ArrayList和Vector底层都是由动态数组实现的 ArrayList是线程不安全的集合,而Vector是线程安全的集合。 本质上数组是不能动态的,因为Java中数组一旦初始化好之后,就不能再改变数组长度。但是ArrayList和Vector底层是通过创建新的数组的方式,来达到数组动态扩展的目的。这种动态”改变”数组长度的方式,称之为动态数组 ArrayList – 构造方法 构造方法中就是将一个长度为空的数组,赋值给一个Object数组的引用(elementData)。 add – 添加元素方法 add – 插入(往中间添加)元素的方法 **注意:**在ArrayList中,记性数组扩容或者元素移位时,底层都是调用的native方法实现,native本身没有方法体,方法实现是由C/C++实现的,以此来提高扩容的效率。 Linked底层是由双向链表实现 链表是一种非常常见的线性数据结构(和数组类似),由一个一个的节点组成,每个节点都有一个指针,指向链表的下一个节点,因为有”指针”的存在,所以链表在内存空间上可以地址不连续,因此链表没有长度的限制(数组在内存空间上地址必须连续,长度有限)。 双向链表就是普通链表的节点多了一个指向上一个节点的指针 链表的关键其实就是节点,链表由一个一个节点组成,指向实现了节点的结构,那么链表就能实现。 链表节点的实现: LinkedList的一些基本属性 add添加元素的方法 get获取元素的方法 add插入(从中间添加)元素的方法 插入性能对比: 查询性能对比: Set各个实现类的特点: 底层实现: 底层都是通过对应的Map集合实现 HashMap和Hashtable底层都是由哈希表实现的,Hashtable和HashMap的关系与Vector和ArrayList之间的关系类似,Hashtable线程安全,HashMap线程不安全 什么是哈希表? 哈希表是一种用于快速搜索的数据结构,精准查询(通过key查询value)效率极高,和元素的数量(理想型,实际过程中,多少还是有点关系)无关,所以时间复杂度为O(1) 什么是哈希碰撞(哈希冲突)? 哈希碰撞不是一件好事,但是不可避免,所以任何一张好的哈希表必须对哈希碰撞有良好的解决方案。 所谓的哈希碰撞就是指,不同的key,通过哈希函数,计算出的下标相同了。 哈希碰撞的解决方式(HashMap的解决方案) 链地址法:将发生碰撞的元素通过链表连接起来 哈希表的扩容(底层数组的扩容) 一个哈希表,哈希碰撞是不可避免的,如果频繁的发生哈希碰撞,那么会导致大量的链表生成,对查询性能影响很严重。因此哈希表必须通过适当的扩容,来降低哈希碰撞发生的概率,以及优化查询性能。 扩容的好处: 什么时候扩容? 哈希表有一个参数,称之为填充因子(加载因子,HashMap默认为0.75),当添加的元素数量/数组长度时,一旦达到了填充因子的比例,就会触发一次扩容。 如果碰到一些精准定位、去重、判断是否存在等诸如此类的问题,都可以先考虑一下哈希表或者哈希表的一些变种结构(布隆过滤器) 什么是红黑树? 红黑树本身是一种特殊的二叉树,是用于快速查询的数据结构 什么是二叉搜索树? 在一颗二叉树中,任意节点的左子树节点都比当前节点要小,右子树节点都比当前节点要大,那么这颗二叉树就称之为二叉搜索树 二叉搜索树的缺点:如果插入的元素有一定的顺序,那么就可以导致树的失衡,从而严重降低树的查询能力 红黑树就是为了解决二叉搜索树,失衡问题而设计的一颗二叉搜索平衡树 HashMap中的一些属性设置 HashMap的构造方法 HashMap元素的节点类 HashMap的扩容方法 – resize() HashMap构造方法并不会初始化底层的哈希表(数组),所以第一次添加元素时,一定会触发一次resize方法扩容,这次扩容的目的是为了初始化哈希表 设置key-value的方法 – put方法 注意:HashMap底层是通过先比较两个key的hash值,再比较对象的内存地址 || 比较对象的equals方法来判断这两个key是否相等 key有序(插入顺序),不可重复 在HashMap的基础上,新增了一个链表结构(和解决哈希冲突的链表是两回事),这个链表是用来维护元素的插入顺序的。 **注意:**本质上LinkedHashMap和HashMap的实现方式几乎一致,只是添加元素时,需要额外的去维护一个插入顺序的链表,所以添加元素的性能比HashMap略低,但是正因为有这个链表的存在,所以遍历哈希表的性能反而要高于HashMap key有序(字典排序),不可重复 没有哈希表,底层完全有红-黑树实现。查询性能和添加性能平均情况都低于HashMap,所以除非真的需要key有顺序,否则我们都应该使用HashMap,而不是TreeMap **注意:**在TreeMap中判断两个key是否相同的方式,不是用==,也不是用equals方法,而是通过比较器(compare)的方法判断是否返回0,如果比较器返回0了,就表示key相同了。 在多线程环境下,同时并发的操作(增删改)同一份资源时,因为线程的调度不确定性,所以可能导致资源最后的执行状态和理想状态有一定的出入,这种问题就是所谓的线程安全问题。 可见性 – 某个线程对一个数据的修改,其他线程是立即可见的 原子性 – 对某个数据的的操作是原子并且不可分割的 有序性 – 程序会按照代码编写的顺序依次执行 在多线程并发操作中,如果以上3个特性有任何一个特性没有得到保证,就会引发线程安全的问题 可见性问题的代码: 因为可见性的原因,导致子线程对flag的修改,主线程不能立即可见,因此还是无限死循环 i = 10; – 原子操作 因为x++是非原子性的,所以在执行过程中有可能被其他线程打断,从而导致最后的结果一致性出现问题 注意:Java中两个原子性操作,放在一起就不是原子性的了。 什么是指令重排? 在某些情况下,CPU基于执行效率优化的考虑,可能会改变代码的执行顺序(代码的编写顺序和执行顺序不一样),这种情况就称为指令重排 指令重排的保证:在单线程情况下,重排后的执行结果与顺序执行的执行结果一定一致。 