Java基础

1. 数据类型

Java是强类型语言，要求变量的使用要严格符合规定，所有的变量都必须先定义后使用

Java的数据类型分为两大类：

基本类型（整数：一个字节的byte 两个字节的short 4个字节int 8个字节long 浮点数 4个字节float 8个字节 double 字符两个字节char 布尔类型 boolean占一位）
引用类型（类接口数组）

Java中进制表示

二进制以0b开头八进制0开头十六进制0x开头

浮点数问题(浮点数存在浮点误差问题)

float f=0.1f;
double d=1.0/10;
System.out.println(f==d) //false
float f1=11234564646551315464;
float f2=f1+1;
System.out.println(f1==f2)//true

介于以上问题，使用BigDecimal类

所有的字符本质还是数字

2. 类型转换

运算中，不同类型的数据先转换成同一类型，然后进行运算

低 ———————————–>高

byte, short, char -> int -> long -> float -> double

由低到高需要进行强制转换，强制转换格式为：低类型变量名=（要转换类型）变量名

由高到低自动转换

转换的时候可能出现内存溢出或者精度问题

JDK7新特性：数字之间可以加上下划线

3. 变量

实例变量：位于方法外，类里面，从属于对象，可以不用初始化值，使用的时候需要创建一个类，然后通过类来使用

局部变量：必须声明和初始化值，位于方法内

类变量：static关键字修饰，位于方法外，类里面，从属于类，可直接使用，不需要创建类

static修饰的静态成员方法只能访问静态成员

4. 位运算符

Java定义了位运算符，应用于整数类型(int)，长整型(long)，短整型(short)，字符型(char)，和字节型(byte)等类型。

位运算符作用在所有的位上，并且按位运算。假设a = 60，b = 13;它们的二进制格式表示将如下：

A = 0011 1100
B = 0000 1101
-----------------
A&B = 0000 1100
A | B = 0011 1101
A ^ B = 0011 0001
~A= 1100 0011

操作符	描述	例子
＆	如果相对应位都是1，则结果为1，否则为0	（A＆B），得到12，即0000 1100
\|	如果相对应位都是 0，则结果为 0，否则为 1	（A \| B）得到61，即 0011 1101
^	如果相对应位值相同，则结果为0，否则为1	（A ^ B）得到49，即 0011 0001
〜	按位取反运算符翻转操作数的每一位，即0变成1，1变成0。	（〜A）得到-61，即1100 0011
«	按位左移运算符。左操作数按位左移右操作数指定的位数。	A « 2得到240，即 1111 0000
»	按位右移运算符。左操作数按位右移右操作数指定的位数。	A » 2得到15即 1111
»>	按位右移补零操作符。左操作数的值按右操作数指定的位数右移，移动得到的空位以零填充。	A»>2得到15即0000 1111

5. 方法重载

重载就是在一个类中，有相同的函数名称，但是形参不同的函数

重载规则

方法名称必须相同
参数列表必须不同（个数或者类型或参数排列顺序不同）
方法的返回类型可以相同也可以不同
仅仅返回类型不同不足以成为方法的重载

6. 内存

7. 面向对象的三大特征

1. 封装

　封装就是隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口，控制在程序中属性的读和修改的访问级别，将抽象得到的数据和行为（或功能）相结合，形成一个有机的整体，也就是将数据与操作数据的源代码进行有机的结合，形成“类”，其中数据和函数都是类的成员。

　　封装的目的是增强安全性和代码复用性，使用者不必了解具体的实现细节，而只是要通过外部接口，以特定的访问权限来使用类的成员。

　　面相对象就是使用程序处理事情时以对象为中心去分析，与面向过程不同，面向过程关心处理的逻辑、流程等问题，而不关心事件主体。而面向对象即面向主体，所以我们在解决问题时应该先进行对象的封装（对象是封装类的实例，比如张三是人，人是一个封装类，张三只是对象中的一个实例、一个对象）。比如我们日常生活中的小兔子、小绵羊都可以封装为一个类。

2. 继承

继承机制允许创建分等级层次的类。继承就是子类继承父类的特征和行为，使得子类对象（实例）具有父类的实例域和方法，或子类从父类继承方法，使得子类具有父类相同的行为

子类继承父类的所有属性和方法，包括私有属性和方法，但是不能访问私有属性和方法

3. 多态

多态即同一个行为具有多个不同表现形式或形态的能力。同一个接口使用不同的实例而执行不同的操作

　　多态的优点：

1. 消除类型之间的耦合关系
1. 可替换性
1. 可扩充性
1. 接口性
1. 灵活性
1. 简化性

　　多态存在的三个必要条件：

继承
重写（子类继承父类后对父类方法进行重新定义）

父类引用指向子类对象

举例：

Animal cat=new Cat();
Animal dog=new Dog();
cat.eat();
dog.eat();				//两个eat函数执行结果不同

　　简言之，多态其实是在继承的基础上的。比如说今天我们要去动物园参观动物，那么你说我们去参观兔子、参观绵羊、参观狮子、参观豹子都是对的，但你不能说我们去参观汽车。在这个例子中，子类具有多态性：除了使用自己的身份，还能充当父类。

8. 抽象类

1. 抽象类概述

在Java中，一个没有方法体的方法应该定义为抽象方法，而类中如果有抽象方法，则该类必须定义为抽象类，用abstract修饰

public abstract class Animal{
    public abstract void eat();
}

2. 抽象类特点

抽象类和抽象方法都必须用abstract修饰
抽象类中不一定有抽象方法，但是有抽象方法的类一定是抽象类
抽象类不能直接实例化，但是抽象类可以通过多态的方式，通过子类对象实例化，这叫抽象类多态
抽象类的子类要么重写抽象类的所有抽象方法，要么是抽象类

3. 抽象类的成员特点

成员变量可以是常量也可以是变量
有构造方法，但是不能实例化，用于子类访问父类数据的初始化
可以有抽象方法，也可以有非抽象方法

9. 内部类

1. 内部类概述

在一个类中定义一个类，就叫做内部类

public class Outer{
    public class Inner{
    }
}

内部类访问特点：

内部类可以直接访问外部类的成员，包括私有
外部类要访问内部类成员，必须创建对象

2. 成员内部类

根据内部类在类中定义的位置不同，可以分为两种

成员内部类：在类的方法外定义
局部内部类：在类的方法里面定义，外界无法直接使用，需要在方法内部创建对象并使用，该类可以直接访问外部类的成员，也可以访问方法内的局部变量

外界使用内部类范例

Outer.Inner io=new Outer().new Inner();

3. 匿名内部类

格式

new Inner(){
    public void show(){
    }
};

本质是一个继承了该类或者实现了该类的子类匿名对象

10. 自动装箱与拆箱

装箱：把基本的数据类型转换成对应的包装类类型

拆箱：把对应的包装类类型转换成基本的数据类型

Integer i=Integer.valueOf(100);//装箱
Integer ii=100;					//自动装箱
ii=ii.intValue()+200;			//拆箱
ii+=200;						//自动拆箱

11. 集合

1. 集合体系结构

2. List集合

2.1 ArrayList介绍

list是有序集合，用户可以精确控制列表中每个元素的插入位置，可以通过整数索引访问元素，并搜索列表中的元素
list允许重复的元素存在

并发修改异常：在迭代器遍历的过程中，通过集合对象修改了集合中元素的长度，造成了迭代器获取元素中判断预期修改值和实际修改值不一致

LinkedList和ArrayList的区别

ArrayList底层是数组，查找快，增删慢
LinkedList底层是链表，查找慢，增删快，基于双向链表实现，不仅如此，LinkedList 还可以用作栈、队列和双向队列。

Vector： Vector和ArrayList在用法上几乎完全相同，但由于Vector是一个古老的集合，线程安全，所以Vector提供了一些方法名很长的方法，但随着JDK1.2以后，java提供了系统的集合框架，就将Vector改为实现List接口，统一归入集合框架体系中

2.2 ArrayList源码分析：

底层通过Object数组实现，每个ArrayList都有一个容量(capacity)，表示底层数组的实际大小，容器内存储元素的个数不能多于当前容量。当向容器中添加元素时，如果容量不足，容器会自动增大底层数组的大小

每当向数组中添加元素时，都要去检查添加后元素的个数是否会超出当前数组的长度，如果超出，数组将会进行扩容，以满足添加数据的需求。数组扩容通过一个公开的方法ensureCapacity(int minCapacity)来实现。在实际添加大量元素前，我也可以使用ensureCapacity来手动增加ArrayList实例的容量，以减少递增式再分配的数量。

数组进行扩容时，会将老数组中的元素重新拷贝一份到新的数组中，每次数组容量的增长大约是其原容量的1.5倍。这种操作的代价是很高的，因此在实际使用时，我们应该尽量避免数组容量的扩张。当我们可预知要保存的元素的多少时，要在构造ArrayList实例时，就指定其容量，以避免数组扩容的发生。或者根据实际需求，通过调用ensureCapacity方法来手动增加ArrayList实例的容量。

