尚硅谷Java技术之北京高频面试题

版本：V6.0

尚硅谷Java技术中心

第四章 Java高级篇

1、JVM内存分哪几个区，每个区的作用是什么?

java虚拟机主要分为以下几个区:

（1）方法区：

a. 有时候也成为永久代，在该区内很少发生垃圾回收，但是并不代表不发生GC，在这里进行的GC主要是对方法区里的常量池和对类型的卸载

b. 方法区主要用来存储已被虚拟机加载的类的信息、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码等数据。

c. 该区域是被线程共享的。

d. 方法区里有一个运行时常量池，用于存放静态编译产生的字面量和符号引用。该常量池具有动态性，也就是说常量并不一定是编译时确定，运行时生成的常量也会存在这个常量池中。

（2）虚拟机栈:

a. 虚拟机栈也就是我们平常所称的栈内存,它为java方法服务，每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出口等信息。

b. 虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

c. 局部变量表里存储的是基本数据类型、returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）和对象引用，这个对象引用有可能是指向对象起始地址的一个指针，也有可能是代表对象的句柄或者与对象相关联的位置。局部变量所需的内存空间在编译器间确定

d. 操作数栈的作用主要用来存储运算结果以及运算的操作数，它不同于局部变量表通过索引来访问，而是压栈和出栈的方式

e. 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接.动态链接就是将常量池中的符号引用在运行期转化为直接引用。

（3）本地方法栈：
本地方法栈和虚拟机栈类似，只不过本地方法栈为Native方法服务。

（4）堆：

java堆是所有线程所共享的一块内存，在虚拟机启动时创建，几乎所有的对象实例都在这里创建，因此该区域经常发生垃圾回收操作。

(5) 程序计数器：

内存空间小，字节码解释器工作时通过改变这个计数值可以选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理和线程恢复等功能都需要依赖这个计数器完成。该内存区域是唯一一个java虚拟机规范没有规定任何OOM情况的区域。

2、Java中垃圾收集的方法有哪些?

采用分区分代回收思想：

1）复制算法 年轻代中使用的是Minor
GC，这种GC算法采用的是复制算法(Copying)

a) 效率高，缺点：需要内存容量大，比较耗内存

b) 使用在占空间比较小、刷新次数多的新生区

2）标记-清除
老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

a) 效率比较低，会差生碎片。

3）标记-整理
老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

a) 效率低速度慢，需要移动对象，但不会产生碎片。

3、如何判断一个对象是否存活?(或者GC对象的判定方法)

判断一个对象是否存活有两种方法:

（1）引用计数法

所谓引用计数法就是给每一个对象设置一个引用计数器，每当有一个地方引用这个对象时，就将计数器加一，引用失效时，计数器就减一。当一个对象的引用计数器为零时，说明此对象没有被引用，也就是"死对象",将会被垃圾回收.

引用计数法有一个缺陷就是无法解决循环引用问题，也就是说当对象A引用对象B，对象B又引用者对象A，那么此时A,B对象的引用计数器都不为零，也就造成无法完成垃圾回收，所以主流的虚拟机都没有采用这种算法。

（2）可达性算法(引用链法)

该算法的基本思路就是通过一些被称为引用链（GC Roots）的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径被称为（Reference Chain)，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时（即从GC Roots节点到该节点不可达），则证明该对象是不可用的。

在java中可以作为GC Roots的对象有以下几种：虚拟机栈中引用的对象、方法区类静态属性引用的对象、方法区常量池引用的对象、本地方法栈JNI引用的对象。

4、什么情况下会产生StackOverflowError（栈溢出）和OutOfMemoryError（堆溢出）？怎么排查？

引发 StackOverFlowError 的常见原因有以下几种：

• 无限递归循环调用（最常见）。

• 执行了大量方法，导致线程栈空间耗尽。

• 方法内声明了海量的局部变量。

• native

  代码有栈上分配的逻辑，并且要求的内存还不小，比如 java.net.SocketInputStream.read0 会在栈上要求分配一个64KB 的缓存（64位 Linux）。

