Java 常用类库与技巧【笔记】

Java 常用类库与技巧【笔记】

Java异常体系

Java异常相关知识

Java在其创立的时候就设置了比较有效的处理机制，其异常处理机制主要回答了三个问题：what，where，why

what表示异常类型回答了什么被抛出

where表示异常堆栈跟踪回答了在哪儿抛出

why表示异常信息回答了为什么被抛出

error和exception的区别

Java异常体系

runtimeexception是不可预知的，程序应当自行避免，而非runtimeexception是可以预知的，从编译器中校验异常

从责任的角度来看：

1.Error属于JVM需要负担的责任

2.RuntimeException是程序应该负担的责任

3.Checked Exception可检查异常是Java编译器应该负担的责任

从概念角度解析Java的异常处理机制

error是程序无法处理的系统错误，编译器不做检查，而exception则是程序可以处理的异常，在捕获之后可能恢复，也就是说，error是程序无法处理的错误，而exception则是可以处理的异常

常见的error和exception

RuntimeException中有五个比较常见的异常

1.NullPointerException -空指针引用异常

2.ClassCastException -类型强制转换异常

3.IllegalArgumentException -传递非法参数异常

4.IndexOutOfBoundsException -下标越界异常

5.NumberFormatException -数字格式异常

非runtimeexception的常见异常

1.ClassNotFoundException -找不到指定class的异常

2.IOException - IO操作异常

Error的常见异常

1.NoClassDefFoundError -找不到class定义的异常

NoClassDefFoundError的成因：1.类依赖的class或者jar不存在，2.类文件存在，但是存在不同的域中，3.大小写问题，javac编译的时候是无视大小写的，很有可能编译出来的class文件就与想要的不一样

2.StackOverflowError -深递归导致栈被耗尽而抛出的异常

3.OutOfMemoryError -内存溢出异常

Java的异常处理机制

抛出异常：创建异常对象，交由运行时系统处理

捕获异常：寻找合适的异常处理器处理异常，否则就会终止运行

具体明确︰抛出的异常应能通过异常类名和message准确说明异常的类型和产生异常的原因

提早抛出：应尽可能早的发现并抛出异常，便于精确定位问题

延迟捕获︰异常的捕获和处理应尽可能延迟，让掌握更多信息的作用域来处理异常

高效主流的异常处理框架

在用户看来，应用系统发生的所有异常都是应用系统内部的异常，那么就可以设计一个高效主流的异常处理框架

设计一个通用的继承自RuntimeException异常来统一处理，而其余异常都统一转译为上述异常AppException，然后进行转换，在catch之后，抛出上述异常的子类，并提供足以定位的信息，这样在异常发生的时候，就可以由前端接受AppException做统一处理

try-catch的性能

Java异常处理消耗性能的地方

try-catch块影响JVM的优化

异常对象实例需要保存栈快照等信息，开销较大

Java集合框架

集合之list和set

集合之Map

hashmap，hashtable，conccurenthashmap的区别

hashmap

hashmap在Java8以前是数组+链表的组合，容易性能恶化

所以在Java8以及以后，变成了数组+链表+红黑树的结构

hashmap的put方法的逻辑：

1、如果HashMap未被初始化过，则初始化

2、对Key求Hash值，然后再计算下标

3、如果没有碰撞,直接放入桶中

4、如果碰撞了，以链表的方式链接到后面

5、如果链表长度超过阀值，就把链表转成红黑树

6、如果链表长度低于6，就把红黑树转回链表

7、如果节点已经存在就替换旧值

8、如果桶满了(容量16*加载因子0.75)，就需要resize (扩容2倍后重排）

hashmap如何有效的减少碰撞

可以使用扰动函数（促使元素位置分布均匀，减少碰撞机率）或者使用final对象，并采用合适的equals()和hashCode()方法

hashmap中获取hash到散列的过程

hashmap的扩容问题

在多线程的环境下，调整大小会存在条件竞争，容易造成死锁，而且在扩容过程中的重新填入的过程rehashing是个很耗时的过程

Hashtable和concurenthashmap

知道了hashmap 以后，相应的hashtable也很容易理解

如何优化hashtable？

可以通过锁的细粒度化，将整个锁拆解成多个锁进行优化，早期的concurenthashmap就是这样做的，通过分段锁segment来实现

此时发现，可以将分段锁拆的更细，或者说，不用分段锁，使每一个table都带一把锁，于是就有了当前的concurrenthashmap，使用CAS和synchronized结合使锁更细化

concurenthashmap的put方法的逻辑

1.判断Node[]数组是否初始化，没有则进行初始化操作

2.通过hash定位数组的索引坐标，是否有Node节点，如果没有则使用CAS进行添加（链表的头节点），添加失败则进入下次循环

3.检查到内部正在扩容，就帮助它一块扩容

4.如果f!=null，则使用synchronized锁住f元素（链表/红黑二叉树的头元素），如果是Node(链表结构)则执行链表的添加操作，如果是TreeNode(树型结构)则执行树添加操作

