Java知识问答(极客学习笔记)

Java基础

Exception和Error有什么区别？

1. Exception和Error都是继承了Throwable类，在Java中只有Throwable类型的实例才可以被抛出（throw）或者捕获（catch），它是异常处理机制的基本组成类型。
2. Exception和Error体现了Java平台设计者对不同异常情况的分类。Exception是程序正常运行中，可以预料的意外情况，可能并且应该被捕获，进行相应处理。
3. Error是指在正常情况下，不大可能出现的情况，绝大部分的Error都会导致程序（比如JVM自身）处于非正常的、不可恢复状态。既然是非正常情况，所以不便于也不需要捕获，常见的比如OutOfMemoryError之类，都是Error的子类。
4. Exception又分为可检查（checked）异常和不检查（unchecked）异常，可检查异常在源代码里必须显式地进行捕获处理，这是编译期检查的一部分。前面我介绍的不可查的Error，是Throwable不是Exception。
   不检查异常就是所谓的运行时异常，类似 NullPointerException、ArrayIndexOutOfBoundsException之类，通常是可以编码避免的逻辑错误，具体根据需要来判断是否需要捕获，并不会在编译期强制要求。

   谈谈final、finally、 finalize有什么不同？

• final可以用来修饰类、方法、变量，分别有不同的意义，final修饰的class代表不可以继承扩展，final的变量是不可以修改的，而final的方法也是不可以重写的（override）。
• finally则是Java保证重点代码一定要被执行的一种机制。我们可以使用try-finally或者try-catch-finally来进行类似关闭JDBC连接、保证unlock锁等动作。
• finalize是基础类java.lang.Object的一个方法，它的设计目的是保证对象在被垃圾收集前完成特定资源的回收。finalize机制现在已经不推荐使用，并且在JDK 9开始被标记为deprecated。

  强引用、软引用、弱引用、幻象引用有什么区别？

  不同的引用类型，主要体现的是对象不同的可达性（reachable）状态和对垃圾收集的影响。

1. 所谓强引用（“Strong” Reference），就是我们最常见的普通对象引用，只要还有强引用指向一个对象，就能表明对象还“活着”，垃圾收集器不会碰这种对象。对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显式地将相应（强）引用赋值为null，就是可以被垃圾收集的了，当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略。
2. 软引用（SoftReference），是一种相对强引用弱化一些的引用，可以让对象豁免一些垃圾收集，只有当JVM认为内存不足时，才会去试图回收软引用指向的对象。JVM会确保在抛出OutOfMemoryError之前，清理软引用指向的对象。软引用通常用来实现内存敏感的缓存，如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。
3. 弱引用（WeakReference）并不能使对象豁免垃圾收集，仅仅是提供一种访问在弱引用状态下对象的途径。这就可以用来构建一种没有特定约束的关系，比如，维护一种非强制性的映射关系，如果试图获取时对象还在，就使用它，否则重现实例化。它同样是很多缓存实现的选择。
4. 对于幻象引用，有时候也翻译成虚引用，你不能通过它访问对象。幻象引用仅仅是提供了一种确保对象被finalize以后，做某些事情的机制，比如，通常用来做所谓的Post-Mortem清理机制，我在专栏上一讲中介绍的Java平台自身Cleaner机制等，也有人利用幻象引用监控对象的创建和销毁。

   String、StringBuffer、StringBuilder有什么区别？

• String是Java语言非常基础和重要的类，提供了构造和管理字符串的各种基本逻辑。它是典型的Immutable类，被声明成为final class，所有属性也都是final的。也由于它的不可变性，类似拼接、裁剪字符串等动作，都会产生新的String对象。由于字符串操作的普遍性，所以相关操作的效率往往对应用性能有明显影响。
• StringBuffer是为解决上面提到拼接产生太多中间对象的问题而提供的一个类，我们可以用append或者add方法，把字符串添加到已有序列的末尾或者指定位置。StringBuffer本质是一个线程安全的可修改字符序列，它保证了线程安全，也随之带来了额外的性能开销，所以除非有线程安全的需要，不然还是推荐使用它的后继者，也就是StringBuilder。
• StringBuilder是Java 1.5中新增的，在能力上和StringBuffer没有本质区别，但是它去掉了线程安全的部分，有效减小了开销，是绝大部分情况下进行字符串拼接的首选。