1)使用volatile关键字 添加了volatile关键字的属性,具有可见性,对该属性的所有修改,其他线程全部立即可见。同时volatile关键字可以保证局部有序性。但是volatile不能保证原子性。是一种相对于加锁来说更加轻量级的解决方案。 2)使用concurrent包下的一些AtomicXxxx类来进行原子操作 AtomicXxxxx类中的方法都是可以保证原子性的,但是两个原子性的方法并不能保证原子性 3)使用AtomicXxxx类来实现CAS(compare and swap) CAS本质上是基于乐观锁的思想实现的技术,在某些场景下可以帮助我们实现线程安全,比Lock和synchronized加锁的方式会轻量级一些。 4)synchronized加锁,同时解决可见性、原子性和有序性问题 synchronized加锁具体应该锁什么对象?- 将可能降低锁的细粒度 synchronized修饰方法时, 5)通过Lock对象加锁 重入锁机制,是可以完全取代synchronized关键字,相对来说比synchronized更加灵活 重入读写锁机制 读写锁中,读锁 兼容 读锁,读锁 互斥 写锁,写锁 互斥 写锁 6)通过数据库的锁保证线程安全(表锁、行锁[共享锁、排他锁]) 7)通过redis的lua脚本实现线程安全 8)通过分布式锁(zookeeper、redis) … CAS版的线程安全的懒汉式 双重锁判定版本 ArrayList、HashMap等集合线程不安全,体现在什么地方?会带来什么问题? 可以使用一些线程安全的集合,比如Vector、Hashtable,底层是通过加锁的方式,保证操作的原子性,以此达到线程安全。但是实际开发过程中,不推荐使用这些集合,因为锁的细粒度太大,导致集合的并发性能很差,JDK1.4之后,提供了JUC(java.util.concurrent)的工具包,JUC包中包含了很多线程安全的集合类,这些类采用了特别的机制来保证线程安全,相对来说比Vector、Hashtable并发性更好。 注意:线程安全的集合,不等于所有对集合的操作都是线程安全。 所谓的线程安全集合,指的是集合的每个方法独立调用时,是线程安全的。但是将这些线程安全的方法组合在一起调用,就不一定是线程安全的了。 CopyOnWriteArrayList底层采用了写入时复制的机制,来保证写数据的线程安全,同时提高读数据的并发性能(所有读的操作是不加锁),特别适合读多写少的场景。但是该类没办法保证数据的强一致性(读的时候有可能读到的是过期的数据),对于某些数据一致性没有绝对要求的场景才能使用,在分布式项目中,往往追求的都是最终一致性(并不会要求强一致),所以CopyOnWriteArrayList在分布式环境下可以使用。如果对数据的一致性要求很高,应该采用List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());方式获得线程安全的集合使用。 添加元素的方法 – add(写入时复制) 读取元素时的方法 – get ConcurrentHashMap底层数据结构和HashMap完全一样,采用数组 + 链表 + 红黑树的方式实现的哈希表。 添加元素的方法 – put(key,value) 初始化哈希表的方法 – initTable 什么是反射? 反射就是在运行时获得动态解析类的能力。 简单来说,反射可以帮助我们创建对象,获得对象的属性,方法… 为什么我们需要通过反射创建对象、获取属性、调用方法? 在实际架构设计过程中,很多时候,我们需要设计一种更为通用的方法来处理某些问题,但是我们可能并不能确定很多对象的类型,这时传统的创建对象、获取属性、调用方法就行不通了,那么就可以通过反射来编写通用的代码解决问题。 架构师,功能 -> 对象转换成json字符串 工作中运用反射解决的问题 什么是IOC? 控制反转 – 将对象创建的权利交给第三方容器(Spring容器),简单点的理解,就是让容器给你New对象,你自己不要new对象了。 为什么需要IOC容器帮助我们new对象?我们自己new对象有啥不好? 解耦 – 解耦能带来什么好处????? 实际开发过程中,当A类直接new B类的对象,我们称之为硬编码耦合。如果随着业务的升级迭代,B类的构造形式有可能发生变化(比如需要构造代理对象),因为B类的构造方式变化了,就必须去A类中修改B对象初始化的代码,如果很多地方new B类的对象,就需要改很多地方,程序的维护性、拓展性就严重下降,Spring的IOC就是为了解除这种耦合性。 什么是AOP? AOP表示面向切面编程,AOP是一种思想,而Spring是实现了这种思想的框架。对于很多业务来说,通常可以分为核心业务和非核心业务两部分。每个业务的核心业务都不相同,但是很多业务的非核心业务部分却是有着相同的功能(开启事务、回收资源、记录日志…),将这些非核心业务的部分抽取出来,形成一个个所谓的切面,针对这些切面的编程方式,就是所谓的面向切面编程 AOP的底层实现 核心原理:动态代理 AnnotationConfigApplicationContext构造方法 scan 扫描包路径的方法 doScan 扫描包路径生成对应的Bean的BeanDefinition对象 refresh方法
Java集合、多线程、反射和Spring框架总结,源码解析
一、集合 – 通过不同的数据结构存储以及操作数据的工具
1.1 Collection
1.1.1 ArrayList、Vector
1.1.1.1 底层原理
1.1.1.2 ArrayList VS Vector
Vector本质是JDK1.0的产物,但是集合体系是JDK1.2才推出的新特性。因此,JDK1.2之后sun公司强行的让Vector类实现了List接口,从而导致Vector之中有很多功能重复的方法。虽然现在为止Vector都没有过时,但是基本上已经不再使用Vector集合,哪怕是多线程环境,也不推荐直接使用Vector来保证线程安全。1.1.1.3 什么是动态数组?
