Java面試題-基礎知識

本文來源於清英的一篇文章：你應該知道的JAVA面試題，最近自己也在面試一些候選人，發現這篇文章中的有些點我也拿不準，因此按照自己的理解整理一份參考回答（這篇是基礎知識部分，共14道題目）。

Java執行緒在某個時刻只能處於以下六個狀態中的一個。

• New（新建立），一個執行緒剛剛被創建出來，還沒有開始執行的狀態，更通俗點說：還沒有呼叫start方法；

• Runnable（可執行），可以在Java虛擬機器中執行的狀態；一個可執行的執行緒可能正在執行自己的程式碼也可能沒有，這取決於作業系統提供的時間片；

• Blocked（被阻塞），當一個執行緒試圖獲取一個內部的物件鎖（不是java.util.concurrent庫中的鎖），而該鎖此時正被其他執行緒持有，則該執行緒進入阻塞狀態；

• Waiting（等待），當執行緒等待另一個執行緒通知排程器一個條件時，它自己進入等待狀態。在呼叫Object.wait方法或Thread.join方法，或者是等待java.util.concurrent庫中的Lock或Condition時，就會出現這種情況；

• Timed waiting（計時等待），Object.wait、Thread.join、Lock.tryLock和Condition.await等方法有超時引數，還有Thread.sleep方法、LockSupport.parkNanos方法和LockSupport.parkUntil方法，這些方法會導致執行緒進入計時等待狀態，如果超時或者出現通知，都會切換會可執行狀態；

• Terminated（被終止），因為run方法正常退出而死亡，或者因為沒有捕獲的異常終止了run方法而死亡。

在併發程式設計領域，有行程和執行緒兩個概念，在Java語言中說起併發程式設計，常常是指多執行緒，但是瞭解行程的概念也非常重要：

• 行程是作業系統的資源排程物體，有自己的記憶體地址空間和執行環境；

• 執行緒一般被稱為輕量級的行程，執行緒和行程一樣，也有自己的執行環境，但是建立一個執行緒要需要的資源比建立一個行程要少。執行緒存在於行程之中——每個行程至少有一個執行緒。一個行程下的多個執行緒之間可以共享行程的資源，包括記憶體空間和開啟的檔案。

• 行程跟程式（programs）、應用（applications）具備相同的含義，行程間通訊依靠IPC資源，例如管道（pipes）、套接字（sockets）等；

• 執行緒間通訊依靠JVM提供的API，例如wait方法、notify方法和notifyAll方法，執行緒間還可以透過共享的主記憶體來進行值的傳遞；

• 在Java 8中，HashMap的資料結構是由Node作為元素組成的陣列：（1）如果有多個值hash到同一個桶中，則組織成一個連結串列，而且，當這個連結串列的節點個數超過某個值（TREEIFY_THRESHOLD引數指定）時，則將這個連結串列重構為一個二叉樹；（2）如果發現map中的元素個數超過了threshold，則進行空間擴容——二倍空間。

• HashMap和HashTable的資料結構和操作基本相同，區別是前者是非執行緒安全，並且HashMap接受value為null。

• ConcurrentHashMap和HashTable一樣，都是執行緒安全的，但是區別是：HashTable每次操作都會鎖住整個表結構——導致一次只能有一個執行緒訪問HashTable物件，而ConcurrentHashMap不會，只會鎖住某個節點，只有在涉及到size的操作時才會鎖整個表結構。

