Java核心技术36讲-基础部分

运行模式
  编译执行
  解释执行
  混合执行
  分层编译
  AOT(Ahead-of-Time)，字节码编译为机器代码，jaotc工具

语言特性
泛型
Lambda特性
基础类库
集合
IO/NIO
网络
并发
安全
ClassLoader(Bootstrap，Application，Extension)
类的加载过程-加载，验证，链接，初始化
SerialGC，Parallel GC，CMS，G1
编译器，运行环境，安全工具，诊断和监控工具
JVM之上的其他语言

jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class
jaotc --output libjava.base.so --module java.base
java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld

Throwable和两个子类
Exception，又包括可检测(checked)异常，不检测(unchecked)异常-也就是运行时异常
Error
比如
ClassNotFoundException，运行时通过Class.forName()产生的异常
NoClassDefFoundError，JVM或ClassLoader实例尝试加载类时的异常
try-catch机制，因为创建Throwable要调用native代码fillInStacktrace，会影响性能

 

fianl，并发时可以省去防御代码，JVM优化时不会final没什么用
finally
finalize，这个会影响垃圾收集性能，现在可以用幻引用+引用队列的方式替代
finalize使用不当会导致死锁，挂起等，java中调用其他语言代码时，这个函数会有用

引用类型
1.强引用
2.软引用Softly Reachable，内存不足时被回收
3.弱引用Weakly Reachable，GC时被回收
4.幻引用Phantom Reachable，始终返回null，通过引用队列可以确定此对象已被回收
引用队列，被回收的对象会放入队列中
软引用的参数
-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=N
GC的诊断参数
-XX:+PrintReferenceGC  此参数在JDK9中已不存在

 

String，StringBuffer，StringBuilder
String的intern()放入PermGen区
-XX:StringTableSize=N
-XX:+PrintStringTableStatistics  

SymbolTable statistics:
Number of buckets       :   20011
Average bucket size     :       1
Variance of bucket size :       1
Std. dev. of bucket size:       1
Maximum bucket size     :       5
StringTable statistics:
Number of buckets       :   60013
Average bucket size     :       0
Variance of bucket size :       0
Std. dev. of bucket size:       0
Maximum bucket size     :       3

intern()是一种显示的排重机制，JDK8之后可以自动排重
-XX:+UseStringDeduplication

字符串的一些基础操作会直接利用JVM内部的Intrinsic机制，运行的就是特殊优化的本地代码，不是Java代码生成的字节码，Intrinsic可以理解为一种利用native方式hard-code的逻辑，算是一种特别的内联，有多优化还是需要直接使用特定的CPU指定

java -XX:+PrintCompilation -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining [java类]
     51    1       3       java.lang.String::hashCode (55 bytes)
     52    2       3       java.lang.String::equals (81 bytes)
     53    3       3       java.lang.String::charAt (29 bytes)
                              @ 18  java/lang/StringIndexOutOfBoundsException:: (not loaded)   not inlineable
     53    4       3       java.lang.String::length (6 bytes)
     55    7     n 0       java.lang.System::arraycopy (native)   (static)
     56    5       3       java.lang.String::indexOf (70 bytes)
                              @ 66   java.lang.String::indexOfSupplementary (71 bytes)   callee is too large
     57    6       3       java.lang.Object:: (1 bytes)
     57    8       3       java.lang.Math::min (11 bytes)
     57    9       1       java.lang.ref.Reference::get (5 bytes)
     57   10       1       java.lang.ThreadLocal::access$400 (5 bytes)
     61   11       3       java.lang.AbstractStringBuilder::append (50 bytes)
                              @ 5   java.lang.AbstractStringBuilder::appendNull (56 bytes)   callee is too large
                              @ 10   java.lang.String::length (6 bytes)
                              @ 21   java.lang.AbstractStringBuilder::ensureCapacityInternal (27 bytes)
                                @ 17   java.lang.AbstractStringBuilder::newCapacity (39 bytes)   callee is too large
                                @ 20   java.util.Arrays::copyOf (19 bytes)
                                  @ 11   java.lang.Math::min (11 bytes)
                                  @ 14   java.lang.System::arraycopy (0 bytes)   intrinsic
                              @ 35   java.lang.String::getChars (62 bytes)   callee is too large
     61   12       3       java.lang.String::getChars (62 bytes)
                              @ 9  java/lang/StringIndexOutOfBoundsException:: (not loaded)   not inlineable
                              @ 27  java/lang/StringIndexOutOfBoundsException:: (not loaded)   not inlineable
                              @ 43  java/lang/StringIndexOutOfBoundsException:: (not loaded)   not inlineable
                              @ 58   java.lang.System::arraycopy (0 bytes)   intrinsic