2.3 LinkedList源码分析

LinkedList底层通过双向链表实现，双向链表的每个节点用内部类Node表示。LinkedList通过first和last引用分别指向链表的第一个和最后一个元素。注意这里没有所谓的哑元，当链表为空的时候first和last都指向null。

transient int size = 0;

/**
 * Pointer to first node.
 * Invariant: (first == null && last == null) ||
 *            (first.prev == null && first.item != null)
 */
transient Node<E> first;

/**
 * Pointer to last node.
 * Invariant: (first == null && last == null) ||
 *            (last.next == null && last.item != null)
 */
transient Node<E> last;

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

3. Set集合

不包含重复元素
元素无序

TreeSet:

基于红黑树实现，支持有序性操作，例如根据一个范围查找元素的操作。但是查找效率不如 HashSet，HashSet 查找的时间复杂度为 O(1)，TreeSet 则为 O(logN)。

元素有序，但不是按照元素存储和取出集合有序，而是按照一定的规则进行排序
没有带索引的方法，不能使用普通for循环
不包含重复元素

出于性能原因，TreeMap是非同步的(not synchronized)，如果需要在多线程环境使用，需要程序员手动同步；或者通过如下方式将TreeMap包装成(wrapped)同步的:

SortedMap m = Collections.synchronizedSortedMap(new TreeMap(...));

HashSet集合特点：

底层数据结构是哈希表
对集合的迭代顺序不做任何保证，不保证存储和取出的元素顺序一致
没有带索引的方法，所以不能使用普通for循环，但是可以使用增强for循环和迭代器遍历
不包含重复元素的集合

HashSet集合保证元素唯一性原理分析

HashSet集合添加一个元素的过程：

调用对象的hashcode函数获取对象的hash值
根据对象的hash值获取存储位置
该位置是否有元素存在，没有则将元素存储在该位置，如果有的话，遍历该位置所有元素的哈希值，是否与此元素的哈希值相同，有相同的则调用equals方法，比较内容是否相等，相等则不存储，不同则存储到该位置。如果哈希值都不同，则将元素存储到该位置

LinkedHashSet集合：

LinkedHashSet集合也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置，但和HashSet不同的是，它同时使用链表维护元素的次序，这样使得元素看起来是以插入的顺序保存的。当遍历LinkedHashSet集合里的元素时，LinkedHashSet将会按元素的添加顺序来访问集合里的元素。LinkedHashSet需要维护元素的插入顺序，因此性能略低于HashSet的性能，但在迭代访问Set里的全部元素时(遍历)将有很好的性能(链表很适合进行遍历)

哈希表和链表实现的Set接口，具有可预测的迭代次序
由链表保证元素有序
哈希表保证元素唯一

泛型：将类型由原来的具体类型参数化，然后在调用的时候再传入具体的类型

4. Map集合

map集合的获取功能：

get()函数，根据相应的key获取value值
keySet()获取所有键的集合

Set<String> keySet=map.keySet();
for(String key:keySet){
    System.out.println(map.get(key));
}

values()函数，获取所有值的集合

map集合的遍历方式

keySet()方式
entrySet()获取所有键值对对象的集合

Set<Map.Entry<String,String>> entrySet=map.entrySet();
key=entrySet.getKey();

HashMap在jdk 1.7之前也是使用的数组加链表，1.7之后使用的是数组+链表+红黑树实现，concurrentHashMap结构跟HashMap 一样，但是concurrent Hash Map是线程安全的，1.7之前使用Segment分段锁实现，1.8使用CAS + synchronized实现线程安全。HashSet是在hashMap的基础上实现的

4.1 HashMap底层实现

HashMap实现了Map接口，即允许放入key为null的元素，也允许插入value为null的元素；除该类未实现同步外，其余跟Hashtable大致相同；跟TreeMap不同，该容器不保证元素顺序，根据需要该容器可能会对元素重新哈希，元素的顺序也会被重新打散，因此不同时间迭代同一个HashMap的顺序可能会不同。根据对冲突的处理方式不同，哈希表有两种实现方式，一种开放地址方式(Open addressing)，另一种是冲突链表方式(Separate chaining with linked lists)。Java7 *HashMap*采用的是冲突链表方式。

HashMap_base

Java 1.8以后将冲突比较频繁的地方改为了红黑树

4.2 HashSet

HashSet的实现非常简单，只有不到300行代码。这里不再赘述。

//HashSet是对HashMap的简单包装
public class HashSet<E>
{
	......
	private transient HashMap<E,Object> map;//HashSet里面有一个HashMap
    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    private static final Object PRESENT = new Object();
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }
    ......
    public boolean add(E e) {//简单的方法转换
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }
    ......
}
  

4.3 LinkedHashMap和LinkedHashSet

著作权归https://pdai.tech所有。链接：https://www.pdai.tech/md/java/collection/java-map-LinkedHashMap&LinkedHashSet.html

LinkedHashSet和LinkedHashMap在Java里也有着相同的实现，前者仅仅是对后者做了一层包装，也就是说LinkedHashSet里面有一个LinkedHashMap(适配器模式)。因此本文将重点分析LinkedHashMap。

LinkedHashMap实现了Map接口，即允许放入key为null的元素，也允许插入value为null的元素。从名字上可以看出该容器是linked list和HashMap的混合体，也就是说它同时满足HashMap和linked list的某些特性。可将LinkedHashMap看作采用linked list增强的HashMap

事实上LinkedHashMap是HashMap的直接子类，二者唯一的区别是LinkedHashMap在HashMap的基础上，采用双向链表(doubly-linked list)的形式将所有entry连接起来，这样是为保证元素的迭代顺序跟插入顺序相同。上图给出了LinkedHashMap的结构图，主体部分跟HashMap完全一样，多了header指向双向链表的头部(是一个哑元)，该双向链表的迭代顺序就是entry的插入顺序。

除了可以保迭代历顺序，这种结构还有一个好处 : 迭代LinkedHashMap时不需要像HashMap那样遍历整个table，而只需要直接遍历header指向的双向链表即可，也就是说LinkedHashMap的迭代时间就只跟entry的个数相关，而跟table的大小无关。

4.4 WeakHashMap

它的特殊之处在于 WeakHashMap 里的entry可能会被GC自动删除，即使程序员没有调用remove()或者clear()方法。

更直观的说，当使用 WeakHashMap 时，即使没有显示的添加或删除任何元素，也可能发生如下情况:

调用两次size()方法返回不同的值；

两次调用isEmpty()方法，第一次返回false，第二次返回true；

两次调用containsKey()方法，第一次返回true，第二次返回false，尽管两次使用的是同一个key；

两次调用get()方法，第一次返回一个value，第二次返回null，尽管两次使用的是同一个对象。

遇到这么奇葩的现象，你是不是觉得使用者一定会疯掉? 其实不然，*WeakHashMap* 的这个特点特别适用于需要缓存的场景。在缓存场景下，由于内存是有限的，不能缓存所有对象；对象缓存命中可以提高系统效率，但缓存MISS也不会造成错误，因为可以通过计算重新得到。

要明白 WeakHashMap 的工作原理，还需要引入一个概念 : 弱引用(WeakReference)。我们都知道Java中内存是通过GC自动管理的，GC会在程序运行过程中自动判断哪些对象是可以被回收的，并在合适的时机进行内存释放。GC判断某个对象是否可被回收的依据是，是否有有效的引用指向该对象。如果没有有效引用指向该对象(基本意味着不存在访问该对象的方式)，那么该对象就是可回收的。这里的有效引用 并不包括弱引用。也就是说，虽然弱引用可以用来访问对象，但进行垃圾回收时弱引用并不会被考虑在内，仅有弱引用指向的对象仍然会被GC回收。

WeakHashMap 内部是通过弱引用来管理entry的，弱引用的特性对应到 WeakHashMap 上意味着什么呢？将一对key, value放入到 *WeakHashMap* 里并不能避免该key值被GC回收，除非在 *WeakHashMap* 之外还有对该key的强引用。

5. PriorityQueue

底层使用Object数组实现

新加入的元素可能会破坏小顶堆的性质，因此需要进行必要的调整。

//offer(E e)
public boolean offer(E e) {
    if (e == null)//不允许放入null元素
        throw new NullPointerException();
    modCount++;
    int i = size;
    if (i >= queue.length)
        grow(i + 1);//自动扩容
    size = i + 1;
    if (i == 0)//队列原来为空，这是插入的第一个元素
        queue[0] = e;
    else
        siftUp(i, e);//调整
    return true;
}
    

上述代码中，扩容函数grow()类似于ArrayList里的grow()函数，就是再申请一个更大的数组，并将原数组的元素复制过去，这里不再赘述。需要注意的是siftUp(int k, E x)方法，该方法用于插入元素x并维持堆的特性。