• HTTP是無狀態協議，但是在實際應用中有跟蹤客戶端狀態的需求，Cookie和Session是兩種不同的實現方案。

• Cookie儲存在客戶端，Session儲存在服務端

• Cookie沒有Session安全，侵入者可以透過分析客戶端的cookie資訊侵入網站；

• 使用Session儲存重要資訊，使用Cookie儲存不那麼重要的資訊；

• 使用Session方案時，常常需要依賴Cookie傳遞SID的值，如果客戶端禁用了Cookie，則轉而採取URL重寫技術（但是這種技術有安全風險）；

• 索引的作用：索引是一種資料結構，用於加快mysql獲取資料的速度；

• 如何建索引？在使用InnoDB引擎的前提下討論：（1）最左字首原理：分析業務中的查詢條件，區分度高的欄位放在前面，儘量減少一條SQL的影響行數；（2）A+B可以代替A，A+B+C可以代替A+B，如果查詢是A+C則只能使用到A列索引；

  • 關於InnoDB的認識：InnoDB使用B+Tree作為儲存資料結構，屬於聚簇索引，每個輔助索引最後都會指向主鍵的值，每次查詢兩次；（4）由於聚簇索引的特性，建議在使用InnoDB引擎的時候，使用自增ID作為主鍵，不要使用隨機的業務列作為主鍵。

• 可變陣列實現了List介面的所有操作，功能上跟Vector相同，區別是Vector是執行緒安全的；

• 區別：LinkedList實現了List和Deque介面，一般稱為雙向連結串列；LinkedList在插入和刪除資料時效率更高，ArrayList在查詢某個index的資料時效率更高；LinkedList比ArrayList需要更多的記憶體；

• 關於可變陣列的擴容策略，可以檢視原始碼，不同的JDK實現不太一樣，我這裡使用JDK 8：首先嘗試擴容為原來大小的二倍，如果newCapacity還不夠大，則再擴大為minCapacity值；如果newCapacity比陣列的規定最大容量還大，則根據minCapacity的值進行定奪，參見hugeCapacity方法。

private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8
  /**
   * Increases the capacity to ensure that it can hold at least the
   * number of elements specified by the minimum capacity argument.
   *
   * @param minCapacity the desired minimum capacity
   */
  private void grow(int minCapacity) {
      // overflow-conscious code
      int oldCapacity = elementData.length;
      int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
      if (newCapacity - minCapacity < 0)
          newCapacity = minCapacity;
      if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
          newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
      // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
      elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
  }

  private static int hugeCapacity(int minCapacity) {
      if (minCapacity < 0) // overflow
          throw new OutOfMemoryError();
      return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ?
          Integer.MAX_VALUE :
          MAX_ARRAY_SIZE;
  }

在程式碼中，如果預先知道需要增加大量元素，則可以提前對當前的可變陣列呼叫ensureCapacity方法，可以避免多次遞增的記憶體重新分配；

• 覆寫equals方法的時候，也必須覆寫hashcode方法；

• 編寫equals方法後，檢查是否符合：對稱性、傳遞性、一致性、自反性和非空性

• 三大特性

  • 封裝

  • 繼承

  • 多型

虛擬機器把描述類的資料從Class檔案載入到記憶體，並對資料進行校驗、轉換解析和初始化，最終形成可被虛擬機器直接使用的Java型別，這就是虛擬機器的類載入機制。

Java語言中類的載入、連線和初始化過程都是在程式執行期間完成的，領Java具備高度的靈活性。

類載入的過程：載入、連線（驗證、準備、解析）、初始化。

• 載入：透過一個類的名字獲取此類的二進位制位元組流（PS：不限於從檔案中讀取）；將這個位元組流代表的靜態儲存結構轉換為方法區的執行時結構（由具體的虛擬機器自己定義）；在記憶體中生成一個java.lang.Class物件，作為方法區這個類的各種資料結構的訪問入口。

• 驗證：檔案格式驗證、元資料驗證（語意分析，類與類的繼承關係等）、位元組碼驗證（資料流和控制流分析）、符號取用驗證（對類自身以外的資訊進行匹配校驗）

• 準備：正式為類變數分配記憶體並設定初始值，這裡類變數指的是被static修飾的變數。例外：如果類欄位是常量，則在這裡會被初始化為運算式指定的值。

• 解析：將常量池內的符號取用替換為直接取用。符號取用：類似於OS中的邏輯地址；直接取用：類似於OS中的物理地址，直接指向標的的指標、相對偏移量或一個能間接定位到標的的控制代碼。

