Java知识梳理八

一、Java多线程三

1.Java后台明显变慢的诊断思路

• 服务是突然变慢还是长时间运行后观察到变慢？类似问题是否重复出现？
• “慢”的定义是什么，我能够理解是系统对其他方面的请求的反应延时变长吗?第二，理清问题的症状，这更便于定位具体的原因，有以下一些思路：
• 问题可能来自于Java服务自身，也可能仅仅是受系统里其他服务的影响。初始判断可以先确认是否出现了意外的程序错误，例如检查应用本身的错误日志。
  对于分布式系统，很多公司都会实现更加系统的日志、性能等监控系统。一些Java诊断工具也可以用于这个诊断，例如通过JFR（[Java FlightRecordera>），监控应用是否大量出现了某种类型的异常。 如果有，那么异常可能就是个突破点。 如果没有，可以先检查系统级别的资源等情况，监控CPU、内存等资源是否被其他进程大量占用，并且这种占用是否不符合系统正常运行状况。
• 监控Java服务自身，例如GC日志里面是否观察到Full GC等恶劣情况出现，或者是否Minor GC在变长等；利用jstat等工具，获取内存使用的统计信息也是个常用手段；利用jstack等工具检查是否出现死锁等。
• 如果还不能确定具体问题，对应用进行Profiling也是个办法，但因为它会对系统产生侵入性，如果不是非常必要，大多数情况下并不建议在生产系统进行。
• 定位了程序错误或者JVM配置的问题后，就可以采取相应的补救措施，然后验证是否解决，否则还需要重复上面部分过程。

2.Lambda能让Java程序慢30倍

       第一，基准测试是一个非常有效的通用手段，让我们以直观、量化的方式，判断程序在特定条件下的性能表现。
       第二，基准测试必须明确定义自身的范围和目标，否则很有可能产生误导的结果。前面代码片段本身的逻辑就有瑕疵，更多的开销是源于自动装箱、拆箱（auto-boxing/unboxing），而不是源自Lambda和Stream，所以得出的初始结论是没有说服力的。
       第三，虽然Lambda/Stream为Java提供了强大的函数式编程能力，但是也需要正视其局限性：

• 一般来说，我们可以认为Lambda/Stream提供了与传统方式接近对等的性能，但是如果对于性能非常敏感，就不能完全忽视它在特定场景的性能差异了，例如： 初始化的开销 。 Lambda并不算是语法糖，而是一种新的工作机制，在首次调用时，JVM需要为其构建CallSite实例。这意味着，如果Java应用启动过程引入了很多Lambda语句，会导致启动过程变慢。其实现特点决定了JVM对它的优化可能与传统方式存在差异。
• 增加了程序诊断等方面的复杂性，程序栈要复杂很多，Fluent风格本身也不算是对于调试非常友好的结构，并且在可检查异常的处理方面也存在着局限性等。

3.JVM优化Java代码都做了什么？

       JVM在对代码执行的优化可分为运行时（runtime）优化和即时编译器（JIT）优化。运行时优化主要是解释执行和动态编译通用的一些机制，比如说锁机制（如偏斜锁）、内存分配机制（如TLAB）等。除此之外，还有一些专门用于优化解释执行效率的，比如说模版解释器、内联缓存（inline cache，用于优化虚方法调用的动态绑定）。
       JVM的即时编译器优化是指将热点代码以方法为单位转换成机器码，直接运行在底层硬件之上。它采用了多种优化方式，包括静态编译器可以使用的如方法内联、逃逸分析，也包括基于程序运行profile的投机性优化（speculative/optimistic optimization）。这个怎么理解呢？比如我有一条instanceof指令，在编译之前的执行过程中，测试对象的类一直是同一个，那么即时编译器可以假设编译之后的执行过程中还会是这一个类，并且根据这个类直接返回instanceof的结果。如果出现了其他类，那么就抛弃这段编译后的机器码，并且切换回解释执行。
       当然，JVM的优化方式仅仅作用在运行应用代码的时候。如果应用代码本身阻塞了，比如说并发时等待另一线程的结果，这就不在JVM的优化范畴啦。

