JavaGuide–Java篇

• 2022 年 2 月 13 日
• 筆記
• javaguide

本文避免重複造輪子，也是從JavaGuider中提取出來方便日後查閱的手冊

參考鏈接：

JavaGuider：//javaguide.cn/java/basis/java-basic-questions-01/

JVM記憶體結構：//blog.csdn.net/rongtaoup/article/details/89142396

🔥1.基礎概念與常識

1.1.Java語言特點

跨平台、面向對象（封裝繼承多態）、一次編寫到處運行、多執行緒可靠安全、編譯與解釋並存

1.2位元組碼與編譯和解釋並存

被編譯成.class後綴的文件就是位元組碼。而經過解釋器JIT第一次解釋後，後續熱點程式碼（頻繁使用的程式碼。消耗大部分系統資源的只有一小部分程式碼，這就是熱點程式碼）的位元組碼對應的機器碼就會被保存下來，然後每次程式碼執行的時候都會優化，這樣就會越來越快

1.3 字元常量和字元串常量區別

字元常量是單引號，佔一個位元組（但java中char是2個位元組）,字元串常量是雙引號，占若干位元組

1.4 Java關鍵字

1.5.泛型

Java泛型是偽泛型，即java運行期間所有類型擦除，數據類型被轉換成一個參數。比如：

1. 泛型類：public Class Study{} 實例化方式 Study genericInteger = new Study(123456);

2. 泛型介面：public interface Study{} 實例化方式 class StudyImpl implements Study{}

3. 泛型方法：public static void printArray(){E[] inputArray}

項目哪裡用到了泛型？

• 項目介面返回Result參數的時候
• ExcelUtil生成excel的時候
• 工具類Collections.sort這些地方

(註：個人覺得泛型適用性強，在和外部介面對接的時候，為防止外部參數類型經常變更，可以改成泛型。或者自己復用引用高的程式碼塊的時候，也可以把程式碼塊改成泛型。)

1.6. ==和equals()，HashCode()

==比較地址equals()比較對象,

HashCode是對堆上的對象產生獨特值(不唯一，因為因hash演算法也會產生不同對象相同hash值)，如果重寫equals不重寫hashcode，那兩個相同對象也會有不同的hashcode

1.7 基本數據類型

這 8 種基本數據類型的默認值以及所佔空間的大小如下：

引用類型Byte,Short,IntegerLong創建了[-128,127]的快取，Character創建了[0,127]的快取

註：頻繁拆箱裝箱也非常影響系統性能

1.7 基本數據類型

​ 序列化：數據結構或對象轉成二進位位元組流

​ 反序列化：序列化生成的二進位轉成數據結構或對象

1.8 I/O操作

​ 分為InputStream/Reader：位元組輸入流與字元輸入流

​ OutputStream/Writer：位元組輸出流與字元輸出流

1.9 I/O操作

反射：程式在運行時分析類和執行類方法的能力。（比如@Value就能在運行時給某個對象賦值，相比正射的set,get方法更靈活）

1.10 Java值傳遞

1.11 靜態代理與動態代理

​ 靜態代理是由代理對象和目標對象實現一樣的介面

​ 動態代理是利用反射機制在運行時創建代理類。

​ 動態代理：JDK動態代理實現了介面的類或直接代理介面，而CGLIB可代理未實現任何介面的類。與基於Java位元組碼實現的Javassist

​ 動態代理更靈活，不需要實現介面就可以代理實現類。靜態代理是在編譯時將介面、實現類、代理類生成.class文件

​ 動態代理底層：反射

​ Proxy:生產代理實例

​ InvocationHandler：處理代理實例並返回結果

1.12 IO模型

同步阻塞IO：BIO

同步非阻塞IO：NIO

非同步IO：AIO

🔥2.容器

2.1.Java集合

Java集合：

1. Collection介面：list,queue,set
2. Map介面

2.2.==與 equals 的區別

對於基本類型來說，== 比較的是值是否相等；

對於引用類型來說，== 比較的是兩個引用是否指向同一個對象地址（兩者在記憶體中存放的地址（堆記憶體地址）是否指向同一個地方）；

對於引用類型（包括包裝類型）來說，equals 如果沒有被重寫，對比它們的地址是否相等；如果 equals()方法被重寫（例如 String），則比較的是字元串值是否相等。

2.3 HashMap底層實現(JDK1.8前後)

JDK1.8 之前 HashMap 底層是 數組和鏈表 結合在一起使用也就是 鏈表散列。

JDK1.8之後HashMap 通過 key 的 hashCode 經過擾動函數處理過後得到 hash 值，然後通過 (n – 1) & hash 判斷當前元素存放的位置（這裡的 n 指的是數組的長度），如果當前位置存在元素的話，就判斷該元素與要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的話，直接覆蓋，不相同就通過拉鏈法解決衝突。

