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Collection

Java

Collection

• 新增、刪除等操作時可選操作，如 Arrays.asList，會產生固定大小的集合,會丟擲 UnsupportedOperationException

Set

• HashSet、TreeSet、LinkedHashSet
• HashSet、LinkedHashSet 注意需要對其中的元素定義 hashcode()
• SortedSet 有序集合
• NavigableSet 可導航集合，擁有 lower 等方法

Queue

• LinkedList、PriorityQueue，效能無差別
• DeQue，雙端佇列
• add 不能插入丟擲異常，offer 不會
• remove 移除空會丟擲異常，poll 不會

Map

• HashMap、TreeMap、LinkedHashMap、WeakHashMap、ConcurrentHashMap、IdentityHashMap
• LinkedHashMap，遍歷按照插入順序
• WeakHashMap 弱鍵對映，允許釋放對映所指的物件
• IdentityHashMap 用 == 進行比較
• SortedMap，排序 Map

Collections

• 對 Collection 的操作
• fill 填充物件陣列
• newSetFromMap 用法：實現 ConcurrentHashSet，newSetFromMap(new ConcurrentHashMap)
• disjoint 不相交集合
• checkedXXX 元素會檢查型別
• synchronizedXXX 同步集合
• unmodified 不可修改集合
• rotate 迴圈向後移動，最後的元素往前移
• shuffle 亂序
• sort 排序
• XXXBinarySearch 二分搜尋

Arrays

• 對陣列的操作
• sort 排序
• binarySearch 二分查詢元素
• stream 流式處理

System

• arrayCopy 記憶體級複製，淺複製

Comparator、Comparable

• Comparator 比較器，一般類直接實現
• Comparable 可比較的，一般作為引數傳入

XXXReference

• WeakReference System.GC() 就可以回收
• SoftReference 記憶體不足回收
• PhantomReference 呼叫 clear 方法才會清除

Spliterator

• splitable iterator，可分割迭代器
• 介面是Java為了並行遍歷資料來源中的元素而設計的迭代器

一些設計原則

• 將保持不變的事物和會改變的事物分離

正確的 equals 方法

• 自反性、對稱性、傳遞性、一致性、為 null 結果為 false
• 預設 equals 比較地址

hash

正確的 hashcode

1. 給 result 賦予某個非 0 常量
2. 對於每一個域，計算出一個雜湊碼 c
3. 合併計算， result = result * 37 + c
4. 返回 result

雜湊碼 c 計算公式

域型別	計算公式
boolean	0 1
byte char short int	(int)
long	(int) f >> 32
float	Float.floatToIntBits
double	(int)Double.doubleToIntBits >> 32
Object	hashcode
陣列	每一項運用

hash 原理

• 先用 hashcode 計算，無衝突直接使用得到的值
• 有衝突，遍歷衝突所在的 list，equals 計算得出值

HashMap 的效能

• 負載因子，當前儲存 / 容量，預設 0.75
• 如果知道需要儲存多少資料，設定合適的容量

快速報錯

• 當非併發集合進行併發操作時，會快速丟擲 ConcurrentModificationException

Concurrent

Java

Description

• 併發提高在阻塞時的效能
• 函式式語言處理併發
• Java 執行緒機制是搶佔式
• 併發上下文切換代價高
• 實現：多執行緒

Priority

• 大多數情況下試圖操作執行緒優先順序是種錯誤
• 優先順序在各個作業系統實現不同，可靠的是 MAX_PRIORITY、MIN_PRIORITY、NORM_PRIORITY

KeyWord finally

• 在設定後臺程序時， 後臺執行緒的 finally 會不執行

終結任務

• 小心謹慎

執行緒狀態

1. new
2. runnable
3. blocked
4. dead

blocked 觸發條件

• sleep
• wait 掛起（notify 再次進入就緒狀態）
• 等待輸入輸出
• 試圖 synchronized，被其他執行緒鎖住

死鎖

• 潛伏期長，很難復現

產生條件

• 互斥
• 一個資源者持有資源
• 資源不可以被搶佔
• 迴圈等待

免鎖容器

• 讀取和寫入同時發生
• 寫入時複製建立讀取內容副本，讀取操作讀源陣列，寫入資料寫副本，完成之後以原子性的操作將副本換入源陣列
• 只能保證最終一致性
• CopyOnWriteXXX