引发 OutOfMemoryError的常见原因有以下几种：

• 内存中加载的数据量过于庞大，如一次从数据库取出过多数据。

• 集合类中有对对象的引用，使用完后未清空，使得JVM不能回收。

• 代码中存在死循环或循环产生过多重复的对象实体。

• 启动参数内存值设定的过小。

排查：可以通过jvisualvm进行内存快照分析，参考https://www.cnblogs.com/boboooo/p/13164071.html

5、什么是线程池，线程池有哪些？

线程池就是事先将多个线程对象放到一个容器中，当使用的时候就不用new
线程而是直接去池中拿线程即可，节省了开辟子线程的时间，提高的代码执行效率

在 JDK 的 java.util.concurrent.Executors
中提供了生成多种线程池的静态方法。

ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();

ExecutorService newFixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(4);

ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool =
Executors.newScheduledThreadPool(4);

ExecutorService newSingleThreadExecutor =
Executors.newSingleThreadExecutor();

然后调用他们的 execute 方法即可。

（1）newCachedThreadPool

创建一个可缓存线程池，如果线程池长度超过处理需要，可灵活回收空闲线程，若无可回收，则新建线程。这种类型的线程池特点是：

工作线程的创建数量几乎没有限制(其实也有限制的,数目为Interger.
MAX_VALUE), 这样可灵活的往线程池中添加线程。

如果长时间没有往线程池中提交任务，即如果工作线程空闲了指定的时间(默认为1分钟)，则该工作线程将自动终止。终止后，如果你又提交了新的任务，则线程池重新创建一个工作线程。

在使用CachedThreadPool时，一定要注意控制任务的数量，否则，由于大量线程同时运行，很有会造成系统瘫痪。

（2）newFixedThreadPool

创建一个指定工作线程数量的线程池。每当提交一个任务就创建一个工作线程，如果工作线程数量达到线程池初始的最大数，则将提交的任务存入到池队列中。FixedThreadPool是一个典型且优秀的线程池，它具有线程池提高程序效率和节省创建线程时所耗的开销的优点。但是，在线程池空闲时，即线程池中没有可运行任务时，它不会释放工作线程，还会占用一定的系统资源。

（3）newSingleThreadExecutor

创建一个单线程化的Executor，即只创建唯一的工作者线程来执行任务，它只会用唯一的工作线程来执行任务，保证所有任务按照指定顺序(FIFO,
LIFO,优先级)执行。如果这个线程异常结束，会有另一个取代它，保证顺序执行。单工作线程最大的特点是可保证顺序地执行各个任务，并且在任意给定的时间不会有多个线程是活动的。

（4）newScheduleThreadPool

创建一个定长的线程池，而且支持定时的以及周期性的任务执行。例如延迟3秒执行。

这4种线程池底层全部是ThreadPoolExecutor对象的实现，阿里规范手册中规定线程池采用ThreadPoolExecutor自定义的，实际开发也是。

6、ThreadPoolExecutor对象有哪些参数？都有什么作用？怎么设定核心线程数和最大线程数？拒绝策略有哪些？

参数与作用： 共7个参数

corePoolSize： 核心线程数，在ThreadPoolExecutor中有一个与它相关的配置：allowCoreThreadTimeOut（默认为false），当allowCoreThreadTimeOut为false时，核心线程会一直存活，哪怕是一直空闲着。而当allowCoreThreadTimeOut为true时核心线程空闲时间超过keepAliveTime时会被回收。

maximumPoolSize： 最大线程数，线程池能容纳的最大线程数，当线程池中的线程达到最大时，此时添加任务将会采用拒绝策略，默认的拒绝策略是抛出一个运行时错误（RejectedExecutionException）。值得一提的是，当初始化时用的工作队列为LinkedBlockingDeque时，这个值将无效。

keepAliveTime： 存活时间，当非核心空闲超过这个时间将被回收，同时空闲核心线程是否回收受allowCoreThreadTimeOut影响。

unit： keepAliveTime的单位。

workQueue： 任务队列，常用有三种队列，即SynchronousQueue,LinkedBlockingDeque（无界队列）,ArrayBlockingQueue（有界队列）。

threadFactory： 线程工厂，ThreadFactory是一个接口，用来创建worker。通过线程工厂可以对线程的一些属性进行定制。默认直接新建线程。

RejectedExecutionHandler： 也是一个接口，只有一个方法，当线程池中的资源已经全部使用，添加新线程被拒绝时，会调用RejectedExecutionHandler的rejectedExecution法。

