Java深入淺出之反射&集合&可見性&NIO

前言

java的一些特性、集合框架概要、線程安全的可用性說明、NIO網絡編程
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一、特性

1.抽象類和接口的區別

定義

抽象類：用abstract修飾的類，一個類沒有包含足夠多的信息來描述一個具體的對象
- 有構造器
- 接口方法可以有public、protectd、default修飾
- 單個繼承
接口：抽象類型，抽象方法的集合。
- 無構造器
- 接口方法只能由public修飾
- 多重實現

抽象類可以有實例變量，而接口不能擁有實例變量，接口中的變量都是靜態（static）的常量（final）

默認的方法實現

抽象類：可以有方法實現
接口：沒有（java8後可以使用default關鍵字添加非抽象方法）

實現

抽象類：使用extends繼承，並且如果不是抽象類，則需要實現所有方法
接口：使用implements實現，並且需要實現所有方法

速度

抽象方法比接口快

2.反射

反射的操作都是在編譯之後，即運行時

動態的獲取類的信息和調用其方法

Class類的使用

類是對象，是java.lang.Class類的實例對象
任何一個類都是Class的實例對象

三種類實例對象（類類型）的表示方式

// 1.任何一個類都有一個隱含的靜態成員變量
Class c1 = Person.class;
// 2.類的對象
Class c2 = person.getClass();
// 3.通過類的全路徑
Class c3 = Class.forName("com.mango.Person");
c1 == c2 == c3

通過類的類類型創建實例對象
```
Person person = c1.newInstance();
```

動態加載類

Class.forName()代表動態加載類
編譯時加載類是靜態加載類，運行時是動態加載類

獲取方法信息

基本的數據類型、void都存在類類型

Class

Method

Class c1 = int.class;Class c2 = String.class;
// 1.類的名稱：全稱、簡稱c1.getName(); 
c2.getSimpleName();
// 2.Method類，方法對象：一個類方法就是一個Method對象
Method[] methods = c1.getMethods();
// 2.1方法的返回值類型的類類型
Class returnType = methods[0].getReturnType();
// 2.2方法的名稱
String methodName = methods[0].getName();
// 2.3方法的參數列表類型的類類型
Class[] paramTypes = methods[0].getParameterTypes();
String paramTypeName = paramTypes[0].getName();

獲取屬性構造方法信息

屬性也是對象

Field

Constructor

// cl.getFields() 獲取的public的屬性
// 1.獲取所有該類屬性
Field[] fields = c1.getDeclaredFields();
// 1.1獲取屬性類型的類類型
Class fieldType = fields[0].getType();
// 1.2獲取屬性名稱
String fieldName = fields[0].getName();

// cl.getConstructors()獲取的public的構造方法
// 2.獲取類的構造方法
Constructor[] constructors = c1.getDeclaredConstructors();
String constructorName = constructors[0].getName();
// 2.1獲取構造方法參數列表的類類型
Class[] paramTypes = constructors[0].getParameterTypes();
String paramTypeName = paramTypes[0].getName();

方法反射的操作

方法的名稱和方法的參數列表才能唯一決定某個方法
反射的操作：method.invoke(對象,參數列表)

獲取方法：c.getMethod(方法名,參數列表);

方法調用：method.invoke(對象,參數列表)

// 1.獲取類類型
Class c = person.getClass();
// 2.獲取具體方法
Method method = c.getMethod("getAge",new Class[]{int.class});
// 3.調用
Object returnValue = method.invoke(person,23);

通過反射了解集合泛型的本質

編譯之後集合的泛型是去泛型化
集合的泛型，是防止錯誤輸入的，只在編譯階段有效

反射的操作都是在編譯之後

// 1.創建兩個集合
ArrayList list = new ArrayList();ArrayList list2 = new ArrayList<String>();
// 2.反射操作
Class c1 = list.getClass();
Class c2 = list2.getClass();
c1 == c2

二、集合框架

單列集合根接口：Collection

雙列集合：Map

1.List

特性
- 元素是有序的（存入和取出的順序）、可重複的

1）ArrayList

數據結構：數組
線程不同步

2）LinkedList

數據結構：鏈表（雙向）
線程不同步

3）Vector-效率低，廢棄

數據結構：數組
線程同步

2.Set

特性
- 元素是無序的、不可重複的

1）HashSet

數據結構：哈希表
線程不同步

2）TreeSet

數據結構：二叉樹
線程不同步

3）LinkedHashSet

HashSet的子類
元素是有序的（插入和輸出順序一致）

3.Map集合

特性
- 存儲形式是鍵值對，鍵是唯一的
優缺點
- 優點
  - 靈活性強，易擴展，耦合度低
  - 代碼簡單
- 缺點
  - 存儲的類型和內容不可知

1）Hashtable-廢棄

數據結構：哈希表
線程同步

2）HashMap

數據結構：哈希表
線程不同步

3）TreeMap

數據結構：二叉樹
線程不同步

聲明集合線程安全，可以使用Collections工具類的方法Collections.synchronizedList、Collections.synchronizedSet、Collections.synchronizedMap

