【面试总结】Java基础面试真题与答案（2）
【写在前面】
Java基础
Java数据库
Java-web开发
Java-中间件
Java-操作系统
Java-计算机网络
Java-设计模式
Java-场景应用算法面试题
【本文目录】
4.12 阻塞线程的方式有哪些？
4.13 说一说synchronized与Lock的区别
4.14 说一说synchronized的底层实现原理
4.15 synchronized可以修饰静态方法和静态代码块吗？
【正文阅读】
1.48 Java反射在实际项目中有哪些应用场景？
参考答案
Java的反射机制在实际项目中应用广泛，常见的应用场景有：
- 使用JDBC时，如果要创建数据库的连接，则需要先通过反射机制加载数据库的驱动程序；
- 多数框架都支持注解/XML配置，从配置中解析出来的类是字符串，需要利用反射机制实例化；
- 面向切面编程（AOP）的实现方案，是在程序运行时创建目标对象的代理类，这必须由反射机制来实现。
1.49 说一说Java的四种引用方式
参考答案
Java对象的四种引用方式分别是强引用、软引用、弱引用、虚引用，具体含义如下：
- 强引用：这是Java程序中最常见的引用方式，即程序创建一个对象，并把这个对象赋给一个引用变量，程序通过该引用变量来操作实际的对象。当一个对象被一个或一个以上的引用变量所引用时，它处于可达状态，不可能被系统垃圾回收机制回收。
- 软引用：当一个对象只有软引用时，它有可能被垃圾回收机制回收。对于只有软引用的对象而言，当系统内存空间足够时，它不会被系统回收，程序也可使用该对象。当系统内存空间不足时，系统可能会回收它。软引用通常用于对内存敏感的程序中。
- 弱引用：弱引用和软引用很像，但弱引用的引用级别更低。对于只有弱引用的对象而言，当系统垃圾回收机制运行时，不管系统内存是否足够，总会回收该对象所占用的内存。当然，并不是说当一个对象只有弱引用时，它就会立即被回收，正如那些失去引用的对象一样，必须等到系统垃圾回收机制运行时才会被回收。
- 虚引用：虚引用完全类似于没有引用。虚引用对对象本身没有太大影响，对象甚至感觉不到虚引用的存在。如果一个对象只有一个虚引用时，那么它和没有引用的效果大致相同。虚引用主要用于跟踪对象被垃圾回收的状态，虚引用不能单独使用，虚引用必须和引用队列联合使用。
2. 集合类
2.1 Java中有哪些容器（集合类）？
参考答案
Java中的集合类主要由Collection和Map这两个接口派生而出，其中Collection接口又派生出三个子接口，分别是Set、List、Queue。所有的Java集合类，都是Set、List、Queue、Map这四个接口的实现类，这四个接口将集合分成了四大类，其中
- Set代表无序的，元素不可重复的集合；
- List代表有序的，元素可以重复的集合；
- Queue代表先进先出（FIFO）的队列；
- Map代表具有映射关系（key-value）的集合。
这些接口拥有众多的实现类，其中最常用的实现类有HashSet、TreeSet、ArrayList、LinkedList、ArrayDeque、HashMap、TreeMap等。
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Collection体系的继承树：
Map体系的继承树：
2.2 Java中的容器，线程安全和线程不安全的分别有哪些？
参考答案
java.util包下的集合类大部分都是线程不安全的，例如我们常用的HashSet、TreeSet、ArrayList、LinkedList、ArrayDeque、HashMap、TreeMap，这些都是线程不安全的集合类，但是它们的优点是性能好。如果需要使用线程安全的集合类，则可以使用Collections工具类提供的synchronizedXxx()方法，将这些集合类包装成线程安全的集合类。
java.util包下也有线程安全的集合类，例如Vector、Hashtable。这些集合类都是比较古老的API，虽然实现了线程安全，但是性能很差。所以即便是需要使用线程安全的集合类，也建议将线程不安全的集合类包装成线程安全集合类的方式，而不是直接使用这些古老的API。
从Java5开始，Java在java.util.concurrent包下提供了大量支持高效并发访问的集合类，它们既能包装良好的访问性能，有能包装线程安全。这些集合类可以分为两部分，它们的特征如下：
-
以Concurrent开头的集合类：
以Concurrent开头的集合类代表了支持并发访问的集合，它们可以支持多个线程并发写入访问，这些写入线程的所有操作都是线程安全的，但读取操作不必锁定。以Concurrent开头的集合类采用了更复杂的算法来保证永远不会锁住整个集合，因此在并发写入时有较好的性能。
-
以CopyOnWrite开头的集合类：
以CopyOnWrite开头的集合类采用复制底层数组的方式来实现写操作。当线程对此类集合执行读取操作时，线程将会直接读取集合本身，无须加锁与阻塞。当线程对此类集合执行写入操作时，集合会在底层复制一份新的数组，接下来对新的数组执行写入操作。由于对集合的写入操作都是对数组的副本执行操作，因此它是线程安全的。
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java.util.concurrent包下线程安全的集合类的体系结构：
2.3 Map接口有哪些实现类？
参考答案
Map接口有很多实现类，其中比较常用的有HashMap、LinkedHashMap、TreeMap、ConcurrentHashMap。
对于不需要排序的场景，优先考虑使用HashMap，因为它是性能最好的Map实现。如果需要保证线程安全，则可以使用ConcurrentHashMap。它的性能好于Hashtable，因为它在put时采用分段锁/CAS的加锁机制，而不是像Hashtable那样，无论是put还是get都做同步处理。
2.4 描述一下Map put的过程
参考答案
- 如果当前位置元素为空，则直接插入数据；
- 如果当前位置元素非空，且key已存在，则直接覆盖其value；
- 如果当前位置元素非空，且key不存在，则将数据链到链表末端；
- 若链表长度达到8，则将链表转换成红黑树，并将数据插入树中；
- 如果数组中元素个数（size）超过threshold，则再次进行扩容操作。
参考答案
HashMap是非线程安全的，这意味着不应该在多线程中对这些Map进行修改操作，否则会产生数据不一致的问题，甚至还会因为并发插入元素而导致链表成环，这样在查找时就会发生死循环，影响到整个应用程序。
Collections工具类可以将一个Map转换成线程安全的实现，其实也就是通过一个包装类，然后把所有功能都委托给传入的Map，而包装类是基于synchronized关键字来保证线程安全的（Hashtable也是基于synchronized关键字），底层使用的是互斥锁，性能与吞吐量比较低。
2.17 介绍一下ConcurrentHashMap是怎么实现的？
参考答案
JDK 1.7中的实现：