1.1.1.4 源码解析
JDK1.8之后,ArrayList初始化时,不再默认的初始化一个长度为10的数组(懒加载)。private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; transient Object[] elementData; .... /** * 构造方法 - 初始化底层的数组 */ public ArrayList() { this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA; }
public boolean add(E e) { //判断当前底层的数组是否需要扩容,如果需要扩容则调用grow方法,进行扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); //将元素设置到数组size的位置,并且size自增 elementData[size++] = e; return true; } //核心扩容方法,参数minCapacity表示当前最小需要扩容的容量 private void grow(int minCapacity) { //获得旧的数组容量 int oldCapacity = elementData.length; //计算新的数组容量,根据旧的容量1.5倍扩容 //右移一位相当于除以2,左移一位相当于乘以2 int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); //如果新容量没有达到最小容量的要求,则直接用最小容量顶替新容量 if (newCapacity - minCapacity < 0) newCapacity = minCapacity; if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0) newCapacity = hugeCapacity(minCapacity); //数组扩容 //Arrays.copyOf表示将根据参数二(newCapacity)的大小,创建一个新的空数组,并且将参数一(elementData)中的元素,全部拷贝过去,并且返回新数组 elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity); }
//插入元素element到下标为index的位置 public void add(int index, E element) { //检测index下标是否越界 rangeCheckForAdd(index); //判断是否需要扩容 ensureCapacityInternal(size + 1); //做一个index位置的元素整体后移,空出index位置来 System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); //将新的元素放到index位置处 elementData[index] = element; //元素数量加1 size++; }
1.1.2 LinkedList
1.1.2.1 底层原理
1.1.2.2 什么是链表?什么是双向链表?
1.1.2.3 Java如何实现一个双向链表?
//LinkedList中底层节点的实现 private static class Node<E> { //数据部分,存储节点的元素 E item; //尾部指针,指向下一个节点 Node<E> next; //头部指针,指向上一个节点 Node<E> prev; Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } }
1.1.2.4 源码解析
//first在LinkedList中永远指向链表的头节点,如果没有元素时,就为null transient Node<E> first; //last在LinkedList中永远指向链表的尾节点,如果没有元素时,就为null transient Node<E> last;
//添加元素 public boolean add(E e) { //调用该方法添加元素到链表的尾部 linkLast(e); return true; } //添加元素e到链表的尾部 void linkLast(E e) { //让l指向尾节点,第一次添加时,因为没有任何节点,所以l和last都是null final Node<E> l = last; //将新元素封装成新节点,并且新节点的头指针指向l final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null); //再将尾指针指向新节点 last = newNode; //判断l是否为null,如果为null,表示新节点就是第一个节点 if (l == null) //first再指向新节点 first = newNode; else //l节点的尾指针指向新节点 l.next = newNode; size++; modCount++; }
//获取下标index除外的元素 public E get(int index) { //检查下标越界 checkElementIndex(index); //找到index位置的节点,获得节点的数据部分 return node(index).item; } //node方法,返回index处的节点对象 Node<E> node(int index) { //判断查找的下标是靠前还是靠后 if (index < (size >> 1)) { //如果靠前,就从头节点开始,依次遍历往后查找 Node<E> x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { //如果靠后,就从尾节点开始,依次遍历往前查找 Node<E> x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } }
//插入元素到index下标的位置 public void add(int index, E element) { //检查下标是否越界 checkPositionIndex(index); if (index == size) //说明当前的插入位置为末尾,直接调用追加元素的方法 linkLast(element); else //插入元素到指定节点之前 linkBefore(element, node(index)); } .... //插入数据e到succ节点的前面 void linkBefore(E e, Node<E> succ) { final Node<E> pred = succ.prev; final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ); succ.prev = newNode; if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; size++; modCount++; }
1.1.4 ArrayList VS LinkedList
**尾部:**ArrayList和LinkedList性能相近
**中间:**ArrayList的速度 >> LinkedList的速度,ArrayList虽然存在移位,但是底层通过C++直接操作内存的方式进行了优化,而LinkedList每次插入都需要通过遍历的方式找到元素,所以性能有所下降。
**头部:**LinkedList的速度 >> ArrayList的速度,ArrayList往头部插入元素,也就意味着每次都需要位移整个数组,虽然有优化,但是也不等于没有耗时,但是LinkedList查找靠前/后的元素速度很快,同时插入性能也很快,所以相对ArrayList性能更优
**尾部:**ArrayList和LinkedList性能相近
**中间:**ArrayList >>>>>>>> LinkedList
**头部:**ArrayList和LinkedList性能相近1.1.3 HashSet、LinkedHashSet、TreeSet
HashSet:无序、不可重复
**LinkedHashSet:**不可重复,但是元素有序(插入顺序)
**TreeSet:**不可重复,但是元素有序(字典顺序)1.2 Map
1.2.1 HashMap、Hashtable
1.2.1.1 底层原理
1.2.1.2 哈希表(重要)
(JDK1.8之后,是通过链表 + 红黑树的方式解决的哈希碰撞)
1、降低后续发生哈希碰撞的概率
2、打散现有的碰撞的链表
数组长度(100) * 填充因子(0.75) = 扩容阈值(75)1.2.1.3 红黑树(简单介绍)