Implementation

Runnable

• 定義任務
• 通常寫成無限迴圈的形式，除非有條件使得終止

Callable

• 可以返回
• Future
• get 獲取結果，如果結果為準備就緒，會阻塞

Thread

• 可以繼承實現 start 方法，也可以利用構造器設定 Runnable 的實現類的例項來執行任務
• start 啟動任務
• yield 向執行緒排程器生命發出已經執行完最重要的任務、可以切換執行緒的訊號，不能依賴
• registerNatives 執行緒註冊了自己，在 run 沒有執行完成之前無法被垃圾回收器清除
• sleep 休眠
• setPriority 設定優先順序
• setDaemon 設定後臺程序
• join 等待執行緒結束，可以設定超時時間
• setUncaughtExceptionHandler 設定異常處理器
• interrupted 可以查詢是否產生中斷，並清除中斷狀態
• wait 執行緒進入等待狀態，釋放鎖，可以從 notify 恢復，建議用 while 而不是 if 執行 wait 操作，因為別的操作可能又讓 wait 條件滿足
• wait 會釋放 synchronized 的鎖
• notify 喚醒一個等待的執行緒，保證所有執行緒 wait 條件相同，在一個類中可能有很多工，只喚醒當前任務相關的執行緒
• notifyAll 喚醒所有等待的執行緒

FutureTask

• 可取消
• 非同步計算

ThreadFactory

• Thread 工廠，生成 Thread

Executor

• 管理 Thread 物件
• 接收 ThreadFactory 作為引數
• execute 接受引數是實現 Runnable 類的例項，submit 接受引數是 Callable 類的例項
• shutdown 阻止後續提交任務
• CachedThreadPool 快取
• FixedThreadPool 固定大小
• SingleThreadExecutor 單執行緒，多工排隊

Lock

• 鎖物件，相當於 synchronized
• 在 finalize 中 unlock
• 實現鎖的高階功能，如超時
• lockInterruptibly 產生中斷
• 效能好（線性增長），可讀性略低

AtomicXXX

• 原子操作
• 鎖更安全一些，Atomic 系列類是為 java.util.concurrent 服務
• 樂觀鎖，效能一般很高，但併發量大時，CPU 消耗資源多

ThreadLocal

• 執行緒本地儲存

BlockingQueue

• 阻塞佇列
• 配合 Enum 使用，組建流程

PipedReader & PipedWriter

• 管道讀寫同步資料

Semaphore

• 訊號量，允許多個任務同時訪問一個資源

Exchanger

• 兩個任務交換物件的柵欄

synchronized

• 設定域為 private，保證只有方法可以訪問該欄位的值
• 共享域需要同步
• 鎖方法：當前物件只有一個執行緒能訪問該方法，效率低
• 鎖物件：用於臨界區，鎖方法中的部分程式碼片段，效率高
• 不具備超時等特性
• 具有鎖的物件可以訪問其他該物件加鎖的方法
• wait, notify, notifyAll 必須在 synchronized 下使用，如果不這麼使用，可能會丟失 notify()
• 資料量大效能低，但可讀性好

volatile

• 立即寫入主存中，所有執行緒都看得到，避免快取影響
• 保證 long、double 賦值操作的原子性
• 只有一個值會改變的情況下使用
• 不能保證執行緒安全

InterruptedException

• 中斷執行緒
• 注意清理資源
• IO、synchronized 不可中斷
• NIO 提供了新中斷方式

CountDownLatch

• 同步多個任務使用，首先新建 CountDownWatch 確定任務大小，各個任務 countDown，再 await 等待其他任務完成

CyclicBarrier

• 建立一組任務，並行工作，在所有所有任務完成之前等待
• 相比於 CountDownLatch，可以多次觸發
• 建構函式引數包括所需任務數、所有任務完成之後執行的操作

