Java基础八股_java guide八股

本文参考JavaGuide整理总结了一些自己觉得重要且不太熟悉的Java基础八股。

面向对象三大特征

封装

封装是指把一个对象的状态信息（也就是属性）隐藏在对象内部，不允许外部对象直接访问对象的内部信息。但是可以提供一些可以被外界访问的方法来操作属性。就好像我们看不到挂在墙上的空调的内部的零件信息（也就是属性），但是可以通过遥控器（方法）来控制空调。

继承

继承：不同类型的对象，相互之间经常有一定数量的共同点。继承是使用已存在的类的定义作为基础建立新类的技术，新类的定义可以增加新的数据或新的功能，也可以用父类的功能，但不能选择性地继承父类。通过使用继承，可以快速地创建新的类，可以提高代码的重用，程序的可维护性，节省大量创建新类的时间 ，提高我们的开发效率。

多态

多态：是同一个行为具有多个不同表现形式或形态的能力。多态就是同一个接口，使用不同的实例而执行不同操作。多态性是对象多种表现形式的体现。
比如我们按下 F1 键这个动作：如果当前在 Word 下弹出的就是 Word 帮助；在 Windows 下弹出的就是 Windows 帮助和支持。同一个事件发生在不同的对象上会产生不同的结果。

面向对象的五大基本原则

单一职责原则（Single-Resposibility Principle）

一个类，最好只做一件事，只有一个引起它的变化。
单一职责原则可以看做是低耦合、高内聚在面向对象原则上的引申。职责过多，可能引起它变化的原因就越多，这将导致职责依赖，相互之间就产生影响，交杂不清的职责将使得代码看起来特别别扭牵一发而动全身。

开放封闭原则（Open-Closed principle）

对扩展开放，对修改封闭。
“需求总是变化” 没有不变的软件，所以就需要用封闭开放原则来封闭变化满足需求，同时还能保持软件内部的封装体系稳定，不被需求的变化影响。

里氏替换原则（Liskov-Substituion Principle）

子类必须能够替换其基类。
是关于继承机制的设计原则，是保证继承复用的基础。能够保证系统具有良好的拓展性，同时实现基于多态的抽象机制，能够减少代码冗余，避免运行期的类型判别。

依赖倒置原则（Dependecy-Inversion Principle）

依赖于抽象。
就是对接口编程，不要对实现编程。依赖于抽象是面向对象设计的精髓。具体而言就是高层模块不依赖于底层模块，二者都同依赖于抽象；抽象不依赖于具体，具体依赖于抽象。

接口隔离原则（Interface-Segregation Principle）

使用多个小的专门的接口，而不要使用一个大的总接口。
强调接口的单一性。

接口和抽象类有什么共同点和区别？

共同点：都不能被实例化。都可以包含抽象方法。都可以有默认实现的方法（Java 8 可以用 default 关键字在接口中定义默认方法）。

区别： 接口：主要用于对类的行为进行约束，你实现了某个接口就具有了对应的行为。
抽象类：主要用于代码复用，强调的是所属关系。

一个类只能继承一个类，但是可以实现多个接口。接口中的成员变量只能是 public static final 类型的，不能被修改且必须有初始值，而抽象类的成员变量默认 default，可在子类中被重新定义，也可被重新赋值。

包装类型的缓存机制了解么？

Java 基本数据类型的包装类型的大部分都用到了缓存机制来提升性能。Byte,Short,Integer,Long 这 4 种包装类默认创建了数值 [-128，127] 的相应类型的缓存数据，Character 创建了数值在 [0,127] 范围的缓存数据，Boolean 直接返回 True or False。

自动装箱与拆箱了解吗？原理是什么？

装箱：将基本类型用它们对应的引用类型包装起来；
拆箱：将包装类型转换为基本数据类型；
装箱就是调用了 包装类的valueOf()方法，拆箱就是调用了 xxxValue()方法

为什么浮点数运算的时候会有精度丢失的风险？

这个和计算机保存浮点数的机制有很大关系。我们知道计算机是二进制的，而且计算机在表示一个数字时，宽度是有限的，无限循环的小数存储在计算机时，只能被截断，所以就会导致小数精度发生损失的情况。
BigDecimal 可以实现对浮点数的运算，不会造成精度丢失。