  动态代理是基于什么原理？

  编程语言通常有各种不同的分类角度，动态类型和静态类型就是其中一种分类角度，简单区分就是语言类型信息是在运行时检查，还是编译期检查。
  与其近似的还有一个对比，就是所谓强类型和弱类型，就是不同类型变量赋值时，是否需要显式地（强制）进行类型转换。
  那么，如何分类Java语言呢？通常认为，Java是静态的强类型语言，但是因为提供了类似反射等机制，也具备了部分动态类型语言的能力。
  言归正传，今天我要问你的问题是，谈谈Java反射机制，动态代理是基于什么原理？

  int和Integer有什么区别？

• int是我们常说的整形数字，是Java的8个原始数据类型（Primitive Types，boolean、byte 、short、char、int、float、double、long）之一。Java语言虽然号称一切都是对象，但原始数据类型是例外。
• Integer是int对应的包装类，它有一个int类型的字段存储数据，并且提供了基本操作，比如数学运算、int和字符串之间转换等。在Java 5中，引入了自动装箱和自动拆箱功能（boxing/unboxing），Java可以根据上下文，自动进行转换，极大地简化了相关编程。
  关于Integer的值缓存，这涉及Java 5中另一个改进。构建Integer对象的传统方式是直接调用构造器，直接new一个对象。但是根据实践，我们发现大部分数据操作都是集中在有限的、较小的数值范围，因而，在Java 5中新增了静态工厂方法valueOf，在调用它的时候会利用一个缓存机制，带来了明显的性能改进。按照Javadoc，这个值默认缓存是-128到127之间。

  对比Vector、ArrayList、LinkedList有何区别？

  这三者都是实现集合框架中的List，也就是所谓的有序集合，因此具体功能也比较近似，比如都提供按照位置进行定位、添加或者删除的操作，都提供迭代器以遍历其内容等。但因为具体的设计区别，在行为、性能、线程安全等方面，表现又有很大不同。
• Vector是Java早期提供的线程安全的动态数组，如果不需要线程安全，并不建议选择，毕竟同步是有额外开销的。Vector内部是使用对象数组来保存数据，可以根据需要自动的增加容量，当数组已满时，会创建新的数组，并拷贝原有数组数据。
• ArrayList是应用更加广泛的动态数组实现，它本身不是线程安全的，所以性能要好很多。与Vector近似，ArrayList也是可以根据需要调整容量，不过两者的调整逻辑有所区别，Vector在扩容时会提高1倍，而ArrayList则是增加50%。
• LinkedList顾名思义是Java提供的双向链表，所以它不需要像上面两种那样调整容量，它也不是线程安全的。

  对比Hashtable、HashMap、TreeMap有什么不同？

• Hashtable、HashMap、TreeMap都是最常见的一些Map实现，是以键值对的形式存储和操作数据的容器类型。
• Hashtable是早期Java类库提供的一个哈希表实现，本身是同步的，不支持null键和值，由于同步导致的性能开销，所以已经很少被推荐使用。
• HashMap是应用更加广泛的哈希表实现，行为上大致上与HashTable一致，主要区别在于HashMap不是同步的，支持null键和值等。通常情况下，HashMap进行put或者get操作，可以达到常数时间的性能，所以它是绝大部分利用键值对存取场景的首选，比如，实现一个用户ID和用户信息对应的运行时存储结构。
• TreeMap则是基于红黑树的一种提供顺序访问的Map，和HashMap不同，它的get、put、remove之类操作都是O（log(n)）的时间复杂度，具体顺序可以由指定的Comparator来决定，或者根据键的自然顺序来判断。

  如何保证集合是线程安全的? ConcurrentHashMap如何实现高效地线程安全

  Java提供了不同层面的线程安全支持。在传统集合框架内部，除了Hashtable等同步容器，还提供了所谓的同步包装器（Synchronized Wrapper），我们可以调用Collections工具类提供的包装方法，来获取一个同步的包装容器（如Collections.synchronizedMap），但是它们都是利用非常粗粒度的同步方式，在高并发情况下，性能比较低下。
  另外，更加普遍的选择是利用并发包提供的线程安全容器类，它提供了：
• 各种并发容器，比如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList。
• 各种线程安全队列（Queue/Deque），如ArrayBlockingQueue、SynchronousQueue。
• 各种有序容器的线程安全版本等。
  具体保证线程安全的方式，包括有从简单的synchronize方式，到基于更加精细化的，比如基于分离锁实现的ConcurrentHashMap等并发实现等。具体选择要看开发的场景需求，总体来说，并发包内提供的容器通用场景，远优于早期的简单同步实现。