Java9自后，引入了Compact Strings的设计，将char[]改为byte[]，加载编码的coder加速了性能
相关的Intrinsic也做了重构，但对开发者是透明的
 

 

反射
Java9做了模块化对反射做了限制，但兼容老版本
静态代理，动态代理
JDK Proxy
Spring中的cglib实现
 

 

集合类
List
Set
Map
Queue/Deuqe
相关的排序算法
Java9的 List.of() 简化创建

Hashtable，HashMap，TreeMap，LinkedHashMap
equals和hashCode
HashMap的容量(capacity)和负载系数(load factor)，树化(冲突后的链表长>8)
HashMap中的hash不是用key本身的hashC偶的，而是来自于HashMap内部的另外一个hash函数
将hash的高位移到地位进行异或运算，因为有些数据计算出的哈希值差异主要在高位，而HashMap里的哈希寻址是忽略容量以上的高位，那么这种处理方式就可以有效避免类似情况下的哈希碰撞

开放定址法
基本思想是：当关键字key的哈希地址p=H（key）出现冲突时，以p为基础，产生另一个哈希地址p1，如果p1仍然冲突，再以p为基础，产生另一个哈希地址p2，…，直到找出一个不冲突的哈希地址pi ，将相应元素存入其中。

再哈希法
这种方法是同时构造多个不同的哈希函数：
Hi=RH1（key）  i=1，2，…，k
当哈希地址Hi=RH1（key）发生冲突时，再计算Hi=RH2（key）……，直到冲突不再产生。这种方法不易产生聚集，但增加了计算时间。

链地址法
这种方法的基本思想是将所有哈希地址为i的元素构成一个称为同义词链的单链表，并将单链表的头指针存在哈希表的第i个单元中，因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。链地址法适用于经常进行插入和删除的情况。
 

ConcurrentHashMap 
1.7和之前的实现方式
1.分成若干segment，通过hash定位到特定的segment，每个segment里面有若桶，桶里存储KV
2.put的时候通过key得到segment并加锁，然后再hash得到要添加的桶，遍历桶中链表替换节点
3.求size是分两次计算，若两次返回相同则返回，否则加锁重新计算

1.8之后的实现方式
1.不依赖segment加锁，segment数量和桶数量一致
2.对key hash计算得到存放的桶位置，为空则用CAS设置新节点
3.否则用synchronized加锁，遍历桶中数据，替换或新添加到桶中
4.判断是否需要扩容，是否需要树化
5.求size利用LogAdd累加计算

 

 

I/O

同步和异步
阻塞和非阻塞
IO不仅仅对文件，网络中也有
输入流，输出流，是用于读取/写入字节的
Reader/writer是用于操作字符，增加字符编码等功能
BufferedOutputStrea是带缓冲区的实现
很多IO类都实现了Closeable接口

每个客户端对应一个线程模式

public class DemoServer extends Thread {
    private ServerSocket serverSocket;
    public int getPort() {
        return  serverSocket.getLocalPort();
    }
    public void run() {
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(0);
			ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
            while (true) {
                Socket socket = serverSocket.accept();
                RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
                //requestHandler.start();
				executor.execute(requestHandler);
            }
        } catch (IOException e) {
           ....
        } finally {
            .....
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DemoServer server = new DemoServer();
        server.start();
        try (Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), server.getPort())) {
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new                   InputStreamReader(client.getInputStream()));
            bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println(s));
        }
    }
 }
// 简化实现，不做读取，直接发送字符串
class RequestHandler extends Thread {
    private Socket socket;
    RequestHandler(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try (PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());) {
            out.println("Hello world!");
            out.flush();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 }