== 和 equals() 的区别

• ==：对于基本数据类型来说，比较的是值；对于引用数据类型来说，比较的是对象的内存地址。
• equals() 不能用于判断基本数据类型的变量，只能用来判断两个对象是否相等
  • 类没有重写 equals()方法 ：通过equals()比较该类的两个对象时，等价于通过“==”比较这两个对象（地址），使用的默认是 Object类equals()方法。
  • 类重写了 equals()方法 ：一般都重写 equals()方法来比较两个对象中的属性是否相等；若它们的属性相等，则返回 true(即，认为这两个对象相等)。

为什么要有 hashCode？

当你把对象加入 HashSet 时，HashSet 会先计算对象的 hashCode 值来判断对象加入的位置，同时也会与其他已经加入的对象的 hashCode 值作比较，如果没有相符的 hashCode，HashSet 会假设对象没有重复出现。但是如果发现有相同 hashCode 值的对象，这时会调用 equals() 方法来检查 hashCode 相等的对象是否真的相同。如果两者相同，HashSet 就不会让其加入操作成功。如果不同的话，就会重新散列到其他位置。这样我们就大大减少了 equals 的次数，相应就大大提高了执行速度。

intern 方法有什么作用?

String.intern() 是一个 native（本地）方法，其作用是将指定的字符串对象的引用保存在字符串常量池中，可以简单分为两种情况：

• 如果字符串常量池中已经保存了对应的字符串对象的引用，就直接返回该引用。
• 如果字符串常量池中没有保存了对应的字符串对象的引用，那就在常量池中创建一个指向该字符串对象的引用并返回。

finally 中的代码一定会执行吗？

不一定的！在某些情况下，finally 中的代码不会被执行。
就比如说 finally 之前虚拟机被终止运行的话；程序所在的线程死亡；关闭 CPU。finally 中的代码就不会被执行。

• 注意：不要在 finally 语句块中使用 return! 当 try 语句和 finally 语句中都有 return 语句时，try 语句块中的 return 语句会被忽略。这是因为 try 语句中的 return 返回值会先被暂存在一个本地变量中，当执行到 finally 语句中的 return 之后，这个本地变量的值就变为了 finally 语句中的 return 返回值。

SPI 与 API

SPI 即 Service Provider Interface ，字面意思就是：“服务提供者的接口”，我的理解是：专门提供给服务提供者或者扩展框架功能的开发者去使用的一个接口。

• API：当实现方提供了接口和实现，我们可以通过调用实现方的接口从而拥有实现方给我们提供的能力，这就是 API ，这种接口和实现都是放在实现方的。
• SPI：当接口存在于调用方这边时，就是 SPI ，由接口调用方确定接口规则，然后由不同的厂商去根据这个规则对这个接口进行实现，从而提供服务。

Java 代理模式

• 使用代理对象来代替对真实对象(real object)的访问，这样就可以在不修改原目标对象的前提下，提供额外的功能操作，扩展目标对象的功能。（类似房屋中介）
• 代理模式的主要作用是扩展目标对象的功能

静态代理

• 从 JVM 层面来说， 静态代理在编译时就将接口、实现类、代理类这些都变成了一个个实际的 class 文件。
• 静态代理实现步骤:
  1. 定义一个接口及其实现类；
  2. 创建一个代理类同样实现这个接口
  3. 将目标对象注入进代理类，然后在代理类的对应方法调用目标类中的对应方法。这样的话，我们就可以通过代理类屏蔽对目标对象的访问，并且可以在目标方法执行前后做一些自己想做的事情

动态代理

• 从 JVM 角度来说，动态代理是在运行时动态生成类字节码，并加载到 JVM 中的。
• Spring AOP、RPC 框架
• Spring 中的 AOP 模块中：如果目标对象实现了接口，则默认采用 JDK 动态代理，否则采用 CGLIB 动态代理。
• JDK 动态代理只能代理实现了接口的类或者直接代理接口，而 CGLIB 可以代理未实现任何接口的类。
• 效率来说，大部分情况都是 JDK 动态代理更优秀

JDK 动态代理机制

• 在 Java 动态代理机制中 InvocationHandler 接口和 Proxy 类是核心。
• JDK 动态代理类使用步骤：
  1. 定义一个接口及其实现类；
  2. 自定义 InvocationHandler 并重写invoke方法，在 invoke 方法中我们会调用原生方法（被代理类的方法）并自定义一些处理逻辑；
  3. 通过 Proxy.newProxyInstance(ClassLoader loader,Class<?>[] interfaces,InvocationHandler h) 方法创建代理对象

