Java高级

异常处理

Java的异常

调用方获取调用失败的信息

约定返回错误码

处理一个文件，如果返回0，表示成功，返回其他整数，表示约定的错误码：

int code = processFile("C:\\test.txt");
if (code == 0) {
    // ok:
} else {
    // error:
    switch (code) {
    case 1:
        // file not found:
    case 2:
        // no read permission:
    default:
        // unknown error:
    }
}

语言层面上提供一个异常处理机制、

try {
    String s = processFile(“C:\\test.txt”);
    // ok:
} catch (FileNotFoundException e) {
    // file not found:
} catch (SecurityException e) {
    // no read permission:
} catch (IOException e) {
    // io error:
} catch (Exception e) {
    // other error:
}

异常是class，它的继承关系如下：

                     ┌───────────┐
                     │  Object   │
                     └───────────┘
                           ▲
                           │
                     ┌───────────┐
                     │ Throwable │
                     └───────────┘
                           ▲
                 ┌─────────┴─────────┐
                 │                   │
           ┌───────────┐       ┌───────────┐
           │   Error   │       │ Exception │
           └───────────┘       └───────────┘
                 ▲                   ▲
         ┌───────┘              ┌────┴──────────┐
         │                      │               │
┌─────────────────┐    ┌─────────────────┐┌───────────┐
│OutOfMemoryError │... │RuntimeException ││IOException│...
└─────────────────┘    └─────────────────┘└───────────┘
                                ▲
                    ┌───────────┴─────────────┐
                    │                         │
         ┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
         │NullPointerException │ │IllegalArgumentException │...
         └─────────────────────┘ └─────────────────────────┘

Throwable有两个体系：

Error表示严重的错误，程序对此一般无能为力，例如：
- OutOfMemoryError：内存耗尽
- NoClassDefFoundError：无法加载某个Class
- StackOverflowError：栈溢出
Exception则是运行时的错误，它可以被捕获并处理
某些异常是应用程序逻辑处理的一部分，应该捕获并处理：NumberFormatException：数值类型的格式错误
- FileNotFoundException：未找到文件
- SocketException：读取网络失败
还有一些异常是程序逻辑编写不对造成的，应该修复程序本身：
- NullPointerException：对某个null的对象调用方法或字段
- IndexOutOfBoundsException：数组索引越界

Java规定：
- 必须捕获的异常，包括Exception及其子类，但不包括RuntimeException及其子类，这种类型的异常称为Checked Exception
- 不需要捕获的异常，包括Error及其子类，RuntimeException及其子类

捕获异常

捕获异常使用try...catch语句

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) {
        try {
            // 用指定编码转换String为byte[]:
            return s.getBytes("GBK");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            // 如果系统不支持GBK编码，会捕获到UnsupportedEncodingException:
            System.out.println(e); // 打印异常信息
            return s.getBytes(); // 尝试使用默认编码
        }
    }
}

只要是方法声明的Checked Exception，不在调用层捕获，也必须在更高的调用层捕获

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

上述代码仍然会得到编译错误，但这一次，编译器提示的不是调用return s.getBytes("GBK");的问题，而是byte[] bs = toGBK("中文");

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) {
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

以上代码，编译器会报错

以下修复方法是在main()方法中捕获异常并处理：

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            byte[] bs = toGBK("中文");
            System.out.println(Arrays.toString(bs));
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            System.out.println(e);
        }
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        // 用指定编码转换String为byte[]:
        return s.getBytes("GBK");
    }
}

因为String.getBytes(String)方法定义是：

public byte[] getBytes(String charsetName) throws UnsupportedEncodingException {
    ...
}

在方法定义的时候，使用throws Xxx表示该方法可能抛出的异常类型。调用方在调用的时候，必须强制捕获这些异常，否则编译器会报错

上面的写法就略显麻烦。如果不想写任何try代码，可以直接把main()方法定义为throws Exception：

// try...catch
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] bs = toGBK("中文");
        System.out.println(Arrays.toString(bs));
    }

    static byte[] toGBK(String s) throws UnsupportedEncodingException {
        // 用指定编码转换String为byte[]:
        return s.getBytes("GBK");
    }

捕获异常

Java中，凡是可能抛出异常的语句，都可以用try ... catch捕获

多catch语句

多个catch语句只有一个能被执行。例如：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException e) {
        System.out.println(e);
    } catch (NumberFormatException e) {
        System.out.println(e);
    }
}

存在多个catch的时候，catch的顺序非常重要：子类必须写在前面

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (UnsupportedEncodingException e) {
        System.out.println("Bad encoding");
    } catch (IOException e) {
        System.out.println("IO error");
    }
}

finally语句
1. finally语句不是必须的，可写可不写；
2. finally总是最后执行。
如果没有发生异常，就正常执行try { ... }语句块，然后执行finally。如果发生了异常，就中断执行try { ... }语句块，然后跳转执行匹配的catch语句块，最后执行finally。
可见，finally是用来保证一些代码必须执行的

捕获多种异常

处理IOException和NumberFormatException的代码是相同的，所以我们可以把它两用|合并到一起：

public static void main(String[] args) {
    try {
        process1();
        process2();
        process3();
    } catch (IOException | NumberFormatException e) {
        // IOException或NumberFormatException
        System.out.println("Bad input");
    } catch (Exception e) {
        System.out.println("Unknown error");
    }
}

抛出异常

异常的传播

// exception
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            process1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void process1() {
        process2();
    }

    static void process2() {
        Integer.parseInt(null); // 会抛出NumberFormatException
    }
}

java.lang.NumberFormatException: null
    at java.base/java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:614)
    at java.base/java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:770)
    at Main.process2(Main.java:16)
    at Main.process1(Main.java:12)
    at Main.main(Main.java:5)

printStackTrace()对于调试错误非常有用，上述信息表示：NumberFormatException是在java.lang.Integer.parseInt方法中被抛出的，从下往上看，调用层次依次是：

main()调用process1()；
process1()调用process2()；
process2()调用Integer.parseInt(String)；
Integer.parseInt(String)调用Integer.parseInt(String, int)。

查看Integer.java源码可知，抛出异常的方法代码如下：

public static int parseInt(String s, int radix) throws NumberFormatException {
    if (s == null) {
        throw new NumberFormatException("null");
    }
    ...
}

抛出异常

抛出异常分两步：
1. 创建某个Exception的实例；
2. 用throw语句抛出。

举例子

void process2(String s) {
    if (s==null) {
        throw new NullPointerException();
    }
}

如果一个方法捕获了某个异常后，又在catch子句中抛出新的异常，就相当于把抛出的异常类型“转换”了：

// exception
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            process1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void process1() {
        try {
            process2();
        } catch (NullPointerException e) {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
    }

    static void process2() {
        throw new NullPointerException();
    }
}

java.lang.IllegalArgumentException
    at Main.process1(Main.java:15)
    at Main.main(Main.java:5)

这说明新的异常丢失了原始异常信息，我们已经看不到原始异常NullPointerException的信息了

为了能追踪到完整的异常栈，在构造异常的时候，把原始的Exception实例传进去

// exception
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            process1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void process1() {
        try {
            process2();
        } catch (NullPointerException e) {
            throw new IllegalArgumentException(e);
        }
    }

    static void process2() {
        throw new NullPointerException();
    }
}

java.lang.IllegalArgumentException: java.lang.NullPointerException
    at Main.process1(Main.java:15)
    at Main.main(Main.java:5)
Caused by: java.lang.NullPointerException
    at Main.process2(Main.java:20)
    at Main.process1(Main.java:13)

异常屏蔽

定义：说明finally抛出异常后，原来在catch中准备抛出的异常就“消失”了，因为只能抛出一个异常

// exception
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Integer.parseInt("abc");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("catched");
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            System.out.println("finally");
            throw new IllegalArgumentException();
        }
    }
}

catched
finally
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException
    at Main.main(Main.java:11)

在极少数的情况下，我们需要获知所有的异常

方法是先用origin变量保存原始异常，然后调用Throwable.addSuppressed()，把原始异常添加进来，最后在finally抛出：

// exception
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Exception origin = null;
        try {
            System.out.println(Integer.parseInt("abc"));
        } catch (Exception e) {
            origin = e;
            throw e;
        } finally {
            Exception e = new IllegalArgumentException();
            if (origin != null) {
                e.addSuppressed(origin);
            }
            throw e;
        }
    }
}

当catch和finally都抛出了异常时，虽然catch的异常被屏蔽了，但是，finally抛出的异常仍然包含了它：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException
    at Main.main(Main.java:11)
Suppressed: java.lang.NumberFormatException: For input string: "abc"
    at java.base/java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
    at java.base/java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:652)
    at java.base/java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:770)
    at Main.main(Main.java:6)

绝大多数情况下，在finally中不要抛出异常。因此，我们通常不需要关心Suppressed Exception

自定义异常

Java标准库定义的常用异常包括：

Exception
├─ RuntimeException
│  ├─ NullPointerException
│  ├─ IndexOutOfBoundsException
│  ├─ SecurityException
│  └─ IllegalArgumentException
│     └─ NumberFormatException
├─ IOException
│  ├─ UnsupportedCharsetException
│  ├─ FileNotFoundException
│  └─ SocketException
├─ ParseException
├─ GeneralSecurityException
├─ SQLException
└─ TimeoutException