  Java提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？

  Java IO方式有很多种，基于不同的IO抽象模型和交互方式，可以进行简单区分。
• 首先，传统的java.io包，它基于流模型实现，提供了我们最熟知的一些IO功能，比如File抽象、输入输出流等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是说，在读取输入流或者写入输出流时，在读、写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用是可靠的线性顺序。
  java.io包的好处是代码比较简单、直观，缺点则是IO效率和扩展性存在局限性，容易成为应用性能的瓶颈。
  很多时候，人们也把java.net下面提供的部分网络API，比如Socket、ServerSocket、HttpURLConnection也归类到同步阻塞IO类库，因为网络通信同样是IO行为。
• 第二，在Java 1.4中引入了NIO框架（java.nio包），提供了Channel、Selector、Buffer等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞IO程序，同时提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。
• 第三，在Java 7中，NIO有了进一步的改进，也就是NIO 2，引入了异步非阻塞IO方式，也有很多人叫它AIO（Asynchronous IO）。异步IO操作基于事件和回调机制，可以简单理解为，应用操作直接返回，而不会阻塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应线程进行后续工作。

  Java有几种文件拷贝方式？哪一种最高效？

  Java有多种比较典型的文件拷贝实现方式，比如：
  利用java.io类库，直接为源文件构建一个FileInputStream读取，然后再为目标文件构建一个FileOutputStream，完成写入工作。

  public static void copyFileByStream(File source, File dest) throws
          IOException {
      try (InputStream is = new FileInputStream(source);
           OutputStream os = new FileOutputStream(dest);){
          byte[] buffer = new byte[1024];
          int length;
          while ((length = is.read(buffer)) > 0) {
              os.write(buffer, 0, length);
          }
      }
   }

  或者，利用java.nio类库提供的transferTo或transferFrom方法实现。

  public static void copyFileByChannel(File source, File dest) throws
          IOException {
      try (FileChannel sourceChannel = new FileInputStream(source)
              .getChannel();
           FileChannel targetChannel = new FileOutputStream(dest).getChannel
                   ();){
          for (long count = sourceChannel.size() ;count>0 ;) {
              long transferred = sourceChannel.transferTo(
                      sourceChannel.position(), count, targetChannel);            sourceChannel.position(sourceChannel.position() + transferred);
              count -= transferred;
          }
      }
   }

  当然，Java标准类库本身已经提供了几种Files.copy的实现。
  对于Copy的效率，这个其实与操作系统和配置等情况相关，总体上来说，NIO transferTo/From的方式可能更快，因为它更能利用现代操作系统底层机制，避免不必要拷贝和上下文切换。

谈谈接口和抽象类有什么区别？

接口和抽象类是Java面向对象设计的两个基础机制。
接口是对行为的抽象，它是抽象方法的集合，利用接口可以达到API定义和实现分离的目的。接口，不能实例化；不能包含任何非常量成员，任何field都是隐含着public static final的意义；同时，没有非静态方法实现，也就是说要么是抽象方法，要么是静态方法。Java标准类库中，定义了非常多的接口，比如java.util.List。
抽象类是不能实例化的类，用abstract关键字修饰class，其目的主要是代码重用。除了不能实例化，形式上和一般的Java类并没有太大区别，可以有一个或者多个抽象方法，也可以没有抽象方法。抽象类大多用于抽取相关Java类的共用方法实现或者是共同成员变量，然后通过继承的方式达到代码复用的目的。Java标准库中，比如collection框架，很多通用部分就被抽取成为抽象类，例如java.util.AbstractList。
Java类实现interface使用implements关键词，继承abstract class则是使用extends关键词，我们可以参考Java标准库中的ArrayList。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
  implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
  //...
}