CGLIB 动态代理机制

• 在 CGLIB 动态代理机制中 MethodInterceptor 接口和 Enhancer 类是核心。
• CGLIB 动态代理类使用步骤：
  1. 定义一个类；
  2. 自定义 MethodInterceptor 并重写 intercept 方法，intercept 用于拦截增强被代理类的方法，和 JDK 动态代理中的 invoke 方法类似；
  3. 通过 Enhancer 类的 **create()**创建代理类；

Unsafe 的类

内存屏障

编译器和 CPU 会在保证程序输出结果一致的情况下，会对代码进行重排序，从指令优化角度提升性能。而指令重排序可能会带来一个不好的结果，导致 CPU 的高速缓存和内存中数据的不一致，而内存屏障（Memory Barrier）就是通过阻止屏障两边的指令重排序从而避免编译器和硬件的不正确优化情况。

CAS 操作

• CAS 即比较并替换（Compare And Swap)，是实现并发算法时常用到的一种技术。CAS 操作包含三个操作数——内存位置、预期原值及新值。执行 CAS 操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较，如果相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，否则，处理器不做任何操作。
• 我们都知道，CAS 是一条 CPU 的原子指令（cmpxchg 指令），不会造成所谓的数据不一致问题，Unsafe 提供的 CAS 方法（如 compareAndSwapXXX）底层实现即为 CPU 指令 cmpxchg 。

线程调度

Unsafe 类中提供了park、unpark、monitorEnter、monitorExit、tryMonitorEnter方法进行线程调度。

• 方法 park、unpark 即可实现线程的挂起与恢复，将一个线程进行挂起是通过 park 方法实现的，调用 park 方法后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现；unpark 可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。
• monitorEnter方法用于获得对象锁，monitorExit用于释放对象锁，如果对一个没有被monitorEnter加锁的对象执行此方法，会抛出IllegalMonitorStateException异常。tryMonitorEnter方法尝试获取对象锁，如果成功则返回true，反之返回false。

如果有些字段不想进行序列化怎么办？

对于不想进行序列化的变量，使用 transient 关键字修饰。transient 关键字的作用是：阻止实例中那些用此关键字修饰的的变量序列化；当对象被反序列化时，被 transient 修饰的变量值不会被持久化和恢复。

ArrayList源码&扩容机制分析

Arraylist 与 LinkedList 区别?

• 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
• 底层数据结构： Arraylist 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别，下面有介绍到！）
• 插入和删除是否受元素位置的影响： ① ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)）时间复杂度就为 O(n-i)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的(n-i)个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。 ② LinkedList 采用链表存储，所以对于add(E e)方法的插入，删除元素时间复杂度不受元素位置的影响，近似 O(1)，如果是要在指定位置i插入和删除元素的话（(add(int index, E element)） 时间复杂度近似为o(n))因为需要先移动到指定位置再插入。
• 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象(对应于get(int index)方法)。
• 内存空间占用： ArrayList 的空 间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要有指针（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

扩容机制

• 以无参数构造方法创建 ArrayList 时，实际上初始化赋值的是一个空数组。当真正对数组进行添加元素操作时，才真正分配容量。即向数组中添加第一个元素时，数组容量扩为 10

add()方法

• 当我们要 add 进第 1 个元素到 ArrayList 时，elementData.length 为 0 （因为还是一个空的 list），因为执行了 ensureCapacityInternal() 方法 ，所以 minCapacity 此时为 10。此时，minCapacity - elementData.length > 0成立，所以会进入 grow(minCapacity) 方法。
• 当 add 第 2 个元素时，minCapacity 为 2，此时 e lementData.length(容量)在添加第一个元素后扩容成 10 了。此时，minCapacity - elementData.length > 0 不成立，所以不会进入 （执行）grow(minCapacity) 方法。
• 添加第 3、4···到第 10 个元素时，依然不会执行 grow 方法，数组容量都为 10。
• 直到添加第 11 个元素，minCapacity(为 11)比 elementData.length（为 10）要大。进入 grow 方法进行扩容。

grow()方法

• int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1),所以 ArrayList 每次扩容之后容量都会变为原来的 1.5 倍左右（oldCapacity 为偶数就是 1.5 倍，否则是 1.5 倍左右）！
• 当 add 第 1 个元素时，oldCapacity 为 0，经比较后第一个 if 判断成立，newCapacity = minCapacity(为 10)。但是第二个 if 判断不会成立，即 newCapacity 不比 MAX_ARRAY_SIZE 大，则不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量为 10，add 方法中 return true,size 增为 1。
• 当 add 第 11 个元素进入 grow 方法时，newCapacity 为 15，比 minCapacity（为 11）大，第一个 if 判断不成立。新容量没有大于数组最大 size，不会进入 hugeCapacity 方法。数组容量扩为 15，add 方法中 return true,size 增为 11。
• 以此类推······

