMatchers.*;
import static org.junit.Assert.*;
import org.junit.Test;

public class MainTest {
    @Test
    public void testTriple() {
        assertThat(Main.triple("AB"), equalTo("ABABAB"));
    }
}

在项目根目录，找到build.gradle文件，修改该文件：

apply plugin: 'java'
apply plugin: 'application'

sourceCompatibility = '1.8'

mainClassName = 'jmodern.Main'

repositories {
    mavenCentral()
}

dependencies {
    compile 'com.google.guava:guava:17.0'

    testCompile 'junit:junit:4.11' // A dependency for a test framework.
}

run {
    systemProperty 'jmodern.name', 'Jack'
}

构建程序设置jmoder.Main为主类，声明Guava为该程序的依赖库，并且jmodern.name为系统属性，方便运行时读取。当输入以下命令：

gradle run

Gradle会从Maven中心仓库下载Guava，编绎程序，然后运行程序，把jmodern.name设置成"Jack"。总的过程就是这样。

接下来，运行一下测试：

gradle build

生成的测试报告在build/reports/tests/index.html：

figure2

IDE

有些人说IDE会稳藏编程语言的问题。好吧，对于这个问题，我没有意见，但是不管你使用任何语言，一个好的IDE总是有帮助的，而Java在这方面做的最好。当然在文章中选择IDE不是重要的部分，总是要提一下，在Java世界中，有三大IDE：Eclipse，IntelliJ IDEA，和NetBeans，你应该以后使用一下后两者。IntelliJ可能是三者之中最强大的IDE，而NetBeans应该是最符合程序员直觉和最易于使用（我认为也最好看）的IDE。NetBeans通过Gradle的插件对Gradle有最好的支持。Eclipse是最受欢迎的IDE。我在很多年前感觉Eclipse变得混乱，就不使用Eclipse了。当然如果你是一个长期使用Eclipse的用户，也没有什么问题。

安装完Gradle插件，我们的小项目在NetBeans中的样子如下：

figure3

我最喜欢NetBeans的Gradle插件功能不仅是因为IDE列出了所有有关项目的依赖，还有其它的配置插件也能列出，所以我们只需要在构建文件中声明他们一次。如果你在项目中增加新的依赖库，在NetBeans中右键单击项目，选择Reload Project，然后IDE将下载你新增加的依赖库。如果你右键单击Dependencies结点，选择Download Sources，IDE会下载依赖库的源代码和相关javadoc，这样你就可以调试第三方库的代码，还能查看第三方库的文档。

用Markdown编写文档

长期以来，Java通过Javadoc生成很好的API文档，而且Java开发者也习惯写Javadoc形式的注释。但是现代的Java开发者喜欢使用Markdown，喜欢使用Markdown为Javadoc增加点乐趣。为了达在Javadoc使用Markdown，我们在构建文件中dependencies部分的前面，增加Pegdown DocletJavadoc插件：

configurations {
    markdownDoclet
}

然后，在dependencies中添加一行：

markdownDoclet 'ch.raffael.pegdown-doclet:pegdown-doclet:1.1.1'

最后，构建文件的最后增加这个部分：

javadoc.options {
    docletpath = configurations.markdownDoclet.files.asType(List) // gradle should relly make this simpler
    doclet = "ch.raffael.doclets.pegdown.PegdownDoclet"
    addStringOption("parse-timeout", "10")
}

终于，可以在Javadoc注释使用Markdown，还有语法高亮。

你可能会想关掉你的IDE的注释格式化功能（在Netbeans: Preferences -> Editor -> Formatting, choose Java and Comments, and uncheck Enable Comments Formatting）。IntelliJ 有一个插件能高亮在Javadoc中的Markdown语法。

为了测试新增的设置，我们给方法randomString增加Markdown格式的javadoc，函数如下：

/**
 * ## The Random String Generator
 *
 * This method doesn't do much, except for generating a random string. It:
 *
 *  * Generates a random string at a given length, `length`
 *  * Uses only characters in the range given by `from` and `to`.
 *
 * Example:
 *
 *  // 这里有问题
 * randomString(new Random(), 'a', 'z', 10);
 *  
 *
 * @param r      the random number generator
 * @param from   the first character in the character range, inclusive
 * @param to     the last character in the character range, inclusive
 * @param length the length of the generated string
 * @return the generated string of length `length`
 */
public static String randomString(Random r, char from, char to, int length) ...

