JavaSE二周目计划（二）

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这次就不仅仅是复习了，大部分讲的是以前学习 JavaSE 的时候没有接触到的知识，并且很多情况下还是很有用的。
这篇主要讲解 Java 中的队列和线程池（包括支持周期任务的线程池），这也算得上是 SE 中的精华部分吧，当然还有一些对于日期的操作补充，平时用的也挺多的，算是非常简单的作为开胃菜~~

日期处理

代码中经常接触到日期的操作，我们不喜欢它默认的格式，大多数情况是需要进行格式化的，下面就说下最简单的格式化方式：

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SimpleDateFormat sf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
sf.format(new Date());  // 格式化当前日期

// 将字符串格式化为 Date 类型
new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").parse("2017-12-20 18:44:00");

// 判断时间是否超过五分钟
public static boolean isOverstepMinute(Date date){
  Calendar cal = Calendar.getInstance();

  Calendar cal1 = Calendar.getInstance();
  cal1.setTime(date);
  cal1.add(Calendar.MINUTE, +5);

  return cal1.compareTo(cal) <= 0;
}

另外可以通过 date 对象获取到年月日等信息，但是很遗憾已经过时，所以就有了 Calendar， Calendar 对象用的也很多，可以看看 API；
那么他什么用呢？
我们现在已经能够格式化并创建一个日期对象了，但是我们如何才能设置和获取日期数据的特定部分呢，比如说小时，日，分钟? 我们又如何在日期的这些部分加上或者减去值呢? 答案是使用Calendar 类。

关于队列

很遗憾我看的视频里并没有讲这个，但是这个却非常的终于，好在现在知道了。
Java 中的队列 Queue 在 util 包下，它是个接口，它更倾向于是一种数据结构，也可以理解为集合吧，毕竟 Queue 是 Collection 的一个子接口，与 List、Set 同一级别。
首先来认识下什么是队列：

队列是计算机中的一种数据结构，保存在其中的数据具有“先进先出（FIFO,First In First Out）”的特性。

简单易懂的介绍，它本来也不是什么难题；在 Java 中，队列分为 2 种形式，一种是单队列，一种是循环队列 ，循环队列就是为了解决数组无限延伸的情况，让它们闭合起来形成一个圈，这就不会出现角标越界问题了。
通常，都是使用数组来实现队列，假定数组的长度为6，也就是队列的长度为6，如果不指定一般默认是 internet 的最大值。
因为 LinkedList 实现了 Queue 接口，所以定义一个接口 new 时可以直接使用 LinkedList ，但它不是同步的！
Java 中给了许多的队列实现，甚至有双端（读写）的、按优先级的，普通常用的就是阻塞和非阻塞的一些同步队列

关于阻塞队列

阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。
这样非阻塞也就明白了吧？
阻塞队列提供了四种处理方法：

方法\处理方式 抛出异常 返回特殊值 一直阻塞 超时退出
插入方法 add(e) offer(e) put(e) offer(e,time,unit)
移除方法 remove() poll() take() poll(time,unit)
检查方法 element() peek() 不可用 不可用

BlockingQueue接口

阻塞队列，当队列为空是取数据阻塞，队列满，插入数据阻塞
线程安全的(批量操作不是) 是否是有界队列需要看具体的实现
常用的实现类有：

  • ArrayBlockingQueue
    规定大小的 BlockingQueue,其构造函数必须带一个 int 参数来指明其大小.
    其所含的对象是以FIFO(先入先出)顺序排序的
  • LinkedBlockingQueue
    大小不定的 BlockingQueue，若其构造函数带一个规定大小的参数，生成的 BlockingQueue 有大小限制，若不带大小参数，所生成的 BlockingQueue 的大小由 Integer.MAX_VALUE 来决定.
    其所含的对象是以 FIFO (先入先出)顺序排序的
    是作为生产者消费者的首选
  • SynchronousQueue
    特殊的 BlockingQueue，对其的操作必须是放和取交替完成的
  • PriorityBlockingQueue
    类似于 LinkedBlockQueue，但其所含对象的排序不是 FIFO，而是依据对象的自然排序顺序或者是构造函数的 Comparator 决定的顺序

至于它是如何实现同步的，两个 ReentrantLock 读和写。

PriorityQueue类

不是按照先进先出的顺序，是按照优先级（Comparator 定义或者默认顺序,数字、字典顺序）
每次从队列中取出的是具有最高优先权的元素
内部通过堆排序实现 transient Object[] queue; 每次新增删除的时候，调整堆