1.2.1.4 HashMap的源码解析(JDK1.8)
//默认的哈希表容量(数组长度)- 16 static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //哈希表的最大容量(最大的数组长度) - 2^30 static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; //默认的填充因子 - 0.75 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; //链表转成树的默认长度 static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; //树转回链表的默认长度 static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; //当哈希表的容量达到该值时,才会发生链表转树的情况 static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; //当前的扩容阈值 - 当哈希表的元素数量达到这个阈值时,就会触发扩容 阈值 = 容量 * 填充因子 int threshold; //当前有效的填充因子值 final float loadFactor; //底层的哈希表 transient Node<K,V>[] table;
//无参构造 public HashMap() { //设置当前的填充因子为默认填充因子 this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; } //2个参数的构造方法 //参数1 - 哈希表的初始化容量 //参数2 - 自定义填充因子 public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) { if (initialCapacity < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " + initialCapacity); if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY) initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY; if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " + loadFactor); this.loadFactor = loadFactor; //根据自定义的容量设置扩容阈值 this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity); }
//一个key-value就对应一个Node对象 static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash;//当前key的哈希值 final K key;//key V value;//value Node<K,V> next;//指向下一个节点的引用 - 链表 Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) { this.hash = hash; this.key = key; this.value = value; this.next = next; } ... }
/* 哈希表扩容的方法 如果是第一次添加元素,则该方法就会初始化哈希表 */ final Node<K,V>[] resize() { //将旧的哈希表赋值给oldTab变量,如果是第一次添加元素,table必然为null Node<K,V>[] oldTab = table; //计算旧的哈希表容量,如果是第一次添加元素,旧哈希表的容量也必然为0 int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length; //当前的拓展阈值 容量(16) * 加载因子(0.75f) = 12 //第一次添加时,oldThr threshold 也是为0 int oldThr = threshold; //newCap - 扩容后新的哈希表容量 //newThr - 扩容后新的扩展阈值 int newCap, newThr = 0; //判断旧的哈希表容量是否大于0 if (oldCap > 0) { //说明哈希表已经被初始化过了 //如果旧的哈希表容量超过了哈希表的最大容量限制,那么就不在扩容,直接返回旧的哈希表 if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) { threshold = Integer.MAX_VALUE; return oldTab; } //新的容量为旧容量的2倍 else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY && oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY) //新的扩展阈值也设置为旧阈值的2倍 newThr = oldThr << 1; // double threshold } else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold newCap = oldThr; else { //说明当前哈希表还未被初始化 //将默认的哈希表长度16 设置为newCap属性 newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; //计算新的扩展阈值 16 * 0.75 = 12 newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); } if (newThr == 0) { float ft = (float)newCap * loadFactor; newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ? (int)ft : Integer.MAX_VALUE); } //将新的扩展阈值设置给全局变量,方便下次使用 threshold = newThr; //初始化新的哈希表 @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"}) Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap]; //将新的哈希表赋值给全局的table变量,后续所有对table的操作,其实就是在操作新的哈希表了 table = newTab; //判断是否存在旧的哈希表,如果是第一次添加元素,那么oldTable必然为null,resize方法就到此为止了。如果不是第一次添加元素,那么就会存在旧的哈希表,就需要对旧的哈希表进行重新计算 if (oldTab != null) { //重新计算旧哈希表的每个元素,赋值到新的哈希表中 ????????? //循环旧的哈希表中的各个哈希桶 for (int j = 0; j < oldCap; ++j) { Node<K,V> e; if ((e = oldTab[j]) != null) { //当前j位置的哈希桶中有元素节点,将该元素节点赋值给e变量 //将桶j的位置设置为null oldTab[j] = null; if (e.next == null) //说明当前e对应的数据节点只有一个节点(不是链表也不是树) //通过重新计算哈希位置,将节点e放入新的哈希表中 newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e; else if (e instanceof TreeNode) //当前节点e是一颗红黑树,直接走红黑树重新设置的方法 ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap); else { //当前节点e是一个链表,将链表进行高位和低位的拆分,重新放入到新的哈希表中,相当于将原来的一个链表,打散成了2个链表 Node<K,V> loHead = null, loTail = null; Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null; Node<K,V> next; do { next = e.next; if ((e.hash & oldCap) == 0) { if (loTail == null) loHead = e; else loTail.next = e; loTail = e; } else { if (hiTail == null) hiHead = e; else hiTail.next = e; hiTail = e; } } while ((e = next) != null); if (loTail != null) { loTail.next = null; newTab[j] = loHead; } if (hiTail != null) { hiTail.next = null; newTab[j + oldCap] = hiHead; } } } } } return newTab; }