• 初始化：真正開始執行類中定義的Java程式程式碼；初始化用於執行Java類的構造方法。類初始化的過程是不可逆的，如果中間一步出錯，則無法執行下一步，參見不可逆的類初始化過程。

• 垃圾回收解決三個問題：哪些記憶體需要回收？什麼時候回收？如何回收？

• 垃圾回收關註的是堆記憶體（heap）；

• 常見的垃圾收集演演算法

  • 標記-清除演演算法

  • 複製演演算法

  • 標記-整理演演算法

  • 分代收集演演算法

• 物件優先在新生代Eden區中分配，如果Eden區沒有足夠的空間時，就會觸發一次young gc

• Full gc的觸發條件有多個，FULL GC的時候會STOP THE WORD。

  • 在執行Young gc之前，JVM會進行空間分配擔保——如果老年代的連續空間小於新生代物件的總大小（或歷次晉升的平均大小），則觸發一次full gc。

  • 顯式呼叫System.gc()方法時；

  • 大物件直接進入老年代，從年輕代晉升上來的老物件，嘗試在老年代分配記憶體時，但是老年代記憶體空間不夠；

• Java虛擬機器規範定義Java記憶體模型，嘗試遮蔽掉各種硬體和作業系統的訪問差異；

• JVM記憶體模型的標的：定義程式中各個變數的訪問規則，即在虛擬機器中將變數儲存到記憶體和從記憶體取出來這樣的細節；

• volatile關鍵字：當一個變數用volatile關鍵字限定後，會有兩個語意：（1）當這個變數的值被修改後，會立即掃清到主記憶體中，對其他執行緒可見；當某個執行緒讀取這個變數的時候，也會重新將主記憶體中的資料刷一份到工作記憶體中來。但是，如果多執行緒操作這個變數的計算中，後一個值依賴前一個值，就還是會有併發問題，說明volatile不具備原子性；（2）禁止指令重排最佳化，觀察voatile變數對應的位元組碼檔案，會發現變數的操作指令後面加了一句lock addl $0x0,(%esp)的操作，這個操作相當於一個記憶體屏障。

• synchronized關鍵字：當一個執行緒對一個變數加鎖的時候，就會清空這個變數在當前工作記憶體中的值，因此該關鍵字同時滿足了可見性和原子性。

• 程式計數器（PC）：Java執行緒私有，類似於作業系統裡的PC計數器，用於指定下一條需要執行的位元組碼的地址；

• Java虛擬機器棧：Java執行緒私有，虛擬機器展描述的是Java方法執行的記憶體模型：每個方法在執行的時候，都會建立一個棧幀用於儲存區域性變數、運算元、動態連結、方法出口等資訊；每個方法呼叫都意味著一個棧幀在虛擬機器棧中入棧到出棧的過程；

• 本地方法棧：和Java虛擬機器棧的作用類似，區別是該該區域為JVM呼叫到的本地方法服務；

• 堆（Heap）：所有執行緒共享的一塊區域，垃圾收集器管理的主要區域。目前主要的垃圾回收演演算法都是分代收集，因此該區域還可以細分為如下區域：

  • 年輕代：（1）Eden空間；（2）From Survivor空間1，From Survivor空間2，用於儲存在Young gc過程中倖存的物件；

  • 老年代

• 方法區：各個執行緒共享的一個區域，用於儲存虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數等資訊；

  • 執行時常量池：方法區的一部分，用於存放編譯器生成的各種字面量和符號取用；

• 事務的特性：ACID——原子性、一致性、隔離性和永續性

• Spring中的事務管理？Spring事務管理那些事

• MySQL中的事務？事務的隔離級別和鎖，參考何登成的MySQL的加鎖處理分析