hugeCapacity() 方法

如果新容量大于 MAX_ARRAY_SIZE,进入(执行) hugeCapacity() 方法来比较 minCapacity 和 MAX_ARRAY_SIZE，如果 minCapacity 大于最大容量，则新容量则为Integer.MAX_VALUE，否则，新容量大小则为 MAX_ARRAY_SIZE 即为 Integer.MAX_VALUE - 8。

HashMap源码&底层数据结构分析

• JDK1.8 之前 HashMap 底层是 数组和链表 结合在一起使用也就是 链表散列。
• JDK1.8 之后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为 8）（将链表转换成红黑树前会判断，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容，而不是转换为红黑树）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。
• HashMap 默认的初始化大小为 16。之后每次扩充，容量变为原来的 2 倍。并且， HashMap 总是使用 2 的幂作为哈希表的大小

HashMap 的长度为什么是 2 的幂次方

• 为了能让 HashMap 存取高效，尽量较少碰撞，也就是要尽量把数据分配均匀。就要哈希函数映射得比较均匀松散。还要先做对数组的长度取模运算，得到的余数才能用来要存放的位置也就是对应的数组下标。这个数组下标的计算方法是“ (n - 1) & hash”。（n 代表数组长度）。
• 我们首先可能会想到采用%取余的操作来实现。但是，重点来了：“取余(%)操作中如果除数是 2 的幂次则等价于与其除数减一的与(&)操作（也就是说 hash%length==hash&(length-1)的前提是 length 是 2 的 n 次方；）。” 并且 采用二进制位操作 &，相对于%能够提高运算效率，这就解释了 HashMap 的长度为什么是 2 的幂次方。

loadFactor 加载因子

loadFactor 加载因子是控制数组存放数据的疏密程度（0-1）。loadFactor 太大导致查找元素效率低，太小导致数组的利用率低，存放的数据会很分散。loadFactor 的默认值为 0.75f 是官方给出的一个比较好的临界值。

threshold

threshold = capacity * loadFactor，当 Size>=threshold的时候，那么就要考虑对数组的扩增了，也就是说，这个的意思就是 衡量数组是否需要扩增的一个标准。

put() 1.8

HashMap 只提供了 put 用于添加元素，putVal 方法只是给 put 方法调用的一个方法，并没有提供给用户使用。
对 putVal 方法添加元素的分析如下：

• 如果定位到的数组位置没有元素 就直接插入。
• 如果定位到的数组位置有元素就和要插入的 key 比较，如果 key 相同就直接覆盖，如果 key 不相同，就判断 p 是否是一个树节点，如果是就调用e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value)将元素添加进入。如果不是就遍历链表插入(插入的是链表尾部)。

resize()

进行扩容，会伴随着一次重新 hash 分配，并且会遍历 hash 表中所有的元素，是非常耗时的。在编写程序中，要尽量避免 resize。扩充为原来的2倍。

ConcurrentHashMap

• JDK1.7 的 ConcurrentHashMap 底层采用 分段的数组+链表 实现
  在 JDK1.7 的时候，ConcurrentHashMap 对整个桶数组进行了分割分段(Segment，分段锁)，每一把锁只锁容器其中一部分数据，多线程访问容器里不同数据段的数据，就不会存在锁竞争，提高并发访问率。
  • Segment 继承了 ReentrantLock,所以 Segment 是一种可重入锁，扮演锁的角色。
  • Segment 数组的个数一旦初始化就不能改变。 Segment 数组的大小默认是 16，也就是说默认可以同时支持 16 个线程并发写。
• JDK1.8 采用的数据结构跟 HashMap1.8 的结构一样，数组+链表/红黑二叉树。
  到了 JDK1.8 的时候，ConcurrentHashMap 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。（JDK1.6 以后 synchronized 锁做了很多优化） 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap。
  • Java 8 在链表长度超过一定阈值（8）时将链表转换为红黑树
  • Java 8 中，锁粒度更细，synchronized 只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要 hash 不冲突，就不会产生并发，就不会影响其他 Node 的读写，
  • JDK 1.8 最大并发度是 Node 数组的大小，并发度更大。

