DBIS21Java

DBIS的21天学习打卡系列活动，此篇将记录这期间学习的Java知识。琦琦学长发钱了，冲啊！

感谢杀哥引路JavaGuide

5.1 Java基础概念与常识

今日五一，但打卡不能停，就简单先看下Java的基础概念与常识部分吧，嘿嘿。

其实Java的程序的特点就在于它的运行方式，一图以概之：

JDK（Java Development Kit）是一套完整的Java开发包，它包含了JRE（Java Runtime Enviroment）,还有javac编译器将我们写的.java文件编译成.class文件。这似乎还和C++将源代码编译成汇编代码类似。但Java牛B在它有一个Java虚拟机（JVM），它针对不同系统有特点的实现，可以将.class文件解释为机器码运行。JVM屏蔽了操作系统的差异，而.class字节码对不同的JVM是没有差别的，这样就是Java所说的“一次编译，到处运行”。而且前一步是编译，后一步是解释，所以Java“编译与解释并存”。

Oracle JDK和OpenJDK

OpenJDK是开源的参考模型，Oracle JDK是OpenJDK的一个实现，对OpenJDK进行了扩展和修复，性能更好更加稳定，但并不完全开源。

Java和C++区别

Java不提供指针直接访问内存，类不可以多继承，提供自动内存管理垃圾回收机制（GC），只支持方法重载不支持操作符重载。

5.2 基本语法

JavaGuide开始有点看不懂了，还是先转战菜鸟教程看看基础语法吧，尴尬了。

• 一个源文件中只能有一个 public 类，与文件名一致
• final修饰的类不能够被继承，修饰的方法不能被继承类重新定义，修饰的变量为常量，是不可修改的
• default同一包内可见，public对所有类可见，private同一类内可见（不能修饰类），protected同一包内和所有子类可见（不能修饰类）
• abstract 抽象类，抽象方法public abstract sample();
• synchronized 关键字声明的方法同一时间只能被一个线程访问。synchronized 修饰符可以应用于四个访问修饰符。
• 序列化的对象包含被 transient 修饰的实例变量时，java 虚拟机(JVM)跳过该特定的变量。
• volatile 修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强制从共享内存中重新读取该成员变量的值。而且，当成员变量发生变化时，会强制线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。
• instanceof 运算符用于操作对象实例，检查该对象是否是一个特定类型（类类型或接口类型）

各数据类型字节数与C++类似，不同的是char占两个字节，应该是UCS-2编码了。

Java关键字：

5.3 续

• Java增强for循环，有点类似于python的for . in .

  int [] numbers = {10, 20, 30, 40, 50};
   
  for(int x : numbers ){
      System.out.print( x );
      System.out.print(",");
  }

• 装箱：将内置数据类型转为包装类。 拆箱：反之
• String类不可改变，要修改的话使用StringBuffer或StringBuilder类，StringBuilder不是线程安全的
• Arrays类的静态方法可以方便地操作数组
• Java有日期时间类Date，Calendar
• Jaava正则表达式Java.util.regex包
• 语法糖可变参数typeName... parameterName，只能是最后一个，相当于数组
• finalize()，对象析构前调用的方法
• 控制台输入，可以把System.in包装在一个BufferedReader对象中来创建一个字符流,然后使用read()读取字符，readline()读取字符串

  BufferedReader br = new BufferedReader(new 
                        InputStreamReader(System.in));

• 读写文件FileInputStream和FileOutputStream

  InputStream f = new FileInputStream("C:/java/hello");

• Scanner类来获取用户输入

  Scanner scan = new Scanner(System.in);
  if (scan.hasNext()) {
      String str1 = scan.next();
      // String str2 = scan.nextLine();
      System.out.println("输入的数据为：" + str1);
  }
  scan.close();

• Java异常使用try/catch捕获处理，throws声明函数要抛出的异常，throw抛出异常，自定义异常继承Exception或RuntimeException

• extends继承，不支持多继承，默认继承java.lang.Object；implements继承接口，支持继承多个接口。父类构造函数有参需要显式地使用super调用
• 重写与重载，重写是父类与子类之间多态性的一种表现，重载可以理解成多态的具体表现形式。
• 多态的三个必要条件：继承、重写、父类引用指向子类对象

• 接口是抽象方法的集合。不能包含除static和final的成员变量，接口中的方法隐式的指定为public abstract，类使用implements关键字实现接口。在类声明中，Implements关键字放在class声明后面，接口也可以使用extends继承。没有任何方法的接口称为标记接口，主要用于建立一个公共的父接口或向一个类添加数据类型（将类通过多态性变成接口类型）
• 枚举是一个特殊的类，常用在switch语句中，也可以有变量、方法和构造函数。
• package创建包，import导入包，编译时有多少个类和接口就有多少同名.class文件，CLASSPATH类文件路径