//给哈希表设置key - value //hash(key) - 根据key计算哈希值 -> 在哈希表中的下标 public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true); } //HashMap底层的哈希函数 - 将任意类型的key转成一个int类型的哈希值(现在还没有落在哈希表的范围内) static final int hash(Object key) { int h; return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16); } //实际添加元素的方法 //参数1-hash:通过key计算的哈希值 //参数2-key:保存的key //参数3-value:保存的value //参数4-onlyIfAbsent:用来确定key相同时,value是否覆盖,false表示覆盖,true表示不覆盖 final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) { //初始化一些临时变量 //tab - 当前的哈希表 //p - 当前要保存的key-value对应的哈希桶的中的元素 //n - 当前哈希表的容量 //i - key-value计算出来的哈希表的下标 Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; //获得全局哈希表,判断哈希表是否为空(没有初始化过),意味着本次添加元素是第一次添加 if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0) //调用resize方法进行初始化 //将初始化的哈希表赋值给tab变量 //在计算新的哈希表的长度,赋值给n变量 n = (tab = resize()).length; //(n - 1) & hash - 通过key的哈希值,计算哈希表的下标 !!!!!!!! //任意类型的int值 & x 得到的结果一定是0 ~ x范围内 //计算出下标位置后,赋值给i变量 if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null) //恭喜你没有发生哈希碰撞 //思考:为什么这里要调用newNode方法,在方法里初始化Node对象,而不是直接初始化Node对象 tab[i] = newNode(hash, key, value, null); //tab[i] = new Node(hash, key, value, null); 为什么不这么写???? else { //很遗憾,本次添加发生了哈希碰撞 //临时变量e - 当前临时的节点,用于后续的计算 //临时变量k - 当前发生碰撞的节点p的key值 Node<K,V> e; K k; //判断添加的元素key和碰撞的元素key是否相等 if (p.hash == hash && ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) //如果key相同,则将碰撞的节点p设置给临时变量e e = p; else if (p instanceof TreeNode) //当前桶i的位置是一颗红-黑树 //执行红黑树添加节点的方法,如果返回null,就表示节点正常添加到红黑树中 //如果返回的节点不为null,说明添加的数据和红黑树中某个子节点key相同了 e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value); else { //当前桶i的位置是一个链表(长度有可能为1) //循环当前哈希桶位置的整个链表 //变量binCount代表当前链表的 for (int binCount = 0; ; ++binCount) { if ((e = p.next) == null) { //将添加的数据封装成Node节点对象,插入到链表的末端(尾插) p.next = newNode(hash, key, value, null); //如果当前链表的长度达到了TREEIFY_THRESHOLD值 if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) //可能将该桶的链表转成红-黑树或者进行哈希表的2倍扩容 treeifyBin(tab, hash); break; } //找到了链表中key和添加元素key相同的节点,跳出循环直接走value覆盖逻辑 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) break; p = e; } } //如果e不为空,就执行value覆盖的代码,具体覆盖的逻辑需要结合参数onlyIfAbsent if (e != null) { V oldValue = e.value; if (!onlyIfAbsent || oldValue == null) e.value = value; afterNodeAccess(e); return oldValue; } } ++modCount; //key-value已经添加到哈希表中 //++size哈希表的元素数量+1 //当前添加的元素数量超过了扩展阈值(容量 * 加载因子),当前需要扩容 if (++size > threshold) //执行扩容方法 resize(); afterNodeInsertion(evict); return null; } //tab哈希表的hash值对应的桶的链表转换成红黑树的方法 final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) { int n, index; Node<K,V> e; //如果哈希表为空,或者哈希表的容量没有达到转树的最小容量(64) if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) //这个时候是不会转树的,而是直接进行一次扩容 resize(); else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { //才将桶index位置的链表转换成红-黑树 TreeNode<K,V> hd = null, tl = null; do { TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null); if (tl == null) hd = p; else { p.prev = tl; tl.next = p; } tl = p; } while ((e = e.next) != null); if ((tab[index] = hd) != null) hd.treeify(tab); } }
1.2.2 LinkedHashMap
1.2.2.1 特点
1.2.2.2 底层原理
//每次添加元素时,都会生成一个特殊的节点(除了HashMap里面需要的属性外,额外的多了两个属性,头尾节点的引用) Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> e) { LinkedHashMap.Entry<K,V> p = new LinkedHashMap.Entry<K,V>(hash, key, value, e); //将新的元素节点,添加到整个链表的尾部 linkNodeLast(p); return p; }
1.2.3 TreeMap
1.2.3.1 特点
1.2.3.2 底层原理
二、多线程
2.1 什么是线程安全的问题?