在 jdk 1.7 中，ConcurrentHashMap 是由 Segment 数据结构和 HashEntry 数组结构构成，采取分段锁来保证安全性。Segment 是 ReentrantLock 重入锁，在 ConcurrentHashMap 中扮演锁的角色，HashEntry 则用于存储键值对数据。一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组，一个 Segment 里包含一个 HashEntry 数组，Segment 的结构和 HashMap 类似，是一个数组和链表结构。
JDK 1.8中的实现：
JDK1.8 的实现已经摒弃了 Segment 的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 Synchronized 和 CAS 来操作，整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在 JDK1.8 中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本。
2.18 ConcurrentHashMap是怎么分段分组的？
参考答案
get操作：
Segment的get操作实现非常简单和高效，先经过一次再散列，然后使用这个散列值通过散列运算定位到 Segment，再通过散列算法定位到元素。get操作的高效之处在于整个get过程都不需要加锁，除非读到空的值才会加锁重读。原因就是将使用的共享变量定义成 volatile 类型。
put操作：
当执行put操作时，会经历两个步骤：
- 判断是否需要扩容；
- 定位到添加元素的位置，将其放入 HashEntry 数组中。
2.19 说一说你对LinkedHashMap的理解
参考答案
LinkedHashMap使用双向链表来维护key-value对的顺序（其实只需要考虑key的顺序），该链表负责维护Map的迭代顺序，迭代顺序与key-value对的插入顺序保持一致。
LinkedHashMap可以避免对HashMap、Hashtable里的key-value对进行排序（只要插入key-value对时保持顺序即可），同时又可避免使用TreeMap所增加的成本。
2.20 请介绍LinkedHashMap的底层原理
参考答案
LinkedHashMap继承于HashMap，它在HashMap的基础上，通过维护一条双向链表，解决了HashMap不能随时保持遍历顺序和插入顺序一致的问题。在实现上，LinkedHashMap很多方法直接继承自HashMap，仅为维护双向链表重写了部分方法。
如下图，淡蓝色的箭头表示前驱引用，红色箭头表示后继引用。每当有新的键值对节点插入时，新节点最终会接在tail引用指向的节点后面。而tail引用则会移动到新的节点上，这样一个双向链表就建立起来了。
2.21 请介绍TreeMap的底层原理
参考答案
TreeMap基于红黑树（Red-Black tree）实现。映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的 Comparator 进行排序，具体取决于使用的构造方法。TreeMap的基本操作containsKey、get、put、remove方法，它的时间复杂度是log(N)。
2.22 Map和Set有什么区别？
参考答案
Set代表无序的，元素不可重复的集合；
2.23 List和Set有什么区别？
参考答案
Set代表无序的，元素不可重复的集合；
2.24 ArrayList和LinkedList有什么区别？
参考答案
- ArrayList的实现是基于数组，LinkedList的实现是基于双向链表；
- 对于随机访问ArrayList要优于LinkedList，ArrayList可以根据下标以O(1)时间复杂度对元素进行随机访问，而LinkedList的每一个元素都依靠地址指针和它后一个元素连接在一起，查找某个元素的时间复杂度是O(N)；
- 对于插入和删除操作，LinkedList要优于ArrayList，因为当元素被添加到LinkedList任意位置的时候，不需要像ArrayList那样重新计算大小或者是更新索引；
- LinkedList比ArrayList更占内存，因为LinkedList的节点除了存储数据，还存储了两个引用，一个指向前一个元素，一个指向后一个元素。
2.25 有哪些线程安全的List？
参考答案
-
Vector
Vector是比较古老的API，虽然保证了线程安全，但是由于效率低一般不建议使用。
-
Collections.SynchronizedList
SynchronizedList是Collections的内部类，Collections提供了synchronizedList方法，可以将一个线程不安全的List包装成线程安全的List，即SynchronizedList。它比Vector有更好的扩展性和兼容性，但是它所有的方法都带有同步锁，也不是性能最优的List。
-
CopyOnWriteArrayList
CopyOnWriteArrayList是Java 1.5在java.util.concurrent包下增加的类，它采用复制底层数组的方式来实现写操作。当线程对此类集合执行读取操作时，线程将会直接读取集合本身，无须加锁与阻塞。当线程对此类集合执行写入操作时，集合会在底层复制一份新的数组，接下来对新的数组执行写入操作。由于对集合的写入操作都是对数组的副本执行操作，因此它是线程安全的。在所有线程安全的List中，它是性能最优的方案。
2.26 介绍一下ArrayList的数据结构？
参考答案
ArrayList的底层是用数组来实现的，默认第一次插入元素时创建大小为10的数组，超出限制时会增加50%的容量，并且数据以 System.arraycopy() 复制到新的数组，因此最好能给出数组大小的预估值。
2.27 谈谈CopyOnWriteArrayList的原理
参考答案
CopyOnWriteArrayList是Java并发包里提供的并发类，简单来说它就是一个线程安全且读操作无锁的ArrayList。正如其名字一样，在写操作时会复制一份新的List，在新的List上完成写操作，然后再将原引用指向新的List。这样就保证了写操作的线程安全。
CopyOnWriteArrayList允许线程并发访问读操作，这个时候是没有加锁限制的，性能较高。而写操作的时候，则首先将容器复制一份，然后在新的副本上执行写操作，这个时候写操作是上锁的。结束之后再将原容器的引用指向新容器。注意，在上锁执行写操作的过程中，如果有需要读操作，会作用在原容器上。因此上锁的写操作不会影响到并发访问的读操作。
- 优点：读操作性能很高，因为无需任何同步措施，比较适用于读多写少的并发场景。在遍历传统的List时，若中途有别的线程对其进行修改，则会抛出ConcurrentModificationException异常。而CopyOnWriteArrayList由于其"读写分离"的思想，遍历和修改操作分别作用在不同的List容器，所以在使用迭代器进行遍历时候，也就不会抛出ConcurrentModificationException异常了。
- 缺点：一是内存占用问题，毕竟每次执行写操作都要将原容器拷贝一份，数据量大时，对内存压力较大，可能会引起频繁GC。二是无法保证实时性，Vector对于读写操作均加锁同步，可以保证读和写的强一致性。而CopyOnWriteArrayList由于其实现策略的原因，写和读分别作用在新老不同容器上，在写操作执行过程中，读不会阻塞但读取到的却是老容器的数据。
