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  • Spring Boot 2.X(十六):應用監控之 Spring Boot Actuator 使用及配置

    Spring Boot 2.X(十六):應用監控之 Spring Boot Actuator 使用及配置

    Actuator 簡介

    Actuator 是 Spring Boot 提供的對應用系統的自省和監控功能。通過 Actuator,可以使用數據化的指標去度量應用的運行情況,比如查看服務器的磁盤、內存、CPU等信息,系統的線程、gc、運行狀態等等。

    Actuator 通常通過使用 HTTP 和 JMX 來管理和監控應用,大多數情況使用 HTTP 的方式。

    Actuator 端點說明

    端點 描述
    auditevents 獲取當前應用暴露的審計事件信息
    beans 獲取應用中所有的 Spring Beans 的完整關係列表
    caches 獲取公開可以用的緩存
    conditions 獲取自動配置條件信息,記錄哪些自動配置條件通過和沒通過的原因
    configprops 獲取所有配置屬性,包括默認配置,显示一個所有 @ConfigurationProperties 的整理列版本
    env 獲取所有環境變量
    flyway 獲取已應用的所有Flyway數據庫遷移信息,需要一個或多個 Flyway Bean
    liquibase 獲取已應用的所有Liquibase數據庫遷移。需要一個或多個 Liquibase Bean
    health 獲取應用程序健康指標(運行狀況信息)
    httptrace 獲取HTTP跟蹤信息(默認情況下,最近100個HTTP請求-響應交換)。需要 HttpTraceRepository Bean
    info 獲取應用程序信息
    integrationgraph 显示 Spring Integration 圖。需要依賴 spring-integration-core
    loggers 显示和修改應用程序中日誌的配置
    logfile 返回日誌文件的內容(如果已設置logging.file.name或logging.file.path屬性)
    metrics 獲取系統度量指標信息
    mappings 显示所有@RequestMapping路徑的整理列表
    scheduledtasks 显示應用程序中的計劃任務
    sessions 允許從Spring Session支持的會話存儲中檢索和刪除用戶會話。需要使用Spring Session的基於Servlet的Web應用程序
    shutdown 關閉應用,要求endpoints.shutdown.enabled設置為true,默認為 false
    threaddump 獲取系統線程轉儲信息
    heapdump 返回hprof堆轉儲文件
    jolokia 通過HTTP公開JMX bean(當Jolokia在類路徑上時,不適用於WebFlux)。需要依賴 jolokia-core
    prometheus 以Prometheus服務器可以抓取的格式公開指標。需要依賴 micrometer-registry-prometheus

    Actuator 使用及配置

    快速使用

    項目依賴

    <dependencies>
            <dependency>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
            </dependency>
            <!-- actuator -->
            <dependency>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-starter-actuator</artifactId>
            </dependency>
    </dependencies>

    配置文件

    management.endpoints.enabled-by-default=true
    #啟動所有端點
    management.endpoints.web.exposure.include=*
    #自定義管理端點路徑
    #management.endpoints.web.base-path=/manage

    Spring Boot 2.X 中,Actuator 默認只開放 health 和 info 兩個端點。

    添加management.endpoints.web.exposure.include=*配置后啟動應用,訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator 我們可以看到所有的 Actuator 端點列表。

    如果將management.endpoints.enabled-by-default設置為false,則禁用所有端點,如需啟用則如下:

    management.endpoints.enabled-by-default=false
    management.endpoint.info.enabled=true

    禁用的端點將從應用程序上下文中完全刪除。如果只想更改公開端點,使用include和exclude屬性。使用如下:

    management.endpoints.web.exposure.include=*
    management.endpoints.web.exposure.exclude=env,beans

    management.endpoints.web.base-path=/manage 配置表示將 /actuator 路徑重定義為 /manage。

    常用端點詳解

    health

    主要用來檢測應用的運行狀況,是使用最多的一個監控點。監控軟件通常使用該接口實時監測應用運行狀況,在系統出現故障時把報警信息推送給相關人員,如磁盤空間使用情況、數據庫和緩存等的一些健康指標。
    默認情況下 health 端點是開放的,訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/health 即可看到應用運行狀態。

    {"status":"UP"}

    如果需要看到詳細信息,則需要做添加配置:

    management.endpoint.health.show-details=always

    訪問返回信息如下:

    {"status":"UP","details":{"diskSpace":{"status":"UP","details":{"total":180002725888,"free":8687988736,"threshold":10485760}}}}

    info

    查看應用信息是否在 application.properties 中配置。如我們在項目中配置是:

    info.app.name=Spring Boot Actuator Demo
    info.app.version=v1.0.0
    info.app.description=Spring Boot Actuator Demo

    啟動項目,訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/info 返回信息如下:

    {"app":{"name":"Spring Boot Actuator Demo","version":"v1.0.0","description":"Spring Boot Actuator Demo"}}

    env

    通過 env 可以獲取到所有關於當前 Spring Boot 應用程序的運行環境信息,如:操作系統信息(systemProperties)、環境變量信息、JDK 版本及 ClassPath 信息、當前啟用的配置文件(activeProfiles)、propertySources、應用程序配置信息(applicationConfig)等。

    可以通過 http://127.0.0.1:8080/actuator/env/{name} ,name表示想要查看的信息,可以獨立显示。

    beans

    訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/beans 返回部分信息如下:

    {
        "contexts": {
            "Spring Boot Actuator Demo": {
                "beans": {
                    "endpointCachingOperationInvokerAdvisor": {
                        "aliases": [
                        ],
                        "scope": "singleton",
                        "type": "org.springframework.boot.actuate.endpoint.invoker.cache.CachingOperationInvokerAdvisor",
                        "resource": "class path resource [org/springframework/boot/actuate/autoconfigure/endpoint/EndpointAutoConfiguration.class]",
                        "dependencies": [
                            "environment"
                        ]
                    },
                    "defaultServletHandlerMapping": {
                        "aliases": [
                        ],
                        "scope": "singleton",
                        "type": "org.springframework.web.servlet.HandlerMapping",
                        "resource": "class path resource [org/springframework/boot/autoconfigure/web/servlet/WebMvcAutoConfiguration$EnableWebMvcConfiguration.class]",
                        "dependencies": [
                        ]
                    },
                    ...
                }
            }
        }
    }

    從返回的信息中我們可以看出主要展示了 bean 的別名、類型、是否單例、類的地址、依賴等信息。

    conditions

    通過 conditions 可以在應用運行時查看代碼了某個配置在什麼條件下生效,或者某個自動配置為什麼沒有生效。

    訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/conditions 返回部分信息如下:

    {
        "contexts": {
            "Spring Boot Actuator Demo": {
                "positiveMatches": {
                    "SpringBootAdminClientAutoConfiguration": [
                        {
                            "condition": "OnWebApplicationCondition",
                            "message": "@ConditionalOnWebApplication (required) found 'session' scope"
                        },
                        {
                            "condition": "SpringBootAdminClientEnabledCondition",
                            "message": "matched"
                        }
                    ],
                    "SpringBootAdminClientAutoConfiguration#metadataContributor": [
                        {
                            "condition": "OnBeanCondition",
                            "message": "@ConditionalOnMissingBean (types: de.codecentric.boot.admin.client.registration.metadata.CompositeMetadataContributor; SearchStrategy: all) did not find any beans"
                        }
                    ],
                    ...
                }
            }
        }
    }

    loggers

    獲取系統的日誌信息。

    訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/loggers 返回部分信息如下:

    {
        "levels": [
            "OFF",
            "ERROR",
            "WARN",
            "INFO",
            "DEBUG",
            "TRACE"
        ],
        "loggers": {
            "ROOT": {
                "configuredLevel": "INFO",
                "effectiveLevel": "INFO"
            },
            "cn": {
                "configuredLevel": null,
                "effectiveLevel": "INFO"
            },
            "cn.zwqh": {
                "configuredLevel": null,
                "effectiveLevel": "INFO"
            },
            "cn.zwqh.springboot": {
                "configuredLevel": null,
                "effectiveLevel": "INFO"
            },
            ...
        }
    }

    mappings

    查看所有 URL 映射,即所有 @RequestMapping 路徑的整理列表。

    訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/mappings 返回部分信息如下:

    {
        "contexts": {
            "Spring Boot Actuator Demo": {
                "mappings": {
                    "dispatcherServlets": {
                        "dispatcherServlet": [
                            {
                                "handler": "ResourceHttpRequestHandler [class path resource [META-INF/resources/], class path resource [resources/], class path resource [static/], class path resource [public/], ServletContext resource [/], class path resource []]",
                                "predicate": "/**/favicon.ico",
                                "details": null
                            },
                            ...
                        ]
                    }
                }
            }
        }
    }

    heapdump

    訪問:http://127.0.0.1:8080/actuator/heapdump會自動生成一個 GZip 壓縮的 Jvm 的堆文件 heapdump,我們可以使用 JDK 自帶的 Jvm 監控工具 VisualVM 打開此文件查看。如圖:

    VisualVM下載:https://visualvm.github.io/download.html

    threaddump

    獲取系統線程的轉儲信息,主要展示了線程名、線程ID、線程的狀態、是否等待鎖資源等信息。在工作中,我們可以通過查看線程的情況來排查相關問題。

    訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/threaddump 返回部分信息如下:

    {
        "threads": [
            {
                "threadName": "DestroyJavaVM",
                "threadId": 40,
                "blockedTime": -1,
                "blockedCount": 0,
                "waitedTime": -1,
                "waitedCount": 0,
                "lockName": null,
                "lockOwnerId": -1,
                "lockOwnerName": null,
                "inNative": false,
                "suspended": false,
                "threadState": "RUNNABLE",
                "stackTrace": [
                ],
                "lockedMonitors": [
                ],
                "lockedSynchronizers": [
                ],
                "lockInfo": null
            },
            ...
        ]
    }

    shutdown

    開啟可以接口關閉 Spring Boot 應用,要使用這個功能需要做如下配置:

    management.endpoint.shutdown.enabled=true

    可以通過 post(僅支持 post) 請求訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/shutdown 關閉應用。

    metrics

    訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/metrics 可以獲取系統度量指標信息項如下:

    {
        "names": [
            "jvm.memory.max",
            "jvm.threads.states",
            "jvm.gc.pause",
            "http.server.requests",
            "process.files.max",
            "jvm.gc.memory.promoted",
            "system.load.average.1m",
            "jvm.memory.used",
            "jvm.gc.max.data.size",
            "jvm.memory.committed",
            "system.cpu.count",
            "logback.events",
            "tomcat.global.sent",
            "jvm.buffer.memory.used",
            "tomcat.sessions.created",
            "jvm.threads.daemon",
            "system.cpu.usage",
            "jvm.gc.memory.allocated",
            "tomcat.global.request.max",
            "tomcat.global.request",
            "tomcat.sessions.expired",
            "jvm.threads.live",
            "jvm.threads.peak",
            "tomcat.global.received",
            "process.uptime",
            "tomcat.sessions.rejected",
            "process.cpu.usage",
            "tomcat.threads.config.max",
            "jvm.classes.loaded",
            "jvm.classes.unloaded",
            "tomcat.global.error",
            "tomcat.sessions.active.current",
            "tomcat.sessions.alive.max",
            "jvm.gc.live.data.size",
            "tomcat.threads.current",
            "process.files.open",
            "jvm.buffer.count",
            "jvm.buffer.total.capacity",
            "tomcat.sessions.active.max",
            "tomcat.threads.busy",
            "process.start.time"
        ]
    }

    對應訪問 names 中的指標,可以查看具體的指標信息。如訪問 http://127.0.0.1:8080/actuator/metrics/jvm.memory.used 返回信息如下:

    {
        "name": "jvm.memory.used",
        "description": "The amount of used memory",
        "baseUnit": "bytes",
        "measurements": [
            {
                "statistic": "VALUE",
                "value": 1.16828136E8
            }
        ],
        "availableTags": [
            {
                "tag": "area",
                "values": [
                    "heap",
                    "nonheap"
                ]
            },
            {
                "tag": "id",
                "values": [
                    "Compressed Class Space",
                    "PS Survivor Space",
                    "PS Old Gen",
                    "Metaspace",
                    "PS Eden Space",
                    "Code Cache"
                ]
            }
        ]
    }

    示例代碼

    參考文檔

    https://docs.spring.io/spring-boot/docs/2.2.1.RELEASE/reference/html/production-ready-features.html

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    原文標題:Spring Boot 2.X(十六):應用監控之 Spring Boot Actuator 使用及配置

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  • 深入理解計算機系統 — 信息的表示和處理

    深入理解計算機系統 — 信息的表示和處理

    1. 信息的存儲

        大多數計算機使用 8 位的塊,或者字節,作為最小的尋址內存單位,而非訪問內存中單獨的位,機器級程序將內存視為一個非常大的字節數組,稱為 虛擬內存 ,內存的每個字節都用一個唯一的数字標識,稱為它的 地址 。以 C 語言的指針為例,指針使用時指向某一個存儲塊的首字節的 虛擬地址 ,C 編譯器將指針和其類型信息結合起來,這樣即可以根據指針的類型,生成不同的機器級代碼來訪問存儲在指針所指向位置處的值。每個程序對象可以簡單視為一個字節塊,而程序本身就是一個字節序列。

    1.1 十六進製表示法

        一個字節由 8 位組成。用二進製表示即 00000000 ~ 11111111 。十進製表示為 0 ~ 255 。由於兩者表示要麼過於冗餘,要麼轉換不遍,因此通常使用十六進制來表示一個字節。這幾種進制的轉換在此就不多說了。

    1.2 字數據大小

        每台計算機都會有一個字長(此處字長非字節長度),指明 指針數據的標稱大小(nominal size),因為虛擬地址是以這樣的一個字來進行編碼的,所以字長決定的最重要的一個系統參數即是虛擬地址空間的最大大小。 對於一個字長為 w 位的機器而言,虛擬地址的範圍為 0 ~ (2 ^w )- 1 ,程序最多訪問 2 ^ w 個字節。以 32 位機器為例,32位字長限制虛擬地址空間為 (2 ^32) -1 ,程序最多訪問 2 ^ 32 個字節,大約為 4 x 10^9 字節,即4 GB ( 根據 2 ^ 10 (1024) 約等於 10 ^ 3 (1000) ,可以得到 2 ^ 32 =  4 * 2^30 = 4 * 10 ^ 9 ) 。64位機器的限制虛擬地址空間為 16 EB。大約為 1.84 x 10 ^9 。

    1.3 尋址和字節順序

        對於跨越多個字節的對象,我們必須建立兩個規則:這個對象的地址是什麼以及在內存中如何排列這些字節。在幾乎所有的機器上,多字節對象都被存儲為連續的字節序列,對象的地址為這個字節序列中最小的字節地址。以 int 類型為例,假定int 大小為32 位,有變量 int x = 0x01234567 。若 x 的地址為 0x100 ,則 x 的 4 個字節將被存儲在 0x100 , 0x101 , 0x102, 0x103 的位置,此時 4個字節的值分別為 0x01, 0x23, 0x45, 0x67,那麼在內存中的排列順序有如下兩種情況,

    • 大端法:最高有效字節放在最前面的方式稱為大端法,即將一個数字的最高位字節放在最小的字節地址。
    • 小端法:最低有效字節放在最前面的方式稱為小端法,即將一個数字的最低位字節放在最小的字節地址。

      以上面的 x 為例,x 的最高位字節是 0x01 ,將其放在最小的字節地址即 0x100。x 的最低位字節為 0x67 ,將其放在最小的字節地址 0x100 。即大小端對應高低位字節。對於我們來說,機器的字節順序是完全不可見的,我們大部分情況下也無需關心其字節順序,但是在不同類型的機器之間通過網絡傳遞二進制數據的時候,如小端法機器傳送數據給大端法機器時,接受方接收到的字節序會變成反序,為了避免這種問題的產生,發送方和接收方都需要遵循一個網絡規則,發送方將二進制數據轉換成網絡標準,接收方再將這個網絡標準的字節序轉換成自己的字節序。此外,我們在閱讀機器級代碼的時候,可能會出現如下的情況:

      暫時忽略這條指令的意義,可以看到左邊6個字節分別為 01 05 43 0b 20 00 ,而右邊的指令中的地址為 0x200b43,可以看到從左邊的第三個字節開始,43 0b 20 是右邊指令地址的倒序,因此在閱讀這種機器級代碼的時候,也需要注意字節序的問題。此外還存在一種情況。如下圖所示。

        我們可以看到, show_bytes 這個函數可以打印出 start 指針指向的地址開始的 len 個字節內容,且不受字節序的影響,那麼它是如何做到的呢?在 show_int 函數中,可以看到它將 參數 x 的地址強制類型轉換為了 byte_pointer , 即 unsigned char * 。通過強制類型轉換的 start 指針指向的仍是 x 的最低字節地址,但是其類型改變了,通過其類型編譯器會認為該指針指向的對象大小為 1 個字節,此時將該指針進行 ++ 操作可以得到順延下一個字節的內容,從而得到對應的整個對象的字節序列中每個字節的內容而不受字節序影響。

    1.4 字符串

        在C語言中,字符串被編碼為一個以 null (其值為0 )字符結尾的字符數組。每個字符都有某個標準編碼來表示,最常見的則是 ASCII 字符碼。假如我們調用 show_bytes(“12345”, 6),那麼會輸出 31 32 33 34 35 00 。可以看到最後打印出了一個終止符,所以通常 C 字符串的長度為實際字符串長度 + 1。 在C 標準庫中的 strlen 函數可以傳入一個字符串得出其長度,這裏的長度即是實際長度,不包含終止符。