自定义的BaseException应该提供多个构造方法：

public class BaseException extends RuntimeException {
    public BaseException() {
        super();
    }

    public BaseException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }

    public BaseException(String message) {
        super(message);
    }

    public BaseException(Throwable cause) {
        super(cause);
    }
}

上述构造方法实际上都是原样照抄RuntimeException。这样，抛出异常的时候，就可以选择合适的构造方法

NullPointerException
- NullPointerException即空指针异常，如果一个对象为null，调用其方法或访问其字段就会产生NullPointerException，这个异常通常是由JVM抛出的
```
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String s = null;
        System.out.println(s.toLowerCase());
    }
}
```
- 处理NullPointerException
  NullPointerException是一种代码逻辑错误，遇到NullPointerException，遵循原则是早暴露，早修复，严禁使用catch来隐藏这种编码错误：
```
// 错误示例: 捕获NullPointerException
try {
    transferMoney(from, to, amount);
} catch (NullPointerException e) {
}
```
  使用空字符串""而不是默认的null可避免很多NullPointerException，编写业务逻辑时，用空字符串""表示未填写比null安全得多。
  返回空字符串""、空数组而不是null：
```
public String[] readLinesFromFile(String file) {
    if (getFileSize(file) == 0) {
        // 返回空数组而不是null:
        return new String[0];
    }
    ...
}
```
使用断言(Assertion)
- 断言（Assertion）是一种调试程序的方式
- 看一个例子：
```
public static void main(String[] args) {
    double x = Math.abs(-123.45);
    assert x >= 0;
    System.out.println(x);
}
```
  语句assert x >= 0;即为断言，断言条件x >= 0预期为true。如果计算结果为false，则断言失败，抛出AssertionError
  还可以添加一个可选的断言消息：
```
assert x >= 0 : "x must >= 0";
```
  这样，断言失败的时候，AssertionError会带上消息x must >= 0
- 对于可恢复的程序错误，不应该使用断言。例如：
```
void sort(int[] arr) {
    assert arr != null;
}
```
  应该抛出异常并在上层捕获：
```
void sort(int[] arr) {
    if (arr == null) {
        throw new IllegalArgumentException("array cannot be null");
    }
}
```
- 要执行assert语句，必须给Java虚拟机传递-enableassertions（可简写为-ea）参数启用断言。
```
$ java -ea Main.java
Exception in thread "main" java.lang.AssertionError
	at Main.main(Main.java:5)
```
使用JDK Logging
- 在编写程序的过程中，发现程序运行结果与预期不符，怎么办？
  - 用System.out.println()打印出执行过程中的某些变量，观察每一步的结果与代码逻辑是否符合，然后有针对性地修改代码
  - 但太麻烦，最好解决方法是使用日志
- 日志的好处
  - 日志就是Logging，它的目的是为了取代System.out.println()
  - 输出日志，而不是用System.out.println()，有以下几个好处：
    1. 可以设置输出样式，避免自己每次都写"ERROR: " + var；
    2. 可以设置输出级别，禁止某些级别输出。例如，只输出错误日志；
    3. 可以被重定向到文件，这样可以在程序运行结束后查看日志；
    4. 可以按包名控制日志级别，只输出某些包打的日志；
- 使用日志
  - Java标准库内置了日志包java.util.logging，我们可以直接用
```
// logging
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        Logger logger = Logger.getGlobal();
        logger.info("start process...");
        logger.warning("memory is running out...");
        logger.fine("ignored.");
        logger.severe("process will be terminated...");
    }
}
```
```
Mar 02, 2019 6:32:13 PM Hello main
INFO: start process...
Mar 02, 2019 6:32:13 PM Hello main
WARNING: memory is running out...
Mar 02, 2019 6:32:13 PM Hello main
SEVERE: process will be terminated...
```
  - logger.fine()没有打印。这是因为，日志的输出可以设定级别。JDK的Logging定义了7个日志级别，从严重到普通：
    - SEVERE
    - WARNING
    - INFO
    - CONFIG
    - FINE
    - FINER
    - FINEST
    因为默认级别是INFO，INFO级别以下的日志，不会被打印出来。使用日志级别的好处在于，调整级别，就可以屏蔽掉很多调试相关的日志输出。
使用Commons Logging
- Commons Logging是一个第三方日志库，它是由Apache创建的日志模块
- 使用Commons Logging
  - 第一步，通过LogFactory获取Log类的实例
  - 第二步，使用Log实例的方法打日志
```
import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Log log = LogFactory.getLog(Main.class);
        log.info("start...");
        log.warn("end.");
    }
}
```
  - 运行上述代码，肯定会得到编译错误
  - Apache Commons Logging – Download Apache Commons Logging下载下来，
  - 找到commons-logging-1.2.jar这个文件，再把Java源码Main.java放到一个目录下，例如work目录：
```
work
├─ commons-logging-1.2.jar
└─ Main.java
```
  - 用javac编译Main.java，编译的时候要指定classpath
```
javac -cp commons-logging-1.2.jar Main.java
```
    编译成功，当前目录下就会多出一个Main.class文件
```
work
├─ commons-logging-1.2.jar
├─ Main.java
└─ Main.class
```
  - 现在可以执行这个Main.class，使用java命令，也必须指定classpath
```
java -cp .;commons-logging-1.2.jar Main
```
    注意到传入的classpath有两部分：一个是.，一个是commons-logging-1.2.jar，用;分割。.表示当前目录，如果没有这个.，JVM不会在当前目录搜索Main.class，就会报错
使用Log4j
- Log4j是一种非常流行的日志框架，最新版本是2.x。
  Log4j是一个组件化设计的日志系统，它的架构大致如下：

log.info("User signed in.");
 │
 │   ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
 ├──▶│ Appender │───▶│  Filter  │───▶│  Layout  │───▶│ Console  │
 │   └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘
 │
 │   ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
 ├──▶│ Appender │───▶│  Filter  │───▶│  Layout  │───▶│   File   │
 │   └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘
 │
 │   ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
 └──▶│ Appender │───▶│  Filter  │───▶│  Layout  │───▶│  Socket  │
     └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘    └──────────┘

使用Log4j输出一条日志时，Log4j自动通过不同的Appender把同一条日志输出到不同的目的地。

console：输出到屏幕；
file：输出到文件；

socket：通过网络输出到远程计算机；

以XML配置为例，使用Log4j的时候，我们把一个log4j2.xml的文件放到classpath下就可以让Log4j读取配置文件并按照我们的配置来输出日志。下面是一个配置文件的例子：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<Configuration>
	<Properties>
        <!-- 定义日志格式 -->
		<Property name="log.pattern">%d{MM-dd HH:mm:ss.SSS} [%t] %-5level %logger{36}%n%msg%n%n</Property>
        <!-- 定义文件名变量 -->
		<Property name="file.err.filename">log/err.log</Property>
		<Property name="file.err.pattern">log/err.%i.log.gz</Property>
	</Properties>
    <!-- 定义Appender，即目的地 -->
	<Appenders>
        <!-- 定义输出到屏幕 -->
		<Console name="console" target="SYSTEM_OUT">
            <!-- 日志格式引用上面定义的log.pattern -->
			<PatternLayout pattern="${log.pattern}" />
		</Console>
        <!-- 定义输出到文件,文件名引用上面定义的file.err.filename -->
		<RollingFile name="err" bufferedIO="true" fileName="${file.err.filename}" filePattern="${file.err.pattern}">
			<PatternLayout pattern="${log.pattern}" />
			<Policies>
                <!-- 根据文件大小自动切割日志 -->
				<SizeBasedTriggeringPolicy size="1 MB" />
			</Policies>
            <!-- 保留最近10份 -->
			<DefaultRolloverStrategy max="10" />
		</RollingFile>
	</Appenders>
	<Loggers>
		<Root level="info">
            <!-- 对info级别的日志，输出到console -->
			<AppenderRef ref="console" level="info" />
            <!-- 对error级别的日志，输出到err，即上面定义的RollingFile -->
			<AppenderRef ref="err" level="error" />
		</Root>
	</Loggers>
</Configuration>

反射Reflection

Java的反射是指程序在运行期可以拿到一个对象的所有信息

正常情况下，如果我们要调用一个对象的方法，或者访问一个对象的字段，通常会传入对象实例：

// Main.java
import com.itranswarp.learnjava.Person;

public class Main {
    String getFullName(Person p) {
        return p.getFirstName() + " " + p.getLastName();
    }
}

`Class`类

class（包括interface）的本质是数据类型（Type）
- 无继承关系的数据类型无法赋值：
```
Number n = new Double(123.456); // OK
String s = new Double(123.456); // compile error!
```
而class是由JVM在执行过程中动态加载的。JVM在第一次读取到一种class类型时，将其加载进内存
每加载一种class，JVM就为其创建一个Class类型的实例，并关联起来。注意：**这里的Class类型是一个名叫Class的class**
```
public final class Class {
    private Class() {}
}
```
以String类为例，当JVM加载String类时，它首先读取String.class文件到内存，然后，为String类创建一个Class实例并关联起来：
```
Class cls = new Class(String);
```
这个Class实例是JVM内部创建的，可以发现Class类的构造方法是private，只有JVM能创建Class实例，我们自己的Java程序是无法创建Class实例

JVM持有的每个Class实例都指向一个数据类型（class或interface）：

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │────▶ String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │────▶ Random
├───────────────────────────┤
│name = "java.util.Random"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │────▶ Runnable
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.Runnable"│
└───────────────────────────┘

一个Class实例包含了该class的所有完整信息：

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │────▶ String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
├───────────────────────────┤
│package = "java.lang"      │
├───────────────────────────┤
│super = "java.lang.Object" │
├───────────────────────────┤
│interface = CharSequence...│
├───────────────────────────┤
│field = value[],hash,...   │
├───────────────────────────┤
│method = indexOf()...      │
└───────────────────────────┘