2.28 说一说TreeSet和HashSet的区别
参考答案
HashSet、TreeSet中的元素都是不能重复的，并且它们都是线程不安全的，二者的区别是：
- HashSet中的元素可以是null，但TreeSet中的元素不能是null；
- HashSet不能保证元素的排列顺序，而TreeSet支持自然排序、定制排序两种排序的方式；
- HashSet底层是采用哈希表实现的，而TreeSet底层是采用红黑树实现的。
2.29 说一说HashSet的底层结构
参考答案
2.30 BlockingQueue中有哪些方法，为什么这样设计？
参考答案
为了应对不同的业务场景，BlockingQueue 提供了4 组不同的方法用于插入、移除以及对队列中的元素进行检查。如果请求的操作不能得到立即执行的话，每组方法的表现是不同的。这些方法如下：
| 抛异常 | 特定值 | 阻塞 | 超时 | |
|---|---|---|---|---|
| 插入 | add(e) | offer(e) | put(e) | offer(e, time, unit) |
| 移除 | remove() | poll() | take() | poll(time, unit) |
| 检查 | element() | peek() |
四组不同的行为方式含义如下：
- 抛异常：如果操作无法立即执行，则抛一个异常；
- 特定值：如果操作无法立即执行，则返回一个特定的值(一般是 true / false)。
- 阻塞：如果操作无法立即执行，则该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行；
- 超时：如果操作无法立即执行，则该方法调用将会发生阻塞，直到能够执行。但等待时间不会超过给定值，并返回一个特定值以告知该操作是否成功(典型的是true / false)。
2.31 BlockingQueue是怎么实现的？
参考答案
BlockingQueue是一个接口，它的实现类有ArrayBlockingQueue、DelayQueue、 LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue等。它们的区别主要体现在存储结构上或对元素操作上的不同，但是对于put与take操作的原理是类似的。下面以ArrayBlockingQueue为例，来说明BlockingQueue的实现原理。
首先看一下ArrayBlockingQueue的构造函数，它初始化了put和take函数中用到的关键成员变量，这两个变量的类型分别是ReentrantLock和Condition。ReentrantLock是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的子类，它的newCondition函数返回的Condition实例，是定义在AQS类内部的ConditionObject类，该类可以直接调用AQS相关的函数。
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
if (capacity <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
this.items = new Object[capacity];
lock = new ReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();
notFull = lock.newCondition();
}
put函数会在队列末尾添加元素，如果队列已经满了，无法添加元素的话，就一直阻塞等待到可以加入为止。函数的源码如下所示。我们会发现put函数使用了wait/notify的机制。与一般生产者-消费者的实现方式不同，同步队列使用ReentrantLock和Condition相结合的机制，即先获得锁，再等待，而不是synchronized和wait的机制。
public void put(E e) throws InterruptedException {
checkNotNull(e);
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
enqueue(e);
} finally {
lock.unlock();
}
}
再来看一下消费者调用的take函数，take函数在队列为空时会被阻塞，一直到阻塞队列加入了新的元素。
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
return dequeue();
} finally {
lock.unlock();
}
}
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await操作：
我们发现ArrayBlockingQueue并没有使用Object.wait，而是使用的Condition.await，这是为什么呢？Condition对象可以提供和Object的wait和notify一样的行为，但是后者必须先获取synchronized这个内置的monitor锁才能调用，而Condition则必须先获取ReentrantLock。这两种方式在阻塞等待时都会将相应的锁释放掉，但是Condition的等待可以中断，这是二者唯一的区别。
我们先来看一下Condition的await函数，await函数的流程大致如下图所示。await函数主要有三个步骤，一是调用addConditionWaiter函数，在condition wait queue队列中添加一个节点，代表当前线程在等待一个消息。然后调用fullyRelease函数，将持有的锁释放掉，调用的是AQS的函数。最后一直调用isOnSyncQueue函数判断节点是否被转移到sync queue队列上，也就是AQS中等待获取锁的队列。如果没有，则进入阻塞状态，如果已经在队列上，则调用acquireQueued函数重新获取锁。
signal操作：
signal函数将condition wait queue队列中队首的线程节点转移等待获取锁的sync queue队列中。这样的话，await函数中调用isOnSyncQueue函数就会返回true，导致await函数进入最后一步重新获取锁的状态。
我们这里来详细解析一下condition wait queue和sync queue两个队列的设计原理。condition wait queue是等待消息的队列，因为阻塞队列为空而进入阻塞状态的take函数操作就是在等待阻塞队列不为空的消息。而sync queue队列则是等待获取锁的队列，take函数获得了消息，就可以运行了，但是它还必须等待获取锁之后才能真正进行运行状态。
signal函数其实就做了一件事情，就是不断尝试调用transferForSignal函数，将condition wait queue队首的一个节点转移到sync queue队列中，直到转移成功。因为一次转移成功，就代表这个消息被成功通知到了等待消息的节点。
signal函数的示意图如下所示。
2.32 Stream（不是IOStream）有哪些方法？
参考答案
Stream提供了大量的方法进行聚集操作，这些方法既可以是“中间的”，也可以是“末端的”。