    2. 整數表示

        在本章節中,介紹了編碼整數的兩種不同的方式,一種只能表示非負數,另一種則能夠表示負數,正數和零。接下來逐一進行介紹。

    2.1 整型數據類型

        C語言中,整數有多種數據類型,如下圖所示,此外可以通過加上 unsigned 符號來限定該數據類型為非負數。這些數據類型有的是根據機器的字長(32位和64位)決定其實際最大值和最小值的範圍。我們可以看到,圖中最小值和最大值的取值範圍是不對稱的,負數的取值範圍比正數大一,當我們考慮如何表現負數時,會看到為什麼會這樣。

        關於無符號整數的編碼,其實與普通的十進制正數轉換成二進制沒有什麼區別,假設字長 w = 32 位,轉換后大於 32 位的数字將被捨去。這裏主要介紹一下關於有符號数字的編碼,通常計算機使用的編碼錶示方式為 補碼 ,在這個表示方式中,將字的最高有效位(即符號位)表示為負權,權重為 – 2^(w-1) ,當 w 位的值為 1 時表示為負數,反之為正數。以 -1 為例,-1 的補碼為1111 1111  …. …. 1111 ,即 -2^31 + 2^30 + … + 2^0 = -1 ,通常我們看到一個負數想要直接將其使用補碼錶示還是有些不方便的,因此我們可以先使用原碼錶示,所謂原碼和普通的十進制數轉二進制數沒有區別,只不過最高位用來表示符號位,然後再求其反碼,即符號位不變,其餘位取反加 1,就可以得到這個負數的補碼了,還是以 -1 舉例, -1 的原碼為 1000 0000 …. 0001 ,其反碼的值為 1111 1111 …. 1111 ,與 -1 的補碼值是相同的。而正數的補碼為其本身,不需要做這種轉換。

        那麼為什麼要使用補碼這種表示方式呢,首先,二進制補碼可以使正負數相加時仍然採用正常加法的邏輯,不需要做特殊的處理,此外,如果不採用補碼錶示,採用原碼的表示方法,那麼會出現幾個問題,正負零的存在,以及提高了減法的計算複雜度,而補碼可以十分簡單的計算正負數相加,只需求出兩者的補碼對其進行加法,更多關於補碼的解釋可以參考  。

    PS: 為什麼正負數補碼相加會得到正確的結果,這裏個人的見解是:由於補碼最高位為負權,而正數與負數補碼相加相當於正數去抵消這個負權。比如 -16 的補碼為 1111 …. 1111 0000,加上正數 1,由於正數的補碼為本身,所以等價於 -16 + 1  == (-2^31 + 2^30 + … + 2^4 ) +  2^ 0 ,相當於多了一個 2^0 的正權去抵消其最高位的負權。

    2.2 有符號數和無符號數之間的轉換

        C語言允許各種不同的数字類型之間進行強制類型轉換, 如 int x= -1 ; unsigned y = (unsigned) x ; 此時會將 x 的值強制類型轉換成 unsigned 類型然後賦值給 y ,那麼此時 y 的值是多少呢?可以通過打印兩者的十六進制值來看有什麼區別。下面為 test.c 的代碼:

    int main()

    {

    int x = -1;

    unsigned y = (unsigned) x;

    printf(“%x \n”, x);

    printf(“%x \n”, x);

    return 0;

    }

    此處為編譯后可執行文件的輸出結果:

    ffffffff
    ffffffff

    可以看到, x 和 y 的十六進制值是相同的,這也說明了,強制類型轉換並不會改變數據底層的位表示,只是改變了解釋位模式的方式。我們可以利用 printf 的指示符進一步驗證這個結果,使用 %d (有符號十進制), %u (無符號十進制), 來打印 x 和 y 的值。以下是代碼:

    int main()

    {

    int x = 1;

    unsigned y = (unsigned) x;

    printf(“x format d = %d , format u = %u \n”, x, x);

    printf(“y format d = %d , format u = %u \n”, y, y);

    return 0;

    }

    這是編譯后可執行文件的對應輸出:

    x format d = -1 , format u = 4294967295
    y format d = -1 , format u = 4294967295

     我們可以看到,我們使用指示符控制了解釋這些位的方式,得到的結果是一致的。

    2.3 整數運算

     關於整數的運算,主要就是加減乘除四種運算,補碼的加減乘除都比較簡單明了,這裏主要說一下除法的舍入問題,首先,我們先確認下 C 語言中的舍入方式,在 C 語言中,浮點數被賦值給整數時,小數位總是被捨去,如

    float f = 1.5;

    int x = f ;

    printf(“%d \n “, x);

    輸出的結果為:

    1

    當 f 為負數時結果又是如何呢 ?

    float f = -1.5 ;

    int x = f;

    printf(“%d \n”, x);

    輸出的結果為:

    -1

    因此我們可以認為,C語言的舍入方式為向零舍入。接下來看一下除法的舍入問題。此處先以除以 2 的冪的無符號除法為例,

    上圖表示 12340 / 2^k 的時候二進制與對應的十進制的表示,此時的舍入是完全沒有問題的。接下來看下除以 2 的冪的有符號除法。

        當k = 4 的時候,-12340 / 2^ 4 == -771.25,此時的正確舍入值應該為 -771,但是其卻舍入成了 -772。這是因為,如果我們單純使用右移來進行除法的時候,其舍入方式為向下舍入,即總是往更小值的方向舍入,在沒有小數位的情況下是正確的,但是如果有小數位的時候,如 -771.25 舍入為 -772, 771.25 舍入為 771。而C語言的舍入方式為向零舍入,即總是往靠近零的值舍入,如 771.25 舍入為 771, -771.25 舍入為 -771。那麼如何實現這種舍入方式呢。當被除數為負數時,我們可以通過加上一個偏置值來糾正這種不正確的舍入方式。

        我們可以觀察一下上圖的有符號除法例子,可以發現,當右移的 k 位單獨拿出來,不為 0 的時候,會導致舍入結果不正確,這是因為,k 位的值不為 0 的時候,表示該結果有小數,所以可以通過 (x + (1 << k) – 1) >> k 得到正確的結果, (1 << k) – 1 可以獲得 k 個 1,x 加上 k 個 1 可以使捨去的 k 位不為 0 時產生進位,x >> k 的結果加一,從而使舍入正確。

    關於整數的表示和運算,個人覺得有幾個需要關注的點,一是溢出問題,由於使用有限的位來表示整數,所以當数字過大的時候可能會產生溢出,溢出的位會被捨去,但是有符號數的溢出可能會使符號位被置反,如 0111 1111 …. 1111 + 1 = 1000 0000 …. 0000,0111 1111 …. 1111 為 INT_MAX , INT_MAX + 1 會得到 INT_MIN。此外,無符號數與有符號數進行比較的時候,會使有符號數強制轉換為無符號數,如果有以下循環代碼:

    for(size_t i = 10; i >= 0 ; i–);

    由於 i 為無符號數,當 i == 0 的時候,判斷還會繼續循環下去, 0 – 1  = -1 , -1 的補碼錶示為 1111 1111 …. 1111 , 剛好是無符號數的最大值,會導致死循環。因此也需要注意一切與無符號類型數據的運算,以及強制類型轉換可能出現的問題。

    3. 浮點數

        終於來到了這一章的重點內容之一(其實感覺這本書哪裡都挺重要的),這裏主要介紹浮點數是如何表示的,並且介紹浮點數舍入的問題(和上面講到的舍入不大一樣),浮點數的表示及其運算標準稱為 IEEE754 標準,初看可能會讓你覺得有些晦澀難懂,但是理解之後會覺得設計的十分巧妙。

    3.1 定點表示法

        首先讓我們先看下十進制的浮點數是如何表示的,浮點數的定義與小數點息息相關,定義在小數點左邊的数字的權是 10 的正冪,右邊的数字為 10 的負冪,如 12.34 表示 1 * 10^ 1 + 2 * 10^0 + 3 * 10 ^-1 + 4 * 10 ^ -2 = 12又34/100,同理可以得到二進制的浮點數表示,即定義在小數點左邊的数字的權是 2 的正冪,右邊的数字為 2 的負冪,如 101.11 = 1 * 2^2 + 0 * 2^1 + 1 * 2^0 + 1 * 2^-1 + 1 * 2^-2 。這種浮點數的表示方法是有缺陷的,無法精準的表示特定的数字,以 1/5 為例,可以用 十進制数字 0.2 表示,但是我們無法用二進制數字錶示它,只能近似的表示它,通過增加二進製表示的長度可以提升表示的精度。如下圖所示。

