java的基础工作

大家好，我是讯享网，很高兴认识大家。

酣春将尽，金招时节。纵观下去年程序员的就业形式，想来总有兄弟因为各种原因出来观望一下。由此趁着moyu之机，偷偷修炼一波，同时对以往工作经验，开发知识进行整理，以正我道。从Java工作比较重要的基础开始，到jvm虚拟机、spring框架、sql调优、sevlet计算机网络、常用设计模式、tomcat服务器、和cloud微服务分布式架构、消息中间件、趋势下的web前端，jQuery、vue进行总结回顾，寻到一份心仪的工作，创建一个有单休的世界！

（一）线程与进程

1.深藏的线程

复习线程相关的，线程的使用出现java应用的哪些环节呢？从一个客户端请求到达服务端，从底层网卡开始，到tomcat担当起web应用的联络官，其中巧妙配合内部线程将请求转发到web应用。同时回送web应用的响应资源。

主线程（Main Thread）：Tomcat启动时创建的主线程，负责监听端口并接受客户端的连接请求。

接收器线程（Acceptor Thread）：主线程接受到客户端连接请求后，会将连接分配给接收器线程进行处理。接收器线程负责接收客户端的请求，并将请求分发给工作线程进行处理。

工作线程（Worker Thread）：工作线程是Tomcat中的核心线程，负责处理客户端的请求。每个工作线程都会从连接池中获取一个连接，并处理该连接上的请求。工作线程处理完请求后，将响应返回给客户端，并将连接归还给连接池。

后台线程（Background Thread）：后台线程用于执行一些后台任务，例如定时任务、清理任务等。这些任务通常不涉及与客户端的交互。

监控线程（Monitor Thread）：监控线程用于监控Tomcat的运行状态，例如检查连接池的健康状况、统计请求处理情况等。

异步处理线程（Async Thread）：当客户端发起异步请求时，Tomcat会创建一个异步处理线程来处理该请求。异步处理线程可以在后台执行一些长时间的操作，而不会阻塞其他请求的处理。

这么多种按职责划分的线程，在一次请求中Tomcat线程如何分配的呢？

2.系统中线程

进程（Process）是资源分配的基本单位，线程（Thread）是CPU调度的基本单位。在计算机操作系统中我们可以了解到一个进行和线程的存储结构，也同时回顾下。

线程将进程的资源分和CPU调度分离开来。以前进程既是资源分配又是CPU调度的基本单位，后来为了更好的利用高性能的CPU，将资源分配和CPU调度分开。因此，出现了线程。java的基础工作

进程和线程的联系：一个线程只能属于一个进程，一个进程可以拥有多个线程。线程之间共享进程资源。

3.应用中线程

值得注意的是Thread类实现的Runnable接口，本身只包含一个可由Thread调用的run方法。在我的理解中，凡是没有继承类似Thread类的类是没有异步的能力的。而只包含一个run方法体，便称为Task任务。所以需要将线程和任务分清。

这里跳过异步的方式，重点关注下可返回Task的运行原理和线程池调度。

Callable的运行机制

其中FutureTask继承一个特别的接口Future，Future包含一个特别的方法get()将结果赋予公共资源outcome对象。其中的等待唤醒机制使得Callable具有了能获取子线程计算结果的能力。

通过FutureTask的包装的继承Runnable的run()的特别机制，从而依次从等待队列取出子线程执行，利用子线程唤醒正阻塞的主线程。一次神奇的父子线程等待交互的动作便完成了。

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线程的包工厂

为什么要使用线程池，甚至是单线程的线程，可能接触使用较少有些疑问？其中简单的说，管控，高效，拓展。通过管理整个线程的生命周期，使得线程资源更能合理利用，便能提高效率。从而新增出定时、定期、数控等功能。

线程池从诞生到死亡，中间会经历RUNNING、SHUTDOWN、STOP、TIDYING、TERMINATED五个生命周期状态。

RUNNING 表示线程池处于运行状态，能够接受新提交的任务且能对已添加的任务进行处理。RUNNING状态是线程池的初始化状态，线程池一旦被创建就处于RUNNING状态。

SHUTDOWN 线程处于关闭状态，不接受新任务，但可以处理已添加的任务。RUNNING状态的线程池调用shutdown后会进入SHUTDOWN状态。

STOP 线程池处于停止状态，不接收任务，不处理已添加的任务，且会中断正在执行任务的线程。RUNNING状态的线程池调用了shutdownNow后会进入STOP状态。