进行面向对象编程，掌握基本的设计原则是必须的，我今天介绍最通用的部分，也就是所谓的S.O.L.I.D原则。

• 单一职责（Single Responsibility），类或者对象最好是只有单一职责，在程序设计中如果发现某个类承担着多种义务，可以考虑进行拆分。
• 开闭原则（Open-Close, Open for extension, close for modification），设计要对扩展开放，对修改关闭。换句话说，程序设计应保证平滑的扩展性，尽量避免因为新增同类功能而修改已有实现，这样可以少产出些回归（regression）问题。
• 里氏替换（Liskov Substitution），这是面向对象的基本要素之一，进行继承关系抽象时，凡是可以用父类或者基类的地方，都可以用子类替换。
• 接口分离（Interface Segregation），我们在进行类和接口设计时，如果在一个接口里定义了太多方法，其子类很可能面临两难，就是只有部分方法对它是有意义的，这就破坏了程序的内聚性。
  对于这种情况，可以通过拆分成功能单一的多个接口，将行为进行解耦。在未来维护中，如果某个接口设计有变，不会对使用其他接口的子类构成影响。
• 依赖反转（Dependency Inversion），实体应该依赖于抽象而不是实现。也就是说高层次模块，不应该依赖于低层次模块，而是应该基于抽象。实践这一原则是保证产品代码之间适当耦合度的法宝。

  谈谈你知道的设计模式？

  大致按照模式的应用目标分类，设计模式可以分为创建型模式、结构型模式和行为型模式。
• 创建型模式，是对对象创建过程的各种问题和解决方案的总结，包括各种工厂模式（Factory、Abstract Factory）、单例模式（Singleton）、构建器模式（Builder）、原型模式（ProtoType）。
• 结构型模式，是针对软件设计结构的总结，关注于类、对象继承、组合方式的实践经验。常见的结构型模式，包括桥接模式（Bridge）、适配器模式（Adapter）、装饰者模式（Decorator）、代理模式（Proxy）、组合模式（Composite）、外观模式（Facade）、享元模式（Flyweight）等。
• 行为型模式，是从类或对象之间交互、职责划分等角度总结的模式。比较常见的行为型模式有策略模式（Strategy）、解释器模式（Interpreter）、命令模式（Command）、观察者模式（Observer）、迭代器模式（Iterator）、模板方法模式（Template Method）、访问者模式（Visitor）。

Spring中使用设计模式如：

• BeanFactory和ApplicationContext应用了工厂模式。
• 在Bean的创建中，Spring也为不同scope定义的对象，提供了单例和原型等模式实现。
• 我在专栏第6讲介绍的AOP领域则是使用了代理模式、装饰器模式、适配器模式等。
• 各种事件监听器，是观察者模式的典型应用。
• 类似JdbcTemplate等则是应用了模板模式。

Java进阶

synchronized和ReentrantLock有什么区别呢？

• synchronized是Java内建的同步机制，所以也有人称其为Intrinsic Locking，它提供了互斥的语义和可见性，当一个线程已经获取当前锁时，其他试图获取的线程只能等待或者阻塞在那里。
• 在Java 5以前，synchronized是仅有的同步手段，在代码中， synchronized可以用来修饰方法，也可以使用在特定的代码块儿上，本质上synchronized方法等同于把方法全部语句用synchronized块包起来。
• ReentrantLock，通常翻译为再入锁，是Java 5提供的锁实现，它的语义和synchronized基本相同。再入锁通过代码直接调用lock()方法获取，代码书写也更加灵活。与此同时，ReentrantLock提供了很多实用的方法，能够实现很多synchronized无法做到的细节控制，比如可以控制fairness，也就是公平性，或者利用定义条件等。但是，编码中也需要注意，必须要明确调用unlock()方法释放，不然就会一直持有该锁。
• synchronized和ReentrantLock的性能不能一概而论，早期版本synchronized在很多场景下性能相差较大，在后续版本进行了较多改进，在低竞争场景中表现可能优于ReentrantLock。

线程安全需要保证几个基本特性：

1. 原子性，简单说就是相关操作不会中途被其他线程干扰，一般通过同步机制实现。
2. 可见性，是一个线程修改了某个共享变量，其状态能够立即被其他线程知晓，通常被解释为将线程本地状态反映到主内存上，volatile就是负责保证可见性的。
3. 有序性，是保证线程内串行语义，避免指令重排等。

   synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

   在回答这个问题前，先简单复习一下上一讲的知识点。synchronized代码块是由一对儿monitorenter/monitorexit指令实现的，Monitor对象是同步的基本实现单元。