然后使用命令gradle javadoc在build/docs/javadoc/生成html格式文档：

figure4

一般我不常用这个功能，因为IDE对这个功能的语法高亮支持的不太好。但是当你需要在文档中写例子时，这个功能能让你的工作变得更轻松。

用Java8写简洁的代码

最近发布的Java8给Java语言带来了很大的改变，因为java原生支持lambda表达式。lambda表达式解决了一个重大的问题，在过去人们解决做一些简单事却写不合理的冗长的代码。为了展示lambda有多大的帮助，我拿出我能想到的令人很恼火的，简单的数据操作代码，并把这段代码改用Java8写出。这个例子产生了一个list，里面包含了随机生成的学生名字，然后进行按他们的头字母进行分组，并以美观的形式打印出来。现在，修改Main类：

package jmodern;

import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Random;
import static java.util.stream.Collectors.*;
import static java.util.stream.IntStream.range;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // generate a list of 100 random names
        List students = range(0, 100).mapToObj(i -> randomString(new Random(), 'A', 'Z', 10)).collect(toList());

        // sort names and group by the first letter
        Map> directory = students.stream().sorted().collect(groupingBy(name -> name.charAt(0)));

        // print a nicely-formatted student directory
        directory.forEach((letter, names) -> System.out.println(letter + "\n\t" + names.stream().collect(joining("\n\t"))));
    }

    public static String randomString(Random r, char from, char to, int length) {
        return r.ints(from, to + 1).limit(length).mapToObj(x -> Character.toString((char)x)).collect(Collectors.joining());
    }
}

Java自动推导了所有lambda的参数类型，Java确保了参数是类型安全的，并且如果你使用IDE，IDE中的自动完成和重构功能对这些参数都可以用的。Java不会像c++使用auto和c#中的var还有Go一样，自动推导局部变量，因为这样会让代码的可读性降低。但是这并不意味着要需要手动输入这些类型。例如，光标在students.stream().sorted().collect(Collectors.groupingBy(name -> name.charAt(0)))这一行代码上，在NetBeans中按下Alt+Enter，IDE会推导出结果适当的类型（这里是Map）。

如果想感觉一下函数式编程的风格，将main函数改成下面的形式：

public static void main(String[] args) {
    range(0, 100)
            .mapToObj(i -> randomString(new Random(), 'A', 'Z', 10))
            .sorted()
            .collect(groupingBy(name -> name.charAt(0)))
            .forEach((letter, names) -> System.out.println(letter + "\n\t" + names.stream().collect(joining("\n\t"))));
}

跟以前的代码确实不一样（看哪，没有类型），但是这应该不太容易理解这段代码的意思。

就算Java有lambda，但是Java仍然没有函数类型。其实，lambda在java中被转换成近似为functional接口，即有一个抽象方法的接口。这种自动转换使遗留代码能够和lambda在一起很好的工作。例如：Arrays.sort方法是需要一个Comparateor接口的实例，这个接口简单描述成单一的揭抽象 int compare(T o1, T o2)方法。在java8中，可以使用lambda表达式对字符串数组进行排序，根据数组元素的第三个字符：

Arrays.sort(array, (a, b) -> a.charAt(2) - b.charAt(2));

Java8也增加了能实现方法的接口（将这种接口换变成“traits”）。例如，FooBar接口有两个方法，一个是抽象方法foo，另一个是有默认实现的bar。另一个useFooBar调用FooBar：

interface FooBar {
    int foo(int x);
    default boolean bar(int x) { return true; }
}

int useFooBar(int x, FooBar fb) {
    return fb.bar(x) ? fb.foo(x) : -1;
}

虽然FooBar有两个方法，但是只有一个foo是抽象的，所以FooBar也是一个函数接口，并且可以使用lambda表达式创建FooBar，例如：

useFooBar(3, x -> x * x)