5.4 Java数据结构

• Bitset类，实现了一组可以单独设置和清除的位或标志，对布尔值操作比较方便
• 向量Vector，与数组类似，但大小能根据需要动态的变化
• Stack类是Vector的一个子类，实现了一个先进后出的栈

  Stack<Integer> st = new Stack<Integer>()

• Hashtable实现了抽象类Dictionary，他和HashMap类相似，但支持同步
• Properties类继承与Hashtable，表示属性集，其中键值都是字符串

集合框架

集合框架围绕一组标准接口设计实现了高效的基本集合，其架构图如下所示。

Java 集合框架主要包括两种类型的容器，一种是集合（Collection），存储一个元素集合，另一种是图（Map），存储键/值对映射。Collection 接口又有 3 种子类型，List、Set 和 Queue，再下面是一些抽象类，最后是具体实现类，常用的有 ArrayList、LinkedList、HashSet、LinkedHashSet、HashMap、LinkedHashMap 等等。

• ArrayList是可以动态修改的数组，与Vector类似，但是Vector是同步的，且包含很多不属于集合框架的传统方法

  import java.util.ArrayList;
  
  ArrayList<E> objectName = new ArrayList<E>();

  E: 泛型数据类型，用于设置 objectName 的数据类型，只能为引用数据类型（基本类型的包装类）
• LinkedList链表类似于ArrayList，增加和删除操作效率更高，查找和修改操作效率较低。

  import java.util.LinkedList; 
  
  LinkedList<E> list = new LinkedList<E>();   // 普通创建方法
  
  LinkedList<E> list = new LinkedList(Collection<? extends E> c); // 使用集合创建链表

5.5 续

• HashSet是基于HashMap实现的不允许有重复元素的集合
• HashMap散列表，存储键值对

  import java.util.HashMap; // 引入 HashMap 类
  
  HashMap<Integer, String> Sites = new HashMap<Integer, String>();

• 迭代器Iterator，常用next、hasNext、remove
• Java泛型，参数化类型，有界的参数类型使用extends后加上界，泛型类类名后面接,类型通配符如List<?>

  public static < E > void printArray( E[] inputArray )
  {
     // 输出数组元素            
        for ( E element : inputArray ){        
           System.out.printf( "%s ", element );
        }
        System.out.println();
   }
  
  public static void getData(List<?> data) {
     System.out.println("data :" + data.get(0));
  }

• Java序列化使用ObjectInputStream和ObjectOutputStream，序列化的类必须实现java.io.Serializable接口
• Java网络编程，ServerSocket类和Socket类
• 创建线程：实现Runnable接口的类，重写run()方法，使用该类实例化一个Thread对象；创建一个类继承Thread类，重写run()方法，调用start()方法；创建实现Callable接口类的实例，用FutureTask包装，创建Thread对象启动线程

5.6 回到JavaGuide

• Java的泛型是伪泛型，编译期间所有泛型信息都会被擦掉，也就是类型擦除
• 对于基本数据类型来说，==比较的是值。对于引用数据类型来说，==比较的是对象的内存地址，equals()默认为Object类的equals()方法，等价于“==”比较两个对象，如果重写equals()，通常比较对象的属性值是否相等
• hashCode()返回对象的哈希码，可以快速确定对象在哈希表中的位置，重写equals时必须重写hashcode方法。
• Byte,Short,Integer,Long 这 4 种包装类默认创建了数值 [-128，127] 的相应类型的缓存数据，Character 创建了数值在[0,127]范围的缓存数据，Boolean 直接返回 True Or False，所有整形包装对象值的比较实用equals方法（超过缓冲池的对象不会复用）
• 在一个静态方法内调用非静态成员非法
• java中只有值传递，一个方法不能让对象参数引用一个新的对象
• 重载和重写
• 面向过程性能比面向对象高，但面向对象易维护，易复用、易扩展
• 构造方法不能被重写但是可以被重载

5.8 续

• 面向对象三大特征：封装、继承、多态（父类的引用指向子类的实例）
• String对象不可变，StringBuffer可变且线程安全、StringBuider高效线程不安全
• native函数，使用其他语言（如C++）实现函数，并被编译成了DLL供Java调用
• 反射，在运行时才知道要操作的类是什么，并且可以在运行时获取类的完整构造，并调用对应方法，可以让代码更加灵活，但也增加了安全问题
• try-catch-finally,当try和finally语句中都有return时，finally语句的内容将被执行，且finally语句的返回值会覆盖原始返回值
• 面对需要关闭的资源，使用try-with-resources

  try (Scanner scanner = new Scanner(new File("test.txt"))) {
      while (scanner.hasNext()) {
          System.out.println(scanner.nextLine());
      }
  } catch (FileNotFoundException fnfe) {
      fnfe.printStackTrace();
  }