通过Class实例获取class信息的方法称为反射（Reflection）

获取一个class的Class实例？
- 直接通过一个class的静态变量class获取：
```
Class cls = String.class;
```
- 如果我们有一个实例变量，可以通过该实例变量提供的getClass()方法获取：
```
String s = "Hello";
Class cls = s.getClass();
```
- 如果知道一个class的完整类名，可以通过静态方法Class.forName()获取：
```
Class cls = Class.forName("java.lang.String");
```
Class实例在JVM中是唯一的，上述方法获取的Class实例是同一个实例
注意到数组（例如String[]）也是一种类，而且不同于String.class，它的类名是[Ljava.lang.String;
获取到了一个Class实例，我们就可以通过该Class实例来创建对应类型的实例：
```
// 获取String的Class实例:
Class cls = String.class;
// 创建一个String实例:
String s = (String) cls.newInstance();
```
上述代码相当于new String()
局限是：只能调用public的无参数构造方法
动态加载
JVM在执行Java程序的时候，不是一次性把所有用到的class全部加载到内存，而是第一次需要用到class时才加载
```
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        if (args.length > 0) {
            create(args[0]);
        }
    }

    static void create(String name) {
        Person p = new Person(name);
    }
}
```
当执行Main.java时，由于用到了Main，因此，JVM首先会把Main.class加载到内存。然而，并不会加载Person.class，除非程序执行到create()方法，JVM发现需要加载Person类时，才会首次加载Person.class

动态加载举例

动态加载class的特性对于Java程序非常重要。利用JVM动态加载class的特性，我们才能在运行期根据条件加载不同的实现类。例如，Commons Logging总是优先使用Log4j，只有当Log4j不存在时，才使用JDK的logging。利用JVM动态加载特性，大致的实现代码如下：

// Commons Logging优先使用Log4j:
LogFactory factory = null;
if (isClassPresent("org.apache.logging.log4j.Logger")) {
    factory = createLog4j();
} else {
    factory = createJdkLog();
}

boolean isClassPresent(String name) {
    try {
        Class.forName(name);
        return true;
    } catch (Exception e) {
        return false;
    }
}

访问字段

对任意的一个Object实例，只要我们获取了它的Class，就可以获取它的一切信息
Class类提供了以下几个方法来获取字段：
- Field getField(name)：根据字段名获取某个public的field（包括父类）
- Field getDeclaredField(name)：根据字段名获取当前类的某个field(不包括父类）
- Field[] getFields()：获取所有public的field（包括父类）
- Field[] getDeclaredFields()：获取当前类的所有field（不包括父类）

// reflection
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class stdClass = Student.class;
        // 获取public字段"score":
        System.out.println(stdClass.getField("score"));
        // 获取继承的public字段"name":
        System.out.println(stdClass.getField("name"));
        // 获取private字段"grade":
        System.out.println(stdClass.getDeclaredField("grade"));
    }
}

class Student extends Person {
    public int score;
    private int grade;
}

class Person {
    public String name;
}

public int Student.score
public java.lang.String Person.name
private int Student.grade

public final class String {
    private final byte[] value;
}

Field f = String.class.getDeclaredField("value");
f.getName(); // "value"
f.getType(); // class [B 表示byte[]类型
int m = f.getModifiers();
Modifier.isFinal(m); // true
Modifier.isPublic(m); // false
Modifier.isProtected(m); // false
Modifier.isPrivate(m); // true
Modifier.isStatic(m); // false

获取字段值

对Person实例，可以先拿name字段对应Field，再获取这实例的name字段值：

// reflection
import java.lang.reflect.Field;
public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object p = new Person("Xiao Ming");
        Class c = p.getClass();
        Field f = c.getDeclaredField("name");
        Object value = f.get(p);
        System.out.println(value); // "Xiao Ming"
    }
}

class Person {
    private String name;

    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
}

运行代码，如果不出意外，会得到一个IllegalAccessException，这是因为name被定义为一个private字段，正常情况下，Main类无法访问Person类的private字段。要修复错误，可以将private改为public，或者，在调用Object value = f.get(p);前，先写一句：

f.setAccessible(true);

设置字段值

import java.lang.reflect.Field;

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Person p = new Person("Xiao Ming");
        System.out.println(p.getName()); // "Xiao Ming"
        Class c = p.getClass();
        Field f = c.getDeclaredField("name");
        f.setAccessible(true);
        f.set(p, "Xiao Hong");
        System.out.println(p.getName()); // "Xiao Hong"
    }
}

class Person {
    private String name;

    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return this.name;
    }
}

调用方法

已通过Class实例获取所有Field对象，可通过Class实例获取所有Method信息：

Method getMethod(name, Class...)：获取某个public的Method（包括父类）
Method getDeclaredMethod(name, Class...)：获取当前类的某个Method（不包括父类）
Method[] getMethods()：获取所有public的Method（包括父类）
Method[] getDeclaredMethods()：获取当前类的所有Method（不包括父类）

// reflection
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class stdClass = Student.class;
        // 获取public方法getScore，参数为String:
        System.out.println(stdClass.getMethod("getScore", String.class));
        // 获取继承的public方法getName，无参数:
        System.out.println(stdClass.getMethod("getName"));
        // 获取private方法getGrade，参数为int:
        System.out.println(stdClass.getDeclaredMethod("getGrade", int.class));
    }
}

class Student extends Person {
    public int getScore(String type) {
        return 99;
    }
    private int getGrade(int year) {
        return 1;
    }
}

class Person {
    public String getName() {
        return "Person";
    }
}

public int Student.getScore(java.lang.String)
public java.lang.String Person.getName()
private int Student.getGrade(int)

调用方法

用反射来调用substring方法

import java.lang.reflect.Method;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // String对象:
        String s = "Hello world";
        // 获取String substring(int)方法，参数为int:
        Method m = String.class.getMethod("substring", int.class);
        // 在s对象上调用该方法并获取结果:
        String r = (String) m.invoke(s, 6);
        // 打印调用结果:
        System.out.println(r); // "world"
    }
}

注意到substring()有两个重载方法，我们获取的是String substring(int)这个方法。

调用静态方法

如果获取到的Method表示一个静态方法，调用静态方法时，由于无需指定实例对象，所以invoke方法传入的第一个参数永远为null

// reflection
import java.lang.reflect.Method;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取Integer.parseInt(String)方法，参数为String:
        Method m = Integer.class.getMethod("parseInt", String.class);
        // 调用该静态方法并获取结果:
        Integer n = (Integer) m.invoke(null, "12345");
        // 打印调用结果:
        System.out.println(n);
    }
}

调用非public方法

虽然可以通过Class.getDeclaredMethod()获取该方法实例，但直接对其调用将得到一个IllegalAccessException。为了调用非public方法，我们通过Method.setAccessible(true)允许其调用：

// reflection
import java.lang.reflect.Method;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Person p = new Person();
        Method m = p.getClass().getDeclaredMethod("setName", String.class);
        m.setAccessible(true);
        m.invoke(p, "Bob");
        System.out.println(p.name);
    }
}

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

多态

一个Person类定义了hello()方法，并且它的子类Student也覆写了hello()方法，那么，从Person.class获取的Method，作用于Student实例时

/ reflection
import java.lang.reflect.Method;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取Person的hello方法:
        Method h = Person.class.getMethod("hello");
        // 对Student实例调用hello方法:
        h.invoke(new Student());
    }
}

class Person {
    public void hello() {
        System.out.println("Person:hello");
    }
}

class Student extends Person {
    public void hello() {
        System.out.println("Student:hello");
    }
}

运行上述代码，发现打印出的是Student:hello，因此，使用反射调用方法时，仍然遵循多态原则：即总是调用实际类型的覆写方法（如果存在）

Method m = Person.class.getMethod("hello");
m.invoke(new Student());

Person p = new Student();
p.hello();

调用构造方法

```
Person p = new Person();
```
通过反射来创建新的实例，可以调用Class提供的newInstance()方法：
```
Person p = Person.class.newInstance();
```
调用Class.newInstance()的局限是，它只能调用该类的public无参数构造方法

为了调用任意的构造方法，Java的反射API提供了Constructor对象

import java.lang.reflect.Constructor;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取构造方法Integer(int):
        Constructor cons1 = Integer.class.getConstructor(int.class);
        // 调用构造方法:
        Integer n1 = (Integer) cons1.newInstance(123);
        System.out.println(n1);

        // 获取构造方法Integer(String)
        Constructor cons2 = Integer.class.getConstructor(String.class);
        Integer n2 = (Integer) cons2.newInstance("456");
        System.out.println(n2);
    }
}

getConstructor(Class...)：获取某个public的Constructor；
getDeclaredConstructor(Class...)：获取某个Constructor；
getConstructors()：获取所有public的Constructor；
getDeclaredConstructors()：获取所有Constructor。

调用非public的Constructor时，必须首先通过setAccessible(true)设置允许访问。setAccessible(true)可能会失败

获取继承关系

获取父类的Class

// reflection
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class i = Integer.class;
        Class n = i.getSuperclass();
        System.out.println(n);
        Class o = n.getSuperclass();
        System.out.println(o);
        System.out.println(o.getSuperclass());
    }
}

运行代码，可以看到，Integer的父类类型是Number，Number的父类是Object，Object的父类是null

获取interface
- 由于类可能实现一个或多个接口，通过Class我们就可以查询到实现的接口类型
```
// reflection
import java.lang.reflect.Method;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class s = Integer.class;
        Class[] is = s.getInterfaces();
        for (Class i : is) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}
```
  运行上述代码可知，Integer实现的接口有：
  - java.lang.Comparable
  - java.lang.constant.Constable
  - java.lang.constant.ConstantDesc
- 特别注意：getInterfaces()只返回当前类直接实现的接口类型，并不包括其父类实现的接口类型

继承关系

当我们判断一个实例是否是某个类型时，正常情况下，使用instanceof操作符：

Object n = Integer.valueOf(123);
boolean isDouble = n instanceof Double; // false
boolean isInteger = n instanceof Integer; // true
boolean isNumber = n instanceof Number; // true
boolean isSerializable = n instanceof java.io.Serializable; // true

如果是两个Class实例，要判断一个向上转型是否成立，可以调用isAssignableFrom()：

// Integer i = ?
Integer.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Integer
// Number n = ?
Number.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Number
// Object o = ?
Object.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Object
// Integer i = ?
Integer.class.isAssignableFrom(Number.class); // false，因为Number不能赋值给Integer

动态代理(Dynamic Proxy)