    3.2 IEEE754標準

        在前面談到的定點表示法不能有效的表示一個比較大的数字,例如 5 x 2^100 是用 101 後面跟隨 100 個零的位模式,我們希望能夠通過給定 x 和 y 的值來表示如 x * 2 ^y 的数字。IEEE754 標準使用 V = ( – 1)^S * M * 2^E 的形式來表示一個數。

    • 符號(Sign): S 決定這個數是負數(S = 1 )還是正數 (S = 0), 對於數值為 0 的符號位做特殊解釋。
    • 尾數(Significand): M 是一個二進制小數,範圍為 1 ~ 2 – e , 或者是 0 ~ 1 – e 。
    • 階碼(Exponent): E 的作用是對浮點數進行加權,這個權重是 2 的 E 次冪(E 可能為負數)。

    通過將浮點數的位劃分為三個字段,分別對這些值進行編碼:

    • 一個單獨的符號位 S 。
    • k 位的階碼字段 ,exp = e(0) e(1) e(2) … e(k-1) ,exp 用來編碼階碼 E。
    • n 位的小数字段 ,   frac = f(n-1) … f(1) f(0) ,frac 用來編碼尾數 M。

    下圖是該標準下封裝到字中的兩種最常見的格式。

    此外,根據階碼值(exp),被編碼的值可以分為下圖幾種情況(階碼值全為 0 ,階碼值全為 1 , 階碼值不全為 0 也不全為 1):

    接下來對這幾種格式進行一一介紹~:

    • 規格化浮點數 : 這是最普遍的情況,當 exp 的值不全為 0 也不全為 1 時,就屬於這種情況,這種情況下,階碼值 E = e – bias ,其中 e 為無符號數,即 exp 的值,而 bias 是一個 2^(k-1) – 1 的偏置值(單精度為 127,雙精度為 1023),而小数字段 frac 被解釋為描述小數值 f ,其中 0 <= f < 1,其二進製表示為 0.f(n-1)…f(1)f(0) 的数字,也就是二進制小數點在最高有效位的左邊的形式。尾數定義為 M = 1 + f 。 有時候這種方式也叫做 隱含 1 開頭的表示(implied leading  1),因為這種定義我們可以把 M 看成一個二進製表示為 1.f(n-1) … f(1)f(0) 的数字。既然我們總是能調整階碼 E ,使得尾數 M 在範圍 1 <= M < 2 之中(假設沒有溢出),那麼這樣可以節約一個位,因為第一位總是為 1 。
    • 非規格化浮點數 : 當 exp 的值全為 0 的時候,所表示的浮點數為非規格化類型,E = 1 – bias ,而尾數的值為 M = f 。不含開頭的 1 。非規格化有兩種用途,首先它提供了表示  0 的方法,因為規格化數使得 M >=  1,所以不能表示 0 ,另外非規格化數另一個功能則是表示那些非常接近於 0.0 的數,他們提供了一種屬性,稱為逐漸溢出,其中,可能的數值均勻分佈接近於 0.0 。
    • 特殊值 : 最後一類數值是指當階碼全為 1 的時候出現的。當小數域全為 0 時,表示為無窮大/小,當我們將兩個非常大的數相乘時,或者除以零時,無窮能夠表示溢出的結果。當小數域為非 0 時,結果為 NaN(Not a Number),一些運算的結果不能為實數或者無窮時,會返回 NaN,比如 根號 -1 ,或者 無窮減無窮。此外,在某些應用中也可以用來表示未初始化的數值。

        首先,通過一個字長為 8 位的例子,來看一下IEEE754標準實際上使用時是如何表示的 :

        上圖為展示了假定 w = 8 的字長,k = 4 的階碼位以及 n = 3 的小數位。偏移量為 2 ^ ( k -1 ) -1 = (2 ^ 3) – 1 = 7。圖中分別展示了非規格化數,規格化數以及特殊值是如何編碼的,以及如何結合在一起表示 V = (2^E) * M。我們可以看到,從最大非規格化數到最小規格化數,其值的轉變十分平滑,從 7/512 到 8/512 。這得益於非規格化數的 E 定義為 1 – bias ,最大的非規格化數的階碼值 E 與最小的規格化數的階碼值 E 是相等的,兩者唯一的區別在於 M 值,規格化數尾數 M = 1 + f ,而非規格化的尾數 M = f ,因為非規格化值是用於表示 [0, 1] 區間的小數的,當 f 達到最大值時, f 接近於 1 ,此時最大的非規格化數再進一位,小數 M 只能表示為 1 ,因為此時限制於 f 的位數,沒有比 f 大又比 1 小的小數值 ,進位後轉換成了規格化數,此時 f = 0 , 在階碼值 E 相等的情況下,讓規格化的 M = 1 + f 恰好可以使兩者進行平滑的轉換。

        假如我們使非規格化數的 E = 0 – bias = -7 ,那麼會導致最大非規格化數和最小規格化數的粒度過大,兩者的值分別為 7/1024 和 8/512 。這種定義可以彌補非規格化數的尾數沒有隱含的 1 。通過上述的例子,我們可以發現 ,假如我們把上述的例子按無符號整數表示的話,會發現它的值是有序上升的,這不是偶然的,IEEE 格式如此設計就是為了浮點數能夠使用整數排序函數進行排序。

        通過練習將整數值轉換為浮點數值形式對理解浮點數很有用,以 12345(十進制) 為例,其二進製表示為 1100 0000 1110 01 . 0  ,通過將小數點左移 13 位得到 1.1000000111001 * 2^13 ,我們丟棄開頭的 1 (這裏的 1 就是規格化數隱含的 1),構造小数字段,當 f 不足 23 位的時候,往後填充 0 ,即 M = 1 + f = 1 + 1000 0001 1100 1000 0000 000 ,當 f 大於 23 位的時候,f 多出的位會被捨棄(這裏可以看出浮點數的兩個性質,以 int 類型和 float 類型舉例,當 int 值 大於 2^24 的時候,int 轉換成 float 兩者很有可能值會不相等,因為多出的部分被捨棄了,二是 float 可以表示的數值遠遠大於 int 類型,V =  (-1 ^ S)  * M * 2^E  ,E 最高可以等於 127 ,float 的最大值為 (2^127) * (1 + f),而 int 最大值為 (2^31) -1。

    3.3 舍入

        浮點數的舍入方式有四種,分別是向上舍入,向下舍入,向零舍入,向偶數舍入。下圖是幾種舍入方式的例子 :

    偶數舍入是浮點數默認的舍入方式,可以看到,向偶數舍入時,當小數值為中間值時,會使最低有效数字總為偶數,如 2.5 和 1.5 都舍入為 2 。為什麼使用向偶數舍入呢,假設我們採用向上舍入,用這種方法舍入一組數值,會在計算這些值的平均值中引入統計偏差。我們採用這種方式舍入得到的平均值總是比這些數本身的平均值要略高一些,反之向下舍入亦然,向偶數舍入則可以使在 50% 的時間內向上舍入,50% 的時間內向下舍入。

    4. 小結

      • 計算機將信息編碼為位(bit),通常組織成字節序列,有不同的編碼方式來表示整數,實數和字符串。不同的計算機模型在編碼数字和多字節數據中的字節順序時使用不同的約定。
      • 絕大部分機器使用補碼來編碼整數。對於浮點數使用 IEEE754 標準來編碼。
      • 在進行對無符號和有符號整數進行強制類型轉換時,底層的位模式是不變的。(浮點數與整數轉換則會進行 改變,如 float f = 1.25; int x = f; 此時打印兩者的十六進制值,可以分別輸出為 f = 92463258 ,x = 1 )
      • 由於編碼的長度有限,當超出表示範圍時,有限長度會引起數值溢出,如 x * x 可能會得到負數。當浮點數非常接近於 0.0 時,轉換成 0 時也會產生下溢。
      • 使用補碼運算 ~x + 1 = -x (不適用於 INT_MIN) 。可以通過 (2^k) – 1 生成一個 k 位的掩碼。
      • 浮點數不具備結合率,因為可能發生溢出或者舍入,從而失去精度。如(le20 * le20) * le-20 = 正無窮,而 le20 * (le20 * le-20) = le20 。此外也不具備分配性,如 le20 * (le20 – le20) = 0.0 ,而 le20 * le20 – le20 * le20 = NaN。

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  • 程序員需要了解的硬核知識之操作系統入門

    程序員需要了解的硬核知識之操作系統入門

    對於程序員來說,最莫大的榮耀莫過於自己的軟件被大多數人使用了吧。

    歷史文章請戳

    本篇文章作為操作系統的入門文章,可能入門都算不上吧,畢竟操作系統太龐大和複雜了。本篇文章主要帶你了解一下我們常用的操作系統環境。

    操作系統環境

    程序中包含着運行環境這一內容,可以說 運行環境 = 操作系統 + 硬件 ,操作系統又可以被稱為軟件,它是由一系列的指令組成的。我們不介紹操作系統,我們主要來介紹一下硬件的識別。