2.2 什么情况下,程序会有线程安全的问题?
2.3 引发线程安全问题的三个因素
2.3.1 可见性
public class Test1 { private static boolean flag = true; public static void main(String[] args) { //创建一个新的线程 new Thread(() -> { // try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } flag = false; System.out.println("flag设置为false!"); }).start(); //死循环 while(flag){ } } }
2.3.2 原子性(大概率线程安全的问题都是由原子性导致)
i++; – 非原子操作 x = i+1; | i=x;public class Test2 { private static int x = 0; public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < 1000; i++) { new Thread(() -> { x++; }).start(); //x=900 //线程1 - x++ -> (901=900+1; 打断 x=901;) //线程2 - x++ -> (901=900+1; 901=y;) } try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("x当前的结果:" + x);//结果又可能小于1000 } }
2.3.3 有序性
public class Test3 { private static Object obj = null; private static boolean flag = true; public static void main(String[] args) { //线程1 while(flag){ System.out.println("死循环中...."); } //调用hashcode方法 obj.hashCode();//不会报空指针异常 //线程2 obj = new Object(); flag = false; } }
2.4 如何保证线程安全
public class Test4 { private static volatile String name; private static volatile Integer age; private static volatile AtomicInteger flag = new AtomicInteger(0);//boolean flag = false; public static void main(String[] args) { //线程1 new Thread(() -> { //如果flag的值等于第一个参数,就设置为第二个参数,并且返回true,否则不设置,返回false //这个比较并且设置的过程是具有原子性的 //flag.compareAndSet(false, true) //设置小明,年龄为16 if (flag.compareAndSet(0, 1)){//true name = "小明"; age = 16; System.out.println("线程1设置成功!"); } else { System.out.println("线程1设置失败!"); } }).start(); //线程2 new Thread(() -> { //设置小红,年龄为18 if (flag.compareAndSet(0, 1)){//false name = "小红"; age = 18; System.out.println("线程2设置成功!"); } else { System.out.println("线程2设置失败!"); } }).start(); //线程3 new Thread(() -> { //设置小刚,年龄为12 if (flag.compareAndSet(0, 1)){//false name = "小刚"; age = 12; System.out.println("线程3设置成功!"); } else { System.out.println("线程3设置失败!"); } }).start(); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(name + " - " + age); } }
如果是非静态方法,默认锁的是this(当前对象)
如果是静态方法,默认锁的是当前类的class对象//重入锁对象 Lock lock = new ReentrantLock(); new Thread(() -> { //线程1 lock.lock();//加锁 System.out.println("执行线程1的业务!!!"); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } lock.unlock(); }).start(); new Thread(() -> { //线程1 lock.lock();//加锁 System.out.println("执行线程2的业务!!!"); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } lock.unlock(); }).start();
//重入读写锁 ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();//写锁 ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();//读锁 new Thread(() -> { //线程1 writeLock.lock();//加锁 System.out.println("执行线程1的业务!!!"); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } writeLock.unlock(); }).start(); new Thread(() -> { //线程1 readLock.lock();//加锁 System.out.println("执行线程2的业务!!!"); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } readLock.unlock(); }).start();
读写锁特别适合读多写少的业务2.5 编写一个线程安全的单例模式(懒汉式)
public class SingleClass { //私有化构造方法 private SingleClass(){} private static AtomicReference<SingleClass> singleClass = new AtomicReference<>(); /** * 返回单例对象 * @return */ public static SingleClass getInstance(){ singleClass.compareAndSet(null, new SingleClass()); return singleClass.get(); } }
public class SingleClass { //私有化构造方法 private SingleClass(){} private volatile static SingleClass singleClass; /** * 返回单例对象 * * 只有第一次创建对象时有线程安全的问题,一旦创建好之后,就没有线程安全问题了 * @return */ public static SingleClass getInstance(){ //线程2 if (singleClass == null){ synchronized (SingleClass.class) { if(singleClass == null) { //1、申请堆内存地址 //2、初始化堆内存地址 //3、将引用指向的内存地址 singleClass = new SingleClass(); } } } return singleClass; } }
2.6 集合中线程安全的问题
2.6.1 如何解决多线程下集合安全的问题?
