Java集合、多线程、反射和Spring框架总结，源码解析

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

ArrayList和Vector底层都是由动态数组实现的

1.1.1.2 ArrayList VS Vector

ArrayList是线程不安全的集合，而Vector是线程安全的集合。
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？

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

1.1.1.4 源码解析

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）。
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;
}

add - 添加元素方法

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);
}

add - 插入（往中间添加）元素的方法

//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++;
}

**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。

1.1.2 LinkedList

1.1.2.1 底层原理

Linked底层是由双向链表实现

1.1.2.2 什么是链表？什么是双向链表？

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

1.1.2.3 Java如何实现一个双向链表？

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

LinkedList的一些基本属性

//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;

add添加元素的方法

//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++;
}

get获取元素的方法

//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;
        }
}

add插入（从中间添加）元素的方法

//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

插入性能对比：
**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

查询性能对比：
**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

Set各个实现类的特点：
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）

底层实现：

底层都是通过对应的Map集合实现

1.2 Map

1.2.1 HashMap、Hashtable

1.2.1.1 底层原理

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

1.2.1.2 哈希表（重要）

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
（JDK1.8之后，是通过链表 + 红黑树的方式解决的哈希碰撞）

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：
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

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。
数组长度（100） * 填充因子（0.75） = 扩容阈值(75)

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）

1.2.1.3 红黑树（简单介绍）

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

1.2.1.4 HashMap的源码解析（JDK1.8）

HashMap中的一些属性设置

    //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;

HashMap的构造方法

//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);
}

HashMap元素的节点类

//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;
        }

      ...
}

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

/*
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;
}

设置key-value的方法 - put方法

//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);
        }
}

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

1.2.2 LinkedHashMap

1.2.2.1 特点

key有序（插入顺序），不可重复

1.2.2.2 底层原理

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。

//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;
}

**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

1.2.3 TreeMap

1.2.3.1 特点

key有序（字典排序），不可重复

1.2.3.2 底层原理

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。

二、多线程

2.1 什么是线程安全的问题？

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。

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

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

2.3.1 可见性

可见性问题的代码：

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){
        }
    }
}

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

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 = 10; - 原子操作
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
    }
}

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。

2.3.3 有序性

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。

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

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。

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);
    }
}

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，
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

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();

重入读写锁机制

//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();

读写锁中，读锁 兼容 读锁，读锁 互斥 写锁，写锁 互斥 写锁
读写锁特别适合读多写少的业务

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）

…

2.5 编写一个线程安全的单例模式（懒汉式）

CAS版的线程安全的懒汉式

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();
    }
}    

双重锁判定版本

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

ArrayList、HashMap等集合线程不安全，体现在什么地方？会带来什么问题？

2.6.1 如何解决多线程下集合安全的问题？

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。

2.6.2 CopyOnWriteArrayList类 - ArrayList线程安全的解决方案

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）

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();
        }
}

读取元素时的方法 - get

//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

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。
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

添加元素的方法 - put(key,value)

//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;
}

初始化哈希表的方法 - initTable

//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

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

/**
     * 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();
    }

工作中运用反射解决的问题

四、Spring框架

4.1 IOC和AOP

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

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）

AnnotationConfigApplicationContext构造方法

//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();

scan 扫描包路径的方法

BeanDefinitionRegistry registry; // - 这个对象用来将BeanDefinition对象注册到BeanFactory中

doScan(basePackages);

doScan 扫描包路径生成对应的Bean的BeanDefinition对象

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;
}

refresh方法

@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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