• equals方法可能产生空指针异常（使用空指针调用），尽量使用常量或确定值调用
• 浮点数之间等值的判断可以使用BigDecimal
• 代理模式：使用代理对象来替代真实对象的访问，提供额外的功能操作。分为静态代理（将目标对象注入创建的代理类）和动态代理（JDK，CGLIB）
• 同步阻塞IO（BIO）、同步非阻塞IO（NIO）、异步IO（AIO）

5.9 续

Java容器

• comparable接口出自java.lang，有排序方法compareTo(Object obj)方法;comparator接口出自java.util，有compare(Object obj1, Object obj2)，重写他们可以实现自定义排序
• HashMap非线程安全，HashTable线程安全，但基本淘汰，可用ConcurrentHashMap
• HashSet底层是基于HashMap实现的
• TreeMap和HashMap都继承自AbstractMap，但TreeMap还实现了NavigableMap和SortedMap接口，有对元素搜索可排序的能力
• HashMap底层的链表散列，当相同hashcode值对应的链表较长时，会转化为红黑树
• HashMap的长度是2的幂次方，在计算数组下标时可以将取模运算转化为位运算&，提高了计算效率
• Collections工具类排序、查找、替换同步控制操作

Java并发基础

• 线程共享进程的堆和方法区资源，线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈（native方法），main线程执行main方法
• 使用多线程从单核来说可以提高CPU和IO设备的综合利用率，多核来说可以提高CPU利用率，提高系统的整体并发能力和性能
• 多线程可能导致内存泄露、死锁、线程不安全等问题
• 线程的生命周期和状态
• 上下文切换：任务从保存到再加载的过程
• 死锁的四个条件：互斥、请求与保持、不剥夺、循环等待
• sleep()方法没有释放锁，用于暂停执行，会自动苏醒；wait()方法释放了锁，用于线程间通信，不会自动苏醒
• 调用start()方法可可启动线程并使线程进入就绪状态，直接执行run()方法不会以多线程方式执行

5.10 并发进阶

• synchronized关键字保证被它修饰的方法或代码块任意时刻只有一个线程执行
• synchronized关键字加倒static静态方法和synchronized(class)代码块上都是给class类上锁，加到实例方法上是给对象实例上锁
• 双重校验锁实现对象单例，volatile可禁止指令重排，保证多线程访问正确性

   public class Singleton {
  
      private volatile static Singleton uniqueInstance;
  
      private Singleton() {
      }
  
      public  static Singleton getUniqueInstance() {
         //先判断对象是否已经实例过，没有实例化过才进入加锁代码
          if (uniqueInstance == null) {
              //类对象加锁
              synchronized (Singleton.class) {
                  if (uniqueInstance == null) {
                      uniqueInstance = new Singleton();
                  }
              }
          }
          return uniqueInstance;
      }
  }

• synchronized同步语句块实际上是monitorenter和monitorexit指令，修饰方法使用了ACC_SYNCHRONIZED标识指明是同步方法
• synchronized和ReetrantLock都是可重入锁，前者依赖于JVM后者依赖于API且增加了一些高级功能
• volatile关键字除了防止JVM指令重排，还能保证变量的可见性
• 并发编程三个重要特性：原子性、可见性、有序性
• ThreadLocal类创建变量，使得每个线程都有该变量的本地副本，可以使用get()和set()方法获取和修改值
• Runnable接口不会返回结果或跑出异常，Callable接口可以
• execute()方法提交不需要返回值的任务，submit()方法提交需要返回值的任务，返回一个Future对象
• 三种类型的ThreadPoolExecutor：FixedThreadPool, SingleThreadExecutor, CachedThreadPool
• 线程池Demo

  // MyRunnable.java
  public class MyRunnable implements Runnable {
      ...
      @override
      public void run(){
          ...
      }
      ...
  }
  
  // ThreadPoolExecutorDemo.java
  public class ThreadPoolExecutorDemo{
      public static void main(String[] args){
          ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(...);
          for (int i = 0; i < 10; i++) {
              Runnable worker = new MyRunnable();
              executor.execute(worker);
          }
          executor.shutdown();
      }
  }

• 线程执行策略：
• Atomic原子类，保证数据的原子操作，如AtomicInteger，通过CAS(compare and swap) + volatile和native方法来保证原子操作
• AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是一个用来构造锁和同步器的框架 > AQS 核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制 AQS 是用 CLH 队列锁实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。
• CountDownLatch，AQS的一个组件，允许count个线程阻塞在一个地方直至所有的线程任务都执行完毕