//siftUp()
private void siftUp(int k, E x) {
    while (k > 0) {
        int parent = (k - 1) >>> 1;//parentNo = (nodeNo-1)/2
        Object e = queue[parent];
        if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0)//调用比较器的比较方法
            break;
        queue[k] = e;
        k = parent;
    }
    queue[k] = x;
}

新加入的元素x可能会破坏小顶堆的性质，因此需要进行调整。调整的过程为** : 从k指定的位置开始，将x逐层与当前点的parent进行比较并交换，直到满足x >= queue[parent]为止**。注意这里的比较可以是元素的自然顺序，也可以是依靠比较器的顺序

####

12. 对象序列化

对象序列化就是将对象保存到磁盘中，或者在网络中进行传输

这种机制就是使用一个字节序列表示一个对象，其中包含对象类型、数据、属性等信息，字节流写到文件中之后，相当于文件持久保存了一个对象的信息

反之，该字节序列还可以从文件中读取出来，重构对象，对其进行反序列化

ObjectOutputStream os=new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("1.txt"));//创建一个写入指定的输出流的对象输出流
Student s=new Student("likk",30);//学生类需要实现Serializable接口，不实现此接口将不会实现任何序列化或反序列化
os.writeObject(s);
os.close();

对象反序列化：反序列化先前使用ObjectOutputStream编写的原始数据对象

用对象序列化流序列化了一个对象后，加入我们修改了对象所属的类文件，读取数据会出现问题，抛出InvalidClassException异常，解决方法是给对象所属的类加一个serialVersionUID

private static final long serialVersionUID=42L;

如果一个对象中的某个成员变量的值不想被序列化，可以给该成员变量加关键字transient修饰

13. Lambda表达式

格式：（形式参数）->{代码块}

形式参数：有多个形式参数，可以用逗号隔开。没有参数留空

代码块：具体要做的事情

14. 反射

1. 类加载器

当程序要使用某个类时，如果该类还没有被加载到内存中，则系统会通过类的加载、类的连接和类的初始化这三个步骤来对类进行初始化，如果不出现意外情况，JVM将会连续完成这三个步骤，所以有时候也会把这三个步骤统称为类加载或者初始化

第一步：Loading加载

通过类的全限定名（包名 + 类名），获取到该类的.class文件的二进制字节流

将二进制字节流所代表的静态存储结构，转化为方法区运行时的数据结构

在内存中生成一个代表该类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

总结：加载二进制数据到内存 —> 映射成jvm能识别的结构 —> 在内存中生成class文件。

第二步：Linking链接

链接是指将上面创建好的class类合并至Java虚拟机中，使之能够执行的过程，可分为验证、准备、解析三个阶段。

① 验证（Verify）

确保class文件中的字节流包含的信息，符合当前虚拟机的要求，保证这个被加载的class类的正确性，不会危害到虚拟机的安全。

② 准备（Prepare）

为类中的静态字段分配内存，并设置默认的初始值，比如int类型初始值是0。被final修饰的static字段不会设置，因为final在编译的时候就分配了

③ 解析（Resolve）

解析阶段的目的，是将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程（将常量池内的符号引用解析成为实际引用）。如果符号引用指向一个未被加载的类，或者未被加载类的字段或方法，那么解析将触发这个类的加载（但未必触发这个类的链接以及初始化。）

事实上，解析器操作往往会伴随着 JVM 在执行完初始化之后再执行。符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《Java 虚拟机规范》的Class文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

解析动作主要针对类、接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的 CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等。

第三步：initialization初始化

初始化就是执行类的构造器方法init()的过程。

这个方法不需要定义，是javac编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并来的。

若该类具有父类，jvm会保证父类的init先执行，然后在执行子类的init。\

类加载器的分类

preview

2. 反射概述

Java反射机制：是指在运行时去获取一个类的变量和方法信息，然后通过获取到的信息来创建对象，调用方法的一种机制，由于这种动态性，可以极大地增强程序的灵活性，程序不用在编译器就完成确定，在运行期间仍然可以扩展

获取class对象三种方法：

使用类的class属性来获取该类对应的Class对象：比如Student.class会返回Student类对应的Class对象
调用对象的getClass()方法
使用class类中的静态方法forName(String className),参数的值是某个类的全路径，也就是完整包名的路径

反射获取构造方法：

Class<Student> c=Class.forName("com.cang.Student");
Constructor<?>[] cons=c.getConstructors();
for(Constructor c:cons){
    System.out.println(c);
    Student student=c.newInstance();//使用构造方法
}

反射获取成员变量

获取成员方法

反射的优点：

可扩展性特性: 应用程序可以通过使用可扩展性对象的全限定名称来创建可扩展性对象的实例，从而使用外部的用户定义类。

类浏览器和可视化开发环境: 类浏览器需要能够枚举类的成员。可视化开发环境可以受益于使用反射中可用的类型信息来帮助开发人员编写正确的代码。

调试器和测试工具: 调试器需要能够检查类上的私有成员。测试工具可以利用反射系统地调用在类上定义的可发现的集合 api，以确保测试套件中的高水平代码覆盖率。.

缺点：

性能开销: 由于反射涉及动态解析的类型，因此无法执行某些 Java 虚拟机优化。因此，反射操作的性能低于非反射操作，应该避免在对性能敏感的应用程序中频繁调用的代码段中使用反射操作。

安全限制: 反射需要运行时权限，但在安全管理器下运行时可能不存在这种权限。对于必须在受限制的安全上下文(例如 Applet)中运行的代码来说，这是一个重要的考虑因素。

内部公开: 由于反射允许代码执行在非反射代码中非法的操作，例如访问私有字段和方法，因此使用反射可能导致意外的副作用，这可能导致代码功能失调，并可能破坏可移植性。反射代码打破了抽象，因此可能会随着平台的升级而改变行为。

15. String

String 被声明为 final，因此它不可被继承。

内部使用 char 数组存储数据，该数组被声明为 final，这意味着 value 数组初始化之后就不能再引用其它数组。并且 String 内部没有改变 value 数组的方法，因此可以保证 String 不可变。

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

不可变的好处

1. 可以缓存 hash 值

因为 String 的 hash 值经常被使用，例如 String 用做 HashMap 的 key。不可变的特性可以使得 hash 值也不可变，因此只需要进行一次计算。

2. String Pool 的需要

如果一个 String 对象已经被创建过了，那么就会从 String Pool 中取得引用。只有 String 是不可变的，才可能使用 String Pool。

3. 安全性

String 经常作为参数，String 不可变性可以保证参数不可变。例如在作为网络连接参数的情况下如果 String 是可变的，那么在网络连接过程中，String 被改变，改变 String 对象的那一方以为现在连接的是其它主机，而实际情况却不一定是。

4. 线程安全

String 不可变性天生具备线程安全，可以在多个线程中安全地使用。

著作权归https://pdai.tech所有。链接：https://www.pdai.tech/md/java/basic/java-basic-lan-basic.html

String.intern()

使用 String.intern() 可以保证相同内容的字符串变量引用同一的内存对象。

下面示例中，s1 和 s2 采用 new String() 的方式新建了两个不同对象，而 s3 是通过 s1.intern() 方法取得一个对象引用。intern() 首先把 s1 引用的对象放到 String Pool(字符串常量池)中，然后返回这个对象引用。因此 s3 和 s1 引用的是同一个字符串常量池的对象。

String s1 = new String("aaa");
String s2 = new String("aaa");
System.out.println(s1 == s2);           // false
String s3 = s1.intern();
System.out.println(s1.intern() == s3);  // true

    

如果是采用 “bbb” 这种使用双引号的形式创建字符串实例，会自动地将新建的对象放入 String Pool 中。

String s4 = "bbb";
String s5 = "bbb";
System.out.println(s4 == s5);  // true

    

在 Java 7 之前，字符串常量池被放在运行时常量池中，它属于永久代。而在 Java 7，字符串常量池被移到 Native Method 中。这是因为永久代的空间有限，在大量使用字符串的场景下会导致 OutOfMemoryError 错误。

16. 运算

著作权归https://pdai.tech所有。链接：https://www.pdai.tech/md/java/basic/java-basic-lan-basic.html

参数传递

Java 的参数是以值传递的形式传入方法中，而不是引用传递。

以下代码中 Dog dog 的 dog 是一个指针，存储的是对象的地址。在将一个参数传入一个方法时，本质上是将对象的地址以值的方式传递到形参中。因此在方法中改变指针引用的对象，那么这两个指针此时指向的是完全不同的对象，一方改变其所指向对象的内容对另一方没有影响。

public class Dog {
    String name;

    Dog(String name) {
        this.name = name;
    }

    String getName() {
        return this.name;
    }

    void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    String getObjectAddress() {
        return super.toString();
    }
}