我们来比较Java的class和interface的区别：
- 可以实例化class（非abstract）
- 不能实例化interface
所有interface类型的变量总是通过某个实例向上转型并赋值给接口类型变量的：
```
CharSequence cs = new StringBuilder();
```

动态代理（Dynamic Proxy）机制：可以在运行期动态创建某个interface的实例

静态代码写法：

定义接口：

public interface Hello {
    void morning(String name);
}

编写实现类：

public class HelloWorld implements Hello {
    public void morning(String name) {
        System.out.println("Good morning, " + name);
    }
}

创建实例，转型为接口并调用：

Hello hello = new HelloWorld();
hello.morning("Bob");

动态代码写法

我们仍然先定义了接口Hello，但是我们并不去编写实现类，而是直接通过JDK提供的一个Proxy.newProxyInstance()创建了一个Hello接口对象

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        InvocationHandler handler = new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println(method);
                if (method.getName().equals("morning")) {
                    System.out.println("Good morning, " + args[0]);
                }
                return null;
            }
        };
        Hello hello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(
            Hello.class.getClassLoader(), // 传入ClassLoader
            new Class[] { Hello.class }, // 传入要实现的接口
            handler); // 传入处理调用方法的InvocationHandler
        hello.morning("Bob");
    }
}

interface Hello {
    void morning(String name);
}

在运行期动态创建一个interface实例的方法如下：

定义一个InvocationHandler实例，它负责实现接口的方法调用；
通过Proxy.newProxyInstance()创建interface实例，它需要3个参数：
1. 使用的ClassLoader，通常就是接口类的ClassLoader；
2. 需要实现的接口数组，至少需要传入一个接口进去；
3. 用来处理接口方法调用的InvocationHandler实例。
将返回的Object强制转型为接口

动态代理实际上是JVM在运行期动态创建class字节码并加载的过程，把上面的动态代理改写为静态实现类大概长这样：

public class HelloDynamicProxy implements Hello {
    InvocationHandler handler;
    public HelloDynamicProxy(InvocationHandler handler) {
        this.handler = handler;
    }
    public void morning(String name) {
        handler.invoke(
           this,
           Hello.class.getMethod("morning", String.class),
           new Object[] { name }
        );
    }
}

多线程

基础
- Java程序入口就是由JVM启动main线程，main线程又可以启动其他线程。当所有线程都运行结束时，JVM退出，进程结束
- 某些进程内部需要同时执行多个子任务。
  - 在使用Word时，Word可以让我们一边打字，一边进行拼写检查，同时还可以在后台进行打印，我们把子任务称为线程
- 多进程稳定性比多线程高，因为在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃
- 一个Java程序实际上是一个JVM进程，JVM进程用一个主线程来执行main()方法，在main()方法内部，我们又可以启动多个线程。此外，JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等
- 多线程编程的特点在于：多线程经常需要读写共享数据，并且需要同步。例如，播放电影时，就必须由一个线程播放视频，另一个线程播放音频，两个线程需要协调运行，否则画面和声音就不同步

创建新线程

需要实例化一个Thread实例，然后调用它的start()方法：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

从Thread派生一个自定义类，然后覆写run()方法：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

执行上述代码，注意到start()方法会在内部自动调用实例的run()方法

创建Thread实例时，传入一个Runnable实例：

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyRunnable());
        t.start(); // 启动新线程
    }
}

class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start new thread!");
    }
}

使用线程执行的打印语句，和直接在main()方法执行的区别
- ```
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main start...");//蓝色
        Thread t = new Thread() {//蓝色
            public void run() {
                System.out.println("thread run...");//红色
                System.out.println("thread end.");//红色
            }
        };
        t.start();//蓝色
        System.out.println("main end...");//蓝色
    }
}
```
  蓝色表示主线程，就是main线程，main线程执行的代码4行，打印main start
  然后创建Thread对象，紧接着调用start()启动新线程
  当start()方法被调用时，JVM就创建了一个新线程，我们通过实例变量t来表示这个新线程对象，并开始执行
  main线程继续执行打印main end语句，而t线程在main线程执行的同时会并发执行，打印thread run和thread end语句
  当run()方法结束时，新线程就结束了。而main()方法结束时，主线程也结束了
- 我们再来看线程的执行顺序：
  1. main线程肯定是先打印main start，再打印main end；
  2. t线程肯定是先打印thread run，再打印thread end。
  除了可以肯定，main start会先打印外，main end打印在thread run之前、thread end之后或者之间，都无法确定。因为从t线程开始运行以后，两个线程就开始同时运行了，并且由操作系统调度，程序本身无法确定线程的调度顺序
线程的优先级
- 可以对线程设定优先级，设定优先级的方法是：
```
Thread.setPriority(int n) // 1~10, 默认值5
```

线程的状态
- 在Java程序中，一个线程对象只能调用一次start()方法启动新线程，并在新线程中执行run()方法。一旦run()方法执行完毕，线程就结束了
  - New：新创建的线程，尚未执行；
  - Runnable：运行中的线程，正在执行run()方法的Java代码；
  - Blocked：运行中的线程，因为某些操作被阻塞而挂起；
  - Waiting：运行中的线程，因为某些操作在等待中；
  - Timed Waiting：运行中的线程，因为执行sleep()方法正在计时等待；
  - Terminated：线程已终止，因为run()方法执行完毕
- 线程启动后，它可以在Runnable、Blocked、Waiting和Timed Waiting这几个状态之间切换，直到最后变成Terminated状态，线程终止
- 线程终止的原因有：
  - 线程正常终止：run()方法执行到return语句返回；
  - 线程意外终止：run()方法因为未捕获的异常导致线程终止；
  - 对某个线程的Thread实例调用stop()方法强制终止（强烈不推荐使用）
- 一个线程还可以等待另一个线程直到其运行结束。例如，main线程在启动t线程后，可以通过t.join()等待t线程结束后再继续运行：
```
// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println("hello");
        });
        System.out.println("start");
        t.start(); // 启动t线程
        t.join(); // 此处main线程会等待t结束
        System.out.println("end");
    }
}
```
```
start
hello
end
```

中断线程

定义：其他线程给该线程发一个信号，该线程收到信号后结束执行run()方法，使得自身线程能立刻结束运行
中断一个线程非常简单，只需要在其他线程中对目标线程调用interrupt()方法，目标线程需要反复检测自身状态是否是interrupted状态，如果是，就立刻结束运行
- 举例：从网络下载一个100M的文件，如果网速很慢，用户等得不耐烦，就可能在下载过程中点“取消”，这时，程序就需要中断下载线程的执行
- ```
// 中断线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1); // 暂停1毫秒
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (! isInterrupted()) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
    }
}
```
  main线程通过调用t.interrupt()方法中断t线程，但是要注意，interrupt()方法仅仅向t线程发出了“中断请求”，至于t线程是否能立刻响应，要看具体代码。而t线程的while循环会检测isInterrupted()，所以上述代码能正确响应interrupt()请求，使得自身立刻结束运行run()方法

// 中断线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.interrupt(); // 中断t线程
        t.join(); // 等待t线程结束
        System.out.println("end");
    }
}

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        Thread hello = new HelloThread();
        hello.start(); // 启动hello线程
        try {
            hello.join(); // 等待hello线程结束
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("interrupted!");
        }
        hello.interrupt();
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public void run() {
        int n = 0;
        while (!isInterrupted()) {
            n++;
            System.out.println(n + " hello!");
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

main线程通过调用t.interrupt()从而通知t线程中断，而此时t线程正位于hello.join()的等待中，此方法会立刻结束等待并抛出InterruptedException。由于我们在t线程中捕获了InterruptedException，因此，就可以准备结束该线程。在t线程结束前，对hello线程也进行了interrupt()调用通知其中断。如果去掉这一行代码，可以发现hello线程仍然会继续运行，且JVM不会退出

另一个中断线程的方法：设置标志位

通常会用一个running标志位来标识线程是否应该继续运行，在外部线程中，通过把HelloThread.running置为false，就可以让线程结束

// 中断线程
public class Main {
    public static void main(String[] args)  throws InterruptedException {
        HelloThread t = new HelloThread();
        t.start();
        Thread.sleep(1);
        t.running = false; // 标志位置为false
    }
}

class HelloThread extends Thread {
    public volatile boolean running = true;
    public void run() {
        int n = 0;
        while (running) {
            n ++;
            System.out.println(n + " hello!");
        }
        System.out.println("end!");
    }
}

HelloThread的标志位boolean running是一个线程间共享的变量。线程间共享变量需要使用volatile关键字标记，确保每个线程都能读取到更新后的变量值

volatile关键字的目的是告诉虚拟机：
- 每次访问变量时，总是获取主内存的最新值；
- 每次修改变量后，立刻回写到主内存。
volatile关键字解决的是可见性问题：当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程能够立刻看到修改后的值

守护线程

但是有一种线程的目的就是无限循环，例如，一个定时触发任务的线程：

class TimerThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println(LocalTime.now());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }
    }
}

守护线程是指为其他线程服务的线程。在JVM中，所有非守护线程都执行完毕后，无论有没有守护线程，虚拟机都会自动退出。
创建守护线程:
方法和普通线程一样，只是在调用start()方法前，调用setDaemon(true)把该线程标记为守护线程：
```
Thread t = new MyThread();
t.setDaemon(true);
t.start();
```

同步-理解

多个线程同时运行时，线程的调度由操作系统决定，程序本身无法决定。任何一个线程都可能在任何指令处被操作系统暂停，然后在某个时间段后继续执行

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        var add = new AddThread();
        var dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);//每次结果,都是不一样的
    }
}

class Counter {
    public static int count = 0;
}

class AddThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) { Counter.count += 1; }
    }
}

class DecThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) { Counter.count -= 1; }
    }
}