上述代码的工作方式如下

NIO模式的代码如下

 public class NIOServer extends Thread {
    public void run() {
        try (Selector selector = Selector.open();
             ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();) {// 创建 Selector 和 Channel
            serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));
            serverSocket.configureBlocking(false);
            // 注册到 Selector，并说明关注点
            serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select();// 阻塞等待就绪的 Channel，这是关键点之一
                Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator iter = selectedKeys.iterator();
                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                   // 生产系统中一般会额外进行就绪状态检查
                    sayHelloWorld((ServerSocketChannel) key.channel());
                    iter.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    private void sayHelloWorld(ServerSocketChannel server) throws IOException {
        try (SocketChannel client = server.accept();) {          client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
        }
    }
   // 省略了与前面类似的 main
}

上述代码的工作方式如下

 

NIO2 是异步模式，用完成后回调实现的

AsynchronousServerSocketChannel serverSock =        AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(sockAddr);
serverSock.accept(serverSock, new CompletionHandler<>() { // 为异步操作指定 CompletionHandler 回调函数
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel sockChannel, AsynchronousServerSocketChannel serverSock) {
        serverSock.accept(serverSock, this);
        // 另外一个 write（sock，CompletionHandler{}）
        sayHelloWorld(sockChannel, Charset.defaultCharset().encode
                ("Hello World!"));
    }
  // 省略其他路径处理方法...
});

 

文件拷贝

普通方式
NIO transferTo/From方式
Files工具类

拷贝实现机制，用户态->内核态

transferTo直接在内核态拷贝传输

Files工具类实现的拷贝，不同平台有不同的实现方式
其实只是用户态拷贝

NIO Buffer
capcity，反映这个Buffer到底多大，也就是数组程度
position，要操作的数据起始位置
limit，   相当于操作的限额，在读取或写入时，limit设置到所容纳的数据上线，写入时设置为容量的下限
mark，    记录上一次positioni的位置，默认是0

 
DirectBuffer
MappedByteBuffer，讲啊文件按照指定大小直接映射为内存区域
设置DirectBuffer参数

-XX:MaxDirectMemorySize=512M

DirectBuffer垃圾收集基于Cleaner和幻象引用
对irect Buffer 的回收的建议：
在应用程序中，显式地调用 System.gc() 来强制触发
另外一种思路是，在大量使用 Direct Buffer 的部分框架中，框架会自己在程序中调用释放方法，Netty 就是这么做的，有兴趣可以参考其实现（PlatformDependent0）。
重复使用 Direct Buffer

在 JDK 8 之后的版本，可以用 Native Memory Tracking（NMT）特性来进行DirectBuffer诊断，
注意，激活 NMT 通常都会导致 JVM 出现 5%~10% 的性能下降

-XX:NativeMemoryTracking={summary|detail}

注意，激活 NMT 通常都会导致 JVM 出现 5%~10% 的性能下降，请谨慎考虑。

运行时，可以采用下面命令进行交互式对比

// 打印 NMT 信息
jcmd  VM.native_memory detail 

// 进行 baseline，以对比分配内存变化
jcmd  VM.native_memory baseline
 
// 进行 baseline，以对比分配内存变化
jcmd  VM.native_memory detail.diff


//JDK 9 的输出片段如下，“+”表示的就是 diff 命令发现的分配变化：
-Internal (reserved=679KB +4KB, committed=679KB +4KB)
              (malloc=615KB +4KB #1571 +4)
              (mmap: reserved=64KB, committed=64KB)

 

设计模式可以分为创建型模式、结构型模式和行为型模式

创建型模式，是对对象创建过程的各种问题和解决方案的总结，包括

• 各种工厂模式（Factory、Abstract Factory）
• 单例模式（Singleton）
• 构建器模式（Builder）
• 原型模式（ProtoType）

结构型模式，是针对软件设计结构的总结，关注于类、对象继承、组合方式的实践经验。

• 桥接模式（Bridge）
• 适配器模式（Adapter）
• 装饰者模式（Decorator）
• 代理模式（Proxy）
• 组合模式（Composite）
• 外观模式（Facade）
• 享元模式（Flyweight）

行为型模式，是从类或对象之间交互、职责划分等角度总结的模式

• 策略模式（Strategy）
• 解释器模式（Interpreter）
• 命令模式（Command）
• 观察者模式（Observer）
• 迭代器模式（Iterator）
• 模板方法模式（Template Method）
• 访问者模式（Visitor）

 

 

 

 

 

 

参考

Java技术36讲-笔记