TIDYING 当所有任务已终止，且任务数量为0时，线程池会进入TIDYING。当线程池处于SHUTDOWN状态时，阻塞队列中的任务被执行完了，且线程池中没有正在执行的任务了，状态会由SHUTDOWN变为TIDYING。当线程处于STOP状态时，线程池中没有正在执行的任务时则会由STOP变为TIDYING。

TERMINATED 线程终止状态。处于TIDYING状态的线程执行terminated()后进入TERMINATED状态。

（二）集合框架

集合框架是每个开发语言中必不可少的一环。其原因就在于数据结构是整个应用程序重中之重。当中的层次只做简单回顾，重点来了解下list、map的内在实现的优汰在于其存储结构。

1. List列表

List是Java中常用的数据结构之一，它是一个有序的集合，可以存储重复的元素。在Java中，List接口是Collection接口的子接口，它定义了一系列操作列表的方法。

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List接口有多个实现类，常用的有ArrayList和LinkedList。ArrayList是基于数组实现的，支持快速随机访问，但插入和删除元素的效率较低；LinkedList是基于链表实现的，插入和删除元素的效率较高，但随机访问的效率较低。

2.map映射

关于其扩容机制，在首次调用put方法的时候，初始化数组table。

当HashMap中的元素个数超过数组大小(数组长度)*loadFactor(负载因子)时，就会进行数组扩容，loadFactor的默认值(DEFAULT_LOAD_FACTOR)是0.75,这是一个折中的取值。也就是说，默认情况下，数组大小为16，那么当HashMap中的元素个数超过16×0.75=12(这个值就是阈值或者边界值threshold值)的时候，就把数组的大小扩展为2×16=32，即扩大一倍，然后重新计算每个元素在数组中的位置，而这是一个非常耗性能的操作，所以如果我们已经预知HashMap中元素的个数，那么预知元素的个数能够有效的提高HashMap的性能。

当HashMap中的其中一个链表的对象个数如果达到了8个，此时如果数组长度没有达到64，那么HashMap会先扩容解决，如果已经达到了64，那么这个链表会变成红黑树，节点类型由Node变成TreeNode类型。当然，如果映射关系被移除后，下次执行resize方法时判断树的节点个数低于6，也会再把树转换为链表。

（三）线程安全

线程安全是指多个线程同时访问某个资源时，不会出现不可预期的结果或者破坏数据的情况。而锁机制是一种常用的线程同步机制，用于保护共享资源的访问，确保在同一时间只有一个线程可以访问该资源。

在多线程环境下，线程安全的实现通常需要考虑以下几个方面：

互斥访问：通过使用互斥锁（Mutex）或者信号量（Semaphore）等机制，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。当一个线程获得了锁之后，其他线程需要等待锁的释放才能继续执行。

原子操作：原子操作是指不可中断的操作，要么全部执行成功，要么全部不执行。在多线程环境下，原子操作可以通过使用原子变量或者原子操作函数来实现，确保对共享资源的操作是原子的，不会被其他线程中断。

同步机制：除了锁机制外，还可以使用其他同步机制来实现线程安全，例如条件变量（Condition Variable）、读写锁（Read-Write Lock）等。这些机制可以根据具体的需求来选择合适的同步方式。

需要注意的是，使用锁机制虽然可以保证线程安全，但过多地使用锁可能会导致性能下降。因此，在设计多线程程序时，需要权衡线程安全和性能之间的平衡。

1.乐观锁

乐观锁是一种乐观思想，即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新时会判断此期间数据是否被更新
采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作比较跟上一次的版本号，如果一样则更新，如果失败则要重复读-比较-写的操作
java 中的乐观锁基本通过 CAS 操作实现的，CAS 是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败

2.悲观锁

悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会 block 直到拿到锁
Java 中的悲观锁就是Synchronized,AQS 框架下的锁则是先尝试 cas 乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如 RetreenLock。

3.自旋锁

4.同步锁

关键字，用于解决多个线程间访问资源同步性问题，保证其修饰的方法或代码块任意时刻只能有一个线程访问synchronized 它可以把任非 NULL 的对象当作锁。他属于独占式悲观锁，同时属于可重入锁。

5.可重入锁

ReentantLock 继承接口Lock并实现了接口中定义的方法，他是一种可重入锁，除了能完成 synchronized 所能完成的所有工作外，还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。