原子操作
对于语句：
```
n = n + 1;
```
看上去是一行语句，实际上对应了3条指令：
```
ILOAD
IADD
ISTORE
```
多线程模型下，要保证逻辑正确，对共享变量进行读写时，必须保证一组指令以原子方式执行：即某一个线程执行时，其他线程必须等待
临界区：加锁和解锁之间的代码块
在执行期线程被操作系统中断执行，其他线程也会因为无法获得锁导致无法进入此指令区间。只有执行线程将锁释放后，其他线程才有机会获得锁并执行
任何时候临界区最多只有一个线程能执行
Java程序使用synchronized关键字对一个对象进行加锁：
```
synchronized(lock) {
    n = n + 1;
}
```
synchronized保证了代码块在任意时刻最多只有一个线程能执行

// 多线程
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        var add = new AddThread();
        var dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);//结果都是0
    }
}

class Counter {
    public static final Object lock = new Object();
    public static int count = 0;
}

class AddThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.count += 1;
            }
        }
    }
}

class DecThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.count -= 1;
            }
        }
    }
}

```
synchronized(Counter.lock) { // 获取锁
    ...
} // 释放锁
```
用Counter.lock实例作为锁，两个线程在执行各自的synchronized(Counter.lock) { ... }代码块时，必须先获得锁，才能进入代码块进行。执行结束后，在synchronized语句块结束会自动释放锁
来概括一下如何使用synchronized：
1. 找出修改共享变量的线程代码块；
2. 选择一个共享实例作为锁；
3. 使用synchronized(lockObject) { ... }

使用synchronized，不必担心抛出异常。因为无论是否有异常，都会在synchronized结束处正确释放锁：

public void add(int m) {
    synchronized (obj) {
        if (m < 0) {
            throw new RuntimeException();
        }
        this.value += m;
    } // 无论有无异常，都会在此释放锁
}

不需要synchronized操作

JVM规范定义了几种原子操作：
- 基本类型（long和double除外）赋值，例如：int n = m；
- 引用类型赋值，例如：List<String> list = anotherList
- long和double是64位数据，在x64平台的JVM是把long和double的赋值作为原子操作实现的

单条原子操作的语句不需要同步

public void set(int m) {
    synchronized(lock) {
        this.value = m;
    }
}

可改为：

public void set(String s) {
    this.value = s;
}

如果是多行赋值语句，就必须保证是同步操作，例如：

class Point {
    int x;
    int y;
    public void set(int x, int y) {
        synchronized(this) {
            this.x = x;
            this.y = y;
        }
    }
}

多线程连续读写多个变量时，同步的目的是为了保证程序逻辑正确！

class Point {
    int x;
    int y;

    public void set(int x, int y) {
        synchronized(this) {
            this.x = x;
            this.y = y;
        }
    }

    public int[] get() {
        int[] copy = new int[2];
        copy[0] = x;
        copy[1] = y;
    }
}

通过一些巧妙的转换，可以把非原子操作变为原子操作，改为：

class Point {
    int[] ps;
    public void set(int x, int y) {
        int[] ps = new int[] { x, y };
        this.ps = ps;
    }
}

this.ps = ps是引用赋值的原子操作

ps是方法内部定义的局部变量，每个线程都会有各自的局部变量，互不影响，并且互不可见，并不需要同步

不可变对象无需同步

如果多线程读写的是一个不可变对象，那么无需同步，因为不会修改对象的状态：

class Data {
    List<String> names;
    void set(String[] names) {
        this.names = List.of(names);
    }
    List<String> get() {
        return this.names;
    }
}

分析变量是否能被多线程访问

首先要理清概念，多线程同时执行的是方法

class Status {
    List<String> names;
    int x;
    int y;
    void set(String[] names, int n) {
        List<String> ns = List.of(names);
        this.names = ns;
        int step = n * 10;
        this.x += step;
        this.y += step;
    }
    StatusRecord get() {
        return new StatusRecord(this.names, this.x, this.y);
    }
}

如果有A、B两个线程，同时执行是指：

可能同时执行set()；
可能同时执行get()；
可能A执行set()，同时B执行get()

类的成员变量names、x、y显然能被多线程同时读写，但局部变量（包括方法参数）如果没有“逃逸”，那么只有当前线程可见;

局部变量step仅在set()方法内部使用，因此每个线程同时执行set时都有一份独立的step存储在线程的栈上，互不影响，但是局部变量ns虽然每个线程也各有一份，但后续赋值后对其他线程就变成可见了

对set()方法同步时，如果要最小化synchronized代码块，可以改写如下：

void set(String[] names, int n) {
    // 局部变量其他线程不可见:
    List<String> ns = List.of(names);
    int step = n * 10;
    synchronized(this) {
        this.names = ns;
        this.x += step;
        this.y += step;
    }
}

同步-同步方法

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }

    public void dec(int n) {
        synchronized(this) {
            count -= n;
        }
    }

    public int get() {
        return count;
    }
}

线程调用add()、dec()方法时，它不必关心同步逻辑，因为synchronized代码块在add()、dec()方法内部

我们注意到，synchronized锁住的对象是this，即当前实例，这又使得创建多个Counter实例的时候，它们之间互不影响，可以并发执行

var c1 = Counter();
var c2 = Counter();

// 对c1进行操作的线程:
new Thread(() -> {
    c1.add();
}).start();
new Thread(() -> {
    c1.dec();
}).start();

// 对c2进行操作的线程:
new Thread(() -> {
    c2.add();
}).start();
new Thread(() -> {
    c2.dec();
}).start();

线程安全
- 如果一个类被设计为允许多线程正确访问，Java标准库的java.lang.StringBuffer也是线程安全的
- 不变类，例如String，Integer，LocalDate，它们的所有成员变量都是final，多线程同时访问时只能读不能写，这些不变类也是线程安全的
- 类似Math这些只提供静态方法，没有成员变量的类，也是线程安全的

同步-死锁

Java的线程锁是可重入的锁
```
public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void add(int n) {
        if (n < 0) {
            dec(-n);
        } else {
            count += n;
        }
    }

    public synchronized void dec(int n) {
        count += n;
    }
}
```
synchronized修饰的add()方法，一旦线程执行到add()方法内部，已经获取当前实例的this锁，如果传入的n < 0，将在add()方法内部调用dec()方法。由于dec()方法也需要获取this锁
- 对同一个线程，能否在获取到锁以后继续获取同一个锁？
  JVM允许同一个线程重复获取同一个锁，这种能被同一个线程反复获取的锁，就叫做可重入锁
  因为Java线程锁是可重入锁，获取锁的时候，不但要判断是否是第一次获取，还要记录这是第几次获取。每获取一次锁，记录+1，每退出synchronized块，记录-1，减到0的时候，才会真正释放锁

死锁

一个线程可以获取一个锁后，再继续获取另一个锁

public void add(int m) {
    synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
        this.value += m;
        synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
            this.another += m;
        } // 释放lockB的锁
    } // 释放lockA的锁
}

public void dec(int m) {
    synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
        this.another -= m;
        synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
            this.value -= m;
        } // 释放lockA的锁
    } // 释放lockB的锁
}

两个线程各自持有不同的锁，然后各自试图获取对方手里的锁，造成了双方无限等待下去，这就是死锁
死锁发生后，没有任何机制能解除死锁，只能强制结束JVM进程

防止死锁

线程获取锁的顺序要一致

即严格按照先获取lockA，再获取lockB的顺序，改写dec()方法如下：

public void dec(int m) {
    synchronized(lockA) { // 获得lockA的锁
        this.value -= m;
        synchronized(lockB) { // 获得lockB的锁
            this.another -= m;
        } // 释放lockB的锁
    } // 释放lockA的锁
}

同步-`wait`和`notify`

synchronized解决了多线程竞争的问题
对于一个任务管理器，多个线程同时往队列中添加任务，可以用synchronized加锁：
```
class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
    }
}
```
编写一个getTask()方法取出队列的任务
```
class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
    }

    public synchronized String getTask() {
        while (queue.isEmpty()) {
        }
        return queue.remove();
    }
}
```
问题：实际上while()循环永远不会退出。因为线程在执行while()循环时，已经在getTask()入口获取了this锁，其他线程根本无法调用addTask()，因为addTask()执行条件也是获取this锁
执行上述代码，线程会在getTask()中因为死循环而100%占用CPU资源
- 只能在锁对象上调用wait()方法。因为在getTask()中，我们获得了this锁，因此，只能在this对象上调用wait()方法：
```
public synchronized String getTask() {
    while (queue.isEmpty()) {
        // 释放this锁:
        this.wait();
        // 重新获取this锁
    }
    return queue.remove();
}
```
  wait()方法的执行机制非常复杂。是定义在Object类的一个native方法，必须在synchronized块中才能调用wait()方法，因为wait()方法调用时，会释放线程获得的锁，wait()方法返回时，线程又会重新试图获得锁
- 在相同的锁对象上调用notify()方法
```
public synchronized void addTask(String s) {
    this.queue.add(s);
    this.notify(); // 唤醒在this锁等待的线程
}
```
  往队列中添加了任务后，线程立刻对this锁对象调用notify()方法，这个方法会唤醒一个正在this锁等待的线程（就是在getTask()中位于this.wait()的线程),从而使得等待线程从this.wait()方法返回

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        var q = new TaskQueue();
        var ts = new ArrayList<Thread>();
        for (int i=0; i<5; i++) {
            var t = new Thread() {
                public void run() {
                    // 执行task:
                    while (true) {
                        try {
                            String s = q.getTask();
                            System.out.println("execute task: " + s);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            return;
                        }
                    }
                }
            };
            t.start();
            ts.add(t);
        }
        var add = new Thread(() -> {
            for (int i=0; i<10; i++) {
                // 放入task:
                String s = "t-" + Math.random();
                System.out.println("add task: " + s);
                q.addTask(s);
                try { Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e) {}
            }
        });
        add.start();
        add.join();
        Thread.sleep(100);
        for (var t : ts) {
            t.interrupt();
        }
    }
}

class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
        this.notifyAll();
    }

    public synchronized String getTask() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            this.wait();
        }
        return queue.remove();
    }
}