5.判断链表长度已经达到临界值8，当然这个8是默认值，大家也可以去做调整，当节点数超过这个值就需要把链表转换为树结构

concurenthashmap的总结

对于concurrenthashmap，总的来说就是比起segment，锁拆的更细，只要hash不冲突，就不会出现并发获得锁的情况

首先使用无锁操作CAS插入头节点，失败则循环重试

若头节点已存在，则尝试获取头节点的同步锁，再进行操作

hashmap，hashtable，conccurenthashmap三者的区别总结

HashMap线程不安全，数组+链表+红黑树

Hashtable线程安全，锁住整个对象，数组+链表

ConccurentHashMap线程安全，CAS+同步锁，数组+链表+红黑树

HashMap的key、value均可为null，而其他的两个类不支持

J.U.C知识点梳理

J.U.C包（java.util.concurrent）中的核心

CAS是java.util.concurrent.atomic包的基础

AQS是java.util.concurrent.locks包以及一些常用类比如Semophore , ReentrantLock等类的基础

J.U.C包的分类

1.线程执行器executor

2.锁locks

3.原子变量类atomic

4.并发工具类tools

5.并发集合collections

并发工具类

四个同步器

闭锁CountDownLatch，让主线程等待一组事件发生后继续执行，这里的事件指的是countdownlatch里的countdown（）方法

栅栏CyclicBarrier，作用是阻塞当前的进程，等待其他的进程，等待其它线程，且会阻塞自己当前线程，所有线程必须同时到达栅栏位置后，才能继续执行，而且所有线程到达栅栏处，可以触发执行另外一个预先设置的线程

信号量Semaphore，控制某个资源可被同时访问的线程个数

交换器Exchanger，当两个线程到达同步点后，相互交换数据

Blockingqueue

这是提供可阻塞的入队和出队操作，主要用于生产者-消费者模式，在多线程场景时生产者线程在队列尾部添加元素，而消费者线程则在队列头部消费元素，通过这种方式能够达到将任务的生产和消费进行隔离的目的

Blockingqueue的七个队列实现

1、ArrayBlockingQueue :一个由数组结构组成的有界阻塞队列

2、LinkedBlockingQueue :一个由链表结构组成的有界/无界阻塞队列

3、PriorityBlockingQueue :一个支持优先级排序的无界阻塞队列

4、DealyQueue :一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列

5、SynchronousQueue : 一个不存储元素的阻塞队列

6、LinkedTransferQueue :一个由链表结构组成的无界阻塞队列

7、LinkedBlockingDeque :一个由链表结构组成的双向阻塞队列

Java的I/O机制

BIO，NIO，AIO的区别

Block-IO（BIO）

有InputStream和OutputStream , Reader和Writer，是基于流模型实现的，这就意味着其交互方式是同步阻塞的方式

NonBlock-IO（NIO）

构建多路复用的、同步非阻塞的IO操作

其核心部分为，Channels，Buffers，Selectors

NIO-Channels的种类

FileChannel

transferTo:把FileChannel中的数据拷贝到另外一个Channel

transferFrom :把另外一个Channel中的数据拷贝到FileChannel

这个接口常常用于高效的网络文件的传输和大文件拷贝，其避免了两次用户态和内核态之间的上下文切换，即零拷贝，效率很高

DatagramChannel

SocketChannel

ServerSocketChannel

NIO-Buffers的种类

ByteBuffer

CharBuffer

DoubleBuffer

FloatBuffer

IntBuffer

LongBuffer

ShortBuffer

MappedByteBuffer

NIO-Selector

其允许单线程处理多个channel，如果一个应用打开了多个链接，每个链接的流量都很低，那么使用这个就很方便

I/O多路复用

可以调用系统级别的select，poll以及epoll

select，poll以及epoll三者的区别

可以三个方面来说

1.支持一个进程能打开的最大的连接数

select：单个进程所能打开的最大连接数由FD_SETSIZE宏定义，其大小是32个整数的大小(在32位的机器上，大小是3232，64位机器上FD_SETSIZE为3264 )，我们可以对其进行修改，然后重新编译内核，但是性能无法保证，需要做进—步测试

poll：本质上与select没有区别，但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的

epoll：虽然连接数有上限，但是很大，1G内存的机器上可以打开10万左右的连接

2.FD剧增后带来的IO效率问题

select：因为每次调用时都会对连接进行线性遍历，所以随着FD的增加会造成遍历速度的"线性下降"的性能问题

poll：和select一样

epoll：由于epoll是根据每个fd上的callback函数来实现的，只有活跃的socket才会主动调用callback ,所以在活跃socket较少的情况下，使用epoll不会有"线性下降"的性能问题，但是所有socket都很活跃的情况下，可能会有性能问题

3.消息的传递方式

select：内核需要将消息传递到用户空间，需要内核的拷贝动作

poll：和select一样

epoll：通过内核和用户空间共享一块内存来实现，性能较高

Asynchronous IO（AIO）

基于事件和回调机制

AIO进一步加工数据结果方法

基于回调：实现CompletionHandler接口，调用时触发回调函数

返回Future：通过isDone()查看是否准备好，通过get()等待返回数据

BIO，NIO，AIO的对比总结