在Java 6之前，Monitor的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

现代的（Oracle）JDK中，JVM对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的Monitor实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。

所谓锁的升级、降级，就是JVM优化synchronized运行的机制，当JVM检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。

当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM会利用CAS操作（compare and swap），在对象头上的Mark Word部分设置线程ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖CAS操作Mark Word来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

我注意到有的观点认为Java不会进行锁降级。实际上据我所知，锁降级确实是会发生的，当JVM进入安全点（SafePoint）的时候，会检查是否有闲置的Monitor，然后试图进行降级。

• AQS框架美团技术介绍：https://tech.meituan.com/2019/12/05/aqs-theory-and-apply.html

  一个线程两次调用start()方法会出现什么情况？

  Java的线程是不允许启动两次的，第二次调用必然会抛出IllegalThreadStateException，这是一种运行时异常，多次调用start被认为是编程错误。
  关于线程生命周期的不同状态，在Java 5以后，线程状态被明确定义在其公共内部枚举类型java.lang.Thread.State中，分别是：
• 新建（NEW），表示线程被创建出来还没真正启动的状态，可以认为它是个Java内部状态。
• 就绪（RUNNABLE），表示该线程已经在JVM中执行，当然由于执行需要计算资源，它可能是正在运行，也可能还在等待系统分配给它CPU片段，在就绪队列里面排队。
  在其他一些分析中，会额外区分一种状态RUNNING，但是从Java API的角度，并不能表示出来。
• 阻塞（BLOCKED），这个状态和我们前面两讲介绍的同步非常相关，阻塞表示线程在等待Monitor lock。比如，线程试图通过synchronized去获取某个锁，但是其他线程已经独占了，那么当前线程就会处于阻塞状态。
• 等待（WAITING），表示正在等待其他线程采取某些操作。一个常见的场景是类似生产者消费者模式，发现任务条件尚未满足，就让当前消费者线程等待（wait），另外的生产者线程去准备任务数据，然后通过类似notify等动作，通知消费线程可以继续工作了。Thread.join()也会令线程进入等待状态。
• 计时等待（TIMED_WAIT），其进入条件和等待状态类似，但是调用的是存在超时条件的方法，比如wait或join等方法的指定超时版本，如下面示例：

public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
终止（TERMINATED），不管是意外退出还是正常执行结束，线程已经完成使命，终止运行，也有人把这个状态叫作死亡。
在第二次调用start()方法的时候，线程可能处于终止或者其他（非NEW）状态，但是不论如何，都是不可以再次启动的。

什么情况下Java程序会产生死锁？如何定位、修复？

• 死锁是一种特定的程序状态，在实体之间，由于循环依赖导致彼此一直处于等待之中，没有任何个体可以继续前进。死锁不仅仅是在线程之间会发生，存在资源独占的进程之间同样也可能出现死锁。通常来说，我们大多是聚焦在多线程场景中的死锁，指两个或多个线程之间，由于互相持有对方需要的锁，而永久处于阻塞的状态。
• 定位死锁最常见的方式就是利用jstack等工具获取线程栈，然后定位互相之间的依赖关系，进而找到死锁。如果是比较明显的死锁，往往jstack等就能直接定位，类似JConsole甚至可以在图形界面进行有限的死锁检测。
• 如果程序运行时发生了死锁，绝大多数情况下都是无法在线解决的，只能重启、修正程序本身问题。所以，代码开发阶段互相审查，或者利用工具进行预防性排查，往往也是很重要的。

  Java并发包提供了哪些并发工具类？

  我们通常所说的并发包也就是java.util.concurrent及其子包，集中了Java并发的各种基础工具类，具体主要包括几个方面：
• 提供了比synchronized更加高级的各种同步结构，包括CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等，可以实现更加丰富的多线程操作，比如利用Semaphore作为资源控制器，限制同时进行工作的线程数量。
• 各种线程安全的容器，比如最常见的ConcurrentHashMap、有序的ConcurrentSkipListMap，或者通过类似快照机制，实现线程安全的动态数组CopyOnWriteArrayList等。
• 各种并发队列实现，如各种BlockingQueue实现，比较典型的ArrayBlockingQueue、 SynchronousQueue或针对特定场景的PriorityBlockingQueue等。
• 强大的Executor框架，可以创建各种不同类型的线程池，调度任务运行等，绝大部分情况下，不再需要自己从头实现线程池和任务调度器。