4.MySQL的事务和锁

       所谓隔离级别（Isolation Level），就是在数据库事务中，为保证并发数据读写的正确性而提出的定义，它并不是MySQL专有的概念，而是源于ANSI/ISO制定的SQL-92标准。每种关系型数据库都提供了各自特色的隔离级别实现，虽然在通常的定义中是以锁为实现单元，但实际的实现千差万别。以最常见的MySQL
InnoDB引擎为例，它是基于 [MVCC](https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/innodb-multi-
versioning.html)（Multi-Versioning Concurrency Control）和锁的复合实现，按照隔离程度从低到高，MySQL事务隔离级别分为四个不同层次：

• 读未提交（Read uncommitted），就是一个事务能够看到其他事务尚未提交的修改，这是最低的隔离水平，允许脏读出现。
• 读已提交（Read committed），事务能够看到的数据都是其他事务已经提交的修改，也就是保证不会看到任何中间性状态，当然脏读也不会出现。读已提交仍然是比较低级别的隔离，并不保证再次读取时能够获取同样的数据，也就是允许其他事务并发修改数据，允许不可重复读和幻象读（Phantom Read）出现。
• 可重复读（Repeatable reads），保证同一个事务中多次读取的数据是一致的，这是MySQL InnoDB引擎的默认隔离级别，但是和一些其他数据库实现不同的是，可以简单认为MySQL在可重复读级别不会出现幻象读。
• 串行化（Serializable），并发事务之间是串行化的，通常意味着读取需要获取共享读锁，更新需要获取排他写锁，如果SQL使用WHERE语句，还会获取区间锁（MySQL以GAP锁形式实现，可重复读级别中默认也会使用），这是最高的隔离级别。
         至于悲观锁和乐观锁，也并不是MySQL或者数据库中独有的概念，而是并发编程的基本概念。主要区别在于，操作共享数据时，“悲观锁”即认为数据出现冲突的可能性更大，而“乐观锁”则是认为大部分情况不会出现冲突，进而决定是否采取排他性措施。反映到MySQL数据库应用开发中，悲观锁一般就是利用类似SELECT … FOR UPDATE这样的语句，对数据加锁，避免其他事务意外修改数据。乐观锁则与Java并发包中的AtomicFieldUpdater类似，也是利用CAS机制，并不会对数据加锁，而是通过对比数据的时间戳或者版本号，来实现乐观锁需要的版本判断。
         MVCC的质就可以看作是种乐观锁机制，而排他性的读写锁、双阶段锁等则是悲观锁的实现。有关它们的应用场景，你可以构建一下简化的火车余票查询和购票系统。同时查询的人可能很多，虽然具体座位票只能是卖给一个人，但余票可能很多，而且也并不能预测哪个查询者会购票，这个时候就更适合用乐观锁。
  更多MySQL的事务和锁参见博客

5.Spring Bean的生命周期

       Spring Bean生命周期比较复杂，可以分为创建和销毁两个过程。首先，创建Bean会经过一系列的步骤，主要包括：

• 实例化Bean对象。
• 设置Bean属性。
• 如果我们通过各种Aware接口声明了依赖关系，则会注入Bean对容器基础设施层面的依赖。具体包括BeanNameAware、BeanFactoryAware和ApplicationContextAware，分别会注入Bean ID、Bean Factory或者ApplicationContext。
• 调用BeanPostProcessor的前置初始化方法postProcessBeforeInitialization。
• 如果实现了InitializingBean接口，则会调用afterPropertiesSet方法。
• 调用Bean自身定义的init方法。
• 调用BeanPostProcessor的后置初始化方法postProcessAfterInitialization。