(put邏輯：如果定位到的數組位置沒有元素 就直接插入。

如果定位到的數組位置有元素就和要插入的 key 比較，如果 key 相同就直接覆蓋，如果 key 不相同，就判斷 p 是否是一個樹節點，如果是就調用e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)將元素添加進入。如果不是就遍歷鏈表插入(插入的是鏈表尾部)。)

相比於之前的版本， JDK1.8 之後在解決哈希衝突時有了較大的變化，當鏈表長度大於閾值（默認為 8）（將鏈錶轉換成紅黑樹前會判斷，如果當前數組的長度小於 64，那麼會選擇先進行數組擴容，而不是轉換為紅黑樹）時，將鏈錶轉化為紅黑樹，以減少搜索時間。

2.4 ConcurrentHashmap底層原理

JDK1.8之後ConcurrentHashMap 取消了 Segment 分段鎖，採用 CAS 和 synchronized 來保證並發安全。數據結構跟 HashMap1.8 的結構類似，數組+鏈表/紅黑二叉樹。Java 8 在鏈表長度超過一定閾值（8）時將鏈表（定址時間複雜度為 O(N)）轉換為紅黑樹（定址時間複雜度為 O(log(N))）

synchronized 只鎖定當前鏈表或紅黑二叉樹的首節點，這樣只要 hash 不衝突，就不會產生並發，效率又提升 N 倍

2.6 Synchronized的升降級

對象分為對象頭(MarkWord)、實例變數、填充位元組。

鎖的4中狀態：無鎖狀態、偏向鎖狀態(弄人開啟)、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態（級別從低到高）

Java8 中的 ConcurrentHashMap 使用的 Synchronized 鎖加 CAS 的機制。結構也由 Java7 中的 Segment 數組 + HashEntry 數組 + 鏈表 進化成了 Node 數組 + 鏈表 / 紅黑樹，Node 是類似於一個 HashEntry 的結構。它的衝突再達到一定大小時會轉化成紅黑樹，在衝突小於一定數量時又退回鏈表。

🔥3.並發編程

3.1.進程與執行緒

進程：啟動一個程式（啟動main函數就是啟動了一個jvm進程），而main函數的的執行緒就是這個進程中的一部分

​ 多個執行緒共享記憶體中的堆與方法區，但是各個執行緒又有自己的虛擬機棧、本地方法棧、程式計數器。

3.2.上下文切換

​ 執行緒會有主動阻塞(Sleep,wait)讓出CPU、時間片用完、IO阻塞等執行緒切換情況，這時需要保留現場方便後續CPU調用，同時載入下一次執行緒用CPU的上下文，這就叫上下文切換。

3.3 Sleep與wait區別

​ Sleep沒有釋放鎖，會自動喚醒，而wait釋放了鎖，必須要notify/notifyall喚醒

3.4 start與run

​ start啟動執行緒做了執行緒準備工作後調用run方法並讓執行緒進入就緒狀態，CPU分配了時間片後就可以開始執行，而run方法並不會在某個執行緒中執行，不屬於多執行緒。

3.5 Synchronized關鍵字

​ 掛起或喚醒一個執行緒，都需要OS操作用戶態到核心態的轉換，這個過程非常耗時。

Synchronized作用域

1. 修飾實例方法：作用於對象實例
2. 修飾靜態方法，作用於類.class
3. 修飾程式碼塊，作用域對象的鎖(this,OBject)或類的鎖(類.calss)

3.6 其他參數

​ 以下內容見《JUC並發編程》

​ volatile（非執行緒安全）

​ ThreadLocal(執行緒本地變數)

​ 執行緒池(三大方法、七大參數，四種拒絕策略)

3.7 AQS

​ 簡介：是juc下具體類

​ 核心原理：多執行緒情況下，空閑的共享資源加鎖，非空閑的共享資源使用CLH隊列鎖（內部是虛擬的雙向隊列,FIFO）進行執行緒隊列等待與喚醒的鎖分配策略

​ 定義資源的共享方式：

​ 1. Exclusive（獨佔）：Reentranlock,synchronized

​ 2. Share（共享）：Countdownlatch,semaphore,cyclicBarrier,readwriteLock

3.8 補充

this逃逸：構造函數返回之前其他執行緒就持有該對象引用，其他執行緒調用尚未構造完全的對象方法引發錯誤

🔥4.JVM

4.1 JVM記憶體區域詳解

4.1.0 JVM記憶體區域

1. PC程式計數器：執行緒中的訊號指示器，用於用來讀取下一條指令功能。、
2. Java虛擬機棧：包含一個個棧幀（局部變數表等等，局部變數表又包含8個基本數據類型()，對象應用）
3. 本地方法棧：虛擬機棧為java服務，本地方法棧為虛擬機用到的Native服務（也有本地方法的局部變數表等待）
4. 堆：存放分配幾乎所有對象實例與數組記憶體、**字元串常量池、靜態變數(jdk1.8之後)**
 	1. 字元串常量池：存放"asd" + "abc"（**常量摺疊**）
5. 方法區：存儲已被虛擬機載入的類資訊（類如何放入方法區，reference如何指向就是這裡）、常量。**方法區和永久代的關係很像 Java 中介面和類的關係**
 	1. 運行時常量池：類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有常量池表(類的相關資訊)
 	2. **jdk1.8之後是把永久代實現方法區方式換成了元空間實現方式**
6. 直接記憶體（堆外記憶體）：NIO