- 中间方法：中间操作允许流保持打开状态，并允许直接调用后续方法。上面程序中的map()方法就是中间方法。中间方法的返回值是另外一个流。
- 末端方法：末端方法是对流的最终操作。当对某个Stream执行末端方法后，该流将会被“消耗”且不再可用。上面程序中的sum()、count()、average()等方法都是末端方法。
除此之外，关于流的方法还有如下两个特征：
- 有状态的方法：这种方法会给流增加一些新的属性，比如元素的唯一性、元素的最大数量、保证元素以排序的方式被处理等。有状态的方法往往需要更大的性能开销。
- 短路方法：短路方法可以尽早结束对流的操作，不必检查所有的元素。
下面简单介绍一下Stream常用的中间方法：
- filter(Predicate predicate)：过滤Stream中所有不符合predicate的元素。
- mapToXxx(ToXxxFunction mapper)：使用ToXxxFunction对流中的元素执行一对一的转换，该方法返回的新流中包含了ToXxxFunction转换生成的所有元素。
- peek(Consumer action)：依次对每个元素执行一些操作，该方法返回的流与原有流包含相同的元素。该方法主要用于调试。
- distinct()：该方法用于排序流中所有重复的元素（判断元素重复的标准是使用equals()比较返回true）。这是一个有状态的方法。
- sorted()：该方法用于保证流中的元素在后续的访问中处于有序状态。这是一个有状态的方法。
- limit(long maxSize)：该方法用于保证对该流的后续访问中最大允许访问的元素个数。这是一个有状态的、短路方法。
下面简单介绍一下Stream常用的末端方法：
- forEach(Consumer action)：遍历流中所有元素，对每个元素执行action。
- toArray()：将流中所有元素转换为一个数组。
- reduce()：该方法有三个重载的版本，都用于通过某种操作来合并流中的元素。
- min()：返回流中所有元素的最小值。
- max()：返回流中所有元素的最大值。
- count()：返回流中所有元素的数量。
- anyMatch(Predicate predicate)：判断流中是否至少包含一个元素符合Predicate条件。
- noneMatch(Predicate predicate)：判断流中是否所有元素都不符合Predicate条件。
- findFirst()：返回流中的第一个元素。
- findAny()：返回流中的任意一个元素。
除此之外，Java 8允许使用流式API来操作集合，Collection接口提供了一个stream()默认方法，该方法可返回该集合对应的流，接下来即可通过流式API来操作集合元素。由于Stream可以对集合元素进行整体的聚集操作，因此Stream极大地丰富了集合的功能。
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Java 8新增了Stream、IntStream、LongStream、DoubleStream等流式API，这些API代表多个支持串行和并行聚集操作的元素。上面4个接口中，Stream是一个通用的流接口，而IntStream、LongStream、DoubleStream则代表元素类型为int、long、double的流。
Java 8还为上面每个流式API提供了对应的Builder，例如Stream.Builder、IntStream.Builder、LongStream.Builder、DoubleStream.Builder，开发者可以通过这些Builder来创建对应的流。
独立使用Stream的步骤如下：
- 使用Stream或XxxStream的builder()类方法创建该Stream对应的Builder。
- 重复调用Builder的add()方法向该流中添加多个元素。
- 调用Builder的build()方法获取对应的Stream。
- 调用Stream的聚集方法。
在上面4个步骤中，第4步可以根据具体需求来调用不同的方法，Stream提供了大量的聚集方法供用户调用，具体可参考Stream或XxxStream的API文档。对于大部分聚集方法而言，每个Stream只能执行一次。
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HashMap添加数据的详细过程，如下图：
3. IO
3.1 介绍一下Java中的IO流
参考答案
IO（Input Output）用于实现对数据的输入与输出操作，Java把不同的输入/输出源（键盘、文件、网络等）抽象表述为流（Stream）。流是从起源到接收的有序数据，有了它程序就可以采用同一方式访问不同的输入/输出源。
- 按照数据流向，可以将流分为输入流和输出流，其中输入流只能读取数据、不能写入数据，而输出流只能写入数据、不能读取数据。
- 按照数据类型，可以将流分为字节流和字符流，其中字节流操作的数据单元是8位的字节，而字符流操作的数据单元是16位的字符。
- 按照处理功能，可以将流分为节点流和处理流，其中节点流可以直接从/向一个特定的IO设备（磁盘、网络等）读/写数据，也称为低级流，而处理流是对节点流的连接或封装，用于简化数据读/写功能或提高效率，也称为高级流。
Java提供了大量的类来支持IO操作，下表给大家整理了其中比较常用的一些类。其中，黑色字体的是抽象基类，其他所有的类都继承自它们。红色字体的是节点流，蓝色字体的是处理流。
根据命名很容易理解各个流的作用：
- 以File开头的文件流用于访问文件；
- 以ByteArray/CharArray开头的流用于访问内存中的数组；
- 以Piped开头的管道流用于访问管道，实现进程之间的通信；
- 以String开头的流用于访问内存中的字符串；
- 以Buffered开头的缓冲流，用于在读写数据时对数据进行缓存，以减少IO次数；
- InputStreamReader、InputStreamWriter是转换流，用于将字节流转换为字符流；
- 以Object开头的流是对象流，用于实现对象的序列化；
- 以Print开头的流是打印流，用于简化打印操作；
- 以Pushback开头的流是推回输入流，用于将已读入的数据推回到缓冲区，从而实现再次读取；
- 以Data开头的流是特殊流，用于读写Java基本类型的数据。
3.2 怎么用流打开一个大文件？
参考答案
打开大文件，应避免直接将文件中的数据全部读取到内存中，可以采用分次读取的方式。
- 使用缓冲流。缓冲流内部维护了一个缓冲区，通过与缓冲区的交互，减少与设备的交互次数。使用缓冲输入流时，它每次会读取一批数据将缓冲区填满，每次调用读取方法并不是直接从设备取值，而是从缓冲区取值，当缓冲区为空时，它会再一次读取数据，将缓冲区填满。使用缓冲输出流时，每次调用写入方法并不是直接写入到设备，而是写入缓冲区，当缓冲区填满时它会自动刷入设备。
- 使用NIO。NIO采用内存映射文件的方式来处理输入/输出，NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中，这样就可以像访问内存一样来访问文件了（这种方式模拟了操作系统上的虚拟内存的概念），通过这种方式来进行输入/输出比传统的输入/输出要快得多。
3.4 说说NIO的实现原理