但是如果在方法中改变对象的字段值会改变原对象该字段值，因为改变的是同一个地址指向的内容。

class PassByValueExample {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog("A");
        func(dog);
        System.out.println(dog.getName());          // B
    }

    private static void func(Dog dog) {
        dog.setName("B");
    }
}

float 与 double

1.1 字面量属于 double 类型，不能直接将 1.1 直接赋值给 float 变量，因为这是向下转型。Java 不能隐式执行向下转型，因为这会使得精度降低。

// float f = 1.1;

1.1f 字面量才是 float 类型。

float f = 1.1f;

隐式类型转换

因为字面量 1 是 int 类型，它比 short 类型精度要高，因此不能隐式地将 int 类型下转型为 short 类型。

short s1 = 1;
// s1 = s1 + 1;
    

但是使用 += 运算符可以执行隐式类型转换。

s1 += 1;

上面的语句相当于将 s1 + 1 的计算结果进行了向下转型:

s1 = (short) (s1 + 1);
    

switch

从 Java 7 开始，可以在 switch 条件判断语句中使用 String 对象。

String s = "a";
switch (s) {
    case "a":
        System.out.println("aaa");
        break;
    case "b":
        System.out.println("bbb");
        break;
}
    

switch 不支持 long，是因为 switch 的设计初衷是对那些只有少数的几个值进行等值判断，如果值过于复杂，那么还是用 if 比较合适。

// long x = 111;
// switch (x) { // Incompatible types. Found: 'long', required: 'char, byte, short, int, Character, Byte, Short, Integer, String, or an enum'
//     case 111:
//         System.out.println(111);
//         break;
//     case 222:
//         System.out.println(222);
//         break;
// }
  

17. 继承

访问权限

Java 中有三个访问权限修饰符: private、protected 以及 public，如果不加访问修饰符，表示包级可见。

可以对类或类中的成员(字段以及方法)加上访问修饰符。

类可见表示其它类可以用这个类创建实例对象。
成员可见表示其它类可以用这个类的实例对象访问到该成员；

____________________________________________________________________
                | highest precedence <---------> lowest precedence
*———————————————+———————————————+———————————+———————————————+———————
 \ xCanBeSeenBy | this          | any class | this subclass | any
  \__________   | class         | in same   | in another    | class
             \  | nonsubbed     | package   | package       |    
Modifier of x \ |               |           |               |       
————————————————*———————————————+———————————+———————————————+———————
public          |       ✔       |     ✔     |       ✔       |   ✔  
————————————————+———————————————+———————————+———————————————+———————
protected       |       ✔       |     ✔     |       ✔       |   ✘   
————————————————+———————————————+———————————+———————————————+———————
package-private |               |           |               |
(no modifier)   |       ✔       |     ✔     |       ✘       |   ✘   
————————————————+———————————————+———————————+———————————————+———————
private         |       ✔       |     ✘     |       ✘       |   ✘    
____________________________________________________________________

protected 用于修饰成员，表示在继承体系中成员对于子类可见，但是这个访问修饰符对于类没有意义。

设计良好的模块会隐藏所有的实现细节，把它的 API 与它的实现清晰地隔离开来。模块之间只通过它们的 API 进行通信，一个模块不需要知道其他模块的内部工作情况，这个概念被称为信息隐藏或封装。因此访问权限应当尽可能地使每个类或者成员不被外界访问。

如果子类的方法重写了父类的方法，那么子类中该方法的访问级别不允许低于父类的访问级别。这是为了确保可以使用父类实例的地方都可以使用子类实例，也就是确保满足里氏替换原则。

字段决不能是公有的，因为这么做的话就失去了对这个字段修改行为的控制，客户端可以对其随意修改。例如下面的例子中，AccessExample 拥有 id 共有字段，如果在某个时刻，我们想要使用 int 去存储 id 字段，那么就需要去修改所有的客户端代码。

public class AccessExample {
    public String id;
}
    

可以使用公有的 getter 和 setter 方法来替换公有字段，这样的话就可以控制对字段的修改行为。

public class AccessExample {

    private int id;

    public String getId() {
        return id + "";
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = Integer.valueOf(id);
    }
}

但是也有例外，如果是包级私有的类或者私有的嵌套类，那么直接暴露成员不会有特别大的影响。

public class AccessWithInnerClassExample {
    private class InnerClass {
        int x;
    }

    private InnerClass innerClass;

    public AccessWithInnerClassExample() {
        innerClass = new InnerClass();
    }

    public int getValue() {
        return innerClass.x;  // 直接访问
    }
}

重写equals（）为什么要重写hashcode（）

先说答案：是为了保证不违背hashcode方法中“相同对象必须有相同哈希值”的规定

简单的说，Object类中的equals和hashcode对于不同对象，但是值相同的对象equals和hashcode返回的是false和不同的哈希值，重写equals是为了保证值相同的对象equals结果是true，在哈希表这种数据结构中，比较是否相等首先需要比较hashcode，如果重写了equals方法而没有重写hashcode可能出现的情况就是equals结果是true，但是hashcode不等，这样的话就会出现bug

18. 关键字

final

1. 数据

声明数据为常量，可以是编译时常量，也可以是在运行时被初始化后不能被改变的常量。

对于基本类型，final 使数值不变；
对于引用类型，final 使引用不变，也就不能引用其它对象，但是被引用的对象本身是可以修改的。

final int x = 1;
// x = 2;  // cannot assign value to final variable 'x'
final A y = new A();
y.a = 1;

2. 方法

声明方法不能被子类重写。

private 方法隐式地被指定为 final，如果在子类中定义的方法和基类中的一个 private 方法签名相同，此时子类的方法不是重写基类方法，而是在子类中定义了一个新的方法。

3. 类

声明类不允许被继承。

static

1. 静态变量

静态变量: 又称为类变量，也就是说这个变量属于类的，类所有的实例都共享静态变量，可以直接通过类名来访问它；静态变量在内存中只存在一份。
实例变量: 每创建一个实例就会产生一个实例变量，它与该实例同生共死。

public class A {
    private int x;         // 实例变量
    private static int y;  // 静态变量

    public static void main(String[] args) {
        // int x = A.x;  // Non-static field 'x' cannot be referenced from a static context
        A a = new A();
        int x = a.x;
        int y = A.y;
    }
}
    

2. 静态方法

静态方法在类加载的时候就存在了，它不依赖于任何实例。所以静态方法必须有实现，也就是说它不能是抽象方法(abstract)。

public abstract class A {
    public static void func1(){
    }
    // public abstract static void func2();  // Illegal combination of modifiers: 'abstract' and 'static'
}

只能访问所属类的静态字段和静态方法，方法中不能有 this 和 super 关键字。

public class A {
    private static int x;
    private int y;

    public static void func1(){
        int a = x;
        // int b = y;  // Non-static field 'y' cannot be referenced from a static context
        // int b = this.y;     // 'A.this' cannot be referenced from a static context
    }
}
  

3. 静态语句块

静态语句块在类初始化时运行一次。

public class A {
    static {
        System.out.println("123");
    }

    public static void main(String[] args) {
        A a1 = new A();
        A a2 = new A();
    }
}

4. 静态内部类

非静态内部类依赖于外部类的实例，而静态内部类不需要。

public class OuterClass {
    class InnerClass {
    }

    static class StaticInnerClass {
    }

    public static void main(String[] args) {
        // InnerClass innerClass = new InnerClass(); // 'OuterClass.this' cannot be referenced from a static context
        OuterClass outerClass = new OuterClass();
        InnerClass innerClass = outerClass.new InnerClass();
        StaticInnerClass staticInnerClass = new StaticInnerClass();
    }
}
    

静态内部类不能访问外部类的非静态的变量和方法。

5. 静态导包

在使用静态变量和方法时不用再指明 ClassName，从而简化代码，但可读性大大降低。

import static com.xxx.ClassName.*

6. 初始化顺序

静态变量和静态语句块优先于实例变量和普通语句块，静态变量和静态语句块的初始化顺序取决于它们在代码中的顺序。

public static String staticField = "静态变量";

static {
    System.out.println("静态语句块");
}

public String field = "实例变量";

{
    System.out.println("普通语句块");
}

最后才是构造函数的初始化。

public InitialOrderTest() {
    System.out.println("构造函数");
}

存在继承的情况下，初始化顺序为:

父类(静态变量、静态语句块)
子类(静态变量、静态语句块)
父类(实例变量、普通语句块)
父类(构造函数)
子类(实例变量、普通语句块)
子类(构造函数）

19. 异常

Throwable 可以用来表示任何可以作为异常抛出的类，分为两种: Error 和 Exception。其中 Error 用来表示 JVM 无法处理的错误，Exception 分为两种:

受检异常 : 需要用 try…catch… 语句捕获并进行处理，并且可以从异常中恢复；
非受检异常 : 是程序运行时错误，例如除 0 会引发 Arithmetic Exception，此时程序崩溃并且无法恢复。