三、線程安全

1.可見性

概述
- 可見性：一個線程對共享變量值的修改，能夠及時地被其他線程看到
- 共享變量：如果一個變量在多個線程的工作內存中都存在副本，那麼這個變量就是這幾個線程的共享變量
- 不可見的原因
  - 線程交叉執行
  - 重排序結合線程交叉執行
  - 共享變量更新後沒有在工作內存與主內存同時刷新
Java內存模型：描述了java程序中各種變量（線程共享變量）的訪問規則，以及在JVM中將變量存儲到內存和從內存中讀取出變量這樣的底層細節
- 所有變量都存儲在主內存中
- 每個線程都有自己獨立的工作內存，裏面保存該線程使用到的變量的副本（主內存的拷貝）
- 規定
  - 線程對共享內存的操作只能在自己的工作內存中
  - 不同線程之間無法直接訪問其他線程工作內存中的變量，線程間變量值的傳遞需要通過主內存來完成
實現原理

一個線程修改數據後，讓其他線程能夠看到
1. 把該線程中的變量刷新（同步）到主內存中
2. 將主內存中的最新變量值更新到其他線程的工作內存中
3. 實現方式：synchronized、volatile、final
synchronized實現原理
- 規定
  - 線程解鎖前，必須把共享變量的最新值刷新到主內存中
  - 線程加鎖時，將清空工作內存中共享變量的值，從而使用需要從主內存中沖洗讀取最新的值
- 線程執行互斥代碼的過程
  1. 獲得互斥鎖
  2. 清空工作內存
  3. 從主內存拷貝變量的最新副本到工作內存
  4. 執行代碼
  5. 將更改後的共享變量刷新到主內存
  6. 釋放互斥鎖
  重排序：代碼書寫順序與實際執行的順序不同，指令重排序是編譯器或處理器爲了提高程序性能而做的優化
  1. 編譯器優化的重排序（編譯器優化）
  2. 指令級並行重排序（處理器優化）
  3. 內存系統的重排序（處理器優化）
  as-if-serial：無論如何重排序，程序執行的結果都應該與代碼順序執行的結果一致（java編譯器、運行時和處理器都會保證Java在單線程下遵循as-if-serial語義）
- 作用
  - 原子性==>線程不會交叉執行
  - 原子性==>重排序是在單個線程內
  - 可見性==>規定加鎖解鎖數據的同步機制

volatile實現原理
- 作用
  - 保證volatile變量的可見性
  - 不能保證volatile變量複合操作的原子性
- 原理：加入內存屏障和禁止重排序優化
  - 對volatile變量執行寫操作時，會在寫操作後加入一條store屏障指令
  - 對volatile變量執行讀操作時，會在讀操作前加入一條load屏障指令
- 過程
  - 寫操作
    1. 改變線程工作內存中volatile變量副本的值
    2. 變量值刷新到主內存
  - 讀操作
    1. 從主內存中讀取volatile變量值
    2. 變量值同步到工作內存中
- 解決非原子性問題
  - 使用synchronized
  - 使用ReentrantLock
```
private Lock lock = new ReentrantLock();
// 加鎖開始
lock.lock()
// 操作(try)
    
// 加鎖結束(只能在finally)
lock.unlock();
```
  - 使用AtomicInteger
- 場景（同時滿足）
  - 對變量的寫入操作不依賴當前值
    - 不滿足：number++；count*=5；
    - 滿足：Boolean變量
  - 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
    - 不滿足：不變式 low<up
synchronized和volatile比較
- volatile不需要加鎖，更輕量級，非阻塞
  - 從內存可見性角度，volatile讀相當於加鎖，寫相當於解鎖
- synchronized可以保證可見性和原子性，volatile只能保證可見性
其他
- 對64位變量(long、double)的讀寫可能不是原子操作（java內存模型允許jvm將沒有被volatile修飾的64位數據類型的讀寫操作劃分爲兩次32位的讀寫操作來進行）

2.ThreadLocal

基礎信息
- 定義：提供線程局部變量；一個線程局部變量在多個線程中，分別有獨立的值
- 特點：簡單（開箱即用）、快速（無額外開銷）、安全（線程安全）
- 場景：多線程場景（資源持有、線程一致性、併發計算、線程安全等）
- 實現原理：java 使用哈希表
- 應用範圍：幾乎所有提供多線程特徵的語言
API
- 構造：ThreadLocal<T>()
- 初始化：initialVal()
- 獲取/設值：get/set
- 回收：remove

