经验总结（四）：java常用类库

Java常用类库

一：异常和错误分类

运行时异常：

• NullPointerException - 空指针引用异常
• ClassCastException - 类型强制转换异常
• IllegalArgunmentException - 传递非法参数异常
• IndexOutOfBoundsException - 下标越界异常
• NumberFormatException - 数字格式异常

非运行时异常

• ClassNotFoundException - 找不到指定class的异常
• IOException - IO操作异常

错误

• NoClassDefFoundError - 找不到class定义的异常
• StackOverflowError - 深递归导致栈被耗尽而抛出的异常
• OutOfMemoryError - 内存溢出异常

程序开发使用

• 对于运行时异常，系统开发中可定义自身的BaseRuntime基类，使其他异常继承这个异常类，让前段端接收到自身定义的异常时便可处理，这里的处理时展示友好的弹窗文字等。
• try-catch块会影响JVM的优化。
• 遇到异常时，便会实例化一个Exception，并且对当前栈进行快照，开销较大。

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二：Collection体系

排序（后续补充各种算法的实现）

• 不稳定排序算法：快排、堆排。

Collection

• List
  • 有序、可重复、可通过索引值操作元素
  • 底层是数组时：查询块，增删慢。ArrayList线程不安全，效率高。Vector线程安全，效率低
  • 底层是链表时：LinkedList查询慢，增删快。线程不安全，效率高。
  • ArrayList的get复杂度为O(1)，其余都为O(n)
  • LinkedList的时间复杂度都为O(1)，这里的复杂度包括查找的。
• Set
  • 底层是哈希表HashSet保证元素唯一性。hashCode()、equals()
  • 底层是二叉树TreeSet 保证元素排序。自然排序，让对象所属的类（T）去实现comparable接口，无参构造。比较器接口comparator，带参构造。
  • 由于HashSet是特殊的HashMap。
  • TreeSet由于需要排序，所以性能比HashSet低。

HashMap(后续补充红黑树与链表的转换)

• HashMap在java8以前为数组加链表的形式。位运算，长度为2的N次幂，首次使用时进行初始化。
• java8以后为数据+链表+红黑树，通过TREEIFY_THRESHOLD来控制是否转换为红黑树，这种把最坏情况从O(n)提高到O(logn)。通过控制UNTREEIFY_THRESHOLD来控制红黑树转为链表

HashMap进行put方法时的逻辑

• 如果HashMap未被初始化过，则初始化
• 对Key求Hash值，然后再计算下标
• 如果没有碰撞，直接放入桶中
• 如果碰撞了，以链表的方式连接到后面
• 如果链表长度超过了阈值，就把链表转换成红黑树
• 如果链表长度低于6，就把红黑树转回链表
• 如果节点已经存在就替换旧值
• 如果桶满了（容量16*加载因子0.75），就需要resize()，扩容2两重排。

多线程下，如果多个线程都检测到需要resize()，锁竞争时会导致死锁。rehashing也是一个比较耗时的过程。

HashTable

实现与SynchronizedMap除了锁定的对象不同以外几乎没什么区别。

优化HashTable，也就要深入了解并发编程（后续会补充并发编程相关文章）

• 通过锁细粒度化，将整锁拆解成多个锁进行优化

ConcurrentHashMap

concurrentHashMap就是将HashTable进行了优化。java8之前concurrentHashMap采用的是分段锁，java8之后concurrentHashMap采用CAS+synchronized使得锁更细化。

• 使用volatile标示的sizeCtl，作为hash表扩容的标示量。-1代表正在初始化，-n代表有n-1个线程在进行扩容操作。正数代表下次扩容的大小。
• ConcurrentHashMap的key不允许为null，这与HashMap相反。

ConcurrentHashMap:put方法的逻辑

• 判断Node[]数组是否初始化，没有则进行初始化操作
• 通过hash定位数组的索引坐标，是否有Node节点，如果没有则使用CAS进行添加（链表的头节点），添加失败则进入下次循环。
• 检查到内部正在扩容，就帮助它一起扩容。
• 如果f != null ,则使用synchronized锁住f元素（链表/红黑树的头元素）
  • 如果是Node(链表结构)则执行链表的添加操作。
  • 如果是TreeNode（树型结构）则执行树添加操作。
• 判断链表长度已经达到临界值8，当然8是默认值，可以对其进行调整。当节点树超过这个值就系要把链表转换成树结构。

总结：

• ConcurrentHashMap在1.8以后相比之前使用分段式锁Segment，它把锁拆得更细。
  • 使用无锁操作CAS插入头节点，失败则循环重试。
  • 如果头节点已经存在，则尝试获取头节点的同步锁，再进行操作。
• HashMap线程不安全，数组+链表+红黑树
• Hashtable线程安全，锁住整个对象，数组+链表
• ConccurentHashMap线程安全，CAS+同步锁，数组+链表+红黑树

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三：J.U.C包

J.U.C包提供了并发编程的解决方案.