    我們肯定都玩兒過遊戲,你玩兒遊戲前需要干什麼?是不是需要先看一下自己的筆記本或者電腦是不是能肝的起遊戲?下面是一個遊戲的配置(懷念一下 wow)

    圖中的主要配置如下

    • 操作系統版本:說的就是應用程序運行在何種系統環境,現在市面上主要有三種操作系統環境,Windows 、Linux 和 Unix ,一般我們玩兒的大型遊戲幾乎都是在 Windows 上運行,可以說 Windows 是遊戲的天堂。Windows 操作系統也會有區分,分為32位操作系統和64位操作系統,互不兼容。
    • 處理器:處理器指的就是 CPU,你的電腦的計算能力,通俗來講就是每秒鐘能處理的指令數,如果你的電腦覺得卡帶不起來的話,很可能就是 CPU 的計算能力不足導致的。想要加深理解,請閱讀博主的另一篇文章:

    • 顯卡:顯卡承擔圖形的輸出任務,因此又被稱為圖形處理器(Graphic Processing Unit,GPU),顯卡也非常重要,比如我之前玩兒的劍靈開五檔(其實就是圖像變得更清晰)會卡,其實就是顯卡显示不出來的原因。
    • 內存:內存即主存,就是你的應用程序在運行時能夠動態分析指令的這部分存儲空間,它的大小也能決定你電腦的運行速度,想要加深理解,請閱讀博主的另一篇文章

    • 存儲空間:存儲空間指的就是應用程序安裝所佔用的磁盤空間,由圖中可知,此遊戲的最低存儲空間必須要大於 5GB,其實我們都會遺留很大一部分用來安裝遊戲。

    從程序的運行環境這一角度來考量的話,CPU 的種類是特別重要的參數,為了使程序能夠正常運行,必須滿足 CPU 所需的最低配置。

    CPU 只能解釋其自身固有的語言。不同的 CPU 能解釋的機器語言的種類也是不同的。機器語言的程序稱為 本地代碼(native code),程序員用 C 等高級語言編寫的程序,僅僅是文本文件。文本文件(排除文字編碼的問題)在任何環境下都能显示和編輯。我們稱之為源代碼。通過對源代碼進行編譯,就可以得到本地代碼。下圖反映了這個過程。

    Windows 操作系統克服了CPU以外的硬件差異

    計算機的硬件並不僅僅是由 CPU 組成的,還包括用於存儲程序指令的數據和內存,以及通過 I/O 連接的鍵盤、显示器、硬盤、打印機等外圍設備。

    在 WIndows 軟件中,鍵盤輸入、显示器輸出等並不是直接向硬件發送指令。而是通過向 Windows 發送指令實現的。因此,程序員就不用注意內存和 I/O 地址的不同構成了。Windows 操作的是硬件而不是軟件,軟件通過操作 Windows 系統可以達到控制硬件的目的。

    不同操作系統的 API 差異性

    接下來我們看一下操作系統的種類。同樣機型的計算機,可安裝的操作系統類型也會有多種選擇。例如:AT 兼容機除了可以安裝 Windows 之外,還可以採用 Unix 系列的 Linux 以及 FreeBSD (也是一種Unix操作系統)等多個操作系統。當然,應用軟件則必須根據不同的操作系統類型來專門開發。CPU 的類型不同,所對應機器的語言也不同,同樣的道理,操作系統的類型不同,應用程序向操作系統傳遞指令的途徑也不同

    應用程序向系統傳遞指令的途徑稱為 API(Application Programming Interface)。Windows 以及 Linux 操作系統的 API,提供了任何應用程序都可以利用的函數組合。因為不同操作系統的 API 是有差異的。所以,如何要將同樣的應用程序移植到另外的操作系統,就必須要覆蓋應用所用到的 API 部分。

    鍵盤輸入、鼠標輸入、显示器輸出、文件輸入和輸出等同外圍設備進行交互的功能,都是通過 API 提供的。

    這也就是為什麼 Windows 應用程序不能直接移植到 Linux 操作系統上的原因,API 差異太大了。

    在同類型的操作系統下,不論硬件如何,API 幾乎相同。但是,由於不同種類 CPU 的機器語言不同,因此本地代碼也不盡相同。

    FreeBSD Port 幫你輕鬆使用源代碼

    不知道你有沒有這個想法:“既然 CPU 不同會導致本地代碼不同,那為何不將源代碼直接發送給程序呢?”這確實是一種解決辦法,Unix 系列的 FreeBSD 操作系統就使用了這種方式。

    Unix 系列操作系統 FreeBSD 中,存在一種名為 Ports 的機制。該機制能夠結合當前運行環境的硬件環境來編譯應用的源代碼,進而得到可以運行的本地代碼。如果目標應用的源代碼在硬件上找不到,Ports 就會自動使用 FTP 連接到相應站點下載代碼。

    全球有很多站點都提供適用於 FreeBSD 的應用源代碼。通過使用 Ports 可以利用的程序源代碼,大約有 16000 種。根據不同的領域進行分類,可以隨時使用。

    FreeBSD 上應用的源代碼,大部分是用 C 語言來標註的,C 編譯器可以結合 FreeBSD 的運行環境來生成合適的本地代碼。

    FTP( File Transfer Protocol) 是連接到互聯網上的計算機之間的傳送文件的協議。

    可以使用虛擬機獲取其他環境

    即使不通過應用程序的移植,在同一個操作系統上仍然可以使用其他的操作系統,那就是使用 虛擬機軟件。虛擬機(Virtual Machine)指通過軟件的具有完整硬件系統功能的、運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統。在實體計算機中能夠完成的工作在虛擬機中都能夠實現。

    提供相同運行環境的 Java 虛擬機

    總算是提到大 Java 了, Java 大法好,除了虛擬機的方法之外,還有一種方法能夠提供不依賴於特定硬件和操作系統的程序運行環境,那就是 Java。

    大家說的 Java 其實有兩層意思,一種是作為編程語言的 Java;一種是作為程序運行環境的 Java。Java 與其他語言相同,都是通過源代碼編譯后運行的。不過,編譯後生成的不是特定 CPU 使用的本地代碼,而是名為字節代碼 的程序。直接代碼的運行環境就稱為 Java 虛擬機(Java Virtual Machine)。Java 虛擬機是一邊把 Java 字節代碼逐一轉換為本地代碼一邊在運行着。

    程序運行時,將編譯后的字節代碼轉換為本地代碼,這樣的操作看上去有些迂迴,但由此可以實現相同的字節碼可以在不同的操作系統環境下運行。

    想象一下,你開發完成的應用部署到 Linux 環境下,是不是什麼都不用管?

    Windows 有專門的 Windows 虛擬機,Macintosh 有 Macintosh 專門的虛擬機。從操作系統來看,Java虛擬機就是一個應用,從運行環境上來看,Java 虛擬機就是運行環境。

    BIOS 和引導

    最後對一些比較基礎的部分做一些補充說明。程序的運行環境,存在着名為 BIOS(Basic Input/Output System)的系統。BIOS 存儲在 ROM 中,是預先內置在計算機主機內部的程序。BIOS 除了鍵盤、磁盤和顯卡等基本控制外,還有引導程序的功能。引導程序是存儲在啟動驅動器啟示區域的小程序。操作系統的啟動驅動器一般硬盤。不過有時也可能是 CD-ROM 或軟盤。

    電腦開機后,BIOS 會確認硬件是否正常運行,沒有異常的話會直接啟動引導程序。引導程序的功能是把在硬盤等記錄的 OS 加載到內存中運行。雖然啟動應用是 OS 的功能,但 OS 不能啟動自己,是通過引導程序來啟動的。

    文章參考:

    《程序是怎樣跑起來的》第七章

    關注公眾號後台回復 191106 即可獲得《程序是怎樣跑起來的》电子書

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  • 研究:熱浪恐同時襲擊大糧倉 造成食物短缺

    摘錄自2019年12月10日中央社報導

    德國波茨坦氣候影響研究中心(Potsdam Institute for Climate Impact Research)氣候學家、也在荷蘭阿姆斯特丹自由大學(VU University Amsterdam)擔任副教授的庫姆(Dim Coumou)共同執筆在「自然氣候變遷」(Nature Climate Change)期刊,該報告警告,氣候變遷可能導致全球各地出現更強烈的熱浪,並在同一時間襲擊各大糧倉,造成食物短缺,引發動亂。

    庫姆表示,世界一部分地區的農作物因氣候災難等原因歉收,原本就會抵銷其他收成正常或豐收地區增加的交易量;但高懸地球上空的強烈噴射氣流風,加上氣候導致氣溫更加升高,可能會在同時間襲來,威脅到多個糧倉的作物。