DelayedQueue

• 延遲佇列

PriorityBlockingQueue

• 優先順序佇列

ConcurrentHashMap

• 寫入機制非寫時複製，比寫時複製快

ScheduledExecutorService

• 定時器
• schedule 執行一次
• scheduleAtFixedRate 多次執行

ReadWriteLock

• 讀鎖可以在沒有寫鎖的時候被多個執行緒同時持有，寫鎖是獨佔的
• 多讀少寫效能高

Fork/Join

ForkJoinPool

• invoke 啟動任務

RecursiveTask

• 定義子任務
• invokeAll 呼叫子任務

TransferQueue

• 佇列滿時，阻塞生產者

有意思的問題：為什麼 System.out.println() 不會被中斷？

《Java 程式設計思想》提了一句 “System.out.println() 不會被中斷”，疑惑的我去看原始碼，恍然大悟。

    public void println(boolean x) {
        synchronized (this) {
            print(x);
            newLine();
        }
    }

System 包的 out 是靜態物件，只有一個例項，在執行 println，鎖住自己，下個執行緒想用 System.out 的方法，只能等當前操作結束。
這在多執行緒是個效能天坑。每個執行緒如果都有 System.out.println 方法，互相阻塞。可以參考專案下 com.example.concurrent.number.NumberMain 測試。

三個執行緒互相列印

三個執行緒按順序列印 A、B、C，參見 com.example.concurrent.print.PrinterTest。

承諾升級理論

執行緒組的啟示：繼續錯誤的代價由別人來承擔，而承認錯誤的代價由自己來承擔。

執行緒很簡單？

如果某個人表示執行緒機制很容易或者很簡單，那麼請確保這個人沒有對你的專案作出重要的決策。如果這個人已經在做了，那麼你就已經陷入麻煩中了。

雙檢鎖

雙重檢查，加鎖。雙重檢查防止多次例項化。

• 多執行緒下需要加鎖
• 在方法上加鎖影響效能
• 由於 JIT 編譯不確定性，需要在資源上加上 volatile 防止編譯器優化，導致獲取到的 obj 為空的問題

正確做法：

class SomeClass {
  private volatile Resource resource = null;
  public Resource getResource() {
    if (resource == null) {
      synchronized {
        if (resource == null)
          resource = new Resource();
      }
    }
    return resource;
  }
}

參考雙重檢查鎖定原理詳解。

IO

通道、緩衝器

• 通道是一個獲取資料的通路
• 緩衝器承載了資料
• 更接近於底層作業系統的操作機制，效能更高

Java

File

• 處理檔案、目錄

FileNameFilter

• 過濾檔名

InputStream

• 位元組流
• 輸入，包括位元組陣列、字串、檔案、管道、流、其他資料來源，包括 ByteArrayInputStream、StringBufferInputStream、FileInputStream、PipedInputStream、SequenceInputStream（合併兩個 InputStream）
• FilterInputStream 修改了內部的行為，或者是返回物件的方式，包括 DataInputStream、BuffedInputStream、LineNumberInputStream、PushbackInputStream
• DataInputStream 讀取資料，必須通過 DataOutputStream 寫入資料，專用於 JVM 平臺

OutputStream

• 位元組流
• 輸出，包括 ByteArrayOutputStream、FileOutputStream、PipedOutputStream
• FilterOutputStream 修改了寫入物件的方式，包括 DataOutputStream、PrintStream、BufferedOutputStream
• DataOutputStream 寫入資料，必須通過 DataInputStream 讀取資料，專用於 JVM 平臺

Reader

• 字元流
• 需要用 InputStreamReader 將 InputStream 轉換
• 主要是為了國際化
• XXXInputStream 對應 XXXReader

Writer

• 字元流
• 需要用 OutputStreamReader 將 OutputStream 轉換
• 主要是為了國際化
• XXXOutputStream 對應 XXXWriter