默认是抛出一个运行时异常。

线程池大小设置：

1. 需要分析线程池执行的任务的特性： CPU 密集型还是 IO 密集型

2. 每个任务执行的平均时长大概是多少，这个任务的执行时长可能还跟任务处理逻辑是否涉及到网络传输以及底层系统资源依赖有关系

如果是 CPU 密集型，主要是执行计算任务，响应时间很快，cpu
一直在运行，这种任务 cpu的利用率很高，那么线程数的配置应该根据 CPU
核心数来决定，CPU 核心数=最大同时执行线程数，加入 CPU 核心数为
4，那么服务器最多能同时执行 4
个线程。过多的线程会导致上下文切换反而使得效率降低。那线程池的最大线程数可以配置为
cpu 核心数+1 如果是 IO 密集型，主要是进行 IO 操作，执行 IO
操作的时间较长，这是 cpu 出于空闲状态，导致 cpu
的利用率不高，这种情况下可以增加线程池的大小。这种情况下可以结合线程的等待时长来做判断，等待时间越高，那么线程数也相对越多。一般可以配置
cpu 核心数的 2 倍。

一个公式：线程池设定最佳线程数目 = （（线程池设定的线程等待时间+线程 CPU 时间）/ 线程 CPU 时间 ）* CPU 数目

这个公式的线程 cpu 时间是预估的程序单个线程在 cpu 上运行的时间（通常使用loadrunner测试大量运行次数求出平均值）

拒绝策略：

1、AbortPolicy：直接抛出异常，默认策略；
2、CallerRunsPolicy：用调用者所在的线程来执行任务；
3、DiscardOldestPolicy：丢弃阻塞队列中靠最前的任务，并执行当前任务；
4、DiscardPolicy：直接丢弃任务；
当然也可以根据应用场景实现 RejectedExecutionHandler
接口，自定义饱和策略，如记录日志或持久化存储不能处理的任务

7、常见线程安全的并发容器有哪些？

CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentHashMap

CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet 采用写时复制实现线程安全

ConcurrentHashMap 采用分段锁的方式实现线程安全

8、Atomic原子类了解多少？原理是什么？

Java 的原子类都存放在并发包 java.util.concurrent.atomic 下，如下图：

基本类型

• 使用原子的方式更新基本类型

• AtomicInteger：整形原子类

• AtomicLong：长整型原子类

• AtomicBoolean：布尔型原子类

数组类型

• 使用原子的方式更新数组里的某个元素

• AtomicIntegerArray：整形数组原子类

• AtomicLongArray：长整形数组原子类

• AtomicReferenceArray：引用类型数组原子类

引用类型

• AtomicReference：引用类型原子类

• AtomicStampedReference：原子更新引用类型里的字段原子类

• AtomicMarkableReference ：原子更新带有标记位的引用类型

对象的属性修改类型

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整形字段的更新器

• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整形字段的更新器

• AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于解决原子的更新数据和数据的版本号，以及解决使用CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题

AtomicInteger 类利用 CAS (Compare and Swap) + volatile + native
方法来保证原子操作，从而避免 synchronized 的高开销，执行效率大为提升。CAS 的原理，是拿期望值和原本的值作比较，如果相同，则更新成新的值。UnSafe类的 objectFieldOffset()方法是个本地方法，这个方法是用来拿"原值"的内存地址，返回值是valueOffset；另外，value 是一个 volatile 变量，因此 JVM总是可以保证任意时刻的任何线程总能拿到该变量的最新值。

9、synchronized底层实现是什么？lock底层是什么？有什么区别？

Synchronized原理：

方法级的同步是隐式，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info
Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED
访问标志区分一个方法是否同步方法。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，执行线程将先持有monitor（虚拟机规范中用的是管程一词），
然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。

代码块的同步是利用monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。它们分别位于同步代码块的开始和结束位置。当jvm执行到monitorenter指令时，当前线程试图获取monitor对象的所有权，如果未加锁或者已经被当前线程所持有，就把锁的计数器+1；当执行monitorexit指令时，锁计数器-1；当锁计数器为0时，该锁就被释放了。如果获取monitor对象失败，该线程则会进入阻塞状态，直到其他线程释放锁。

Lock原理：

Lock的存储结构：一个int类型状态值（用于锁的状态变更），一个双向链表（用于存储等待中的线程）

Lock获取锁的过程：本质上是通过CAS来获取状态值修改，如果当场没获取到，会将该线程放在线程等待链表中。

Lock释放锁的过程：修改状态值，调整等待链表。

Lock大量使用CAS+自旋。因此根据CAS特性，lock建议使用在低锁冲突的情况下。

Lock与synchronized的区别：

1.Lock的加锁和解锁都是由java代码配合native方法（调用操作系统的相关方法）实现的，而synchronize的加锁和解锁的过程是由JVM管理的

2.当一个线程使用synchronize获取锁时，若锁被其他线程占用着，那么当前只能被阻塞，直到成功获取锁。而Lock则提供超时锁和可中断等更加灵活的方式，在未能获取锁的    
条件下提供一种退出的机制。