四、java網絡編程之NIO

簡介：Non-Blockiing I/O 或New I/O

起始於JDK1.4，主要用於高併發網絡服務

1.編程模型

模型：對事物共性的抽象
編程模型：對編程共性的抽象
阻塞I/O：讀取時線程阻塞

BIO網絡模型

流程

1）服務器一直監聽建立連接請求

2）當客戶端發起建立連接請求

3）服務端啓動新線程

4）該線程與於客戶端建立連接，響應客戶端

5）該線程一直等待客戶端的請求，阻塞等待

[(G:/note/圖/BIO網絡模型.png)]

弊端
- 阻塞式I/O模型
- 彈性伸縮能力差
- 多線程耗資源
- 高併發時，服務器可能崩潰

基本使用

/**服務端 **/
// 1.監聽端口
ServerSocket ss = new ServerSocket(8000);
while(true){
    // 2.接收請求，建立連接
    Socket socket = ss.accept();
    // 3.數據交換
    new Thread(new BIOServerHandler(socket)).start();
}
ss.close();
/**客戶端 **/
// 1.建立連接
Socket s = new Socket("127.0.0.1",8000);
// 2.獲取輸入輸出流
InputStream is = s.getInputStream();
OutputStream os = s.getOutputStream();

NIO網絡模型
- 流程
  1. 服務端註冊建立連接事件
    - 服務端有Selector組件，用於循環檢測註冊事件就緒情況
  2. 當客戶端發起建立連接請求
  3. 服務端會啓動建立連接事件處理器
    - Acceptor Handler處理器
  4. 處理器會創建與客戶端連接
  5. 處理器響應客戶端建立連接請求
  6. 處理器向Selector註冊連續可讀事件
    - 可多個
  7. 客戶端發送請求到Selector
  8. Selector啓動連接讀寫處理器
    - Read&Write Handler讀寫處理器
  9. 讀寫處理器處理客戶端讀寫業務
  10. 讀寫處理器響應客戶端請求
  11. 讀寫處理器向Selector註冊連續可讀事件
[(G:/note/圖/NIO網絡模型.png)]
- 改進（相比BIO）
  - 非阻塞I/O模型
  - 彈性伸縮能力強
  - 單線程節省資源
- 弊端
  - 麻煩：NIO類庫和API繁雜
  - 心累：可靠性能力補齊，工作量和難度大
  - 有坑：Selector空輪詢，導致CPU 100%

2.NIO核心

Channel：通道

簡介：雙向性、非阻塞性、操作唯一性
實現
- 文件類：FileChannel
- UDP類：DatagramChannel
- TCP類：ServerSocketChannel/SocketChannel

使用

// 服務器通過服務端socket創建channel
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服務器綁定端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8000));
// 服務器監聽客戶端連接，建立socketChannel連接
SocketChannel sc = ssc.accept();
// 客戶端連接遠程主機及端口
SocketChannel sc = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",8000));

Buffer：緩存區
1. 簡介
  - 作用：讀寫Channel中數據
  - 本質：一塊內存區域
2. 屬性
  - Capacity：容量
  - Position：位置
  - Limit：上限
  - Mark：標記

Selector：選擇器/多路複用器

簡介
- 作用：I/O就緒選擇
- 地位：基礎

使用

// 創建Selector
Selector selector = Selector.open();
// 將channel註冊到selector上，監聽讀就緒事件
SectionKey sk = channel.register(selector,SectionKey.OP_READ);
// 阻塞等待channel有就緒事件發生
int selectNum = selector.select();
// 獲取發生就緒事件的channel集合
Set<SelectionKey> selectionKeySet = selector.selectedKeys();

SelectionKey簡介
- 四種就緒狀態常量
- 有價值的屬性

3.NIO實現步驟

創建Selector
創建ServerSocketChannel，並綁定監聽端口
將Channel設置爲非阻塞模式
將Channel註冊到Selector上，監聽連接事件
循環調用Selector的select，檢測就緒情況
調用selectedKeys方法獲取就緒channel集合
判斷就緒狀態種類，調用業務處理方法
根據業務需要決定是否再次註冊監聽事件，重複執行第三步操作

Java深入淺出之反射&集合&可見性&NIO

前言

一、特性

1.抽象類和接口的區別

2.反射

二、集合框架

1.List

1）ArrayList

2）LinkedList

3）Vector-效率低，廢棄

2.Set

1）HashSet

2）TreeSet

3）LinkedHashSet

3.Map集合

1）Hashtable-廢棄

2）HashMap

3）TreeMap

三、線程安全

1.可見性

2.ThreadLocal

四、java網絡編程之NIO

1.編程模型

2.NIO核心

Channel：通道

Buffer：緩存區

Selector：選擇器/多路複用器

3.NIO實現步驟