    最無法抵擋這種熱浪的地區包括北美西部、西歐、西俄羅斯和烏克蘭,這裡種植的小麥、玉米、大豆、稻米產量占全球主食約1/4。

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  • 李克強:加快建設新能源汽車充電設施

    國務院總理李克強作政府工作報告時表示,今後要加快建設城市停車場和新能源汽車充電設施,提高清潔能源比重。

    李克強指出,重拳治理大氣霧霾和水污染。著力抓好減少燃煤排放和機動車排放。加強煤炭清潔高效利用,推進以電代煤、以氣代煤。全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造,加快淘汰不符合強制性標準的燃煤鍋爐,增加天然氣供應,完善風能、太陽能、生物質能等發展扶持政策,提高清潔能源比重,鼓勵秸稈資源化利用,減少直接焚燒。

    全面推廣車用燃油國五標準,淘汰黃標車和老舊車380萬輛,在重點區域實行大氣污染聯防聯控。

    增強消費拉動經濟增長的基礎作用。適應消費升級趨勢,破除政策障礙,優化消費環境,維護消費者權益。支持發展養老、健康、家政、教育培訓、文化體育等服務消費。壯大網路資訊、智慧家居、個性時尚等新興消費。鼓勵線上線下互動,推動實體商業創新轉型。完善物流配送網路,促進快遞業健康發展。活躍二手車市場,加快建設城市停車場和新能源汽車充電設施。在全國開展消費金融公司試點,鼓勵金融機構創新消費信貸產品。

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  • 工信部將調查新能源車騙補 違規或將取消資質

    日前,有媒體報導稱,部分電動車廠和租賃運營公司,以迴圈使用電池組裝配整車方式,以少充多,騙取政府對新能源汽車的大量補貼。高額補貼不僅令一些原本沒有新能源技術儲備的汽車生產企業爭先恐後投入“電動化”,還在銷售環節進行算計。目前工信部等部門已經啟動調查,針對騙取新能源汽車補貼的企業或將面臨吊銷生產資質的嚴厲處罰。

    對此,一位從事動力電池專家王敏(化名)在接受採訪時表示:“這種現象的確存在,靠不正當手法獲得補貼的企業多為小型企業或改裝廠。”
      
    王敏對此解釋稱,一些車企騙取新能源補貼的方式主要有兩種,一是整車企業全資或參股汽車租賃公司,通過“自產自銷”的方式,拿到國家和地方對電動車的補貼;租賃公司購買的車輛並沒有投入運營,但是這些車輛在上牌之後,補貼已經到手。在兩類細分行業,一類是用於共用、租賃的乘用車,一類是用於城市物流的運營類車輛,都有騙補的情況發生。

    另一種方式,則是由一家汽車租賃運營公司主導,一邊採購整車企業,一邊與電池企業合作,通過“多採購整車,少採購電池”的方式,從中獲取補貼。這種方式是通過協力廠商運營公司來暗箱操作,有些車輛運營公司,一手牽著產銷規模甚小的電動車生產企業,一手與動力電池生產企業合作,通過將兩類公司的產品捏合在一起組成電動車,獲得政府補貼,很多車輛“空有牌照”,並沒有真正上路運營。

    根據2015年12月財政部發佈的《關於2016~2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》,純電動、插電式混合動力(含增程式)等專用車、貨車推廣應用補助標準:按電池容量每千瓦時補助1800元。

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  • SpringBoot 源碼解析 (一)—– SpringBoot核心原理入門

    SpringBoot 源碼解析 (一)—– SpringBoot核心原理入門

    Spring Boot 概述

    Build Anything with Spring Boot:Spring Boot is the starting point for building all Spring-based applications. Spring Boot is designed to get you up and running as quickly as possible, with minimal upfront configuration of Spring.

    上面是引自官網的一段話,大概是說: Spring Boot 是所有基於 Spring 開發的項目的起點。Spring Boot 的設計是為了讓你盡可能快的跑起來 Spring 應用程序並且盡可能減少你的配置文件。

    什麼是 Spring Boot

    • 它使用 “習慣優於配置” (項目中存在大量的配置,此外還內置一個習慣性的配置,讓你無須手動配置)的理念讓你的項目快速運行起來。
    • 它並不是什麼新的框架,而是默認配置了很多框架的使用方式,就像 Maven 整合了所有的 jar 包一樣,Spring Boot 整合了所有框架

    使用 Spring Boot 有什麼好處

    回顧我們之前的 SSM 項目,搭建過程還是比較繁瑣的,需要:

    • 1)配置 web.xml,加載 spring 和 spring mvc
    • 2)配置數據庫連接、配置日誌文件
    • 3)配置家在配置文件的讀取,開啟註解
    • 4)配置mapper文件
    • …..

    而使用 Spring Boot 來開發項目則只需要非常少的幾個配置就可以搭建起來一個 Web 項目,並且利用 IDEA 可以自動生成生成

    • 划重點:簡單、快速、方便地搭建項目;對主流開發框架的無配置集成;極大提高了開發、部署效率。

    Spring Boot HelloWorld

    導入依賴spring boot相關的依賴

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
    <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
        xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
        <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    
        <groupId>cn.chenhao</groupId>
        <artifactId>springboot</artifactId>
        <version>1.0.0-SNAPSHOT</version>
        <packaging>jar</packaging>
    
        <name>springboot</name>
        <description>Demo project for Spring Boot</description>
        <parent>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
            <version>2.0.1.RELEASE</version>
            <relativePath/>
        </parent>
        <dependencies>
            <dependency>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
            </dependency>
        </dependencies>
        <build>
            <plugins>
                <plugin>
                    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                    <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                </plugin>
            </plugins>
        </build>
    </project>

    編寫主程序

    /**
     * @SpringBootApplication來標註一個主程序類,說明這是一個SpringBoot應用
     */ @SpringBootApplication public class HelloWorldMainApplication {
    
        public static void main(String[] args) {
            //Spring應用啟動
            SpringApplication.run(HelloWorldMainApplication.class, args);
        }
    }

    編寫Controller、Service

    @RestController
    public class HelloController {
    
        @RequestMapping("/hello")
        public String hello(){
            return "Hello world";
        }
    }

    運行主程序測試

    使用maven打包命令將其打包成jar包后,直接使用命令:

    java -jar xxx.jar

    Hello World探究

    POM文件

    父項目

    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.0.1.RELEASE</version>
        <relativePath/>
    </parent>

    其父項目是

    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-dependencies</artifactId>
        <version>2.0.1.RELEASE</version>
        <relativePath>../../spring-boot-dependencies</relativePath>
    </parent>

    該父項目是真正管理Spring Boot應用裏面的所有依賴的版本:Spring Boot的版本仲裁中心,所以以後導入的依賴默認是不需要版本號。如下

    還有很多版本號沒有截圖出來

    啟動器

    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>

    spring-boot-starter : spring boot場景啟動器;幫助導入web模塊正常運行所依賴的組件;

    ​ Spring Boot將所有的功能場景抽取出來,做成一個個的starter(啟動器),只需要在項目中引入這些starter,那麼相關的場景的所有依賴都會導入進項目中。要用什麼功能就導入什麼場景的啟動器。

    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework</groupId>
        <artifactId>spring-web</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework</groupId>
        <artifactId>spring-webmvc</artifactId>
    </dependency>

    添加了 spring-boot-starter-web 依賴,會自動添加 Tomcat 和 Spring MVC 的依賴

    spring-boot-starter-web中又引入了spring-boot-starter-tomcat

    主程序類(主入口類)

    @SpringBootApplication public class HelloWorldMainApplication {
    
        public static void main(String[] args) {
            //Spring應用啟動
            SpringApplication.run(HelloWorldMainApplication.class, args);
        }
    }

    @SpringBootApplication

    • Spring Boot應用標註在某個類上,說明這個類是SpringBoot的主配置類,SpringBoot就應該運行這個類的main方法來啟動SpringBoot應用。

    註解定義如下:

    @SpringBootConfiguration @EnableAutoConfiguration
    @ComponentScan(excludeFilters = {
            @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = TypeExcludeFilter.class),
            @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = AutoConfigurationExcludeFilter.class) })
    public @interface SpringBootApplication {}

    @SpringBootConfiguration

    • Spring Boot的配置類
    • 標註在某個類上,表示這是一個Spring Boot的配置類

    註解定義如下:

    @Configuration public @interface SpringBootConfiguration {}

    其實就是一個Configuration配置類,意思是HelloWorldMainApplication最終會被註冊到Spring容器中

    @EnableAutoConfiguration

    • 開啟自動配置功能
    • 以前使用Spring需要配置的信息,Spring Boot幫助自動配置;
    • @EnableAutoConfiguration通知SpringBoot開啟自動配置功能,這樣自動配置才能生效。

    註解定義如下:

    @AutoConfigurationPackage
    @Import(EnableAutoConfigurationImportSelector.class) public @interface EnableAutoConfiguration {}