• 创建过程完毕。你可以参考下面示意图理解这个具体过程和先后顺序。
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         第二，Spring Bean的销毁过程会依次调用DisposableBean的destroy方法和Bean自身定制的destroy方法。Spring Bean有五个作用域，其中最基础的有下面两种：

• Singleton，这是Spring的默认作用域，也就是为每个IOC容器创建唯一的一个Bean实例。
• Prototype，针对每个getBean请求，容器都会单独创建一个Bean实例。从Bean的特点来看，Prototype适合有状态的Bean，而Singleton则更适合无状态的情况。另外，使用Prototype作用域需要经过仔细思考，毕竟频繁创建和销毁Bean是有明显开销的。如果是Web容器，则支持另外三种作用域：
• Request，为每个HTTP请求创建单独的Bean实例。
• Session，很显然Bean实例的作用域是Session范围。
• GlobalSession，用于Portlet容器，因为每个Portlet有单独的Session，GlobalSession提供一个全局性的HTTP Session。

6.Netty如何实现高性能？

       单独从性能角度，Netty在基础的NIO等类库之上进行了很多改进。例如：

• 更加优雅的Reactor模式实现、灵活的线程模型、利用EventLoop等创新性的机制，可以非常高效地管理成百上千的Channel。
• 充分利用了Java的Zero-Copy机制，并且从多种角度，“斤斤计较”般的降低内存分配和回收的开销。例如，使用池化的Direct Buffer等技术，在提高IO性能的同时，减少了对象的创建和销毁；利用反射等技术直接操纵SelectionKey，使用数组而不是Java容器等。
• 使用更多本地代码。例如，直接利用JNI调用Open SSL等方式，获得比Java内建SSL引擎更好的性能。
• 在通信协议、序列化等其他角度的优化。
         总的来说，Netty并没有Java核心类库那些强烈的通用性、跨平台等各种负担，针对性能等特定目标以及Linux等特定环境，采取了一些极致的优化手段。

7.常用分布式ID的设计方案

       首先，我们需要明确通常的分布式ID定义，基本的要求包括：

• 全局唯一，区别于单点系统的唯一，全局是要求分布式系统内唯一。
• 有序性，通常都需要保证生成的ID是有序递增的。例如，在数据库存储等场景中，有序ID便于确定数据位置，往往更加高效。
         目前业界的方案很多，典型方案包括：
• 基于数据库自增序列的实现。这种方式优缺点都非常明显，好处是简单易用，但是在扩展性和可靠性等方面存在局限性。
• 基于Twitter早期开源的Snowflake的实现，以及相关改动方案。这是目前应用相对比较广泛的一种方式，其结构定义你可以参考下面的示意图。
  
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         整体长度通常是64 （1 + 41 + 10+ 12 = 64）位，适合使用Java语言中的long类型来存储。头部是1位的正负标识位。紧跟着的高位部分包含41位时间戳，通常使用System.currentTimeMillis()。后面是10位的WorkerID，标准定义是5位数据中心 + 5位机器ID，组成了机器编号，以区分不同的集群节点。最后的12位就是单位毫秒内可生成的序列号数目的理论极限。Snowflake的官方版本是基于Scala语言，Java等其他语言的参考实现有很多，是一种非常简单实用的方式，具体位数的定义是可以根据分布式系统的真实场景进行修改的，并不一定要严格按照示意图中的设计。
• Redis、Zookeeper、MongoDB等中间件，也都有各种唯一ID解决方案。其中一些设计也可以算作是Snowflake方案的变种。例如，MongoDB的ObjectId提供了一个12 byte（96位）的ID定义，其中32位用于记录以秒为单位的时间，机器ID则为24位，16位用作进程ID，24位随机起始的计数序列。
• 国内的一些大厂开源了其自身的部分分布式ID实现，InfoQ就曾经介绍过微信的seqsvr，它采取了相对复杂的两层架构，并根据社交应用的数据特点进行了针对性设计，具体请参考相关代码实现。另外，百度、美团等也都有开源或者分享了不同的分布式ID实现，都可以进行参考。