3.一个锁内部可以有多个Condition实例，即有多路条件队列，而synchronize只有一路条件队列；同样Condition也提供灵活的阻塞方式，在未获得通知之前可以通过中断线程以   
及设置等待时限等方式退出条件队列。

4.synchronize对线程的同步仅提供独占模式，而Lock即可以提供独占模式，也可以提供共享模式

10、Java类加载过程?

Java类加载需要经历一下几个过程：

（1）加载

加载是类加载的第一个过程，在这个阶段，将完成一下三件事情：

a. 通过一个类的全限定名获取该类的二进制流。

b. 将该二进制流中的静态存储结构转化为方法去运行时数据结构。

c. 在内存中生成该类的Class对象，作为该类的数据访问入口。

（2）验证

验证的目的是为了确保Class文件的字节流中的信息不回危害到虚拟机.在该阶段主要完成以下四钟验证:

a. 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件的规范，如主次版本号是否在当前虚拟机范围内，常量池中的常量是否有不被支持的类型.

b. 元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析，如这个类是否有父类，是否集成了不被继承的类等。

c. 字节码验证：是整个验证过程中最复杂的一个阶段，通过验证数据流和控制流的分析，确定程序语义是否正确，主要针对方法体的验证。如：方法中的类型转换是否正确，跳转指令是否正确等。

d. 符号引用验证：这个动作在后面的解析过程中发生，主要是为了确保解析动作能正确执行。

e. 准备

准备阶段是为类的静态变量分配内存并将其初始化为默认值，这些内存都将在方法区中进行分配。准备阶段不分配类中的实例变量的内存，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

（3）解析

该阶段主要完成符号引用到直接引用的转换动作。解析动作并不一定在初始化动作完成之前，也有可能在初始化之后。

（4）初始化

初始化时类加载的最后一步，前面的类加载过程，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。

11、什么是类加载器，类加载器有哪些?

实现通过类的权限定名获取该类的二进制字节流的代码块叫做类加载器。

主要有一下四种类加载器:

（1）启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)用来加载java核心类库，无法被java程序直接引用。

（2）扩展类加载器(extensions class loader):它用来加载 Java的扩展库。Java虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载Java类。

（3）系统类加载器（system class loader）也叫应用类加载器：它根据 Java
应用的类路径（CLASSPATH）来加载 Java 类。一般来说，Java
应用的类都是由它来完成加载的。可以通ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。

（4）用户自定义类加载器，通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现。

12、简述java内存分配与回收策略以及Minor GC和Major GC（full GC）

内存分配：

（1）栈区：栈分为java虚拟机栈和本地方法栈

（2）堆区：堆被所有线程共享区域，在虚拟机启动时创建，唯一目的存放对象实例。堆区是gc的主要区域，通常情况下分为两个区块年轻代和年老代。更细一点年轻代又分为Eden区，主要放新创建对象，From
survivor 和 To survivor 保存gc后幸存下的对象，默认情况下各自占比 8:1:1。

（3）方法区：被所有线程共享区域，用于存放已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量等数据。被Java虚拟机描述为堆的一个逻辑部分。习惯是也叫它永久代（permanment generation）。

（4）程序计数器：当前线程所执行的行号指示器。通过改变计数器的值来确定下一条指令，比如循环，分支，跳转，异常处理，线程恢复等都是依赖计数器来完成。线程私有的。

回收策略以及Minor GC和Major GC：

（1）对象优先在堆的Eden区分配。

（2）大对象直接进入老年代。

（3）长期存活的对象将直接进入老年代。

当Eden区没有足够的空间进行分配时，虚拟机会执行一次Minor GC.Minor
GC通常发生在新生代的Eden区，在这个区的对象生存期短，往往发生GC的频率较高，回收速度比较快;Full
Gc/Major GC 发生在老年代，一般情况下，触发老年代GC的时候不会触发Minor
GC,但是通过配置，可以在Full GC之前进行一次Minor
GC这样可以加快老年代的回收速度。

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