参考答案
Java的NIO主要由三个核心部分组成：Channel、Buffer、Selector。
基本上，所有的IO在NIO中都从一个Channel开始，数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer写到Channel中。Channel有好几种类型，其中比较常用的有FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel等，这些通道涵盖了UDP和TCP网络IO以及文件IO。
Buffer本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。Java NIO里关键的Buffer实现有CharBuffer、ByteBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。这些Buffer覆盖了你能通过IO发送的基本数据类型，即byte、short、int、long、float、double、char。
Buffer对象包含三个重要的属性，分别是capacity、position、limit，其中position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。但不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。
- capacity：作为一个内存块，Buffer有个固定的最大值，就是capacity。Buffer只能写capacity个数据，一旦Buffer满了，需要将其清空才能继续写数据往里写数据。
- position：当写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0。当一个数据写到Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity–1。当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。
- limit：在写模式下，Buffer的limit表示最多能往Buffer里写多少数据，此时limit等于capacity。当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据，此时limit会被设置成写模式下的position值。
三个属性之间的关系，如下图所示：
Selector允许单线程处理多个 Channel，如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件例如有新连接进来，数据接收等。
这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：
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Java NIO根据操作系统不同， 针对NIO中的Selector有不同的实现：
- macosx：KQueueSelectorProvider
- solaris：DevPollSelectorProvider
- Linux：EPollSelectorProvider (Linux kernels >= 2.6)或PollSelectorProvider
- windows：WindowsSelectorProvider
所以不需要特别指定，Oracle JDK会自动选择合适的Selector。如果想设置特定的Selector，可以设置属性，例如： -Djava.nio.channels.spi.SelectorProvider=sun.nio.ch.EPollSelectorProvider。
- 采用边缘触发方式；
- netty epoll transport暴露了更多的nio没有的配置参数，如 TCP_CORK, SO_REUSEADDR等等；
- C代码，更少GC，更少synchronized。
3.5 介绍一下Java的序列化与反序列化
参考答案
序列化机制可以将对象转换成字节序列，这些字节序列可以保存在磁盘上，也可以在网络中传输，并允许程序将这些字节序列再次恢复成原来的对象。其中，对象的序列化（Serialize），是指将一个Java对象写入IO流中，对象的反序列化（Deserialize），则是指从IO流中恢复该Java对象。
若对象要支持序列化机制，则它的类需要实现Serializable接口，该接口是一个标记接口，它没有提供任何方法，只是标明该类是可以序列化的，Java的很多类已经实现了Serializable接口，如包装类、String、Date等。
3.6 Serializable接口为什么需要定义serialVersionUID变量？
参考答案
serialVersionUID代表序列化的版本，通过定义类的序列化版本，在反序列化时，只要对象中所存的版本和当前类的版本一致，就允许做恢复数据的操作，否则将会抛出序列化版本不一致的错误。
如果不定义序列化版本，在反序列化时可能出现冲突的情况，例如：
- 创建该类的实例，并将这个实例序列化，保存在磁盘上；
- 升级这个类，例如增加、删除、修改这个类的成员变量；
- 反序列化该类的实例，即从磁盘上恢复修改之前保存的数据。
3.7 除了Java自带的序列化之外，你还了解哪些序列化工具？
参考答案
- JSON：目前使用比较频繁的格式化数据工具，简单直观，可读性好，有jackson，gson，fastjson等等，比较优秀的JSON解析工具的表现还是比较好的，有些json解析工具甚至速度超过了一些二进制的序列化方式。
- Protobuf：一个用来序列化结构化数据的技术，支持多种语言诸如C++、Java以及Python语言，可以使用该技术来持久化数据或者序列化成网络传输的数据。相比较一些其他的XML技术而言，该技术的一个明显特点就是更加节省空间（以二进制流存储）、速度更快以及更加灵活。另外Protobuf支持的数据类型相对较少，不支持常量类型。由于其设计的理念是纯粹的展现层协议（Presentation Layer），目前并没有一个专门支持Protobuf的RPC框架。
- Thrift：是Facebook开源提供的一个高性能，轻量级RPC服务框架，其产生正是为了满足当前大数据量、分布式、跨语言、跨平台数据通讯的需求。 但是，Thrift并不仅仅是序列化协议，而是一个RPC框架。 相对于JSON和XML而言，Thrift在空间开销和解析性能上有了比较大的提升，对于对性能要求比较高的分布式系统，它是一个优秀的RPC解决方案。但是由于Thrift的序列化被嵌入到Thrift框架里面， Thrift框架本身并没有透出序列化和反序列化接口，这导致其很难和其他传输层协议共同使用（例如HTTP）。
- Avro：提供两种序列化格式，即JSON格式或者Binary格式。Binary格式在空间开销和解析性能方面可以和Protobuf媲美， JSON格式方便测试阶段的调试。 Avro支持的数据类型非常丰富，包括C++语言里面的union类型。Avro支持JSON格式的IDL和类似于Thrift和Protobuf的IDL（实验阶段），这两者之间可以互转。Schema可以在传输数据的同时发送，加上JSON的自我描述属性，这使得Avro非常适合动态类型语言。 Avro在做文件持久化的时候，一般会和Schema一起存储，所以Avro序列化文件自身具有自我描述属性，所以非常适合于做Hive、Pig和MapReduce的持久化数据格式。对于不同版本的Schema，在进行RPC调用的时候，服务端和客户端可以在握手阶段对Schema进行互相确认，大大提高了最终的数据解析速度。