重点关注addTask()方法，内部调用了this.notifyAll()而不是this.notify()，使用notifyAll()将唤醒所有当前正在this锁等待的线程，而notify()只会唤醒其中一个（具体哪个依赖操作系统，有一定的随机性）

同步-ReentrantLock

传统：

public class Counter {
    private int count;

    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }
}

改造后：

public class Counter {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int count;

    public void add(int n) {
        lock.lock();
        try {
            count += n;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

ReentrantLock是可重入锁，和synchronized一样，一个线程可以多次获取同一个锁
和synchronized不同的是，ReentrantLock可以尝试获取锁：
```
if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
    try {
        ...
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
```
上述代码在尝试获取锁的时候，最多等待1秒。如果1秒后仍未获取到锁，tryLock()返回false，程序就可以做一些额外处理，而不是无限等待下去
使用ReentrantLock比直接使用synchronized更安全，线程在tryLock()失败的时候不会导致死锁

同步-Condition

synchronized可以配合wait和notify实现线程在条件不满足时等待

用ReentrantLock我们使用Condition对象来实现wait和notify的功能

class TaskQueue {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public void addTask(String s) {
        lock.lock();
        try {
            queue.add(s);
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String getTask() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                condition.await();
            }
            return queue.remove();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

Condition提供的await()、signal()、signalAll()原理和synchronized锁对象的wait()、notify()、notifyAll()是一致的，并且其行为也是一样的：

await()会释放当前锁，进入等待状态；
signal()会唤醒某个等待线程；
signalAll()会唤醒所有等待线程；
唤醒线程从await()返回后需要重新获得锁

和tryLock()类似，await()可以在等待指定时间后，如果还没有被其他线程通过signal()或signalAll()唤醒，可以自己醒来：
```
if (condition.await(1, TimeUnit.SECOND)) {
    // 被其他线程唤醒
} else {
    // 指定时间内没有被其他线程唤醒
}
```
使用Condition配合Lock，可以实现更灵活的线程同步

同步-ReadWriteLock

public class Counter {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int[] counts = new int[10];

    public void inc(int index) {
        lock.lock();
        try {
            counts[index] += 1;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int[] get() {
        lock.lock();
        try {
            return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

任何时刻，只允许一个线程修改，也就是调用inc()方法是必须获取锁，但是，get()方法只读取数据，不修改数据，它实际上允许多个线程同时调用

想要的是：允许多个线程同时读，但只要有一个线程在写，其他线程就必须等待

ReadWriteLock可解决这个问题，它保证：
- 只允许一个线程写入（其他线程既不能写入也不能读取）；
- 没有写入时，多个线程允许同时读（提高性能）

创建一个ReadWriteLock实例，然后分别获取读锁和写锁：

public class Counter {
    private final ReadWriteLock rwlock = new ReentrantReadWriteLock();
    // 注意: 一对读锁和写锁必须从同一个rwlock获取:
    private final Lock rlock = rwlock.readLock();
    private final Lock wlock = rwlock.writeLock();
    private int[] counts = new int[10];

    public void inc(int index) {
        wlock.lock(); // 加写锁
        try {
            counts[index] += 1;
        } finally {
            wlock.unlock(); // 释放写锁
        }
    }

    public int[] get() {
        rlock.lock(); // 加读锁
        try {
            return Arrays.copyOf(counts, counts.length);
        } finally {
            rlock.unlock(); // 释放读锁
        }
    }
}

例如实际使用：

一个论坛的帖子，回复可以看做写入操作，它是不频繁的，但是，浏览可以看做读取操作，是非常频繁的，这种情况就可以使用ReadWriteLock

同步-StampedLock

ReadWriteLock会有潜在问题：如果有线程正在读，写线程需要等待读线程释放锁后才能获取写锁，即读的过程中不允许写，这是一种悲观的读锁
StampedLock改进之处：读的过程中也允许获取写锁后写入！这样一来，我们读的数据就可能不一致，所以，需要一点额外的代码来判断读的过程中是否有写入，这种读锁是一种乐观锁
- 乐观锁：乐观地估计读的过程中大概率不会有写入
- 悲观锁：读的过程中拒绝有写入，也就是写入必须等待
- 乐观锁的并发效率更高，但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致，需能检测出来，再读一遍

public class Point {
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();

    private double x;
    private double y;

    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

    public double distanceFromOrigin() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 获得一个乐观读锁
        // 注意下面两行代码不是原子操作
        // 假设x,y = (100,200)
        double currentX = x;
        // 此处已读取到x=100，但x,y可能被写线程修改为(300,400)
        double currentY = y;
        // 此处已读取到y，如果没有写入，读取是正确的(100,200)
        // 如果有写入，读取是错误的(100,400)
        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查乐观读锁后是否有其他写锁发生
            stamp = stampedLock.readLock(); // 获取一个悲观读锁
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }
}

StampedLock把读锁细分为乐观读和悲观读：

代码更加复杂，
StampedLock是不可重入锁，不能在一个线程中反复获取同一个锁

同步-Semaphore

锁是保护一种受限资源，保证同一时刻只有一个线程能访问（ReentrantLock），或者只有一个线程能写入（ReadWriteLock）
还有一种受限资源，它需要保证同一时刻最多有N个线程能访问
- 比如:同一时刻最多创建100个数据库连接，最多允许10个用户下载等

使用Semaphore，例如，最多允许3个线程同时访问：

public class AccessLimitControl {
    // 任意时刻仅允许最多3个线程获取许可:
    final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public String access() throws Exception {
        // 如果超过了许可数量,其他线程将在此等待:
        semaphore.acquire();
        try {
            // TODO:
            return UUID.randomUUID().toString();
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }
}

调用acquire()可能会进入等待，直到满足条件为止。也可以使用tryAcquire()指定等待时间：

if (semaphore.tryAcquire(3, TimeUnit.SECONDS)) {
    // 指定等待时间3秒内获取到许可:
    try {
        // TODO:
    } finally {
        semaphore.release();
    }
}

Semaphore本质上就是一个信号计数器，用于限制同一时间的最大访问数量

同步-Concurrent集合

ReentrantLock和Condition实现了一个BlockingQueue：

public class TaskQueue {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public void addTask(String s) {
        lock.lock();
        try {
            queue.add(s);
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String getTask() {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                condition.await();
            }
            return queue.remove();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

BlockingQueue：当一个线程调用这个TaskQueue的getTask()方法时，该方法内部可能会让线程变成等待状态，直到队列条件满足不为空，线程被唤醒后，getTask()方法才会返回。

java.util.concurrent包也提供了对应的并发集合类。我们归纳一下：

interface	non-thread-safe	thread-safe
List	ArrayList	CopyOnWriteArrayList
Map	HashMap	ConcurrentHashMap
Set	HashSet / TreeSet	CopyOnWriteArraySet
Queue	ArrayDeque / LinkedList	ArrayBlockingQueue / LinkedBlockingQueue
Deque	ArrayDeque / LinkedList	LinkedBlockingDeque

java.util.Collections工具类还提供了一个旧的线程安全集合转换器
```
Map unsafeMap = new HashMap();
Map threadSafeMap = Collections.synchronizedMap(unsafeMap);
```
实际上是一个包装类包装了非线程安全的Map，然后对所有读写方法都用synchronized加锁，这样获得的线程安全集合的性能比java.util.concurrent集合要低很多，所以不推荐使用

同步-Atomic
- 一组原子操作的封装类，它们位于java.util.concurrent.atomic
  - AtomicInteger为例，它提供的主要操作有：
    - 增加值并返回新值：int addAndGet(int delta)
    - 加1后返回新值：int incrementAndGet()
    - 获取当前值：int get()
    - 用CAS方式设置：int compareAndSet(int expect, int update)
- Atomic类是通过无锁（lock-free）的方式实现的线程安全（thread-safe）访问。它的主要原理是利用了CAS：Compare and Set
  - 我们自己通过CAS编写incrementAndGet(),可能这样
  - ```
  public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
      int prev, next;
      do {
          prev = var.get();
          next = prev + 1;
      } while ( ! var.compareAndSet(prev, next));
      return next;
  }
```
- CAS：这操作中，如果AtomicInteger的当前值是prev，那么就更新为next，返回true。如果AtomicInteger的当前值不是prev，就什么也不干，返回false。通过CAS操作并配合do ... while循环，即使其他线程修改了AtomicInteger的值，最终的结果也是正确的
- 利用AtomicLong编写一个多线程安全的全局唯一ID生成器：
```
class IdGenerator {
    AtomicLong var = new AtomicLong(0);

    public long getNextId() {
        return var.incrementAndGet();
    }
}
```
- 使用java.util.concurrent.atomic提供的原子操作可以简化多线程编程：
  - 原子操作实现了无锁的线程安全
  - 适用于计数器，累加器等

线程池

创建线程需要操作系统资源（线程资源，栈空间等），频繁创建和销毁大量线程需要消耗大量时间
线程池内部维护了若干个线程，没有任务的时候，这些线程都处于等待状态。如果有新任务，就分配一个空闲线程执行。如果所有线程都处于忙碌状态，新任务要么放入队列等待，要么增加一个新线程进行处理

ExecutorService接口表示线程池，它的典型用法如下：

// 创建固定大小的线程池:
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 提交任务:
executor.submit(task1);
executor.submit(task2);
executor.submit(task3);
executor.submit(task4);
executor.submit(task5);

FixedThreadPool：线程数固定的线程池；
CachedThreadPool：线程数根据任务动态调整的线程池；
SingleThreadExecutor：仅单线程执行的线程池

以FixedThreadPool为例，看看线程池的执行逻辑：

// thread-pool
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池:
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(4);
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            es.submit(new Task("" + i));
        }
        // 关闭线程池:
        es.shutdown();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private final String name;

    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("start task " + name);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("end task " + name);
    }
}

