必知必会面试题之 Java 基础

title: 必知必会面试题之 Java 基础
date: 2021-01-24
updated: 2021-03-10
categories:

• Java
  tags:
• Java
• 面试

不定期更新中……

数据计量单位

8bit(位)=1Byte(字节)

1024Byte(字节)=1KB

1024KB=1MB

1024MB=1GB

1024GB=1TB

1024TB=PB

1024PB=1EB

1024EB=1ZB

1024ZB=1YB

1024YB=1BB

面向对象三大特性

封装：隐藏不想对外暴露的信息，提高安全性；抽取公共代码，提高可复用性。

继承：继承为类的扩展提供了一种方式。有利于修改公共属性或方法，父类修改，所有子类无需重复修改。

多态：类的多态体现在重写和重载，重写通过继承来实现，重载通过相同方法的不同参数来实现。

基础数据类型

注释格式

• 单行注释：

  // this is a comment
  

• 多行注释：

  /* this is a comment */
  

• 文档注释：

  /**
   * this is a comment
   */
  

访问修饰符

运算符

算数运算符

关系运算符

位运算符

逻辑运算符

赋值运算符

三目表达式

// 若 a == b 成立，返回 true，否则返回 false
boolean flag = (a == b) ? true : false

运算符优先级

所谓“好记性不如烂笔头”。实际开发中，尽量使用括号来明确优先级，提高代码可读性，而非使用复杂的运算符复合运算。

如：((x++) && (y + 1) || z == 0)

拷贝

什么是浅拷贝？

被复制对象的所有变量值与原对象相同，但引用变量仍然指向原来的对象。即浅拷贝只复制对象本身，而不复制对象中引用的对象。

示例：

Teacher teacher = new Teacher();
teacher.setName("赵大");
teacher.setAge(42);

Student student1 = new Student();
student1.setName("张三");
student1.setAge(21);
student1.setTeacher(teacher);

Student student2 = (Student) student1.clone();
System.out.println("李四");
System.out.println(student2.getName());
System.out.println(student2.getAge());
System.out.println(student2.getTeacher().getName());
System.out.println(student2.getTeacher().getAge());

System.out.println("修改老师的信息后-------------");
// 修改老师名称
teacher.setName("John");
// 两个学生的老师均发生变化
System.out.println(student1.getTeacher().getName());
System.out.println(student2.getTeacher().getName());

什么是深拷贝？

深拷贝是一个整个独立的对象拷贝，深拷贝会拷贝所有的属性，并拷贝属性指向的动态分配的内存。

深拷贝的方法包括：

1. 重写 clone() 方法

   public class Student implements Cloneable {
   
     private String  name;
     private Integer age;
     private Teacher teacher;
     
     // 省略 get/set 方法
   
     @Override
     protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
       Student3 student = (Student3) super.clone();
       // 复制一个新的 Teacher 对象实例，并设置到新的 student 对象实例中
       student.setTeacher((Teacher2) student.getTeacher().clone());
       return student;
     }
   }
   

2. 使用序列化实现

   public class Teacher implements Serializable {
     private String name;
     private int age;
     
     // 省略 get/set 方法
   }
   
   class Student implements Serializable {
       private String name;
       private int age;
       private Teacher3 teacher;
   
       // 省略 get/set 方法
   
       public Object deepClone() throws Exception {
           // 序列化
           ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
           ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
           oos.writeObject(this);
   
           // 反序列化
           ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
           ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
   
           return ois.readObject();
       }
   }
   

重写与重载

什么是重写？

重写是指子类对父类允许访问的方法进行重新编写，返回值和形参都不能改变。即方法入参出参不变，实现逻辑重写。

示例：

public class OverrideParent {

  public void m1(String var) {
    System.out.println(var);
  }
}

public class OverrideChild extends OverrideParent {

  /**
   * 重写父类的 m1() 方法
   */
  @Override
  public void m1(String var) {
    System.out.println(var);
  }

