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Java 编程知识列表与系统架构演化

使用Java 后端技术的目的就是构建业务应用,为用户提供在线或者离线服务。因此,一个业务应用需要哪些技术、依赖哪些基础设施就决定了需要掌握的后端技术有哪些。

根据后端基础设施,又可以从中引出其需要的技能列表。进一步细化可以得到更为具体的技能树,本文选自《Java工程师修炼之道》为大家带来技能树上的“Java 编程知识”与“系统架构演化”两部分,完整“Java 后端工程师技能树”可参见本书,点击阅读原文了解本书详情

Java 编程知识

对于Java 方面的技能来说,主要分两大部分,包括Java 编程和JVM。 先来看一下Java编程部分,这也是Java 工程师最基础的技能。

IDE:目前用得最多的Java IDE 当属 Eclipse 和 Intellij IDEA。前者是老牌 IDE,逐步淘汰了Jbuilder 以及Netbeans,占领了大部分Java IDE 市场。后者则是后起之秀,由于其增量编译、智能分析代码等带来的性能提升,现在已经得到了大规模使用,大有取代Eclipse 之势。

核心语法:目前用得最多的当属 JDK 6 的 Java 语法。而 Java 7 则又引入了 try-with-resource、switch string、diamonds 等语法;Java 8 则又引入了Lambda、Stream等语法。

集合类:集合类是Java语言中非常精华的部分,包括HashMap、ArrayList、LinkedList、HashSet、TreeSet 以及线程安全的ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 等线程安全集合。了解它们的实现原理、查询、修改的性能和使用场景是非常必要的。

工具类:Google Guava、Apache Commons、FastJson 提供了很多 JDK 本身没有的工具类、集合等。此外,ASM 字节码操作以及CGLIB 代码生成能够提供更底层的Java 编程功能。

高级特性:抛开 Java 核心的基本编程,并发编程、泛型、网络编程、序列化 RPC都属于Java 的高级编程特性。其中并发编程需要掌握Executors 提供的各种并发工具、Java 7 带来的Fork/Join 框架以及CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier等同步工具;网络编程要区分好BIO、NIO 以及AIO;序列化中除了JDK 自带的序列化实现外,Protobuf 和Kryo 是比较高效的第三方实现;RPC 的实现中,Thrift、Hessian、Dubbo 以及RMI 则是比较常用的几个协议,其中的Hessian 是基于HTTP协议的,Dubbo 是基于TCP 协议的,而Thrift 则同时支持两种协议。

Java EE:Java EE 现在是 Java 应用最普遍的一个领域。Servlet 是 Java EE 中最根本的组件之一。而Servlet 3.0 带来的异步Servlet 提高了其处理请求的性能。

项目构建:目前用得最多的Java项目构建工具包括Maven和Gradle,它们提供了源码包依赖管理、编译、打包、部署等一系列功能。

编程框架:Spring 是 Java 编程中避不开的一个框架,发展到现在除了 Spring 核心的IoC、AOP 之外,Spring MVC、Spring Data、Spring Cloud 等都给Java 开发者们带来了开发上的便利,大大提高了开发效率。除此之外,ORM 框架MyBatis 也是Java领域比较火的框架之一,实现了数据库记录到Java 对象的映射操作。此外,Jersey提供了从客户端到服务器端的一整套符合RESTful 规范的开发框架。

测试:测试是任何编程都需要的一步。黑盒测试主要指的是通常进行的功能测试,白盒测试则主要指的是对代码功能、质量进行的测试。此外,关键的单元测试则是开发工程师需要着重注意的地方,“测试驱动开发”的理念也是值得推崇的开发方式。JUnit 是目前Java 中实现单元测试的主流方案。

一般来说掌握了上面所述的Java 编程技能就能够应付大多数编程工作,但是如果在代码层面已经做到最大努力却还是达不到性能要求的时候,就需要在JVM 虚拟机层面做一些努力。可以说掌握JVM 相关技术是Java 开发进阶的一个关键步骤。

虚拟机实现:Java 的虚拟机实现除了我们常用的 HotSpot 外,还有 JRockit、J9 以及移动平台的DalvKit。我们通常所描述的JVM 优化绝大多数是针对HotSpot 虚拟机来说的。

类加载机制:JVM 的类加载机制遵循双亲委派原则,即当前类加载器需要先去请求父加载器加载当前类,无法完成才自己去尝试进行加载。OSGI 框架则打破了此机制,采用了平等的、网状的类加载机制,以实现模块化的加载方案。

运行时内存组成:程序计数器、堆栈、方法区、堆、堆外内存,共同组成了 JVM的运行时内存。

Java 内存模型:Java 的主内存 + 线程私有内存的模型是线程安全问题产生的根本。

GC 原理和调优:与 C、C++ 这些语言相比,GC 是 Java 的优势,但因为 GC 的细节被JVM 屏蔽了,故在对内存、性能要求非常苛刻的情况下难以进行自由控制,从某种程度上说这也是劣势。如果想在某些场景下发挥GC 的最大性能,能做的就是对GC 的各种参数做优化配置,如新生代和老年代的垃圾回收器选择、各种垃圾回收参数的配置等。此外,很多时候由于代码质量或者外部客观因素,造成了JVM频繁GC,需要使用相关工具快速进行问题定位和解决。

性能调优和监控工具:JDK 自带了很多强大的调优和监控工具,包括 jmap、jstack、jcmd、JConsole、jinfo 等。此外,BTrace 是一款非常强大的在线问题动态排查工具,能够无须重启Java 进程即可动态地插入一些代码逻辑,从而拦截代码执行逻辑打印日志并排查问题。

系统架构演化

一个应用从零开始一般会经历单体应用、垂直应用到分布式服务架构的演化。

Java 编程知识列表与系统架构演化

单体应用:当应用规模、团队规模比较小的时候,只需要一个包括了所有功能的应用。这样可减少部署节点,也减少部署成本。此时,对数据库的ORM 操作是架构实现的关键点。

垂直应用:当应用的用户规模越来越大,请求量越来越高的时候,单体应用增加节点带来的资源浪费会凸现出来,因为绝大多数接口请求量并不是特别大,根本没必要扩充到多个节点,完全可以将单体应用拆分成互不相关的几个应用,分别对外提供服务。此时,加速每个应用开发的MVC 框架是架构实现的关键点。

分布式服务:当垂直应用越来越多时,应用之间的交互不可避免。要考虑抽离核心业务单独部署,逐渐形成稳定的服务中心。而随着团队规模的相应扩大,服务会随着团队的增多变得越来越多,粒度会变得越来越小,也就逐步形成了分布式服务的架构,而当粒度细到某种程度、服务数量多到一定程度,则可以称之为微服务。即在设计好业务边界之后将原来的单体应用分解成一个个细粒度的服务,彼此之间通过某种方式进行通信。微服务架构的关键在于如何做好服务的治理、调度、维护工作。目前,Dubbo 算是微服务架构中用得比较多的框架,但Dubbo 仅仅解决了微服务架构中的一部分问题。另外,Spring Cloud 则基本上涵盖了微服务架构的各个方面。

本文选自《Java工程师修炼之道》

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