初始化 1.8

ConcurrentHashMap 的初始化是通过自旋和 CAS 操作完成的。里面需要注意的是变量 sizeCtl ，它的值决定着当前的初始化状态。

put() 1.8

1. 根据 key 计算出 hashcode 。
2. 判断是否需要进行初始化。
3. 即为当前 key 定位出的 Node，如果为空表示当前位置可以写入数据，利用 CAS 尝试写入，失败则自旋保证成功。
4. 如果当前位置的 hashcode = MOVED = -1,则需要进行扩容。
5. 如果都不满足，则利用 synchronized 锁写入数据。
6. 如果数量大于 TREEIFY_THRESHOLD 则要执行树化方法，在 treeifyBin 中会首先判断当前数组长度≥64时才会将链表转换为红黑树。

get() 1.8

1. 根据 hash 值计算位置。
2. 查找到指定位置，如果头节点就是要找的，直接返回它的 value.
3. 如果头节点 hash 值小于 0 ，说明正在扩容或者是红黑树，查找之。
4. 如果是链表，遍历查找之。

IO流

IO 即 Input/Output，输入和输出。数据输入到计算机内存的过程即输入，反之输出到外部存储（比如数据库，文件，远程主机）的过程即输出。

• 如果音频文件、图片等媒体文件用字节流比较好，如果涉及到字符的话使用字符流比较好。
  Java IO 流的 40 多个类都是从如下 4 个抽象类基类中派生出来的。
• InputStream / Reader: 所有的输入流的基类，前者是字节输入流，后者是字符输入流。
• OutputStream / Writer: 所有输出流的基类，前者是字节输出流，后者是字符输出流
• FileInputStream 是一个比较常用的字节输入流对象，可直接指定文件路径，可以直接读取单字节数据，也可以读取至字节数组中。一般我们是不会直接单独使用 FileInputStream ，通常会配合 BufferedInputStream（字节缓冲输入流）来使用。
• FileOutputStream 通常也会配合 BufferedOutputStream（字节缓冲输出流）来使用。
• InputStreamReader 是字节流转换为字符流的桥梁，其子类 FileReader 是基于该基础上的封装，可以直接操作字符文件。
• OutputStreamWriter 是字符流转换为字节流的桥梁，其子类 FileWriter 是基于该基础上的封装，可以直接将字符写入到文件。
• 字节缓冲流这里采用了装饰器模式来增强 InputStream 和OutputStream子类对象的功能。BufferedInputStream ，BufferedOutputStream 内部也维护了一个缓冲区，并且，这个缓存区的大小也是 8192 字节
• 字符缓冲流 BufferedReader （字符缓冲输入流）和 BufferedWriter（字符缓冲输出流）类似

IO设计模式

装饰器模式

不改变原有对象的情况下拓展其功能。通过组合替代继承来扩展原始类的功能，在一些继承关系比较复杂的场景（IO 这一场景各种类的继承关系就比较复杂）更加实用。侧重于动态地增强原始类的功能。

• FilterInputStream （对应输入流）和FilterOutputStream（对应输出流）是装饰器模式的核心，分别用于增强 InputStream 和OutputStream子类对象的功能。
• BufferedInputStream(字节缓冲输入流)、DataInputStream 等等都是FilterInputStream 的子类
• BufferedReader 可以用来增加 Reader （字符输入流）子类的功能，BufferedWriter 可以用来增加 Writer （字符输出流）子类的功能。

适配器模式

主要用于接口互不兼容的类的协调工作，可以将其联想到日常经常使用的电源适配器。

• 被适配的对象或者类称为 适配者(Adaptee) ，作用于适配者的对象或者类称为适配器(Adapter) 。适配器分为对象适配器和类适配器。类适配器使用继承关系来实现，对象适配器使用组合关系来实现。
• InputStreamReader 和 OutputStreamWriter 就是两个适配器(Adapter)， 同时，它们两个也是字节流和字符流之间的桥梁。
• InputStream 和 OutputStream 的子类是被适配者， InputStreamReader 和 OutputStreamWriter是适配器。

Java IO模型

BIO (Blocking I/O) 属于同步阻塞 IO 模型 。

同步阻塞 IO 模型中，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间。

NIO (Non-blocking/New I/O)

NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，不单纯是 New。它是支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。 对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 。

AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

总结

• BIO：阻塞等待直到处理完成。
• NIO：通过选择监听多个通道，非阻塞，处理完成之后就返回。
• AIO：通知回调。

结合自己不太懂的地方，参考整理自JavaGuide