3.8 如果不用JSON工具，该如何实现对实体类的序列化？
参考答案
可以使用Java原生的序列化机制，但是效率比较低一些，适合小项目；
4. 多线程
4.1 创建线程有哪几种方式？
参考答案
创建线程有三种方式，分别是继承Thread类、实现Runnable接口、实现Callable接口。
通过继承Thread类来创建并启动线程的步骤如下：
- 定义Thread类的子类，并重写该类的run()方法，该run()方法将作为线程执行体。
- 创建Thread子类的实例，即创建了线程对象。
- 调用线程对象的start()方法来启动该线程。
通过实现Runnable接口来创建并启动线程的步骤如下：
- 定义Runnable接口的实现类，并实现该接口的run()方法，该run()方法将作为线程执行体。
- 创建Runnable实现类的实例，并将其作为Thread的target来创建Thread对象，Thread对象为线程对象。
- 调用线程对象的start()方法来启动该线程。
通过实现Callable接口来创建并启动线程的步骤如下：
- 创建Callable接口的实现类，并实现call()方法，该call()方法将作为线程执行体，且该call()方法有返回值。然后再创建Callable实现类的实例。
- 使用FutureTask类来包装Callable对象，该FutureTask对象封装了该Callable对象的call()方法的返回值。
- 使用FutureTask对象作为Thread对象的target创建并启动新线程。
- 调用FutureTask对象的get()方法来获得子线程执行结束后的返回值。
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通过继承Thread类、实现Runnable接口、实现Callable接口都可以实现多线程，不过实现Runnable接口与实现Callable接口的方式基本相同，只是Callable接口里定义的方法有返回值，可以声明抛出异常而已。因此可以将实现Runnable接口和实现Callable接口归为一种方式。
采用实现Runnable、Callable接口的方式创建多线程的优缺点：
- 线程类只是实现了Runnable接口或Callable接口，还可以继承其他类。
- 在这种方式下，多个线程可以共享同一个target对象，所以非常适合多个相同线程来处理同一份资源的情况，从而可以将CPU、代码和数据分开，形成清晰的模型，较好地体现了面向对象的思想。
- 劣势是，编程稍稍复杂，如果需要访问当前线程，则必须使用Thread.currentThread()方法。
采用继承Thread类的方式创建多线程的优缺点：
- 劣势是，因为线程类已经继承了Thread类，所以不能再继承其他父类。
- 优势是，编写简单，如果需要访问当前线程，则无须使用Thread.currentThread()方法，直接使用this即可获得当前线程。
4.2 说说Thread类的常用方法
参考答案
Thread类常用构造方法：
- Thread()
- Thread(String name)
- Thread(Runnable target)
- Thread(Runnable target, String name)
其中，参数 name为线程名，参数 target为包含线程体的目标对象。
Thread类常用静态方法：
- currentThread()：返回当前正在执行的线程；
- interrupted()：返回当前执行的线程是否已经被中断；
- sleep(long millis)：使当前执行的线程睡眠多少毫秒数；
- yield()：使当前执行的线程自愿暂时放弃对处理器的使用权并允许其他线程执行；
Thread类常用实例方法：
- getId()：返回该线程的id；
- getName()：返回该线程的名字；
- getPriority()：返回该线程的优先级；
- interrupt()：使该线程中断；
- isInterrupted()：返回该线程是否被中断；
- isAlive()：返回该线程是否处于活动状态；
- isDaemon()：返回该线程是否是守护线程；
- setDaemon(boolean on)：将该线程标记为守护线程或用户线程，如果不标记默认是非守护线程；
- setName(String name)：设置该线程的名字；
- setPriority(int newPriority)：改变该线程的优先级；
- join()：等待该线程终止；
- join(long millis)：等待该线程终止,至多等待多少毫秒数。
4.3 run()和start()有什么区别？
参考答案
run()方法被称为线程执行体，它的方法体代表了线程需要完成的任务，而start()方法用来启动线程。
4.4 线程是否可以重复启动，会有什么后果？
参考答案
只能对处于新建状态的线程调用start()方法，否则将引发IllegalThreadStateException异常。
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当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时它和其他的Java对象一样，仅仅由Java虚拟机为其分配内存，并初始化其成员变量的值。此时的线程对象没有表现出任何线程的动态特征，程序也不会执行线程的线程执行体。
4.5 介绍一下线程的生命周期
参考答案
在线程的生命周期中，它要经过新建（New）、就绪（Ready）、运行（Running）、阻塞（Blocked）和死亡（Dead）5种状态。尤其是当线程启动以后，它不可能一直“霸占”着CPU独自运行，所以CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态也会多次在运行、就绪之间切换。
当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时它和其他的Java对象一样，仅仅由Java虚拟机为其分配内存，并初始化其成员变量的值。此时的线程对象没有表现出任何线程的动态特征，程序也不会执行线程的线程执行体。
当线程对象调用了start()方法之后，该线程处于就绪状态，Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，处于这个状态中的线程并没有开始运行，只是表示该线程可以运行了。至于该线程何时开始运行，取决于JVM里线程调度器的调度。
如果处于就绪状态的线程获得了CPU，开始执行run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状态，如果计算机只有一个CPU，那么在任何时刻只有一个线程处于运行状态。当然，在一个多处理器的机器上，将会有多个线程并行执行；当线程数大于处理器数时，依然会存在多个线程在同一个CPU上轮换的现象。