非阻塞队列

非阻塞队列一般就直接实现自 Queue 了，特点就不说了，对比上面的阻塞队列就行了，下面说说常见的非阻塞队列：
ConcurrentLinkedQueue
虽然是非阻塞，但也是线程安全的，按照 FIFO 来进行排序，采用CAS操作，来保证元素的一致性

非阻塞算法通过使用低层次的并发原语，比如比较交换，取代了锁。原子变量类向用户提供了这些底层级原语，也能够当做“更佳的volatile变量”使用，同时提供了整数类和对象引用的原子化更新操作。
关键字：CAS
线程安全就是说多线程访问同一代码，不会产生不确定的结果

ConcurrentLinkedQueue 的 size() 是要遍历一遍集合的，所以尽量要避免用 size 而改用 isEmpty()，以免性能过慢。

队列的操作

一般情况下，操作队列不推荐使用 add 和 remove ，因为如果队列为空它就会抛异常；常使用的是 offer 和 poll 来添加和取出元素，如果此队列为空，则返回 null，如果使用 peek 取出元素则不会移除此元素，对于阻塞的队列，可以使用 put 和 take 来插入和获取。
带有 Deque 的一般是双端队列，不细说，我用的起码是非常少的
关于遍历队列如果使用 foreach 的方式相当于仅仅是 peek，也就是不会移除元素，如果需要遍历队列并且是取出，那么可以搭配 where 来使用：

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public void run() {
  // 遍历队列
  Order order;
  while ((order = queue.poll()) != null){
    rechargeOrder(order);
    try {
      Thread.sleep(100);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

这个过程注意 size，如果一边放一边遍历的话是没有尽头的

线程池

同样视频里是没有提到的，只是讲了多线程的一些使用和注意事项，对于线程池，提及的很少，也许是因为 JavaEE 中并不常用，都是交给 Web 应用服务器来维护。
如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率，因为频繁创建线程和销毁线程需要时间，和连接池是一个道理。
Java 中的线程池，最核心的就是 ThreadPoolExecutor 了
ThreadPoolExecutor 继承了 AbstractExecutorService 类，并提供了四个构造器，事实上，通过观察每个构造器的源码具体实现，发现前面三个构造器都是调用的第四个构造器进行的初始化工作。
下面解释下一下构造器中各个参数的含义：

  • corePoolSize：核心池的大小
    在创建了线程池后，默认情况下，线程池中并没有任何线程，而是等待有任务到来才创建线程去执行任务，除非调用了 prestartAllCoreThreads() 或者 prestartCoreThread() 方法，从这2个方法的名字就可以看出，是预创建线程的意思，即在没有任务到来之前就创建 corePoolSize 个线程或者一个线程。
    默认情况下，在创建了线程池后，线程池中的线程数为0，当有任务来之后，就会创建一个线程去执行任务，当线程池中的线程数目达到 corePoolSize 后，就会把到达的任务放到缓存队列当中；
  • maximumPoolSize：线程池最大线程数
    这个参数也是一个非常重要的参数，它表示在线程池中最多能创建多少个线程；
    当核心池大小满了，等待队列也满了，就开始创建非核心线程，直到达到最大线程数。
  • keepAliveTime：表示线程没有任务执行时最多保持多久时间会终止。
    默认情况下，只有当线程池中的线程数大于 corePoolSize 时，keepAliveTime 才会起作用，直到线程池中的线程数不大于 corePoolSize，即当线程池中的线程数大于 corePoolSize 时，如果一个线程空闲的时间达到 keepAliveTime，则会终止，直到线程池中的线程数不超过 corePoolSize。
    但是如果调用了 allowCoreThreadTimeOut(boolean) 方法，在线程池中的线程数不大于 corePoolSize 时， keepAliveTime 参数也会起作用，直到线程池中的线程数为 0；
  • unit：参数 keepAliveTime 的时间单位
    有7种取值，比如天、时、分、秒、毫秒等
  • workQueue：一个阻塞队列，用来存储等待执行的任务
    这个参数的选择也很重要，会对线程池的运行过程产生重大影响，一般来说，这里的阻塞队列有以下几种选择：ArrayBlockingQueue;
    LinkedBlockingQueue;
    SynchronousQueue;
    ArrayBlockingQueue 和 PriorityBlockingQueue 使用较少，一般使用 LinkedBlockingQueue 和 Synchronous。
    线程池的排队策略与 BlockingQueue 有关。
  • threadFactory：线程工厂，主要用来创建线程；
  • handler：表示当拒绝处理任务时的策略
    有以下四种取值：
    ThreadPoolExecutor.AbortPolicy ：丢弃任务并抛出 RejectedExecutionException 异常。
    ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy：也是丢弃任务，但是不抛出异常。
    ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy：丢弃队列最前面的任务，然后重新尝试执行任务（重复此过程）
    ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy：由调用线程处理该任务