泛型

泛型的本质是为了参数化类型（在不创建新的类型的情况下，通过泛型指定的不同类型来控制形参具体限制的类型）。也就是说在泛型使用过程中，操作的数据类型被指定为一个参数，这种参数类型可以用在类、接口和方法中，分别被称为泛型类、泛型接口、泛型方法。

引入泛型的意义在于：

适用于多种数据类型执行相同的代码（代码复用）

public class Box<T> {
    // T stands for "Type"
    private T t;
    public void set(T t) { this.t = t; }
    public T get() { return t; }
}
//泛型允许程序员在强类型程序设计语言中编写代码时使用一些以后才指定的类型，在实例化时作为参数指明这些类型。

20. Java并发

1. 为什么需要多线程

众所周知，CPU、内存、I/O 设备的速度是有极大差异的，为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为:

CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；// 导致 可见性问题
操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；// 导致 原子性问题
编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。// 导致 有序性问题

2. 线程不安全示例

如果多个线程对同一个共享数据进行访问而不采取同步操作的话，那么操作的结果是不一致的。

以下代码演示了 1000 个线程同时对 cnt 执行自增操作，操作结束之后它的值有可能小于 1000。

public class ThreadUnsafeExample {

    private int cnt = 0;

    public void add() {
        cnt++;
    }

    public int get() {
        return cnt;
    }
}
    

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final int threadSize = 1000;
    ThreadUnsafeExample example = new ThreadUnsafeExample();
    final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            example.add();
            countDownLatch.countDown();
        });
    }
    countDownLatch.await();
    executorService.shutdown();
    System.out.println(example.get());
}

    

997 // 结果总是小于1000

出现问题三要素

1. 可见性（CPU缓存引起）

可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。

举个简单的例子，看下面这段代码：

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;

假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。

此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.

这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值

2. 原子性（分时复用引起）

原子性：即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

经典的转账问题：比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。

试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。然后又从B取出了500元，取出500元之后，再执行往账户B加上1000元的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。

所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

3. 有序性（重排序引起）

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2
  

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗? 不一定，为什么呢? 这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型：

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从 java 源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

上述的 1 属于编译器重排序，2 和 3 属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM 的处理器重排序规则会要求 java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel 称之为 memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

4. Java怎么解决并发问题

理解的第一个维度：核心知识点

JMM本质上可以理解为，Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括：

volatile、synchronized 和 final 三个关键字
Happens-Before 规则

理解的第二个维度：可见性，有序性，原子性

原子性

在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。请分析以下哪些操作是原子性操作：

x = 10;        //语句1: 直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中
y = x;         //语句2: 包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
x++;           //语句3： x++包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。
x = x + 1;     //语句4： 同语句3

上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。

也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。

从上面可以看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

可见性

Java提供了volatile关键字来保证可见性。

当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

有序性

在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。当然JMM是通过Happens-Before 规则来保证有序性的

5.Happens-before原则：

上面提到了可以用 volatile 和 synchronized 来保证有序性。除此之外，JVM 还规定了先行发生原则，让一个操作无需控制就能先于另一个操作完成。

1. 单一线程原则

Single Thread rule

在一个线程内，在程序前面的操作先行发生于后面的操作。

2. 管程锁定规则

Monitor Lock Rule

一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。

3. volatile 变量规则

Volatile Variable Rule

对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

4. 线程启动规则

Thread Start Rule

Thread 对象的 start() 方法调用先行发生于此线程的每一个动作。

5. 线程加入规则

Thread Join Rule

Thread 对象的结束先行发生于 join() 方法返回。

6. 线程中断规则

Thread Interruption Rule

对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过 interrupted() 方法检测到是否有中断发生。

7. 对象终结规则

Finalizer Rule

一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

8. 传递性

Transitivity

如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C。

6.共享数据安全程度

不可变

不可变的类型:

final 关键字修饰的基本数据类型
String
枚举类型
Number 部分子类，如 Long 和 Double 等数值包装类型，BigInteger 和 BigDecimal 等大数据类型。但同为 Number 的原子类 AtomicInteger 和 AtomicLong 则是可变的。

绝对线程安全

不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施
相对线程安全

相对线程安全需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，在调用的时候不需要做额外的保障措施。但是对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。

在 Java 语言中，大部分的线程安全类都属于这种类型，例如 Vector、HashTable、Collections 的 synchronizedCollection() 方法包装的集合等。

对于下面的代码，如果删除元素的线程删除了 Vector 的一个元素，而获取元素的线程试图访问一个已经被删除的元素，那么就会抛出 ArrayIndexOutOfBoundsException。

public class VectorUnsafeExample {
    private static Vector<Integer> vector = new Vector<>();

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                vector.add(i);
            }
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            executorService.execute(() -> {
                for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                    vector.remove(i);
                }
            });
            executorService.execute(() -> {
                for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                    vector.get(i);
                }
            });
            executorService.shutdown();
        }
    }
}
 

Exception in thread "Thread-159738" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 3
    at java.util.Vector.remove(Vector.java:831)
    at VectorUnsafeExample.lambda$main$0(VectorUnsafeExample.java:14)
    at VectorUnsafeExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

    

如果要保证上面的代码能正确执行下去，就需要对删除元素和获取元素的代码进行同步。

executorService.execute(() -> {
    synchronized (vector) {
        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
            vector.remove(i);
        }
    }
});
executorService.execute(() -> {
    synchronized (vector) {
        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
            vector.get(i);
        }
    }
});

线程兼容

线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数时候指的是这一种情况。Java API 中大部分的类都是属于线程兼容的，如与前面的 Vector 和 HashTable 相对应的集合类 ArrayList 和 HashMap 等
线程对立

线程对立是指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。由于 Java 语言天生就具备多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的，而且通常都是有害的，应当尽量避免

7.线程安全实现方法

1. 互斥同步

synchronized 和 ReentrantLock。

2. 非阻塞同步

互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种同步也称为阻塞同步。

互斥同步属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施，那就肯定会出现问题。无论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁(这里讨论的是概念模型，实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁)、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。

(一)CAS

随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略: 先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施(不断地重试，直到成功为止)。这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。

乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证了，只能靠硬件来完成。硬件支持的原子性操作最典型的是: 比较并交换(Compare-and-Swap，CAS)。CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。

(二)AtomicInteger

J.U.C 包里面的整数原子类 AtomicInteger，其中的 compareAndSet() 和 getAndIncrement() 等方法都使用了 Unsafe 类的 CAS 操作。

以下代码使用了 AtomicInteger 执行了自增的操作。

private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();

public void add() {
    cnt.incrementAndGet();
}

以下代码是 incrementAndGet() 的源码，它调用了 unsafe 的 getAndAddInt() 。

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

以下代码是 getAndAddInt() 源码，var1 指示对象内存地址，var2 指示该字段相对对象内存地址的偏移，var4 指示操作需要加的数值，这里为 1。通过 getIntVolatile(var1, var2) 得到旧的预期值，通过调用 compareAndSwapInt() 来进行 CAS 比较，如果该字段内存地址中的值等于 var5，那么就更新内存地址为 var1+var2 的变量为 var5+var4。

可以看到 getAndAddInt() 在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

(三)ABA

如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。

J.U.C 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题，它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决 ABA 问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

3. 无同步方案

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步。如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性。

(一)栈封闭

多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class StackClosedExample {
    public void add100() {
        int cnt = 0;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            cnt++;
        }
        System.out.println(cnt);
    }
}
 
    

public static void main(String[] args) {
    StackClosedExample example = new StackClosedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> example.add100());
    executorService.execute(() -> example.add100());
    executorService.shutdown();
}
  
    

100
100

(二)线程本地存储(Thread Local Storage)

如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。

符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费者”模式)都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完。其中最重要的一个应用实例就是经典 Web 交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”(Thread-per-Request)的处理方式，这种处理方式的广泛应用使得很多 Web 服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。

可以使用 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储功能。

对于以下代码，thread1 中设置 threadLocal 为 1，而 thread2 设置 threadLocal 为 2。过了一段时间之后，thread1 读取 threadLocal 依然是 1，不受 thread2 的影响。

public class ThreadLocalExample {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set(1);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadLocal.get());
            threadLocal.remove();
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set(2);
            threadLocal.remove();
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
  
    

输出结果

为了理解 ThreadLocal，先看以下代码:

public class ThreadLocalExample1 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal1 = new ThreadLocal();
        ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal1.set(1);
            threadLocal2.set(1);
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal1.set(2);
            threadLocal2.set(2);
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
  

它所对应的底层结构图为:

每个 Thread 都有一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 对象，Thread 类中就定义了 ThreadLocal.ThreadLocalMap 成员。

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
  

当调用一个 ThreadLocal 的 set(T value) 方法时，先得到当前线程的 ThreadLocalMap 对象，然后将 ThreadLocal->value 键值对插入到该 Map 中。

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}
  
    

get() 方法类似。

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}
  
    