  /**
   * 子类的 m1() 方法：与父类 m1() 方法的形参不同
   */
  public void m1(int var) {
    System.out.println(var);
  }

  /**
   * 子类的 m1() 方法：与父类 m1() 方法的形参、返回值不同
   */
  public String m1() {
    System.out.println("var");
    return "var";
  }
}

什么是重载？

重载是指一个类中存在多个同名方法，且方法的形参不同。即方法名称相同、形参不同。

示例：

public class OverloadClass {

  public void m1() {
    System.out.println("key");
  }

  public void m1(String key) {
    System.out.println(key);
  }

  public void m1(String key, Integer value) {
    System.out.println(key);
  }
}

重写与重载的区别

1. 重写要求方法名、入参、返回值相同，重载只同名方法的入参不同（类型、个数、顺序至少有一个不同）。
2. 重写要求子类不能缩小父类方法的访问权限，重载与访问权限无关。
3. 重写要求子类方法不能抛出比父类方法更多的异常（但子类方法可以不抛出异常），重载与异常范围无关。
4. 重写是子类对父类方法的覆盖行为，重载是一个类的多态性。
5. 重写方法不能被定义为 final，重载方法可以被定义为 final。

类加载机制

什么是双亲委派？

在类加载过程中，子类会先去父类查找，如果找到，则从父类缓存加载。如果没找到，再由父类指派子类进行加载。

双亲委派机制主要出于安全来考虑。比如自定义 java.lang.String，如果不先去父类查找，相当于 Bootstrap 加载器的 java.lang.String 被篡改了。

如何打破双亲委派？

1. 重写 loadClass() 方法

   JDK 1.2 之前，自定义 ClassLoader 都必须重写 loadClass()

2. ThreadContextClassLoader 可以实现基础类调用实现类代码，通过 thread.setContextClassLoader 指定

3. 热启动，热部署

   OSGI、Tomcat 都有自己的模块指定 Classloader（可以加载同一类库的不同版本）

Java 内存模型

缓存一致性协议

现代 CPU 的数据一致性实现 = 缓存锁(MESI 等) + 总线锁。缓存一致性协议一般是指缓存锁层面的协议，目前缓存一致性协议的实现有很多种，比较常见的就是 Intel 所使用 MESI 协议。

MESI 协议定义了四种状态，分别是 Modified、Exclusive、Shared 和 Invalid。

• Modified 状态：该Cache line有效，数据被修改且未同步到内存，数据和内存数据不一致，数据只存在于本 Cache 中。
• Exclusive 状态：该Cache line有效，数据由单 CPU 独占，数据和内存数据一致，数据只存在于本 Cache 中。
• Shared 状态：该Cache line有效，数据由所有 CPU 共享，数据和内存数据一致，数据存在于所有 Cache 中。
• Invalid 状态：该Cache line无效。

缓存行

读取缓存以 Cache Line 为基本单位，目前 64 bytes。

位于同一缓存行的两个不同数据，被两个不同 CPU 锁定，产生互相影响的伪共享问题，使用缓存行的对齐能够有效解决伪共享问题，提高处理效率。

缓存行的对齐

//一个缓存行64个字节，设置56个的占位符，令要插入的数据单独占用一行缓存行
public static class Padding {
	public volatile long p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7;
}
public static class T extends Padding {
  public volatile long x = 0L;
}
public static T[] arr = new T[2];
static {
  arr[0] = new T();
  arr[1] = new T();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
  Thread t1 = new Thread(() -> {
    for (long i = 0; i < 1000_0000L; i++) {
      arr[0].x = i;
    }
  });
  Thread t2 = new Thread(() -> {
    for (long i = 0; i < 1000_0000L; i++) {
      arr[0].x = i;
    }
  });
  t1.start();
  t2.start();
  t1.join();
  t1.join();
  