5.11 java内存区域

• StackOverFlowError：java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，线程请求的栈深度大于虚拟机的最大深度；OutOfMemoryError：虚拟机栈的内存大小可以动态扩展，虚拟机栈无法申请到足够的内存空间
• 堆：几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存（逃逸分析，栈上分配），从垃圾回收的角度，Java堆还可以细分为：新生代（Eden、From Survivor、To Survivor）和老年代
• 将永久代（hotspot中方法区的实现）替换为元空间，使用直接内存，受本机可用内存的限制，出现溢出的几率小
• 运行时常量池是方法区的一部分（JDK1.7字符串常量池从方法区拿到了堆）
• 直接内存并不是虚拟机运行时数据的一部分，使用NIO(New Input/Output)类操作
• 对象的创建过程，分配内存有指针碰撞和空闲列表两种，并发问题采用CAS+失败重试或TLAB（每个线程预分配内存）
• 在Hotspot虚拟机中，对象在内存中布局可分为对象头、实例数据和对齐填充三块区域
• 对象的访问方式有使用句柄和直接指针两种、

5.12 JVM垃圾回收

• Java对是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆，从垃圾回收的角度，基本采用分代垃圾收集算法。
• 大多数情况下对象在新生代eden区分配，当eden区没有足够空间时，虚拟机将发起一次Minor GC；大对象直接进入老年代（字符串、数组），避免复制大对象降低效率；长期存活的对象将计入老年代
• 对象首先在Eden区域分配，在一次Minor GC后，如果对象还存活（且能被Survivor）容纳，则会进入s0或s1，并且对象年龄加1，当他的年龄增加到一定程度（默认15岁），就会被晋升到老年代中
• GC可分类为两大种：部分收集(Partial GC)，整堆收集（Full GC）。部分收集又包括新生代收集（Minor GC/Young GC），老年代收集（Major GC/Old GC），混合收集（Mixed GC）
• 垃圾回收前的第一步就是判断哪些对象已经死亡
• 引用计数法很难解决对象之间的循环引用问题
• 强引用垃圾回收器绝不回收；软引用在内存够时不回收，内存不足会回收，可实现内存敏感的高速缓存；弱引用比软引用拥有更短暂的生命周期，一旦发现就会回收；虚引用不会决定对象的生命周期，主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动，必须和引用队列联合使用，在回收对象内存前，虚引用会被加入到与之关联的引用队列中
• 不可达对象死亡至少要经历两次标记过程（是否有必要执行finalize方法）
• 字符串常量池在JDK1.7后被从方法区拿到了堆，如果字符串常量没有任何String对象引用，则为废弃常量
• 判断一个类是否为无用类：所有实例都已被回收，加载该类的ClassLoader已被回收，该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用
• 垃圾收集算法
• 新生代可以使用“标记-复制”算法，老年代可以选择“标记-清除”或“标记-整理”算法
• 垃圾收集器
• CMS收集器目标是获取最短回收停顿时间，是HotSpot虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作，主要有初始标记、并发标记、重新标记、并发清除四个步骤
• G1（Garbage-First）收集器，面向服务器，主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器，有并行与并发、分代收集、空间整合（整体“标记-整理”）和可预测的停顿（根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的Region）的特点

5.13 JVM

JDK监控和故障处理

• jps (JVM Process Status)：查看所有Java进程的启动类、传入参数和Java虚拟机参数等信息
• jstat (JVM Statistics Monitoring Tool):用于收集HotSpot虚拟机各方面的运行数据
• jinfo (Configuration Info for Java)： 显示虚拟机配置信息，查看和调整虚拟机各项参数
• jmap (Memory Map for Java)：生成堆转储快照
• jhat (JVM Heap Dump Browser)：用于分析heapdump文件，它会建立一个HTTP/HTML服务器，让用户可以在浏览器上查看分析结果
• jstack (Stack Trace for Java)：生成虚拟机当前时刻的线程快照（每一条线程正在执行的方法堆栈的集合）
• JConsole：Java监视与管理控制台
• Visual VM：多合一故障处理工具

类文件结构

类的生命周期

• 验证过程有文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证
• 准备阶段为类变量（静态变量）分配内存并设置类变量初始值（默认零值）
• 解析阶段将符号引用替换为直接引用
• 在创建类的实例、访问类的静态变量、为类的静态变量赋值、调用类的静态方法时，会对类初始化

类加载器

• BootstrapClassLoader（启动类加载器）：最顶层的类加载器，C++实现，负责加载%JAVA_HOME%/lib目录下的jar包和类或者或被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的所有类
• ExtensionClassLoader（扩展类加载器）：要负责加载目录 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的jar包和类，或被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的jar包
• AppClassLoader（应用程序类加载器）：面向用户的加载器，负责加载当前应用classpath下的所有jar包和类
• 双亲委派模型，避免类的重复加载
• 自定义自己的类加载器需要继承ClassLoader