上面仅仅是对构造方法参数的一些介绍，相关的几个类或者接口就是 ThreadPoolExecutor、AbstractExecutorService、ExecutorService 和 Executor，名字越短越抽象，最后的 Executor 为顶级接口

定义的方法

下面来了解下关于线程池中定义的几个方法：

  • execute()方法
    实际上是 Executor 中声明的方法，在 ThreadPoolExecutor 进行了具体的实现，这个方法是 ThreadPoolExecutor 的核心方法，通过这个方法可以向线程池提交一个任务，交由线程池去执行。
  • submit()方法
    在 ExecutorService 中声明的方法，在 AbstractExecutorService 就已经有了具体的实现，在 ThreadPoolExecutor 中并没有对其进行重写，这个方法也是用来向线程池提交任务的，但是它和 execute() 方法不同，它能够返回任务执行的结果，去看 submit() 方法的实现，会发现它实际上还是调用的 execute() 方法，只不过它利用了 Future 来获取任务执行结果
  • shutdown() 和 shutdownNow() 是用来关闭线程池的。

其他的方法还有 getQueue() 、getPoolSize() 、getActiveCount()、getCompletedTaskCount() 等获取与线程池相关属性的方法，详细介绍去看 API 吧

线程池的状态

当创建线程池后，初始时，线程池处于 RUNNING 状态；
如果调用了 shutdown() 方法，则线程池处于 SHUTDOWN 状态，此时线程池不能够接受新的任务，它会等待所有任务执行完毕；
如果调用了 shutdownNow() 方法，则线程池处于 STOP 状态，此时线程池不能接受新的任务，并且会去尝试终止正在执行的任务；
当线程池处于 SHUTDOWN 或 STOP 状态，并且所有工作线程已经销毁，任务缓存队列已经清空或执行结束后，线程池被设置为 TERMINATED 状态。

线程池的创建&使用

先来看一个简单使用的例子：

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public class Test {
  public static void main(String[] args) {   
    ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 200, TimeUnit.MILLISECONDS,
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    for(int i=0;i<15;i++){
      MyTask myTask = new MyTask(i);
      executor.execute(myTask);
      System.out.println("线程池中线程数目："+executor.getPoolSize()+"，队列中等待执行的任务数目："+
                         executor.getQueue().size()+"，已执行玩别的任务数目："+executor.getCompletedTaskCount());
    }
    executor.shutdown();
  }
}

在 java doc中，并不提倡我们直接使用 ThreadPoolExecutor，而是使用 Executors 类中提供的几个静态方法来创建线程池：

  • Executors.newCachedThreadPool();
    创建一个缓冲池，缓冲池容量大小为 Integer.MAX_VALUE
  • Executors.newSingleThreadExecutor();
    创建容量为 1 的缓冲池
  • Executors.newFixedThreadPool(int);
    创建固定容量大小的缓冲池

看一下他们三个的具体实现：

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public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
  return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
  return new FinalizableDelegatedExecutorService
    (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                            new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
  return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                60L, TimeUnit.SECONDS,
                                new SynchronousQueue<Runnable>());
}

从它们的具体实现来看，它们实际上也是调用了 ThreadPoolExecutor，只不过参数都已配置好了。
newFixedThreadPool 创建的线程池 corePoolSize 和 maximumPoolSize 值是相等的，它使用的 LinkedBlockingQueue；newSingleThreadExecutor 将 corePoolSize 和 maximumPoolSize 都设置为 1，也使用的 LinkedBlockingQueue；newCachedThreadPool 将 corePoolSize 设置为 0，将 maximumPoolSize 设置为 Integer.MAX_VALUE，使用的 SynchronousQueue，也就是说来了任务就创建线程运行，当线程空闲超过60秒，就销毁线程。
实际中，如果 Executors 提供的三个静态方法能满足要求，就尽量使用它提供的三个方法，因为自己去手动配置 ThreadPoolExecutor 的参数有点麻烦，要根据实际任务的类型和数量来进行配置。
另外，如果 ThreadPoolExecutor 达不到要求，可以自己继承 ThreadPoolExecutor 类进行重写。

配置线程池

一般需要根据任务的类型来配置线程池大小，当然也是仅供参考：
如果是 CPU 密集型任务，就需要尽量压榨 CPU，参考值可以设为 NCPU+1
如果是 IO 密集型任务，参考值可以设置为 2*NCPU
当然，这只是一个参考值，具体的设置还需要根据实际情况进行调整，比如可以先将线程池大小设置为参考值，再观察任务运行情况和系统负载、资源利用率来进行适当调整。