2.6.2 CopyOnWriteArrayList类 – ArrayList线程安全的解决方案
public boolean add(E e) { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { //获得当前底层的数据对象 Object[] elements = getArray(); //获得数组的长度 int len = elements.length; //基于原来的数组,复制一个长度+1的新数组 Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1); //将新元素写入新数组中 newElements[len] = e; //将新的数组赋值给全局变量,以后读取的就是这个新数组了 setArray(newElements); return true; } finally { lock.unlock(); } }
//读取的方法没有任何加锁操作 public E get(int index) { return get(getArray(), index); }
2.6.3 ConcurrentHashMap – 线程安全的HashMap
JDK1.7之前,ConcurrentHashMap采用分段锁的方式保证线程安全
JDK1.8之后,采用CAS + synchronized方式,保证线程安全,并发性能相对于1.7之前会更高//添加元素时的方法 final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) { //key和value不允许为null if (key == null || value == null) throw new NullPointerException(); //通过key,计算hash值(后续通过hash值计算哈希桶的位置) int hash = spread(key.hashCode()); //计数器 int binCount = 0; //死循环 - ??????????? 自旋 //tab指向当前的哈希表(底层数组) for (Node<K,V>[] tab = table;;) { //声明一些局部变量 //f - 当前key对应的哈希桶的第一个节点对象 //n - 当前哈希表的容量(数组的长度) //i - key计算出来的哈希桶的位置 //fh - 当前桶的第一个元素f的状态位 Node<K,V> f; int n, i, fh; //判断哈希表是否为空(如果未空,表示还没初始化,需要初始化哈希表) if (tab == null || (n = tab.length) == 0) //初始化哈希表,返回新的哈希表,赋值给tab变量 tab = initTable(); //i - 根据key的哈希值和哈希表的容量,计算的哈希桶的位置 //tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) - 可以理解为tab[i] //因为tab有可见性,但是tab中的节点并不具备可见性, //方法tabAt(tab, i = (n - 1) & hash))可以直接根据内存地址去内存中读取该位置的节点(可加性) else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) { //能进入该代码块,说明当前没有发生哈希碰撞,直接将节点设置到指定桶位置 if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null))) break; } //如果桶i的位置有节点元素,就说明发生了碰撞 //fh赋值为桶i的头节点f的哈希值,但是如果头节点f的哈希值为-1 //表示当前的哈希桶i的位置的所有节点正在参与扩容迁移 else if ((fh = f.hash) == MOVED) //当前线程会帮助扩容线程进行桶i位置的元素转移 //转移完成后,获得扩容后新的哈希表 tab = helpTransfer(tab, f); else { //说明当前哈希桶i位置有节点,发生了哈希碰撞,然后桶i位置的节点也没有进行迁移 //尝试将key-value放入哈希桶i的位置 V oldVal = null; synchronized (f) { if (tabAt(tab, i) == f) { //如果fh(f节点的哈希值)>0,表示当前哈希桶是一个链表 if (fh >= 0) { binCount = 1; for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) { K ek; if (e.hash == hash && ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))) { oldVal = e.val; if (!onlyIfAbsent) e.val = value; break; } Node<K,V> pred = e; if ((e = e.next) == null) { //找到尾节点,进行尾插 pred.next = new Node<K,V>(hash, key, value, null); break; } } } //如果f instanceof TreeBin,表示当前哈希桶是一颗红-黑树 else if (f instanceof TreeBin) { Node<K,V> p; binCount = 2; if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key, value)) != null) { oldVal = p.val; if (!onlyIfAbsent) p.val = value; } } } } //判断是否进行转树的操作 if (binCount != 0) { if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD) treeifyBin(tab, i); if (oldVal != null) return oldVal; break; } } } addCount(1L, binCount); return null; }
//初始化哈希表 //线程1 - initTable //线程2 - initTable private final Node<K,V>[] initTable() { //tab - 当前哈希表的引用 //sc - 状态值 Node<K,V>[] tab; int sc; //循环??????- 自旋 while ((tab = table) == null || tab.length == 0) { //判断sizeCtl(默认为0)状态值,赋给sc变量 if ((sc = sizeCtl) < 0) //如果sizeCtl<0,说明有人改过这个状态值,可能其他线程已经进来初始化哈希表了 //当前线程直接让步 Thread.yield(); //else 表示没有人修改过sizeCtl变量,那么当线下就修改并且开始进行初始化操作 //U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1) - CAS(具有原子性) //如果变量sizeCtl和sc值相等,那么就给sizeCtl变量赋值为-1,并且整个方法返回true //如果不相等,就不赋值,并且返回false //简单来说,这段代码的意思,就是为了保证一定只有一个线程能将sizeCtl变量赋值为-1,一定只有一个线程进入else代码块 else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) { //一定只有一个线程进入该代码块,执行哈希表的初始化方法 try { if ((tab = table) == null || tab.length == 0) { int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY; @SuppressWarnings("unchecked") //初始化长度为n的哈希表 Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n]; table = tab = nt; sc = n - (n >>> 2); } } finally { sizeCtl = sc; } break; } } //返回哈希表 return tab; }
三、反射
/** * 对象转json的方法 - 使用反射通用实现(简单版本) * @return */ private static String obj2Json(Object obj){ StringBuilder sb = new StringBuilder(); sb.append("{"); //从对象中获取所有属性,拼接成一个json字符串 Class<?> clazz = obj.getClass(); //通过反射的class对象获得对象中的所有属性 Arrays.stream(clazz.getDeclaredFields()).filter(field -> { //判断当前属性是否有NoJSON注解 boolean has = field.isAnnotationPresent(NoJson.class); return !has; }).forEach(field -> { //给属性授权,可以操作私有 field.setAccessible(true); //获取所有属性名称 String fielgName = field.getName(); //获得所有的属性值 Object fieldValue = null; try { fieldValue = field.get(obj); } catch (IllegalAccessException e) { e.printStackTrace(); } if (sb.length() != 1){ sb.append(","); } //封装json sb.append(""" + fielgName +"":").append(""").append(fieldValue).append("""); }); sb.append("}"); return sb.toString(); }