当一个线程开始运行后，它不可能一直处于运行状态，线程在运行过程中需要被中断，目的是使其他线程获得执行的机会，线程调度的细节取决于底层平台所采用的策略。对于采用抢占式策略的系统而言，系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务。当该时间段用完后，系统就会剥夺该线程所占用的资源，让其他线程获得执行的机会。当发生如下情况时，线程将会进入阻塞状态：
- 线程调用sleep()方法主动放弃所占用的处理器资源。
- 线程调用了一个阻塞式IO方法，在该方法返回之前，该线程被阻塞。
- 线程试图获得一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程所持有。
- 线程在等待某个通知（notify）。
- 程序调用了线程的suspend()方法将该线程挂起。但这个方法容易导致死锁，所以应该尽量避免使用该方法。
针对上面几种情况，当发生如下特定的情况时可以解除上面的阻塞，让该线程重新进入就绪状态：
- 调用sleep()方法的线程经过了指定时间。
- 线程调用的阻塞式IO方法已经返回。
- 线程成功地获得了试图取得的同步监视器。
- 线程正在等待某个通知时，其他线程发出了一个通知。
- 处于挂起状态的线程被调用了resume()恢复方法。
线程会以如下三种方式结束，结束后就处于死亡状态：
- run()或call()方法执行完成，线程正常结束。
- 线程抛出一个未捕获的Exception或Error。
- 直接调用该线程的stop()方法来结束该线程，该方法容易导致死锁，通常不推荐使用。
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线程5种状态的转换关系，如下图所示：
4.6 如何实现线程同步？
参考答案
-
同步方法
即有synchronized关键字修饰的方法，由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时， 内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态。需要注意， synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类。
-
同步代码块
即有synchronized关键字修饰的语句块，被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁，从而实现同步。需值得注意的是，同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。
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ReentrantLock
Java 5新增了一个java.util.concurrent包来支持同步，其中ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁，它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力。需要注意的是，ReentrantLock还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，因此不推荐使用。
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volatile
volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制，使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新，因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值。需要注意的是，volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量。
-
原子变量
在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类，使用该类可以简化线程同步。例如AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中（如以原子方式增加的计数器），但不能用于替换Integer。可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。
4.7 说一说Java多线程之间的通信方式
参考答案
在Java中线程通信主要有以下三种方式：
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wait()、notify()、notifyAll()
如果线程之间采用synchronized来保证线程安全，则可以利用wait()、notify()、notifyAll()来实现线程通信。这三个方法都不是Thread类中所声明的方法，而是Object类中声明的方法。原因是每个对象都拥有锁，所以让当前线程等待某个对象的锁，当然应该通过这个对象来操作。并且因为当前线程可能会等待多个线程的锁，如果通过线程来操作，就非常复杂了。另外，这三个方法都是本地方法，并且被final修饰，无法被重写。
wait()方法可以让当前线程释放对象锁并进入阻塞状态。notify()方法用于唤醒一个正在等待相应对象锁的线程，使其进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。notifyAll()用于唤醒所有正在等待相应对象锁的线程，使它们进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。
每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列。就绪队列存储了已就绪（将要竞争锁）的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程。当一个阻塞线程被唤醒后，才会进入就绪队列，进而等待CPU的调度。反之，当一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待被唤醒。
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await()、signal()、signalAll()
如果线程之间采用Lock来保证线程安全，则可以利用await()、signal()、signalAll()来实现线程通信。这三个方法都是Condition接口中的方法，该接口是在Java 1.5中出现的，它用来替代传统的wait+notify实现线程间的协作，它的使用依赖于 Lock。相比使用wait+notify，使用Condition的await+signal这种方式能够更加安全和高效地实现线程间协作。