}

• 使用缓存行对齐的开源软件：Disruptor（号称单机效率最高的队列）

合并写

如果 CPU 需要访问的地址 hash 之后并不在缓存行（cache line）中，那么缓存中对应位置的缓存行（cache line）会失效，以便让新的值可以取代该位置的现有值。例如，如果我们有两个地址，通过 hash 算法 hash 到同一缓存行，那么新的值会覆盖老的值。

当 CPU 执行存储指令（store）时，它会尝试将数据写到离 CPU 最近的 L1 缓存。如果这时出现缓存失效，CPU 会访问下一级缓存。这时无论是英特尔还是许多其他厂商的 CPU 都会使用被称为“合并写（write combining）”的技术。

当请求 L2 缓存行的所有权的时候，最典型的是将处理器的 store buffers 中某一项写入内存的期间， 在缓存子系统（cache sub-system）准备好接收、处理的数据的期间，CPU 可以继续处理其他指令。当数据不在任何缓存层中缓存时，将获得最大的优势。

当连串的写操作需要修改相同的缓存行时，会变得非常有趣。在修改提交到 L2 缓存之前，这连串的写操作会首先合并到缓冲区（buffer）。 这些 64 字节的缓冲（buffers ）维护在一个 64 位的区域中，每一个字节（byte）对应一个位（bit），当缓冲区被传输到外缓存后，标志缓存是否有效。随后，硬件在读取缓存之前会先读取缓冲区。

如果我们可以在缓冲区被传输到外缓存之前能够填补这些缓冲区（buffers ），那么我们将大大提高传输总线的效率。由于这些缓冲区的数量是有限的，并且它们根据 CPU 的型号有所不同。例如在 Intel CPU，你只能保证在同一时间拿到 4 个。这意味着，在一个循环中，你不应该同时写超过 4 个截然不同的内存位置，否则你讲不能从合并写（write combining）的中受益。

Java 内存模型包括哪些东西？

程序计数器、方法区、本地方法栈、虚拟机方法栈、堆。

Java 内存模型中，哪些对象是线程私有的？哪些对象是线程公有的？

程序计数器、本地方法栈、虚拟机方法栈是线程私有的，方法区、堆是线程公有的。

如何保证特定情况下不乱序

硬件层面：使用内存屏障

• sfence: store| 在sfence指令前的写操作当必须在sfence指令后的写操作前完成。
• lfence：load | 在lfence指令前的读操作当必须在lfence指令后的读操作前完成。
• mfence：mix | 在mfence指令前的读写操作当必须在mfence指令后的读写操作前完成。

原子指令，如x86上的”lock …” 指令是一个Full Barrier，执行时会锁住内存子系统来确保执行顺序，甚至跨多个CPU。Software Locks通常使用了内存屏障或原子指令来实现变量可见性和保持程序顺序

JVM层面：使用 JSR133 规范

• LoadLoad屏障：

  对于这样的语句 Load1; LoadLoad; Load2， 在 Load2 及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证 Load1 要读取的数据被读取完毕。

• StoreStore屏障：

  对于这样的语句 Store1; StoreStore; Store2，在 Store2 及后续写入操作执行前，保证 Store1 的写入操作对其它处理器可见。

• LoadStore屏障：

  对于这样的语句 Load1; LoadStore; Store2，在 Store2 及后续写入操作被刷出前，保证 Load1 要读取的数据被读取完毕。

• StoreLoad屏障：

  对于这样的语句 Store1; StoreLoad; Load2，在 Load2 及后续所有读取操作执行前，保证 Store1 的写入对所有处理器可见。

java 八大原子操作

最新的 JSR-133 已经放弃了这种描述，但 JMM 没有变化。

lock：主内存，标识变量为线程独占

unlock：主内存，解锁线程独占变量

read：主内存，读取内容到工作内存

write：主内存，写变量值

load：工作内存，read 后的值放入线程本地变量副本

use：工作内存，传值给执行引擎

assign：工作内存，执行引擎结果赋值给线程本地变量

store：工作内存，存值到主内存给 write 备用