四、Spring框架
4.1 IOC和AOP
4.2 猜测一下,Spring IOC实现的基本流程
4.3 实际SpringIOC的结构流程图(简化)
//注解的配置解析器 //解析类上@ComponentScan("com.qf") this.reader = new AnnotatedBeanDefinitionReader(this); //解析包字符串进行扫包的 this.scanner = new ClassPathBeanDefinitionScanner(this); ..... //父类的构造方法中调用,初始化BeanFactory this.beanFactory = new DefaultListableBeanFactory();
BeanDefinitionRegistry registry; // - 这个对象用来将BeanDefinition对象注册到BeanFactory中 doScan(basePackages);
protected Set<BeanDefinitionHolder> doScan(String... basePackages) { Assert.notEmpty(basePackages, "At least one base package must be specified"); Set<BeanDefinitionHolder> beanDefinitions = new LinkedHashSet<>(); for (String basePackage : basePackages) { //根据包路径扫描包下所有的Bean对象,生成对应的BeanDefinition对象 Set<BeanDefinition> candidates = findCandidateComponents(basePackage); for (BeanDefinition candidate : candidates) { ScopeMetadata scopeMetadata = this.scopeMetadataResolver.resolveScopeMetadata(candidate); candidate.setScope(scopeMetadata.getScopeName()); String beanName = this.beanNameGenerator.generateBeanName(candidate, this.registry); if (candidate instanceof AbstractBeanDefinition) { postProcessBeanDefinition((AbstractBeanDefinition) candidate, beanName); } if (candidate instanceof AnnotatedBeanDefinition) { AnnotationConfigUtils.processCommonDefinitionAnnotations((AnnotatedBeanDefinition) candidate); } if (checkCandidate(beanName, candidate)) { BeanDefinitionHolder definitionHolder = new BeanDefinitionHolder(candidate, beanName); definitionHolder = AnnotationConfigUtils.applyScopedProxyMode(scopeMetadata, definitionHolder, this.registry); beanDefinitions.add(definitionHolder); registerBeanDefinition(definitionHolder, this.registry); } } } return beanDefinitions; }
@Override public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException { synchronized (this.startupShutdownMonitor) { //准备阶段 prepareRefresh(); //获得前面阶段初始化过的BeanFactory对象(bean工厂) //Bean工厂 -> Map<beanName, BeanDefinition> ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory(); //准备BeanFacotory对象,就是给Bean工厂设置一些属性 prepareBeanFactory(beanFactory); try { //后置处理器的空方法,留给以后拓展使用,暂时没有作用 postProcessBeanFactory(beanFactory); //重要!!!! //调用BeanFactoryPostProcessor后置处理器自定义处理Bean工厂 invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory); //重要!!! //找到内部的和自定义的BeanPostProcess对象,添加到BeanFactory的list集合中保存起来 //List<BeanPostProcessor> beanPostProcessors = new CopyOnWriteArrayList<>(); //现在并没有执行 registerBeanPostProcessors(beanFactory); //初始化一些消息设置(比如国际化) initMessageSource(); //初始化容器事件广播器 initApplicationEventMulticaster(); // Initialize other special beans in specific context subclasses. onRefresh(); //注册各种监听 registerListeners(); //重要!!!! //初始化所有的Bean对象(单例) finishBeanFactoryInitialization(beanFactory); // Last step: publish corresponding event. finishRefresh(); } catch (BeansException ex) { if (logger.isWarnEnabled()) { logger.warn("Exception encountered during context initialization - " + "cancelling refresh attempt: " + ex); } // Destroy already created singletons to avoid dangling resources. destroyBeans(); // Reset 'active' flag. cancelRefresh(ex); // Propagate exception to caller. throw ex; } finally { // Reset common introspection caches in Spring's core, since we // might not ever need metadata for singleton beans anymore... resetCommonCaches(); } } } ostProcessor后置处理器自定义处理Bean工厂 invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory); //重要!!! //找到内部的和自定义的BeanPostProcess对象,添加到BeanFactory的list集合中保存起来 //List<BeanPostProcessor> beanPostProcessors = new CopyOnWriteArrayList<>(); //现在并没有执行 registerBeanPostProcessors(beanFactory); //初始化一些消息设置(比如国际化) initMessageSource(); //初始化容器事件广播器 initApplicationEventMulticaster(); // Initialize other special beans in specific context subclasses. onRefresh(); //注册各种监听 registerListeners(); //重要!!!! //初始化所有的Bean对象(单例) finishBeanFactoryInitialization(beanFactory); // Last step: publish corresponding event. finishRefresh(); } catch (BeansException ex) { if (logger.isWarnEnabled()) { logger.warn("Exception encountered during context initialization - " + "cancelling refresh attempt: " + ex); } // Destroy already created singletons to avoid dangling resources. destroyBeans(); // Reset 'active' flag. cancelRefresh(ex); // Propagate exception to caller. throw ex; } finally { // Reset common introspection caches in Spring's core, since we // might not ever need metadata for singleton beans anymore... resetCommonCaches(); } } }
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