将会返回9。

通过Fibers实现轻量级并发控制

有许多人和我一样，都对并发数据结构感兴趣，而这一块是JVM的后花园。一方面，JVM对于CPU的并发原语提供了低级方法如CAS结构和内存栅栏，另一方面结合内存回收机制提供了平台中立的内存模型。但是，对那些使用并发控制的程序员来说，并不是为了扩展他们的软件，而使用并发控制，而是他们不得不使用并发控制使自己的软件可扩展。从这方面说，Java并发控制并不是很好，是有问题。

真的，Java从开始就被设计成为并发控制，并且在每一个版本中都强调他的并发控制数据结构。Java已经高质量的实现了很多非常有用的并发数据结构（如并发HashMap，并发SkipListMap，并发LinkedQueue），有些都没有在Erlang和Go中实现。Java的并发控制通常领先c++5年或者更长的时间。但是你会发现正确高效地使用这些并发控制数据结构非常困难。当我们使用线程和锁时，刚开始你会发现它们工作的很好，到了后面当你需要更多并发控制时，发现这些方法不能很好的扩展。然后我们使用线程池和事件，这两个东西有很好的扩展性，但是你会发现很难去解释共享变量，特别是在语言级别没有对共享变量的可变性进行限制。进一步说，如果你的问题是内核级线程不能很好的扩展，那么对事件的异步处理是一个坏想法。为什么不简单修复线程的问题呢？这恰恰是Erlang和Go所采用的方式：轻量级的用户线程。轻量级用户线程通过简单，阻塞式的编程方法高效使用同步结构，将内核级的并发控制映射到程序级的并发控制，而不用牺牲可扩展性，同时比锁和信号更简单。

Quasar是一个我们创建的开源库，它给JVM增加了真正的轻量级线程（在Quasar叫纤程），同得能够很好的同系统级线程很好在一起的工作。Quasar同Go的CSP一样，同时有一个基结Erlang的Actor系统。对付并发控制，纤程是一个很好的选择。纤程简单、优美和高效。现在让我们来看看它：

首先，我们设置构建脚本，添加以下的代码在build.gradle中：

configurations {
    quasar
}

dependencies {
    compile "co.paralleluniverse:quasar-core:0.5.0:jdk8"
    quasar "co.paralleluniverse:quasar-core:0.5.0:jdk8"
}

run {
    jvmArgs "-javaagent:${configurations.quasar.iterator().next()}" // gradle should make this simpler, too
}

更新依赖，编辑Main.java:

package jmodern;

import co.paralleluniverse.fibers.Fiber;
import co.paralleluniverse.strands.Strand;
import co.paralleluniverse.strands.channels.Channel;
import co.paralleluniverse.strands.channels.Channels;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final Channel ch = Channels.newChannel(0);

        new Fiber(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Strand.sleep(100);
                ch.send(i);
            }
            ch.close();
        }).start();

        new Fiber(() -> {
            Integer x;
            while((x = ch.receive()) != null)
                System.out.println("--> " + x);
        }).start().join(); // join waits for this fiber to finish
    }
}

现在有通过channel，有两个纤程可以进行通信。

Strand.sleep，和Strand类的所有方法，在原生Java线程和fiber中都能很好的运行。现在我们将第一个fiber替换成原生的线程：

new Thread(Strand.toRunnable(() -> {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        Strand.sleep(100);
        ch.send(i);
    }
    ch.close();
})).start();

这也运行的很好（当然我们已在我们的应用中运行百万级的fiber，也用了几千线程）。

我们处一下channel selection （模拟Go的select）。

package jmodern;

import co.paralleluniverse.fibers.Fiber;
import co.paralleluniverse.strands.Strand;
import co.paralleluniverse.strands.channels.Channel;
import co.paralleluniverse.strands.channels.Channels;
import co.paralleluniverse.strands.channels.SelectAction;
import static co.paralleluniverse.strands.channels.Selector.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final Channel ch1 = Channels.newChannel(0);
        final Channel ch2 = Channels.newChannel(0);

        new Fiber(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Strand.sleep(100);
                ch1.send(i);
            }
            ch1.close();
        }).start();

        new Fiber(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Strand.sleep(130);
                ch2.send(Character.toString((char)('a' + i)));
            }
            ch2.close();
        }).start();

        new Fiber(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                SelectAction