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition() 。 必须要注意的是，Condition 的 await()/signal()/signalAll() 使用都必须在lock保护之内，也就是说，必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用。事实上，await()/signal()/signalAll() 与 wait()/notify()/notifyAll()有着天然的对应关系。即：Conditon中的await()对应Object的wait()，Condition中的signal()对应Object的notify()，Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。
-
BlockingQueue
Java 5提供了一个BlockingQueue接口，虽然BlockingQueue也是Queue的子接口，但它的主要用途并不是作为容器，而是作为线程通信的工具。BlockingQueue具有一个特征：当生产者线程试图向BlockingQueue中放入元素时，如果该队列已满，则该线程被阻塞；当消费者线程试图从BlockingQueue中取出元素时，如果该队列已空，则该线程被阻塞。
程序的两个线程通过交替向BlockingQueue中放入元素、取出元素，即可很好地控制线程的通信。线程之间需要通信，最经典的场景就是生产者与消费者模型，而BlockingQueue就是针对该模型提供的解决方案。
4.8 说一说Java同步机制中的wait和notify
参考答案
wait()、notify()、notifyAll()用来实现线程之间的通信，这三个方法都不是Thread类中所声明的方法，而是Object类中声明的方法。原因是每个对象都拥有锁，所以让当前线程等待某个对象的锁，当然应该通过这个对象来操作。并且因为当前线程可能会等待多个线程的锁，如果通过线程来操作，就非常复杂了。另外，这三个方法都是本地方法，并且被final修饰，无法被重写，并且只有采用synchronized实现线程同步时才能使用这三个方法。
wait()方法可以让当前线程释放对象锁并进入阻塞状态。notify()方法用于唤醒一个正在等待相应对象锁的线程，使其进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。notifyAll()方法用于唤醒所有正在等待相应对象锁的线程，使它们进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。
4.9 说一说sleep()和wait()的区别
参考答案
- sleep()是Thread类中的静态方法，而wait()是Object类中的成员方法；
- sleep()可以在任何地方使用，而wait()只能在同步方法或同步代码块中使用；
- sleep()不会释放锁，而wait()会释放锁，并需要通过notify()/notifyAll()重新获取锁。
4.10 说一说notify()、notifyAll()的区别
参考答案
-
notify()
用于唤醒一个正在等待相应对象锁的线程，使其进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。
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notifyAll()
用于唤醒所有正在等待相应对象锁的线程，使它们进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。
4.11 如何实现子线程先执行，主线程再执行？
参考答案
启动子线程后，立即调用该线程的join()方法，则主线程必须等待子线程执行完成后再执行。
扩展阅读
Thread类提供了让一个线程等待另一个线程完成的方法——join()方法。当在某个程序执行流中调用其他线程的join()方法时，调用线程将被阻塞，直到被join()方法加入的join线程执行完为止。
4.12 阻塞线程的方式有哪些？
参考答案
当发生如下情况时，线程将会进入阻塞状态：
- 线程调用sleep()方法主动放弃所占用的处理器资源；
- 线程调用了一个阻塞式IO方法，在该方法返回之前，该线程被阻塞；
- 线程试图获得一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程所持有；
- 线程在等待某个通知（notify）；
- 程序调用了线程的suspend()方法将该线程挂起，但这个方法容易导致死锁，所以应该尽量避免使用该方法。
4.13 说一说synchronized与Lock的区别
参考答案
- synchronized是Java关键字，在JVM层面实现加锁和解锁；Lock是一个接口，在代码层面实现加锁和解锁。
- synchronized可以用在代码块上、方法上；Lock只能写在代码里。
- synchronized在代码执行完或出现异常时自动释放锁；Lock不会自动释放锁，需要在finally中显示释放锁。
- synchronized会导致线程拿不到锁一直等待；Lock可以设置获取锁失败的超时时间。
- synchronized无法得知是否获取锁成功；Lock则可以通过tryLock得知加锁是否成功。
- synchronized锁可重入、不可中断、非公平；Lock锁可重入、可中断、可公平/不公平，并可以细分读写锁以提高效率。
4.14 说一说synchronized的底层实现原理
参考答案
一、以下列代码为例，说明同步代码块的底层实现原理：
查看反编译后结果，如下图：
可见，synchronized作用在代码块时，它的底层是通过monitorenter、monitorexit指令来实现的。
-
monitorenter：
每个对象都是一个监视器锁（monitor），当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1。如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。
-
monitorexit：
执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor持有者。指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个monitor的所有权。
monitorexit指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁，第2次为发生异步退出释放锁。
二、以下列代码为例，说明同步方法的底层实现原理：
查看反编译后结果，如下图：
从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过 monitorenter 和 monitorexit 指令来完成，不过相对于普通方法，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：
当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。
三、总结
4.15 synchronized可以修饰静态方法和静态代码块吗？
参考答案
synchronized可以修饰静态方法，但不能修饰静态代码块。
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