ThreadLocal 从理论上讲并不是用来解决多线程并发问题的，因为根本不存在多线程竞争。

在一些场景 (尤其是使用线程池) 下，由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况，应该尽可能在每次使用 ThreadLocal 后手动调用 remove()，以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。

(三)可重入代码(Reentrant Code)

这种代码也叫做纯代码(Pure Code)，可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码(包括递归调用它本身)，而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。

可重入代码有一些共同的特征，例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。

21. Java多线程

1. 线程状态转换

操作系统线程状态

Java线程状态

新建(New)

创建后尚未启动。

就绪(Runnable)

可能正在运行，也可能正在等待 CPU 时间片。

包含了操作系统线程状态中的 Running 和 Ready。

阻塞(Blocking)

等待获取一个排它锁，如果其线程释放了锁就会结束此状态。

无限期等待(Waiting)

等待其它线程显式地唤醒，否则不会被分配 CPU 时间片。

进入方法	退出方法
没有设置 Timeout 参数的 Object.wait() 方法	Object.notify() / Object.notifyAll()
没有设置 Timeout 参数的 Thread.join() 方法	被调用的线程执行完毕
LockSupport.park() 方法	-

限期等待(Timed Waiting)

无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒。

调用 Thread.sleep() 方法使线程进入限期等待状态时，常常用“使一个线程睡眠”进行描述。

调用 Object.wait() 方法使线程进入限期等待或者无限期等待时，常常用“挂起一个线程”进行描述。

睡眠和挂起是用来描述行为，而阻塞和等待用来描述状态。

阻塞和等待的区别在于，阻塞是被动的，它是在等待获取一个排它锁。而等待是主动的，通过调用 Thread.sleep() 和 Object.wait() 等方法进入。

进入方法	退出方法
Thread.sleep() 方法	时间结束
设置了 Timeout 参数的 Object.wait() 方法	时间结束 / Object.notify() / Object.notifyAll()
设置了 Timeout 参数的 Thread.join() 方法	时间结束 / 被调用的线程执行完毕
LockSupport.parkNanos() 方法	-
LockSupport.parkUntil() 方法	-

死亡(Terminated)

可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束。

2.线程使用方式

2.1 实现Runnable接口

需要实现 run() 方法。

通过 Thread 调用 start() 方法来启动线程。

public class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // ...
    }
}
  
    

public static void main(String[] args) {
    MyRunnable instance = new MyRunnable();
    Thread thread = new Thread(instance);
    thread.start();
}
  

2.2 实现Callable接口

与 Runnable 相比，Callable 可以有返回值，返回值通过 FutureTask 进行封装。

public class MyCallable implements Callable<Integer> {
    public Integer call() {
        return 123;
    }
}
  

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    MyCallable mc = new MyCallable();
    FutureTask<Integer> ft = new FutureTask<>(mc);
    Thread thread = new Thread(ft);
    thread.start();
    System.out.println(ft.get());
}
  

2.3 继承Thread类

同样也是需要实现 run() 方法，因为 Thread 类也实现了 Runable 接口。

当调用 start() 方法启动一个线程时，虚拟机会将该线程放入就绪队列中等待被调度，当一个线程被调度时会执行该线程的 run() 方法。

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // ...
    }
}

public static void main(String[] args) {
    MyThread mt = new MyThread();
    mt.start();
}
  

3. 基础线程机制

Executor

Executor 管理多个异步任务的执行，而无需程序员显式地管理线程的生命周期。这里的异步是指多个任务的执行互不干扰，不需要进行同步操作。

主要有三种 Executor:

CachedThreadPool: 一个任务创建一个线程；
FixedThreadPool: 所有任务只能使用固定大小的线程；
SingleThreadExecutor: 相当于大小为 1 的 FixedThreadPool。

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        executorService.execute(new MyRunnable());
    }
    executorService.shutdown();
}
  
        @pdai: 代码已经复制到剪贴板
    

Daemon

守护线程是程序运行时在后台提供服务的线程，不属于程序中不可或缺的部分。

当所有非守护线程结束时，程序也就终止，同时会杀死所有守护线程。

main() 属于非守护线程。

使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为守护线程。

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(new MyRunnable());
    thread.setDaemon(true);
}

sleep()

Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程，millisec 单位为毫秒。

sleep() 可能会抛出 InterruptedException，因为异常不能跨线程传播回 main() 中，因此必须在本地进行处理。线程中抛出的其它异常也同样需要在本地进行处理。

public void run() {
    try {
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
    

yield()

对静态方法 Thread.yield() 的调用声明了当前线程已经完成了生命周期中最重要的部分，可以切换给其它线程来执行。该方法只是对线程调度器的一个建议，而且也只是建议具有相同优先级的其它线程可以运行。

public void run() {
    Thread.yield();
}
  

4. 线程中断

一个线程执行完毕之后会自动结束，如果在运行过程中发生异常也会提前结束。

InterruptedException

通过调用一个线程的 interrupt() 来中断该线程，如果该线程处于阻塞、限期等待或者无限期等待状态，那么就会抛出 InterruptedException，从而提前结束该线程。但是不能中断 I/O 阻塞和 synchronized 锁阻塞。

对于以下代码，在 main() 中启动一个线程之后再中断它，由于线程中调用了 Thread.sleep() 方法，因此会抛出一个 InterruptedException，从而提前结束线程，不执行之后的语句。

public class InterruptExample {

    private static class MyThread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("Thread run");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
  
        @pdai: 代码已经复制到剪贴板
    

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread1 = new MyThread1();
    thread1.start();
    thread1.interrupt();
    System.out.println("Main run");
}

Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at InterruptExample.lambda$main$0(InterruptExample.java:5)
    at InterruptExample$$Lambda$1/713338599.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
    

interrupted()

如果一个线程的 run() 方法执行一个无限循环，并且没有执行 sleep() 等会抛出 InterruptedException 的操作，那么调用线程的 interrupt() 方法就无法使线程提前结束。

但是调用 interrupt() 方法会设置线程的中断标记，此时调用 interrupted() 方法会返回 true。因此可以在循环体中使用 interrupted() 方法来判断线程是否处于中断状态，从而提前结束线程。

public class InterruptExample {

    private static class MyThread2 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!interrupted()) {
                // ..
            }
            System.out.println("Thread end");
        }
    }
}
    

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread thread2 = new MyThread2();
    thread2.start();
    thread2.interrupt();
}

Thread end

Executor 的中断操作

调用 Executor 的 shutdown() 方法会等待线程都执行完毕之后再关闭，但是如果调用的是 shutdownNow() 方法，则相当于调用每个线程的 interrupt() 方法。

以下使用 Lambda 创建线程，相当于创建了一个匿名内部线程。

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> {
        try {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("Thread run");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    executorService.shutdownNow();
    System.out.println("Main run");
}
    

Main run
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at ExecutorInterruptExample.lambda$main$0(ExecutorInterruptExample.java:9)
    at ExecutorInterruptExample$$Lambda$1/1160460865.run(Unknown Source)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

如果只想中断 Executor 中的一个线程，可以通过使用 submit() 方法来提交一个线程，它会返回一个 Future<?> 对象，通过调用该对象的 cancel(true) 方法就可以中断线程。

Future<?> future = executorService.submit(() -> {
    // ..
});
future.cancel(true);

5. 线程互斥

Java 提供了两种锁机制来控制多个线程对共享资源的互斥访问，第一个是 JVM 实现的 synchronized，而另一个是 JDK 实现的 ReentrantLock。

synchronized

1. 同步一个代码块

public void func() {
    synchronized (this) {
        // ...
    }
}

它只作用于同一个对象，如果调用两个对象上的同步代码块，就不会进行同步。

对于以下代码，使用 ExecutorService 执行了两个线程，由于调用的是同一个对象的同步代码块，因此这两个线程会进行同步，当一个线程进入同步语句块时，另一个线程就必须等待。

public class SynchronizedExample {

    public void func1() {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e1.func1());
}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

对于以下代码，两个线程调用了不同对象的同步代码块，因此这两个线程就不需要同步。从输出结果可以看出，两个线程交叉执行。

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func1());
    executorService.execute(() -> e2.func1());
}

0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9

2. 同步一个方法

public synchronized void func () {
    // ...
}
 

它和同步代码块一样，作用于同一个对象。

3. 同步一个类

public void func() {
    synchronized (SynchronizedExample.class) {
        // ...
    }
}
    

作用于整个类，也就是说两个线程调用同一个类的不同对象上的这种同步语句，也会进行同步。

public class SynchronizedExample {

    public void func2() {
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        }
    }
}
  
        @pdai: 代码已经复制到剪贴板
    

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample e1 = new SynchronizedExample();
    SynchronizedExample e2 = new SynchronizedExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> e1.func2());
    executorService.execute(() -> e2.func2());
}
 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4. 同步一个静态方法

public synchronized static void fun() {
    // ...
}
  
    