    @AutoConfigurationPackage

    • 自動配置包註解
    @Import(AutoConfigurationPackages.Registrar.class) public @interface AutoConfigurationPackage {}

    @Import(AutoConfigurationPackages.Registrar.class):默認將主配置類(
    @SpringBootApplication)所在的包及其子包裏面的所有組件掃描到Spring容器中。如下

    @Order(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE)
    static class Registrar implements ImportBeanDefinitionRegistrar, DeterminableImports {
    
        @Override
        public void registerBeanDefinitions(AnnotationMetadata metadata,
                BeanDefinitionRegistry registry) {
              //默認將會掃描@SpringBootApplication標註的主配置類所在的包及其子包下所有組件
            register(registry, new PackageImport(metadata).getPackageName());
        }
    
        @Override
        public Set<Object> determineImports(AnnotationMetadata metadata) {
            return Collections.<Object>singleton(new PackageImport(metadata));
        }
    }

    @Import(EnableAutoConfigurationImportSelector.class)

    EnableAutoConfigurationImportSelector: 導入哪些組件的選擇器,將所有需要導入的組件以全類名的方式返回,這些組件就會被添加到容器中。

     1 //EnableAutoConfigurationImportSelector的父類:AutoConfigurationImportSelector
     2 @Override
     3 public String[] selectImports(AnnotationMetadata annotationMetadata) {
     4     if (!isEnabled(annotationMetadata)) {
     5         return NO_IMPORTS;
     6     }
     7     try {
     8         AutoConfigurationMetadata autoConfigurationMetadata = AutoConfigurationMetadataLoader
     9             .loadMetadata(this.beanClassLoader);
    10         AnnotationAttributes attributes = getAttributes(annotationMetadata);
    11         List<String> configurations = getCandidateConfigurations(annotationMetadata, attributes); 12         configurations = removeDuplicates(configurations);
    13         configurations = sort(configurations, autoConfigurationMetadata);
    14         Set<String> exclusions = getExclusions(annotationMetadata, attributes);
    15         checkExcludedClasses(configurations, exclusions);
    16         configurations.removeAll(exclusions);
    17         configurations = filter(configurations, autoConfigurationMetadata);
    18         fireAutoConfigurationImportEvents(configurations, exclusions);
    19         return configurations.toArray(new String[configurations.size()]);
    20     }
    21     catch (IOException ex) {
    22         throw new IllegalStateException(ex);
    23     }
    24 }

    我們主要看第11行List<String> configurations = getCandidateConfigurations(annotationMetadata, attributes);會給容器中注入眾多的自動配置類(xxxAutoConfiguration),就是給容器中導入這個場景需要的所有組件,並配置好這些組件。我們跟進去看看

    protected List<String> getCandidateConfigurations(AnnotationMetadata metadata,
                AnnotationAttributes attributes) {
        List<String> configurations = SpringFactoriesLoader.loadFactoryNames(
            getSpringFactoriesLoaderFactoryClass(), getBeanClassLoader());
        //...
        return configurations;
    }
    
    protected Class<?> getSpringFactoriesLoaderFactoryClass() {
        return EnableAutoConfiguration.class;
    }
    
    public static final String FACTORIES_RESOURCE_LOCATION = "META-INF/spring.factories";
    
    public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
        String factoryClassName = factoryClass.getName();
        try {
            //從類路徑的META-INF/spring.factories中加載所有默認的自動配置類
            Enumeration<URL> urls = (classLoader != null ? classLoader.getResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION) :
                                     ClassLoader.getSystemResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION));
            List<String> result = new ArrayList<String>();
            while (urls.hasMoreElements()) {
                URL url = urls.nextElement();
                Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(new UrlResource(url));
                //獲取EnableAutoConfiguration指定的所有值,也就是EnableAutoConfiguration.class的值
                String factoryClassNames = properties.getProperty(factoryClassName);
                result.addAll(Arrays.asList(StringUtils.commaDelimitedListToStringArray(factoryClassNames)));
            }
            return result;
        }
        catch (IOException ex) {
            throw new IllegalArgumentException("Unable to load [" + factoryClass.getName() + "] factories from location [" + FACTORIES_RESOURCE_LOCATION + "]", ex);
        }
    }

    SpringBoot啟動的時候從類路徑下的
    META-INF/spring.factories中獲取EnableAutoConfiguration指定的值,並將這些值作為自動配置類導入到容器中,自動配置類就會生效,最後完成自動配置工作。EnableAutoConfiguration默認在spring-boot-autoconfigure這個包中,如下圖

    最終有96個自動配置類被加載並註冊進Spring容器中

    J2EE的整體整合解決方案和自動配置都在spring-boot-autoconfigure-xxx.jar中。在這些自動配置類中會通過@ConditionalOnClass等條件註解判斷是否導入了某些依賴包,從而通過@Bean註冊相應的對象進行自動配置。後面我們會有單獨文章講自動配置的內容

     

     

     

     

     

     

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  • 取道對歐輸送天然氣 俄烏達成初步協議

    摘錄自2019年12月20日中央社報導

    俄羅斯天然氣工業公司2019年向歐洲供應2008億立方公尺的天然氣,其中有約40%是借道烏克蘭運送,讓烏克蘭每年賺得約30億美元(約新台幣904億元)的過境費,此輸送合約將於年底到期,但自莫斯科2014年併吞克里米亞並支持烏克蘭東部的分離主義分子叛亂活動後,雙方關係急轉直下。

    俄羅斯與烏克蘭歷經數個月的艱難談判,在即將到來的新年截止期限前,簽署取道烏克蘭將俄羅斯天然氣運往歐洲的初步協議。

    俄羅斯通訊社引述俄羅斯天然氣工業公司(Gazprom)發言人說法報導:「俄羅斯與烏克蘭已經簽署諒解備忘錄。」但沒有提供合約細節。法新社報導,俄羅斯能源部長諾瓦克(Alexander Novak)說,這是5年合約,將在月底前簽署。

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  • 日產聆風在美“充電不花錢”項目將新增三個城市

    日產聆風在美國進行的“充電不花錢”(No Charge to Charge)項目將新增三個城市。

    據報導,此前有26個不同市城市消費者可以享受這個項目,不過好消息是,現在位於紐約市、費城與聖巴巴拉市的聆風用戶也可以進行免費充電了。用戶可以在指定的公共充電站使用贈送的費用充電,同樣,用戶也可以使用EZ-Charge網站或APP輕鬆的定位合作的充電站。

    “充電不花錢”項目針對日產聆風電動汽車的購買者或租賃者,並提供免費兩年的充電機會。新車主將受到一張EZ-Charge卡,這張卡可以介入充電點(ChargePoint)。

    除了新增的城市,其他26個城市是三藩市、洛杉磯、沙加緬度、聖地牙哥、夫勒斯諾市、波特蘭、芝加哥、達拉斯-沃思堡、惠斯頓、印度安納波利斯、那什維爾、鳳凰城、丹佛、華府、巴爾的摩、波斯頓、蒙特利、亞特蘭大、 羅利、鹽湖城和明尼阿波利斯—聖保羅都會區。
     

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  • HashMap7淺析

    HashMap7淺析

    一、概述

      HashMap,基於哈希結構的Map接口的一個實現,無序,允許null鍵值對,線程不安全的。可以使用集合工具類Collections中的synchronizedMap方法,去創建一個線程安全的集合map。

      在jdk1.7中,HashMap主要是基於 數組+鏈表 的結構實現的。鏈表的存在主要是解決 hash 衝突而存在的。插入數據的時候,計算key的hash值,取得存儲的數組下標,如果衝突已有元素,則會在衝突地址上生成個鏈表,再通過key的比較,鏈表是否已存在,存在則覆蓋,不存在則鏈表上添加。這種方式,如果存在大量衝突的時候,會導致鏈表過長,那麼直接導致的就是犧牲了查詢和添加的效率。所以在jdk1.8版本之後,使用的就是 數組 + 鏈表 + 紅黑樹,當鏈表長度超過 8(實際加上初始的節點,整個有效長度是 9) 的時候,轉為紅黑樹存儲。

      本文中內容,主要基於jdk1.7版本,單線程環境下使用的HahsMap沒有啥問題,但是當在多線程下使用的時候,則可能會出現併發異常,具體表象是CPU會直線上升100%。下面是主要介紹相關的存取以及為什麼會出現線程安全性問題。

    二、結構

      

      HashMap默認初始化size=16的哈希數組,然後通過計算待存儲的key的hash值,去計算得到哈希數組的下標值,然後放入鏈表中(新增節點或更新)。鏈表的存在即是解決hash衝突的。

    三、源碼實現分析

      1、存儲具體數據的table數組:

          