定时任务

一提到定时任务，首先想到的是使用 Timer，但是使用 Timer 执行周期性任务时，出现异常后自动退出（全部）,因为它是基于单线程的。所以应该尽量使用 ScheduledExecutorService （支持周期任务的线程池）的方式来创建。
是的，这也是一个线程池，只不过它支持周期任务而已，看到这里对线程池应该也有所了解了，所以定时任务也就不难了

线程池.png

它继承的 ThreadPoolExecutor 那些就不说了，来看看它特有的几个方法：

  • Schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)
    elay 指定的时间后，执行指定的 Runnable 任务，可以通过返回的 ScheduledFuture<?> 与该任务进行交互
  • schedule(Callable\ callable, long delay, TimeUnit unit)
    delay 指定的时间后，执行指定的 Callable<V> 任务，可以通过返回的 ScheduledFuture<V> 与该任务进行交互。
  • scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)
    initialDelay 指定的时间后，开始按周期 period 执行指定的 Runnable 任务。
    假设调用该方法后的时间点为 0，那么第一次执行任务的时间点为 initialDelay，第二次为 initialDelay + period，第三次为 initialDelay + period + period，以此类推。
  • scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)
    initialDelay 指定的时间后，开始按指定的 delay 延期性的执行指定的 Runnable 任务。
    假设调用该方法后的时间点为 0，每次任务需要耗时 T(i)（i 为第几次执行任务），那么第一次执行任务的时间点为 initialDelay，第一次完成任务的时间点为 initialDelay + T(1)，则第二次执行任务的时间点为 initialDelay + T(1) + delay；第二次完成任务的时间点为 initialDelay + (T(1) + delay) + T(2)，所以第三次执行任务的时间点为 initialDelay + T(1) + delay + T(2) + delay，以此类推。

简单解释下 scheduleAtFixedRate 和 scheduleWithFixedDelay，前者会开始执行为起始点，如果任务耗时超过了间隔时间，那么在任务完成候第二次会很快（马上）执行，而后者会等待任务执行完后才开始计算周期间隔时间。
创建线程池的方式也与上面差不多，都有对应的方法：
Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
Executors.newSingleThreadScheduledExecutor()

Apache 的 BasicThreadFactory 或许会更好….待进一步研究

补充

ScheduledFuture 接口 继承自 Future 接口，所以 ScheduledFuture 和任务的交互方式与 Future 一致。所以通过ScheduledFuture，可以 判断定时任务是否已经完成，获得定时任务的返回值，或者取消任务等
关于 Future 后面应该会再进行补充
可以先看一下：这篇文章

单例模式

这个很简单，没什么好说的，简单说就是构造函数的私有化，然后定义一个本类类型的静态变量，通过静态方法进行提供
需要注意的是，静态变量的初始化时机，比较一致的观点是：如果你确定这个类肯定要用，那么可以在定义静态变量的时候就直接进行实例化，否则可以放在静态方法中进行实例化（这样会有线程安全问题）比如：

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private static Singleton is = new Singleton();
public static Singleton getInstance(){
  return is;
}

// 或者是获取的时候实例化
public static Singleton getInstance(){
  if(is == null){
    is = new Singleton();
  }
  return is;
}

是的，单例模式需要注意的也就是这里了：线程安全问题
如果你选择了在静态方法中进行实例化，并且使用了多线程技术，那么极有可能它并不是单例的；原因我想大概都知道，当然也有相应的解决方案，一般就从这三种中进行选择：

  • 同步方法
    这是最简单的方式，如果不考虑性能的情况下是可以使用的，使用同步就意味着可能造成执行效率下降100倍
    public static synchronized getInstance(){}

  • 急切实例化
    这个就是上面的第一种方式，在定义的时候就直接实例化
    在创建运行时负担不重的情况下可以采用

  • 双重检查加锁
    在同步方法中我们发现，其实只需要第一次加锁就可以了，因为第一次创建出 is 后后面都是直接返回的
    所以，可以进行下面的优化（java5+）：

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    public class Test{
      private volatile static Singleton is;

      private Test{}

      public static Singleton getInstance(){
        if(is == null){
          synchronized(Test.class){
            if(is == null){
              is = new Singleton();
            }
          }
        }
        return is;
      }
    }