作用于整个类。

ReentrantLock

ReentrantLock 是 java.util.concurrent(J.U.C)包中的锁。

public class LockExample {

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void func() {
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.print(i + " ");
            }
        } finally {
            lock.unlock(); // 确保释放锁，从而避免发生死锁。
        }
    }
}
    

public static void main(String[] args) {
    LockExample lockExample = new LockExample();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
    executorService.execute(() -> lockExample.func());
}
    

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

比较

1. 锁的实现

synchronized 是 JVM 实现的，而 ReentrantLock 是 JDK 实现的。

2. 性能

新版本 Java 对 synchronized 进行了很多优化，例如自旋锁等，synchronized 与 ReentrantLock 大致相同。

3. 等待可中断

当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。

ReentrantLock 可中断，而 synchronized 不行。

4. 公平锁

公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁。

synchronized 中的锁是非公平的，ReentrantLock 默认情况下也是非公平的，但是也可以是公平的。

5. 锁绑定多个条件

一个 ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象。

22. 类字节码

多语言编译为字节码在JVM运行

计算机是不能直接运行java代码的，必须要先运行java虚拟机，再由java虚拟机运行编译后的java代码。这个编译后的java代码，就是本文要介绍的java字节码。

为什么jvm不能直接运行java代码呢，这是因为在cpu层面看来计算机中所有的操作都是一个个指令的运行汇集而成的，java是高级语言，只有人类才能理解其逻辑，计算机是无法识别的，所以java代码必须要先编译成字节码文件，jvm才能正确识别代码转换后的指令并将其运行。

Java代码间接翻译成字节码，储存字节码的文件再交由运行于不同平台上的JVM虚拟机去读取执行，从而实现一次编写，到处运行的目的。
JVM也不再只支持Java，由此衍生出了许多基于JVM的编程语言，如Groovy, Scala, Koltin等等。

Java字节码文件

class文件本质上是一个以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑的排列在class文件中。jvm根据其特定的规则解析该二进制数据，从而得到相关信息。

Class文件采用一种伪结构来存储数据，它有两种类型：无符号数和表。这里暂不详细的讲。

本文将通过简单的java例子编译后的文件来理解。

Class文件的结构属性

在理解之前先从整体看下java字节码文件包含了哪些类型的数据：

著作权归https://pdai.tech所有。链接：https://www.pdai.tech/md/java/jvm/java-jvm-class.html

从一个例子开始

下面以一个简单的例子来逐步讲解字节码。

//Main.java
public class Main {
    
    private int m;
    
    public int inc() {
        return m + 1;
    }
}

通过以下命令, 可以在当前所在路径下生成一个Main.class文件。

javac Main.java

以文本的形式打开生成的class文件，内容如下:

cafe babe 0000 0034 0013 0a00 0400 0f09
0003 0010 0700 1107 0012 0100 016d 0100
0149 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829
5601 0004 436f 6465 0100 0f4c 696e 654e
756d 6265 7254 6162 6c65 0100 0369 6e63
0100 0328 2949 0100 0a53 6f75 7263 6546
696c 6501 0009 4d61 696e 2e6a 6176 610c
0007 0008 0c00 0500 0601 0010 636f 6d2f
7268 7974 686d 372f 4d61 696e 0100 106a
6176 612f 6c61 6e67 2f4f 626a 6563 7400
2100 0300 0400 0000 0100 0200 0500 0600
0000 0200 0100 0700 0800 0100 0900 0000
1d00 0100 0100 0000 052a b700 01b1 0000
0001 000a 0000 0006 0001 0000 0003 0001
000b 000c 0001 0009 0000 001f 0002 0001
0000 0007 2ab4 0002 0460 ac00 0000 0100
0a00 0000 0600 0100 0000 0800 0100 0d00
0000 0200 0e

文件开头的4个字节(“cafe babe”)称之为 魔数，唯有以”cafe babe”开头的class文件方可被虚拟机所接受，这4个字节就是字节码文件的身份识别。
0000是编译器jdk版本的次版本号0，0034转化为十进制是52,是主版本号，java的版本号从45开始，除1.0和1.1都是使用45.x外,以后每升一个大版本，版本号加一。也就是说，编译生成该class文件的jdk版本为1.8.0。

通过java -version命令稍加验证, 可得结果。

Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_131-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.131-b11, mixed mode)

继续往下是常量池… 知道是这么分析的就可以了，然后我们通过工具反编译字节码文件继续去看。

反编译字节码文件

使用到java内置的一个反编译工具javap可以反编译字节码文件, 用法: javap <options> <classes>

其中<options>选项包括:

  -help  --help  -?        输出此用法消息
  -version                 版本信息
  -v  -verbose             输出附加信息
  -l                       输出行号和本地变量表
  -public                  仅显示公共类和成员
  -protected               显示受保护的/公共类和成员
  -package                 显示程序包/受保护的/公共类
                           和成员 (默认)
  -p  -private             显示所有类和成员
  -c                       对代码进行反汇编
  -s                       输出内部类型签名
  -sysinfo                 显示正在处理的类的
                           系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列)
  -constants               显示最终常量
  -classpath <path>        指定查找用户类文件的位置
  -cp <path>               指定查找用户类文件的位置
  -bootclasspath <path>    覆盖引导类文件的位置

输入命令javap -verbose -p Main.class查看输出内容:

Classfile /E:/JavaCode/TestProj/out/production/TestProj/com/rhythm7/Main.class
  Last modified 2018-4-7; size 362 bytes
  MD5 checksum 4aed8540b098992663b7ba08c65312de
  Compiled from "Main.java"
public class com.rhythm7.Main
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #3.#19         // com/rhythm7/Main.m:I
   #3 = Class              #20            // com/rhythm7/Main
   #4 = Class              #21            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               m
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/rhythm7/Main;
  #14 = Utf8               inc
  #15 = Utf8               ()I
  #16 = Utf8               SourceFile
  #17 = Utf8               Main.java
  #18 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #19 = NameAndType        #5:#6          // m:I
  #20 = Utf8               com/rhythm7/Main
  #21 = Utf8               java/lang/Object
{
  private int m;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE

  public com.rhythm7.Main();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/rhythm7/Main;

  public int inc();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field m:I
         4: iconst_1
         5: iadd
         6: ireturn
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       7     0  this   Lcom/rhythm7/Main;
}
SourceFile: "Main.java"

字节码文件信息

开头的7行信息包括:Class文件当前所在位置，最后修改时间，文件大小，MD5值，编译自哪个文件，类的全限定名，jdk次版本号，主版本号。

然后紧接着的是该类的访问标志：ACC_PUBLIC, ACC_SUPER，访问标志的含义如下:

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x0001	是否为Public类型
ACC_FINAL	0x0010	是否被声明为final，只有类可以设置
ACC_SUPER	0x0020	是否允许使用invokespecial字节码指令的新语义．
ACC_INTERFACE	0x0200	标志这是一个接口
ACC_ABSTRACT	0x0400	是否为abstract类型，对于接口或者抽象类来说，次标志值为真，其他类型为假
ACC_SYNTHETIC	0x1000	标志这个类并非由用户代码产生
ACC_ANNOTATION	0x2000	标志这是一个注解
ACC_ENUM	0x4000	标志这是一个枚举

常量池

Constant pool意为常量池。

常量池可以理解成Class文件中的资源仓库。主要存放的是两大类常量：字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。字面量类似于java中的常量概念(字面量是指由字母，数字等构成的字符串或者数值，它只能作为右值出现,右值是指等号右边的值，如：int a=123这里的a为左值，123为右值。)，如文本字符串，final常量等，而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括以下三种:

类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
字段的名称和描述符号(Descriptor)
方法的名称和描述符

不同于C/C++, JVM是在加载Class文件的时候才进行的动态链接，也就是说这些字段和方法符号引用只有在运行期转换后才能获得真正的内存入口地址。当虚拟机运行时，需要从常量池获得对应的符号引用，再在类创建或运行时解析并翻译到具体的内存地址中。直接通过反编译文件来查看字节码内容：

#1 = Methodref          #4.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
#4 = Class              #21            // java/lang/Object
#7 = Utf8               <init>
#8 = Utf8               ()V
#18 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
#21 = Utf8               java/lang/Object
    

第一个常量是一个方法定义，指向了第4和第18个常量。以此类推查看第4和第18个常量。最后可以拼接成第一个常量右侧的注释内容:

java/lang/Object."<init>":()V
    

这段可以理解为该类的实例构造器的声明，由于Main类没有重写构造方法，所以调用的是父类的构造方法。此处也说明了Main类的直接父类是Object。该方法默认返回值是V, 也就是void，无返回值。

第二个常量同理可得:

#2 = Fieldref           #3.#19         // com/rhythm7/Main.m:I
#3 = Class              #20            // com/rhythm7/Main
#5 = Utf8               m
#6 = Utf8               I
#19 = NameAndType        #5:#6          // m:I
#20 = Utf8               com/rhythm7/Main
  