一次性放入6个任务，由于线程池只有固定的4个线程，因此，前4个任务会同时执行，等到有线程空闲后，才会执行后面的两个任务

如果我们把线程池改为CachedThreadPool，由于这个线程池的实现会根据任务数量动态调整线程池的大小，所以6个任务可一次性全部同时执行

想把线程池的大小限制在4～10个之间动态调整

查看Executors.newCachedThreadPool()源码：

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
    return new ThreadPoolExecutor(
            0, Integer.MAX_VALUE,
            60L, TimeUnit.SECONDS,
            new SynchronousQueue<Runnable>());
}

想创建指定动态范围的线程池

int min = 4;
int max = 10;
ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(
        min, max,
        60L, TimeUnit.SECONDS,
        new SynchronousQueue<Runnable>());

ScheduledThreadPool

还有一种任务，需要定期反复执行：
- 每秒刷新证券价格。这种任务本身固定，需要反复执行的

创建一个ScheduledThreadPool仍然是通过Executors类：

ScheduledExecutorService ses = Executors.newScheduledThreadPool(4);

我们可以提交一次性任务，它会在指定延迟后只执行一次：

// 1秒后执行一次性任务:
ses.schedule(new Task("one-time"), 1, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的每3秒执行，我们可以这样写：

// 2秒后开始执行定时任务，每3秒执行:
ses.scheduleAtFixedRate(new Task("fixed-rate"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

如果任务以固定的3秒为间隔执行，我们可以这样写：

// 2秒后开始执行定时任务，以3秒为间隔执行:
ses.scheduleWithFixedDelay(new Task("fixed-delay"), 2, 3, TimeUnit.SECONDS);

注意FixedRate和FixedDelay的区别

FixedRate：任务总是以固定时间间隔触发，不管任务执行多长时间：

│░░░░   │░░░░░░ │░░░    │░░░░░  │░░░  
├───────┼───────┼───────┼───────┼────▶
│◀─────▶│◀─────▶│◀─────▶│◀─────▶│

FixedDelay：上一次任务执行完毕后，等待固定时间间隔，再执行下一次任务

│░░░│       │░░░░░│       │░░│       │░
└───┼───────┼─────┼───────┼──┼───────┼──▶
    │◀─────▶│     │◀─────▶│  │◀─────▶│

使用Future

Java标准库还提供了一个Callable接口，和Runnable接口比，它多了一个返回值：

class Task implements Callable<String> {
    public String call() throws Exception {
        return longTimeCalculation(); 
    }
}

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4); 
// 定义任务:
Callable<String> task = new Task();
// 提交任务并获得Future:
Future<String> future = executor.submit(task);
// 从Future获取异步执行返回的结果:
String result = future.get(); // 可能阻塞

使用CompletableFuture

获取股票价格为例，看看如何使用CompletableFuture

// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建异步执行任务:
        CompletableFuture<Double> cf = CompletableFuture.supplyAsync(Main::fetchPrice);
        // 如果执行成功:
        cf.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 如果执行异常:
        cf.exceptionally((e) -> {
            e.printStackTrace();
            return null;
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(200);
    }

    static Double fetchPrice() {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        if (Math.random() < 0.3) {
            throw new RuntimeException("fetch price failed!");
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

这里我们都用lambda语法简化了代码。

可见CompletableFuture的优点是：

异步任务结束时，会自动回调某个对象的方法；
异步任务出错时，会自动回调某个对象的方法；
主线程设置好回调后，不再关心异步任务的执行

多个CompletableFuture可以串行执行

例如:定义两个CompletableFuture，第一个CompletableFuture根据证券名称查询证券代码，第二个CompletableFuture根据证券代码查询证券价格

// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 第一个任务:
        CompletableFuture<String> cfQuery = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油");
        });
        // cfQuery成功后继续执行下一个任务:
        CompletableFuture<Double> cfFetch = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice(code);
        });
        // cfFetch成功后打印结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(2000);
    }

    static String queryCode(String name) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return "601857";
    }

    static Double fetchPrice(String code) {
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

并行执行

例如：同时从新浪和网易查询证券代码，只要任意一个返回结果，就进行下一步查询价格，查询价格也同时从新浪和网易查询，只要任意一个返回结果，就完成操作

// CompletableFuture
import java.util.concurrent.CompletableFuture;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<String> cfQueryFromSina = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油", "https://finance.sina.com.cn/code/");
        });
        CompletableFuture<String> cfQueryFrom163 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            return queryCode("中国石油", "https://money.163.com/code/");
        });

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfQuery = CompletableFuture.anyOf(cfQueryFromSina, cfQueryFrom163);

        // 两个CompletableFuture执行异步查询:
        CompletableFuture<Double> cfFetchFromSina = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice((String) code, "https://finance.sina.com.cn/price/");
        });
        CompletableFuture<Double> cfFetchFrom163 = cfQuery.thenApplyAsync((code) -> {
            return fetchPrice((String) code, "https://money.163.com/price/");
        });

        // 用anyOf合并为一个新的CompletableFuture:
        CompletableFuture<Object> cfFetch = CompletableFuture.anyOf(cfFetchFromSina, cfFetchFrom163);

        // 最终结果:
        cfFetch.thenAccept((result) -> {
            System.out.println("price: " + result);
        });
        // 主线程不要立刻结束，否则CompletableFuture默认使用的线程池会立刻关闭:
        Thread.sleep(200);
    }

    static String queryCode(String name, String url) {
        System.out.println("query code from " + url + "...");
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return "601857";
    }

    static Double fetchPrice(String code, String url) {
        System.out.println("query price from " + url + "...");
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return 5 + Math.random() * 20;
    }
}

上述逻辑实现的异步查询规则实际上是：

┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ Query Code  │ │ Query Code  │
│  from sina  │ │  from 163   │
└─────────────┘ └─────────────┘
       │               │
       └───────┬───────┘
               ▼
        ┌─────────────┐
        │    anyOf    │
        └─────────────┘
               │
       ┌───────┴────────┐
       ▼                ▼
┌─────────────┐  ┌─────────────┐
│ Query Price │  │ Query Price │
│  from sina  │  │  from 163   │
└─────────────┘  └─────────────┘
       │                │
       └────────┬───────┘
                ▼
         ┌─────────────┐
         │    anyOf    │
         └─────────────┘
                │
                ▼
         ┌─────────────┐
         │Display Price│
         └─────────────┘

使用Fork/Join

目标：把一个大任务拆成多个小任务并行执行

如果要计算一个超大数组的和，最简单的做法是用一个循环在一个线程内完成：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

还有一种方法，可以把数组拆成两部分甚至更多，分别计算，最后加起来就是最终结果，这样可以用两个线程并行执行：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

原理：判断一个任务是否足够小，如果是，直接计算，否则，就分拆成几个小任务分别计算。这个过程可以反复“裂变”成一系列小任务

使用Fork/Join对大数据进行并行求和

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建2000个随机数组成的数组:
        long[] array = new long[2000];
        long expectedSum = 0;
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            array[i] = random();
            expectedSum += array[i];
        }
        System.out.println("Expected sum: " + expectedSum);
        // fork/join:
        ForkJoinTask<Long> task = new SumTask(array, 0, array.length);
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        Long result = ForkJoinPool.commonPool().invoke(task);
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Fork/join sum: " + result + " in " + (endTime - startTime) + " ms.");
    }

    static Random random = new Random(0);

    static long random() {
        return random.nextInt(10000);
    }
}

class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
    static final int THRESHOLD = 500;
    long[] array;
    int start;
    int end;

    SumTask(long[] array, int start, int end) {
        this.array = array;
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    @Override
    protected Long compute() {
        if (end - start <= THRESHOLD) {
            // 如果任务足够小,直接计算:
            long sum = 0;
            for (int i = start; i < end; i++) {
                sum += this.array[i];
                // 故意放慢计算速度:
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
            return sum;
        }
        // 任务太大,一分为二:
        int middle = (end + start) / 2;
        System.out.println(String.format("split %d~%d ==> %d~%d, %d~%d", start, end, start, middle, middle, end));
        SumTask subtask1 = new SumTask(this.array, start, middle);
        SumTask subtask2 = new SumTask(this.array, middle, end);
        invokeAll(subtask1, subtask2);
        Long subresult1 = subtask1.join();
        Long subresult2 = subtask2.join();
        Long result = subresult1 + subresult2;
        System.out.println("result = " + subresult1 + " + " + subresult2 + " ==> " + result);
        return result;
    }
}

观察上述代码的执行过程，一个大的计算任务0~2000首先分裂为两个小任务0~1000和1000~2000，这两个小任务仍然太大，继续分裂为更小的0~500，500~1000，1000~1500，1500~2000，最后，计算结果被依次合并

核心代码SumTask继承自RecursiveTask，在compute()方法中，关键是如何“分裂”出子任务并且提交子任务

class SumTask extends RecursiveTask<Long> {
    protected Long compute() {
        // “分裂”子任务:
        SumTask subtask1 = new SumTask(...);
        SumTask subtask2 = new SumTask(...);
        // invokeAll会并行运行两个子任务:
        invokeAll(subtask1, subtask2);
        // 获得子任务的结果:
        Long subresult1 = subtask1.join();
        Long subresult2 = subtask2.join();
        // 汇总结果:
        return subresult1 + subresult2;
    }
}

使用ThreadLocal

Thread对象代表一个线程，我们可以在代码中调用Thread.currentThread()获取当前线程。

例如:打印日志时，可以同时打印出当前线程的名字：

// Thread
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        log("start main...");
        new Thread(() -> {
            log("run task...");
        }).start();
        new Thread(() -> {
            log("print...");
        }).start();
        log("end main.");
    }

    static void log(String s) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + s);
    }
}