• CAS是java.util.concurrent.atomic包的基础
• AQS是java.util.concurrent.locks包以及一些常用类比如Semophore,ReentrantLock等类的基础。

J.U.C包的分类

• 线程执行器executor
• 锁locks
• 院子变量类atomic
• 并发工具类tools
• 并发集合collections

并发工具类

• 闭锁 CountDownLatch
  • 让主线程等待一组时间发生后继续执行，事件指的是CountDownLatch里的countDown()方法。
• 栅栏 CyclicBarrier
  • 阻塞当前线程，等待其他线程，所有线程必须同时达到栅栏位置后，才能继续执行。
  • 所有线程达到栅栏处，可以触发执行另外一个预先设置的线程。
• 信号量 Semaphore
  • 控制某个资源可被同时访问的线程个数
• 交换器 Exchanger
  • 两个线程达到同步点后，可以相互交换彼此的数据

BlockingQueue

BlockingQueue提供可阻塞的入队和出队操作。它主要用于生产者-消费者模式，在多线程场景时生产者线程在队列尾部添加元素，而消费者线程则在队列头部消费元素，通过这种方式能够达到将任务的生产和消费进行隔离的目的。

添加元素：

• add()添加成功返回true，添加失败返回异常
• offer()添加成功返回true，添加失败返回false，如果队列满了可以指定一个时间（等待的时间）
• put()如果队列满了则等待，直到可以添加为止

取出元素：

• take()从头部取出元素，如果队列为空，则一直等待。与put对应.
• poll()从头部拉去元素，如果有则取出，可以指定等待时间，如果等待中断则抛出异常。对应offer()

remainingCapacity()获取当前队列剩余可存取元素。

remove()从队列中移除指定的对象。

cantains()判断队列中是否含有该对象。

drainTo()将队列中的对象转移到对应的集合中。

BlockingQueue队列的实现

• ArrayBlockingQueue：一个由数组结构组成的有界阻塞队列；
• LinkedBlockingQueue：一个由链表结构组成的由界/无界阻塞队列；
• PriorityBlockingQueue：一个支持优先级排序的无界阻塞队列；
• DealyQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列；
• SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列；
• LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列；
• LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列；

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Java的IO机制

io的分类

• BIO
  • Block-IO：InputStream和OutputStream，Reader和Writer。
• NIO
  • NonBlock-IO : 构建多路复用的、同步非阻塞的IO操作。（同步、阻塞建议看一篇《如何给女朋友将同步与阻塞》文章）
  • NIO的核心为三部分：Channels、Buffers、Selectors
  • Channels分为：FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel
  • FileChannel中:transferTo可以把FileChannel中的数据拷贝到另外一个Channel中；transferFrom可以把另外一个Channel中的数据拷贝到FileChannel中，它避免了两次用户态和内核态间的上下文切换，即“零拷贝”，效率较高。
  • Buffers分为：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer、MappedByteBuffer
  • nio底层使用系统级的多路复用；select\poll\epoll，在单线程中可以同时处理多个网络io。
  • 一个进程中能打开的最大连接数：
    • select能打开最大连接数是32的整数倍，如32位操作系统则为32 * 32，64位操作系统则为32 * 64
    • poll由于底层是链表存储的所以没有最大限制
    • epoll连接数虽然有上线，但是很大。
  • FD剧增后带来的IO效率问题：
    • select、poll因为每次调用时都会对连接进行线性遍历，所以随着FD的增加会造成遍历素的的“线性下降”的性能问题
    • 由于epoll时根据每个fd上的callback函数来实现的，只有活跃的socket才会主动调用callback，所以在活跃socket较少的情况下，使用epoll不会有“线性下降”的性能问题，但是所有socket都很活跃的情况下，可能会有性能问题。
  • 消息传递方式
    • select、poll内核需要将消息传递到用户空间，需要内核的拷贝动作
    • poll 通过内核和用户空间共享一块内存来实现，不需要拷贝，性能较高。
• AIO
  • 俗称nio 2.0，它是基于事件和回掉机制
  • aio进一步加工处理结果
    • 基于回调：实现CompletionHandler接口，调用时触发回调函数
    • 返回Future：通过isDone()查看是否准备好，通过get()等待返回数据

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                                                                                                生活要多点不自量力