复制代码此处声明了一个字段m，类型为I, I即是int类型。关于字节码的类型对应如下：

标识字符	含义
B	基本类型byte
C	基本类型char
D	基本类型double
F	基本类型float
I	基本类型int
J	基本类型long
S	基本类型short
Z	基本类型boolean
V	特殊类型void
L	对象类型，以分号结尾，如Ljava/lang/Object;

对于数组类型，每一位使用一个前置的[字符来描述，如定义一个java.lang.String[][]类型的维数组，将被记录为[[Ljava/lang/String;

方法表集合

在常量池之后的是对类内部的方法描述，在字节码中以表的集合形式表现，暂且不管字节码文件的16进制文件内容如何，我们直接看反编译后的内容。

private int m;
  descriptor: I
  flags: ACC_PRIVATE

此处声明了一个私有变量m，类型为int，返回值为int

public com.rhythm7.Main();
   descriptor: ()V
   flags: ACC_PUBLIC
   Code:
     stack=1, locals=1, args_size=1
        0: aload_0
        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
        4: return
     LineNumberTable:
       line 3: 0
     LocalVariableTable:
       Start  Length  Slot  Name   Signature
           0       5     0  this   Lcom/rhythm7/Main;

这里是构造方法：Main()，返回值为void, 公开方法。

code内的主要属性为:

stack: 最大操作数栈，JVM运行时会根据这个值来分配栈帧(Frame)中的操作栈深度,此处为1
locals: 局部变量所需的存储空间，单位为Slot, Slot是虚拟机为局部变量分配内存时所使用的最小单位，为4个字节大小。方法参数(包括实例方法中的隐藏参数this)，显示异常处理器的参数(try catch中的catch块所定义的异常)，方法体中定义的局部变量都需要使用局部变量表来存放。值得一提的是，locals的大小并不一定等于所有局部变量所占的Slot之和，因为局部变量中的Slot是可以重用的。
args_size: 方法参数的个数，这里是1，因为每个实例方法都会有一个隐藏参数this
attribute_info: 方法体内容，0,1,4为字节码”行号”，该段代码的意思是将第一个引用类型本地变量推送至栈顶，然后执行该类型的实例方法，也就是常量池存放的第一个变量，也就是注释里的”java/lang/Object.”“😦)V”, 然后执行返回语句，结束方法。
LineNumberTable: 该属性的作用是描述源码行号与字节码行号(字节码偏移量)之间的对应关系。可以使用 -g:none 或-g:lines选项来取消或要求生成这项信息，如果选择不生成LineNumberTable，当程序运行异常时将无法获取到发生异常的源码行号，也无法按照源码的行数来调试程序。
LocalVariableTable: 该属性的作用是描述帧栈中局部变量与源码中定义的变量之间的关系。可以使用 -g:none 或 -g:vars来取消或生成这项信息，如果没有生成这项信息，那么当别人引用这个方法时，将无法获取到参数名称，取而代之的是arg0, arg1这样的占位符。 start 表示该局部变量在哪一行开始可见，length表示可见行数，Slot代表所在帧栈位置，Name是变量名称，然后是类型签名。

同理可以分析Main类中的另一个方法”inc()”:

方法体内的内容是：将this入栈，获取字段#2并置于栈顶, 将int类型的1入栈，将栈内顶部的两个数值相加，返回一个int类型的值。

类名

最后很显然是源码文件：

SourceFile: "Main.java"

再看两个示例

分析try-catch-finally

通过以上一个最简单的例子，可以大致了解源码被编译成字节码后是什么样子的。下面利用所学的知识点来分析一些Java问题:

public class TestCode {
    public int foo() {
        int x;
        try {
            x = 1;
            return x;
        } catch (Exception e) {
            x = 2;
            return x;
        } finally {
            x = 3;
        }
    }
}

试问当不发生异常和发生异常的情况下，foo()的返回值分别是多少。

javac TestCode.java
javap -verbose TestCode.class

查看字节码的foo方法内容:

public int foo();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=5, args_size=1
         0: iconst_1 //int型1入栈 ->栈顶=1
         1: istore_1 //将栈顶的int型数值存入第二个局部变量 ->局部2=1
         2: iload_1 //将第二个int型局部变量推送至栈顶 ->栈顶=1
         3: istore_2 //!!将栈顶int型数值存入第三个局部变量 ->局部3=1
         
         4: iconst_3 //int型3入栈 ->栈顶=3
         5: istore_1 //将栈顶的int型数值存入第二个局部变量 ->局部2=3
         6: iload_2 //!!将第三个int型局部变量推送至栈顶 ->栈顶=1
         7: ireturn //从当前方法返回栈顶int数值 ->1
         
         8: astore_2 // ->局部3=Exception
         9: iconst_2 // ->栈顶=2
        10: istore_1 // ->局部2=2
        11: iload_1 //->栈顶=2
        12: istore_3 //!! ->局部4=2
        
        13: iconst_3 // ->栈顶=3
        14: istore_1 // ->局部1=3
        15: iload_3 //!! ->栈顶=2
        16: ireturn // -> 2
        
        17: astore        4 //将栈顶引用型数值存入第五个局部变量=any
        19: iconst_3 //将int型数值3入栈 -> 栈顶3
        20: istore_1 //将栈顶第一个int数值存入第二个局部变量 -> 局部2=3
        21: aload         4 //将局部第五个局部变量(引用型)推送至栈顶
        23: athrow //将栈顶的异常抛出
      Exception table:
         from    to  target type
             0     4     8   Class java/lang/Exception //0到4行对应的异常，对应#8中储存的异常
             0     4    17   any //Exeption之外的其他异常
             8    13    17   any
            17    19    17   any
    

在字节码的4,5，以及13,14中执行的是同一个操作，就是将int型的3入操作数栈顶，并存入第二个局部变量。这正是我们源码在finally语句块中内容。也就是说，JVM在处理异常时，会在每个可能的分支都将finally语句重复执行一遍。

通过一步步分析字节码，可以得出最后的运行结果是：

不发生异常时: return 1
发生异常时: return 2
发生非Exception及其子类的异常，抛出异常，不返回值

以上例子来自于《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》, 关于虚拟机字节码指令表，也可以在《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践-附录B》中获取。

kotlin 函数扩展的实现

kotlin提供了扩展函数的语言特性，借助这个特性，我们可以给任意对象添加自定义方法。

以下示例为Object添加”sayHello”方法

//SayHello.kt
package com.rhythm7

fun Any.sayHello() {
    println("Hello")
}

    

编译后，使用javap查看生成SayHelloKt.class文件的字节码。

Classfile /E:/JavaCode/TestProj/out/production/TestProj/com/rhythm7/SayHelloKt.class
Last modified 2018-4-8; size 958 bytes
 MD5 checksum 780a04b75a91be7605cac4655b499f19
 Compiled from "SayHello.kt"
public final class com.rhythm7.SayHelloKt
 minor version: 0
 major version: 52
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER
Constant pool:
    //省略常量池部分字节码
{
 public static final void sayHello(java.lang.Object);
   descriptor: (Ljava/lang/Object;)V
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
   Code:
     stack=2, locals=2, args_size=1
        0: aload_0
        1: ldc           #9                  // String $receiver
        3: invokestatic  #15                 // Method kotlin/jvm/internal/Intrinsics.checkParameterIsNotNull:(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/String;)V
        6: ldc           #17                 // String Hello
        8: astore_1
        9: getstatic     #23                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       12: aload_1
       13: invokevirtual #28                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
       16: return
     LocalVariableTable:
       Start  Length  Slot  Name   Signature
           0      17     0 $receiver   Ljava/lang/Object;
     LineNumberTable:
       line 4: 6
       line 5: 16
   RuntimeInvisibleParameterAnnotations:
     0:
       0: #7()
}
SourceFile: "SayHello.kt"
 

观察头部发现,koltin为文件SayHello生成了一个类，类名”com.rhythm7.SayHelloKt”.

由于我们一开始编写SayHello.kt时并不希望SayHello是一个可实例化的对象类，所以，SayHelloKt是无法被实例化的，SayHelloKt并没有任何一个构造器。

再观察唯一的一个方法：发现Any.sayHello()的具体实现是静态不可变方法的形式:

public static final void sayHello(java.lang.Object);
  
    

所以当我们在其他地方使用Any.sayHello()时，事实上等同于调用java的SayHelloKt.sayHello(Object)方法。

顺便一提的是，当扩展的方法为Any时，意味着Any是non-null的，这时，编译器会在方法体的开头检查参数的非空，即调用 kotlin.jvm.internal.Intrinsics.checkParameterIsNotNull(Object value, String paramName) 方法来检查传入的Any类型对象是否为空。如果我们扩展的函数为Any?.sayHello()，那么在编译后的文件中则不会有这段字节码的出现