4.1.1對象的創建

​ Java對象創建分如下5步：

1. 類載入檢查：遇到new 指令時，進行類的檢查與載入。
2. 分配記憶體：在堆中分配記憶體，有指針碰撞與空閑列表2種分配方式。Java堆是否規整由垃圾回收演算法決定。
   

​ 保證記憶體分配的執行緒安全：

​ CAS+失敗重試： CAS 是樂觀鎖的一種實現方式。所謂樂觀鎖就是，每次不加鎖而是假設沒有衝突而去完成某項操作，如果因為衝突失敗就重試，直到成功為止。虛擬機採用 CAS 配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性。

​ TLAB： 為每一個執行緒預先在 Eden 區分配一塊兒記憶體，JVM 在給執行緒中的對象分配記憶體時，首先在 TLAB 分配，當對象大於 TLAB 中的剩餘記憶體或 TLAB 的記憶體已用盡時，再採用上述的 CAS 進行記憶體分配

3. 初始化零值：給每個new 對象有初始化值
4. 設置對象頭：markword
5. 執行init方法：按照程式碼進行init，比如定義數組大小。上述可以說只是定義分配了記憶體位置，這裡根據init定義具體大小。

new ArrayList<>(3);

4.1.2 對象訪問

1. 句柄訪問：Java棧的本地變數表訪問堆中的句柄池中的實例對象指針（類似於作業系統中的虛擬地址表），然後訪問堆或者方法區中的實例對象。缺點就是多訪問了一次指針定位實例數據的時間。
2. 直接指針：Java棧的本地變數表存的就是直接訪問堆中的實例對象的地址。訪問方法區就是堆中存了實例對象地址。缺點就是後續垃圾回收移動對象地址的時候，需要改變棧中的本地變數表。

// 上面說了new ArrayList<3>，這裡說的2種方法就是一整條語句了。
List<Integer> list = new ArrayList<>(3);

4.2 JVM垃圾回收詳解

4.2.1 Jvm垃圾回收相關問題

​ 註：JVM垃圾回收在於執行緒共享區域：即堆、方法區（已被虛擬機載入的靜態變數、常量等程式碼與運行時常量池）

下面介紹JVM垃圾回收具體流程：

4.2.2 對象是否死亡

​ 1.如何判斷對象是否死亡：引用計數器與可達性演算法

​ 2.指向對象的引用：強引用，軟引用，弱引用，幻想引用（虛引用）

目前尚有一個疑問？

​ 目前垃圾回收器普遍都是分代回收演算法，但是又說JDK1.8是默認採用Parallel scavenge+Serial Old收集器，但這2個收集器並不是GC演算法，是否衝突？

​ 答：相當於所有垃圾回收器都默認使用了分代回收演算法

4.2.3. 垃圾回收（演算法與工具）

垃圾回收演算法：

1. Mark-sweep（標記-清除 MS演算法）：標記全部堆中可回收資源進行回收
2. Copying（複製 CP演算法）：堆記憶體分成2半，一半用完了複製並整理整齊到另一半上，然後把這一半清空。
3. Mark-Compact（標記-整理 MC演算法）：MS與CP結合，將全部堆內容標記，然後整理整齊清空。
4. Generation Collection（分代收集 GC演算法）：根據對象存活周期將記憶體分為新生代與老生代進行收集。垃圾收集器：

1. Serial Old收集器:MC演算法
2. ParNew收集器：Serial的多執行緒版本,MC演算法
3. Parallel Scavenge：Cp演算法
4. Parallel Old:MC演算法
5. CMS：MS演算法
6. G1：MS演算法

4.3 類文件結構、類載入過程（略）

4.4 JVM性能調優（待續）

​ 能力有限，暫時用不到這些，後面用到了進一步了解。

​ 學習鏈接：//javaguide.cn/java/jvm/jvm-parameters-intro/#_3-2-gc記錄

4.5 JVM排查命令

​ 參考命令：//javaguide.cn/java/jvm/jdk-monitoring-and-troubleshooting-tools/#jps-查看所有-java-進程

註：Jdk1.8默認採用Parallel Scavenge（新生代） + Serial Old（老年代）

🔥5.新特性

5.1 Java8新特性實戰、《Java8指南》、JDK9~15、小技巧（略）

​ 權當手冊查了。

書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟。程式設計師不僅要懂程式碼，更要懂生活，關注我，一起進步。