对于多任务，Java标准库提供的线程池可以方便地执行这些任务，同时复用线程
- Web应用程序就多任务应用，每个用户请求页面时，我们都会创建一个任务
```
public void process(User user) {
    checkPermission();
    doWork();
    saveStatus();
    sendResponse();
}
```
- 观察process()方法，它内部需要调用若干其他方法，如何在一个线程内传递状态？
```
public void process(User user) {
    checkPermission(user);
    doWork(user);
    saveStatus(user);
    sendResponse(user);
}
```
```
void doWork(User user) {
    queryStatus(user);
    checkStatus();
    setNewStatus(user);
    log();
}
```
  在一个线程中，横跨若干方法调用，需要传递的对象，我们通常称之为上下文（Context），它是一种状态，可以是用户身份、任务信息等
  给每个方法增加一个context参数非常麻烦，而且有些时候，如果调用链有无法修改源码的第三方库，User对象就传不进去了

ThreadLocal：可以在一个线程中传递同一个对象

ThreadLocal实例通常总是以静态字段初始化如下：

static ThreadLocal<User> threadLocalUser = new ThreadLocal<>();

典型使用方式如下：

void processUser(user) {
    try {
        threadLocalUser.set(user);
        step1();
        step2();
        log();
    } finally {
        threadLocalUser.remove();
    }
}

通过设置一个User实例关联到ThreadLocal中，在移除之前，所有方法都可以随时获取到该User实例：

void step1() {
    User u = threadLocalUser.get();
    log();
    printUser();
}

void step2() {
    User u = threadLocalUser.get();
    checkUser(u.id);
}

void log() {
    User u = threadLocalUser.get();
    println(u.name);
}

普通方法调用一定是同一个线程执行的，所以，step1()、step2()以及log()方法内，threadLocalUser.get()获取的User对象是同一个实例

深入理解：
- 可以把ThreadLocal看成一个全局Map<Thread, Object>：每个线程获取ThreadLocal变量时，总是使用Thread自身作为key：
```
Object threadLocalValue = threadLocalMap.get(Thread.currentThread());
```
- ThreadLocal相当于给每个线程都开辟了一个独立的存储空间，各个线程的ThreadLocal关联的实例互不干扰
- 特别注意ThreadLocal一定要在finally中清除：
```
try {
    threadLocalUser.set(user);
    ...
} finally {
    threadLocalUser.remove();
}
```

保证能释放ThreadLocal关联的实例

可通过AutoCloseable接口配合try (resource) {...}结构，让编译器关闭
例：一个保存了当前用户名的ThreadLocal可以封装为一个UserContext对象

public class UserContext implements AutoCloseable {

    static final ThreadLocal<String> ctx = new ThreadLocal<>();

    public UserContext(String user) {
        ctx.set(user);
    }

    public static String currentUser() {
        return ctx.get();
    }

    @Override
    public void close() {
        ctx.remove();
    }
}

使用的时候，我们借助try (resource) {...}结构，可以这么写：

try (var ctx = new UserContext("Bob")) {
    // 可任意调用UserContext.currentUser():
    String currentUser = UserContext.currentUser();
} // 在此自动调用UserContext.close()方法释放ThreadLocal关联对象

就在UserContext中完全封装了ThreadLocal，外部代码在try (resource) {...}内部可以随时调用UserContext.currentUser()获取当前线程绑定的用户名

虚拟线程
- 虚拟线程（Virtual Thread）是Java 19引入的一种轻量级线程，它在很多其他语言中被称为协程、纤程、绿色线程、用户态线程等
- 线程的特点：
  - 线程是由操作系统创建并调度的资源；
  - 线程切换会耗费大量CPU时间；
  - 一个系统能同时调度的线程数量是有限的，通常在几百至几千级别
- 在服务器端，对用户请求，通常都实现为一个线程处理一个请求。由于用户的请求数往往远超操作系统能同时调度的线程数量，所以通常使用线程池来尽量减少频繁创建和销毁线程的成本
  - 对于需要处理大量IO请求的任务来说，使用线程是低效的，因为一旦读写IO，线程就必须进入等待状态，直到IO数据返回。
    - 常见的IO操作包括：
      - 读写文件
      - 读写网络，例如HTTP请求
      - 读写数据库，本质上是通过JDBC实现网络调用
    - 举例：一个处理HTTP请求的线程，读写网络、文件的时候会进入等待状态
```
Begin
────────
Blocking ──▶ Read HTTP Request
Wait...
Wait...
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Read Config File
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Read Database
Wait...
Wait...
Wait...
────────
Running
────────
Blocking ──▶ Send HTTP Response
Wait...
Wait...
────────
End
```
  - 真正由CPU执行的代码消耗的时间非常少，线程的大部分时间都在等待IO。这类任务称为IO密集型任务
  - 为高效执行IO密集型任务，引入了虚拟线程
    - 虚拟线程不是由操作系统调度，而是由普通线程调度，即成百上千个虚拟线程可以由一个普通线程调度
    - 任何时刻，只能执行一个虚拟线程，但是，一旦该虚拟线程执行一个IO操作进入等待时，它会被立刻“挂起”，然后执行下一个虚拟线程
    - 什么时候IO数据返回了，这个挂起的虚拟线程才会被再次调度
  - ```
  Begin
  ───────────
  V1 Runing
  V1 Blocking ──▶ Read HTTP Request
  ───────────
  V2 Runing
  V2 Blocking ──▶ Read HTTP Request
  ───────────
  V3 Runing
  V3 Blocking ──▶ Read HTTP Request
  ───────────
  V1 Runing
  V1 Blocking ──▶ Read Config File
  ───────────
  V2 Runing
  V2 Blocking ──▶ Read Database
  ───────────
  V1 Runing
  V1 Blocking ──▶ Read Database
  ───────────
  V3 Runing
  V3 Blocking ──▶ Read Database
  ───────────
  V2 Runing
  V2 Blocking ──▶ Send HTTP Response
  ───────────
  V1 Runing
  V1 Blocking ──▶ Send HTTP Response
  ───────────
  V3 Runing
  V3 Blocking ──▶ Send HTTP Response
  ───────────
  End
```
- 看一个虚拟线程的代码，在一个方法中：
```
  void register() {
      config = readConfigFile("./config.json"); // #1
      if (config.useFullName) {
          name = req.firstName + " " + req.lastName;
      }
      insertInto(db, name); // #2
      if (config.cache) {
          redis.set(key, name); // #3
      }
  }
```
  涉及IO读写的#1、#2、#3处，执行到这些地方的时候（进入相关的JNI方法内部时）会自动挂起，并切换到其他虚拟线程执行。等到数据返回后，当前虚拟线程会再次调度并执行，因此，代码看起来是同步执行，但实际上是异步执行的
- 使用虚拟线程
  - 虚拟线程的接口和普通线程一样，区别在于创建虚拟线程只能通过特定方法
  - 方法一：直接创建虚拟线程并运行：
```
// 传入Runnable实例并立刻运行:
Thread vt = Thread.startVirtualThread(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(10);
    System.out.println("End virtual thread.");
});
```
  - 方法二：创建虚拟线程但不自动运行，而是手动调用start()开始运行：
```
// 创建VirtualThread:
Thread.ofVirtual().unstarted(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println("End virtual thread.");
});
// 运行:
vt.start();
```
  - 方法三：通过虚拟线程的ThreadFactory创建虚拟线程，然后手动调用start()开始运行：
```
// 创建ThreadFactory:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
// 创建VirtualThread:
Thread vt = tf.newThread(() -> {
    System.out.println("Start virtual thread...");
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println("End virtual thread.");
});
// 运行:
vt.start();
```
  - 直接调用start()实际上是由ForkJoinPool的线程来调度的。我们也可以自己创建调度线程，然后运行虚拟线程：
```
// 创建调度器:
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
// 创建大量虚拟线程并调度:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
for (int i=0; i<100000; i++) {
    Thread vt = tf.newThread(() -> { ... });
    executor.submit(vt);
    // 也可以直接传入Runnable或Callable:
    executor.submit(() -> {
        System.out.println("Start virtual thread...");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("End virtual thread.");
        return true;
    });
}
```
    由于虚拟线程属于非常轻量级的资源，因此，用时创建，用完就扔，不要池化虚拟线程
- 使用限制
  - 只有以虚拟线程方式运行的代码，才会在执行IO操作时自动被挂起并切换到其他虚拟线程。普通线程的IO操作仍然会等待
  - 例如，我们在main()方法中读写文件，是不会有调度和自动挂起的。
    可以自动引发调度切换的操作包括：
    - 文件IO；
    - 网络IO；
    - 使用Concurrent库引发等待；
    - Thread.sleep()操作。
- 计算密集型任务不应使用虚拟线程，只能通过增加CPU核心解决，或者利用分布式计算资源

异常处理#

Java的异常#

捕获异常#

抛出异常#

自定义异常#

使用断言(Assertion)#

使用JDK Logging#

使用Commons Logging#

使用Log4j#

反射Reflection#

Class类#

访问字段#

调用方法#

调用构造方法#

获取继承关系#

动态代理(Dynamic Proxy)#

多线程#

基础#

创建新线程#

线程的状态#

中断线程#

守护线程#

同步-理解#

同步-同步方法#

同步-死锁#

同步-wait和notify#

同步-ReentrantLock#

同步-Condition#

同步-ReadWriteLock#

同步-StampedLock#

同步-Semaphore#

同步-Concurrent集合#

同步-Atomic#

线程池#

使用Future#

使用CompletableFuture#

使用Fork/Join#

使用ThreadLocal#

虚拟线程#

异常处理

Java的异常

捕获异常

抛出异常

自定义异常

使用断言(Assertion)

使用JDK Logging

使用Commons Logging

使用Log4j

反射Reflection

`Class`类

访问字段

调用方法

调用构造方法

获取继承关系

动态代理(Dynamic Proxy)

多线程

基础

创建新线程

线程的状态

中断线程

守护线程

同步-理解

同步-同步方法

同步-死锁

同步-`wait`和`notify`

同步-ReentrantLock

同步-Condition

同步-ReadWriteLock

同步-StampedLock

同步-Semaphore

同步-Concurrent集合

同步-Atomic

线程池

使用Future

使用CompletableFuture

使用Fork/Join

使用ThreadLocal

虚拟线程