        Entry為HashMap中的靜態內部類,其具體結構如下圖

          

        key、value屬性就是存儲鍵值對的,next則是指向鏈表的下一個元素節點。

         2、 默認初始化方法:

        

        默認構造方法,不對table進行初始化new(真正初始化動作放在put中,後面會看到),只是設置參數的默認值,hashmap長度和table長度初始化成DEFAULT_INITIAL_CAPACITY(16),加載因子loadFactor默認DEFAULT_LOAD_FACTOR(0.75f,至於為什麼是0.75,這個可以參見 )。

        加載因子:默認情況下,16*0.75=12,也就是在存儲第13個元素的時候,就會進行擴容(jdk1.7的threshold真正計算放在第一次初始化中,後面會再提及)。此元素的設置,直接影響到的是key的hash衝突問題。

      3、put方法

     public V put(K key, V value) {
       
    if (table == EMPTY_TABLE) { inflateTable(threshold); } if (key == null) return putForNullKey(value); int hash = hash(key); int i = indexFor(hash, table.length); for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) { Object k; if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) { V oldValue = e.value; e.value = value; e.recordAccess(this); return oldValue; } } modCount++; addEntry(hash, key, value, i); return null; }

      3.1、EMPTY_TABLE是HashMap中的一個靜態的空的Entry數組,table也是HashMap的一個屬性,默認就是EMPTY_TABLE(這兩句可參見上面源碼),table就是我們真正數據存儲使用的。
      3.2、前面提及,無參構造的時候,並未真正完成對HashMap的初始化new操作,而僅僅只是設置幾個常量,所以在第一次put數據的時候,table是空的。則會進入下面的初始化table方法中。

    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    
    private void inflateTable(int toSize) {
        // Find a power of 2 >= toSize
        int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize);
    
        threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1); //計算加載因子,默認情況下結果為12
        table = new Entry[capacity];  //真正的初始化table數組
        initHashSeedAsNeeded(capacity);
    }

      3.3、key的null判斷

    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    
    private V putForNullKey(V value) {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }
    
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }
    
        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }
    
    void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        size++;
    }

      具體步驟解析:

        1、key為null,取出table[0]的鏈表結構Enrty,如果取出的元素不為null,則對其進行循環遍歷,查找其中是否存在key為null的節點元素。

           2、如果存在key == null的節點,則使用新的value去更新節點的oldValue,並且將oldValue返回。

        3、如果不存在key == null的元素,則執行新增元素addEntry方法:

          (1)判斷是否需要擴容,size為當前數組table中,已存放的Entry鏈表個數,更直接點說,就是map.size()方法的返回值。threshold上面的真正初始化HashMap的時候已經提到,默認情況下,計算得到 threshold=12。若同時滿足  (size >= threshold) && (null != table[bucketIndex]) ,則對map進行2倍的擴容,然後對key進行重新計算hash值和新的數組下標。

          (2)創建新的節點原色createEntry方法,首先獲取table數組中下標為bucketIndex的鏈表的表頭元素,然後新建個Entry作為新的表頭,並且新表頭其中的next指向老的表頭數據。

      3.4、key不為null的存儲  
        原理以及過程上通key==null的大體相同,只不過,key==null的時候,固定是獲取table[0]的鏈表進行操作,而在不為key != null的時候,下標位置是通過
      int hash = hash(key); int i = indexFor(hash, table.length); 計算得到的

      static int indexFor(int h, int length) {
            // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
            return h & (length-1);
        }

      很清晰的就能看明白,先計算key的hash,然後與當前table的長度進行相與,這樣計算得到待存放數據的下標。得到下標后,過程就與key==null一致了,遍歷是否存在,存在則更新並返回oldVlaue,不存在則新建Entry。

      4、get方法

     public V get(Object key) {
            if (key == null)
                return getForNullKey();
            Entry<K,V> entry = getEntry(key);
    
            return null == entry ? null : entry.getValue();
        }
        如果key == null,則調用getForNullKey方法,遍歷table[0]處的鏈表。
    private V getForNullKey() {
            if (size == 0) {
                return null;
            }
            for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
                if (e.key == null)
                    return e.value;
            }
            return null;
        }

      如果key != null,則調用getEntry,根據key計算得到在table數組中的下標,獲取鏈表Entry,然後遍歷查找元素,key相等,則返回該節點元素。

     final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
            if (size == 0) {
                return null;
            }
    
            int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
            for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
                 e != null;
                 e = e.next) {
                Object k;
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            }
            return null;
        }

    四、線程不安全分析

      上述,主要淺析了下HashMap的存取過程,HashMap的線程安全性問題主要也就是在上述的擴容resize方法上,下面來看看在高併發下,擴容后,是如何引起100%問題的。

      1、在進行新元素 put 的時候,這在上面中的3.3的代碼片段中可以查看,addEntry 添加新節點的時候,會計算是否需要擴容處理:(size >= threshold) && (null != table[bucketIndex]) 。

      2、如果擴容的話,會接下來調用 resize 方法

     void resize(int newCapacity) {
            Entry[] oldTable = table;
            int oldCapacity = oldTable.length;
            if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
                threshold = Integer.MAX_VALUE;
                return;
            }
    
            Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
            //關鍵性代碼,構建新hashmap並將老的數據移動過來
            transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
            table = newTable;
            threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
        }

      3、其中,出現100%問題的關鍵就是上面的 transfer 方法,新建hashmap移動複製老數據

     1  void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
     2         int newCapacity = newTable.length;
     3         for (Entry<K,V> e : table) {
     4             // 遍歷老的HashMap,當遇到不為空的節點的是,進入移動方法
     5             while(null != e) {
     6                 // 首先創建個Entry節點 指向該節點所在鏈表的下一個節點數據
     7                 Entry<K,V> next = e.next;
     8                 if (rehash) {
     9                     e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
    10                 }
    11               // 計算老的數據在新Hashmap中的下標位置
    12                 int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
    13              // 將新HashMap中相應位置的元素,掛載到老數據的後面(不管有無數據)
    14                 e.next = newTable[i];
    15                 // 將新HashMap中相應位置指向上面已經成功掛載新數據的老數據
    16              newTable[i] = e;
    17              // 移動到鏈表節點中的下一個數據,繼續複製節點
    18                 e = next;
    19             }
    20         }
    21     }    

      問題的關鍵就在上述的14、15行上,這兩行的動作,在高併發下可能就會造成循環鏈表,循環鏈表在等待下一個嘗試 get 獲取數據的時候,就悲劇了。下面舉例模擬說說這個過程:

      (1)假設目前某個位置的鏈表存儲結構為 A -> B -> C,有兩個線程同時進行擴容操作

      (2)線程1執行到第7行 Entry<K,V> next = e.next; 的時候被掛起了,此時,線程1的 e 指向 A , next 指向的是 B

      (3)線程2執行完成了整個的擴容過程,那麼此時的鏈表結構應該是變為了 C -> B -> A

      (4)線程1喚醒繼續執行,而需要操作的鏈表實際就變成了了上述線程2完成后的 C ->B -> A,下面分為幾步去完成整個操作:

          第一次循環:

            (i)執行 e.next = newTable[i] ,將 A 的 next 指向線程1的新的HashMap,由於此時無數據,所以 e.next = null

            (ii)執行 newTable[i] = e,將線程1的新的HashMap的第一個元素指向 A 

            (iii)執行e = next,移動到鏈表中的下一個元素,也就是上面的(2)中的 線程掛起的時候的 B

          第二次循環:

            (i)執行 Entry<K,V> next = e.next,此時的 e 指向 B,next指向 A

            (ii)執行 e.next = newTable[i] ,將 B 的 next 指向線程1的新的HashMap,由於此時有數據A,所以 e.next = A

            (iii)執行 newTable[i] = e,將線程1的新的HashMap的第一個元素指向 B,此時線程1的新Hashmap鏈表結構為B -> A

            (iiii)執行e = next,移動到鏈表中的下一個元素 A

          第三次循環:

            (i)執行 Entry<K,V> next = e.next,此時的 e 指向 A,next指向 null

            (ii)執行 e.next = newTable[i] ,將 A 的 next 指向線程1的新的HashMap,由於此時有數據B,所以 e.next = B

            (iii)執行 newTable[i] = e,將線程1的新的HashMap的第一個元素指向 A ,此時線程1的新Hashmap鏈表結構為 A -> B -> A

            (iiii)執行e = next,移動到鏈表中的下一個元素,已移動到鏈表結尾,結束 while 循環,完成鏈表的轉移。

      (5)上述過程中,很顯然的,最終的鏈表結構中,出現了 A -> B -> A 的循環結構。擴容完成了,剩下的等待的是get獲取的時候, getEntry 方法中 for循環e = e.next中就永遠出不來了。

      注意:擴容過程中,newTable是每個擴容線程獨有的,共享的只是每個Entry節點數據,最終的擴容是會調用 table = newTable 賦值操作完成。

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