RandomAccessFile

• 隨機讀取
• seek 調到檔案某一個地方

Scanner

• 讀取器，傳入 InputStream

System.XXX

• in 輸入、out 輸出、err 錯誤
• setXXX 重定向

ProcessBuilder

• 程序控制

NIO

Channel

• FileInputStream、FileOutputStream、RandomAccessFile 增加了 Channel
• 操作 ByteBuffer
• transferTo、transferFrom 傳輸資料
• read 讀取資料
• write 寫入資料
• tryLock 非阻塞加鎖，lock 阻塞加鎖，position 加鎖位置，limit 結束位置

ByteBuffer

• 讀取資料的單元
• wrap 儲存位元組資料
• allocate 分配空間
• limit 讀寫閾值，capacity 容量，position 當前讀寫位置，工作流程
• 初始狀態，limit = capacity，position = 0
• 工作時，移動 position，直至 limit
• flip，limit = position，position = 0，一般是寫了很多資料，重新讀資料，才會這樣使用
• clear，limit = capacity，position = 0，寫完資料準備讀會使用
• rewind，position = 0

Java 記憶體

本文基於 JDK 8。

分類

程式計數器（Program Counter Register）

• 記憶體空間較小，儲存了當前執行緒執行程式碼的位置
• 執行緒私有
• 不會 OOM（Out Of Memory）

虛擬機器棧（VM Stack）

• 儲存了物件引用等
• 執行緒私有
• 會 OOM、StackOverflow
• 指定棧大小，-Xss128k

本地方法棧（Native Method Stack）

• 與虛擬機器棧基本相同，執行的事本地方法
• 執行緒私有
• 會 OOM、StackOverflow
• 指定棧大小，-Xss128k

堆（Heap）

• 物件的內容會在堆上分配，包括執行時常量池（Runtime Constant Pool）
• 執行緒公有
• 會 OOM
• 是 GC 管理的主要區域
• 用 Xmx、Xms 分別控制最大堆記憶體、最小堆記憶體，-Xms20m -Xmx20m，指定 OOM 時 dump，-XX:+HeapDumpOnOutOfMemory -XX:HeapDumpPath=e:/

方法區（Method Area）

• 儲存了類資訊、靜態變數等
• 執行緒公有
• 記憶體分配在 JVM 之中，會 OOM
• 俗稱永久代（Permanent Generation，簡稱 Perm Gen）
• 指定大小，-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10m
• JDK 7 將永久代轉移到堆中
• JDK 8 已移除永久代，轉移到 Metaspace

Metaspace

• 原來的 MethodArea
• 記憶體分配在系統記憶體中，超過系統可用記憶體，會 OOM
• 指定大小，-XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m

直接記憶體

• 不是虛擬機器執行的一部分，DirectByteBuffer 會用，主要是從記憶體中直接讀取檔案
• 記憶體分配在系統記憶體中，超過系統可用記憶體，會 OOM
• 指定大小，-XX:MaxDirectMemorySize=10m

記憶體分配

物件建立流程

• 遇到 new 關鍵字，查詢對應類的符號引用，沒有就進行類載入
• 分配記憶體
• 初始化為零值
• 設定物件相應的屬性
• 執行物件的建構函式

記憶體分配方式

• 指標碰撞：計算出記憶體大小，指標向下移動
• 空閒列表：維護記憶體可用部分，進行分配

併發

• CAS 同步處理：併發大容易產生衝突，降低效率
• TLAB（Thread Local Allocation Buffer）：線上程所處空間中分配記憶體

記憶體儲存

• 物件頭（Header）：一部分是自身執行資料，考慮到空間效率，空間大小非固定，主要儲存雜湊碼、GC 年代等；另一部分型別指標，儲存物件型別資訊，陣列還要儲存陣列大小
• 例項資料（Instance Data）：儲存例項資料，一般相同寬度的資料會被分配到一起，父類會在子類之前（CompactField 引數為 true，子類較窄的也可能插入到父類空隙之中）
• 對齊填充（Padding）：佔位符，物件大小必須是 8 位元組的整數倍

訪問定位方式

• 控制代碼訪問：棧 reference -> 控制代碼池 物件例項資料指標 -> 例項池，優點是移動物件時只需要改例項指標
• 直接指標訪問： 棧 reference -> 物件例項資料指標（包括例項資料），HotSpot 採用，優點是訪問速度快（減少了一次指標訪問）