    这样可以大大减少 get 方法的时间消耗，如果确实不考虑性能，使用这个就有点大材小用了。

    这个方法表面上看起来很完美，你只需要付出一次同步块的开销，但它依然有问题。
    除非你声明 is 变量时使用了 volatile 关键字。没有 volatile 修饰符，可能出现 Java 中的另一个线程看到个初始化了一半的 is 的情况，但使用了 volatile 变量后，就能保证先行发生关系（happens-before relationship）
    参考下面的：无序写入

  • 静态内部类
    这也是一种懒汉式的实现，相比双重锁检查，更简单，更高效吧

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    public class SingletonIniti {

      private SingletonIniti() {}

      private static class SingletonHolder {
        private static final SingletonIniti INSTANCE = newSingletonIniti();
      }

      public static SingletonIniti getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
      }
    }

    加载一个类时，其内部类不会同时被加载。一个类被加载，当且仅当其某个静态成员（静态域、构造器、静态方法等）被调用时发生。
    并且外部类可以访问内部类的 private 方法。

单例模式的使用情景并不是太多，并且如果程序有多个类加载器，还是会造成有多个实例的情况，所以如果用到了多个类加载器记得指定使用同一个类加载器

volatile关键字

关于这个，确实不太常见，很多人以为使用这个关键字，在进行多线程并发处理的时候就可以万事大吉。
Java 语言是支持多线程的，为了解决线程并发的问题，在语言内部引入了 同步块 和 volatile 关键字机制。

对于 synchronized 我们都知道：
通过 synchronized 关键字来实现，所有加上 synchronized 和块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够用 synchronized 修饰的方法 或者 代码块。
用 volatile 修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最的值。volatile 很容易被误用，用来进行原子性操作。

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是 jvm 虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，线程栈保存了线程运行时候变量值信息。
当线程访问某一个对象的值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存变量的具体值 load 到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。
这样在堆中的对象的值就产生变化了。

原文：http://www.cnblogs.com/aigongsi/archive/2012/04/01/2429166.html

从上面的解释也可以看出 volatile 并不能保证原子性，它的作用就是在每次使用的时候获取最新的值

无序写入

双重检查锁定背后的理论是完美的。不幸地是，现实完全不同。双重检查锁定的问题是：并不能保证它会在单处理器或多处理器计算机上顺利运行。
双重检查锁定失败的问题并不归咎于 JVM 中的实现 bug，而是归咎于 Java 平台内存模型。内存模型允许所谓的“无序写入”，这也是这些习语失败的一个主要原因。
关键原因就是： instance = new Singleton(); 不是原子操作。
然后从两个方面来看原因：

  • 有序性：是因为 instance = new Singleton(); 不是原子操作。编译器存在指令重排，从而存在线程1 创建实例后（初始化未完成），线程2 判断对象不为空，但实际对象扔为空，造成错误。
  • 可见性：是因为线程1 创建实例后还只存在自己线程的工作内存，未更新到主存。线程 2 判断对象为空，创建实例，从而存在多实例错误。

也就是，要想保证安全，必须保证这句代码的有序性和可见性。
volatile 对 singleton 的创建过程的重要性：禁止指令重排序（有序性）。
实例化一个对象其实可以分为三个步骤：

  1. 分配内存空间。
  2. 初始化对象。
  3. 将内存空间的地址赋值给对应的引用。

但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程：

  1. 分配内存空间。
  2. 将内存空间的地址赋值给对应的引用。
  3. 初始化对象

如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。
因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为 volatile 类型的变量，volatile 的禁止重排序保证了操作的有序性。
除了这种方案，还有人提出在“构造对象”和“连接引用与实例”之间加上一道内存屏障来保证有序性：

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Singleton temp = new Singleton();
//构造与赋值之间随意做点事情保证顺序
temp.toString();
instance=temp;

这想法确实 nice~

关于可见性，第二次非 null 判断是在加锁以后（也就是说后面的线程在获取锁以后判断 instance 是否为 null 必然是在第一个线程引用赋值完成释放锁以后），则根据这一条，另一个线程一定能看到这个引用被赋值。所以即使没有 volatile，依旧能保证可见性。

https://www.zhihu.com/question/56606703

PS：据说因为 JVM 的实现不同，volatile 未必能保证绝对的安全，在 HotSpot 应该是没问题的。

参考&拓展

http://www.infoq.com/cn/articles/java-blocking-queue
http://blog.csdn.net/xiaohulunb/article/details/38932923
https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3932921.html
https://segmentfault.com/a/1190000008038848
https://blog.csdn.net/chenchaofuck1/article/details/51702129
拓展：
http://www.jianshu.com/p/925dba9f5969
深入理解Java线程池

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