（四）网络架构

为了解决大型互联网公司面临的高并发，海量数据处理，高可靠运行等一一系列问题。互联网公司在实践中提出了很多解决方案，来达到高可用，高性能，易伸缩，易扩展的架构目标，这些解决方案又被更多的网站重复使用，从而逐渐形成大型网站架构模式。

1.IO多路复用

进程通过告诉多路复用器（内核）（也就是select函数和poll函数）所有的socket号，多路复用器再去获取每一个socket的状态，当程序获取到某个socket号有事件发生了，则去该socket号上进行处理对应的事件，read事件或者是recived事件。（补充select函数与poll函数的区别是，前者底层是数组，所以有最大连接数的限制，后者是链表，无最大连接数的限制）

select 机制
1️⃣基本原理：
客户端操作服务器时就会产生这三种文件描述符(简称fd)：writefds(写)、readfds(读)、和 exceptfds(异常)。select 会阻塞住监视 3 类文件描述符，等有数据、可读、可写、出异常或超时就会返回；返回后通过遍历 fdset 整个数组来找到就绪的描述符 fd，然后进行对应的 IO 操作。

2️⃣优点：
几乎在所有的平台上支持，跨平台支持性好

3️⃣缺点：

由于是采用轮询方式全盘扫描，会随着文件描述符 FD 数量增多而性能下降。
每次调用 select()，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历(消息传递都是从内核到用户空间)。
单个进程打开的 FD 是有限制(通过FD_SETSIZE设置)的，默认是 1024 个，可修改宏定义，但是效率仍然慢。

epoll 机制
1️⃣基本原理：
没有 fd 个数限制，用户态拷贝到内核态只需要一次，使用时间通知机制来触发。通过 epoll_ctl 注册 fd，一旦 fd 就绪就会通过 callback 回调机制来激活对应 fd，进行相关的 io 操作。epoll 之所以高性能是得益于它的三个函数：

epoll_create() 系统启动时，在 Linux 内核里面申请一个B+树结构文件系统，返回 epoll 对象，也是一个 fd。
epoll_ctl() 每新建一个连接，都通过该函数操作 epoll 对象，在这个对象里面修改添加删除对应的链接 fd，绑定一个 callback 函数
epoll_wait() 轮训所有的 callback 集合，并完成对应的 IO 操作
2️⃣优点：
没 fd 这个限制，所支持的 FD 上限是操作系统的最大文件句柄数，1G 内存大概支持 10 万个句柄。效率提高，使用回调通知而不是轮询的方式，不会随着 FD 数目的增加效率下降。内核和用户空间 mmap 同一块内存实现(mmap 是一种内存映射文件的方法，即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间)

4️⃣epoll 应用：redis、nginx

2.reactor模型

基础网络通信就是这种，主线程中开启监听后，只能在这里等着处理和客户端之间保持这种一读一写的连接。再后来我们学习了IO多路复用技术，也就是select、epoll、poll技术，我们可以同时处理多个连接，但是这种模式每一个客户端都要维持一个与服务器的连接，那么对于服务端如果有很多的IO连接，那么绝对是一个巨大的开销。

在制定线程策略的时候，只能根据CPU的数目来限定可用线程资源，不能根据连接并发数目来制定，也就是连接有限制。否则很难保证对客户端请求的高效和公平。多线程之间的上下文切换，造成线程使用效率并不高，并且不易扩展状态数据以及其他需要保持一致的数据，需要采用并发同步控制.

单Reactor单线程模型

也就是说一个单线程就能够实现高并发，是不是很牛逼。Reactor的核心思想就是它有一个反应堆，这个反应堆可以继续往里面加东西，然后主线程就是不断从反应堆里面取出已经反应的东西，处理它们。

单reactor多线程模型

一句话总结就是，一个反应堆，负责处理反应，把反应封装成任务交给线程池去处理读写，这样的效率适合一些每一个连接业务比较复杂的情况，把处理连接的耗时操作在分出来，提升反应堆的处理速度。

多reactor多线程模式

第三种模型比起第二种模型，是将Reactor分成两部分，mainReactor负责监听server socket，用来处理新连接的建立，将建立的socketChannel指定注册给subReactor。subReactor维护自己的selector, 基于mainReactor 注册的socketChannel多路分离IO读写事件，读写网络数据，对业务处理的功能，另其扔给worker线程池来完成。

用户态：处于用户态的 CPU 只能受限的访问内存，并且不允许访问外围设备，⽤户态下的 CPU 不允许独占，也就是说CPU 能够被其他程序获取。