并发包中的ConcurrentLinkedQueue和LinkedBlockingQueue有什么区别？

有时候我们把并发包下面的所有容器都习惯叫作并发容器，但是严格来讲，类似ConcurrentLinkedQueue这种“Concurrent*”容器，才是真正代表并发。

关于问题中它们的区别：

• Concurrent类型基于lock-free，在常见的多线程访问场景，一般可以提供较高吞吐量。
• 而LinkedBlockingQueue内部则是基于锁，并提供了BlockingQueue的等待性方法。

不知道你有没有注意到，java.util.concurrent包提供的容器（Queue、List、Set）、Map，从命名上可以大概区分为Concurrent*、CopyOnWrite和Blocking等三类，同样是线程安全容器，可以简单认为：

• Concurrent类型没有类似CopyOnWrite之类容器相对较重的修改开销。
• 但是，凡事都是有代价的，Concurrent往往提供了较低的遍历一致性。你可以这样理解所谓的弱一致性，例如，当利用迭代器遍历时，如果容器发生修改，迭代器仍然可以继续进行遍历。
• 与弱一致性对应的，就是我介绍过的同步容器常见的行为“fail-fast”，也就是检测到容器在遍历过程中发生了修改，则抛出ConcurrentModificationException，不再继续遍历。
• 弱一致性的另外一个体现是，size等操作准确性是有限的，未必是100%准确。
• 与此同时，读取的性能具有一定的不确定性。

Java并发类库提供的线程池有哪几种？ 分别有什么特点？

通常开发者都是利用Executors提供的通用线程池创建方法，去创建不同配置的线程池，主要区别在于不同的ExecutorService类型或者不同的初始参数。

Executors目前提供了5种不同的线程池创建配置：

• newCachedThreadPool()，它是一种用来处理大量短时间工作任务的线程池，具有几个鲜明特点：它会试图缓存线程并重用，当无缓存线程可用时，就会创建新的工作线程；如果线程闲置的时间超过60秒，则被终止并移出缓存；长时间闲置时，这种线程池，不会消耗什么资源。其内部使用SynchronousQueue作为工作队列。
• newFixedThreadPool(int nThreads)，重用指定数目（nThreads）的线程，其背后使用的是无界的工作队列，任何时候最多有nThreads个工作线程是活动的。这意味着，如果任务数量超过了活动队列数目，将在工作队列中等待空闲线程出现；如果有工作线程退出，将会有新的工作线程被创建，以补足指定的数目nThreads。
• newSingleThreadExecutor()，它的特点在于工作线程数目被限制为1，操作一个无界的工作队列，所以它保证了所有任务的都是被顺序执行，最多会有一个任务处于活动状态，并且不允许使用者改动线程池实例，因此可以避免其改变线程数目。
• newSingleThreadScheduledExecutor()和newScheduledThreadPool(int corePoolSize)，创建的是个ScheduledExecutorService，可以进行定时或周期性的工作调度，区别在于单一工作线程还是多个工作线程。
• newWorkStealingPool(int parallelism)，这是一个经常被人忽略的线程池，Java 8才加入这个创建方法，其内部会构建ForkJoinPool，利用Work-Stealing算法，并行地处理任务，不保证处理顺序。

  AtomicInteger底层实现原理是什么？如何在自己的产品代码中应用CAS操作？

  AtomicIntger是对int类型的一个封装，提供原子性的访问和更新操作，其原子性操作的实现是基于CAS（compare-and-swap）技术。

所谓CAS，表征的是一些列操作的集合，获取当前数值，进行一些运算，利用CAS指令试图进行更新。如果当前数值未变，代表没有其他线程进行并发修改，则成功更新。否则，可能出现不同的选择，要么进行重试，要么就返回一个成功或者失败的结果。

请介绍类加载过程，什么是双亲委派模型？

一般来说，我们把Java的类加载过程分为三个主要步骤：加载、链接、初始化，具体行为在Java虚拟机规范里有非常详细的定义。

• 首先是加载阶段（Loading），它是Java将字节码数据从不同的数据源读取到JVM中，并映射为JVM认可的数据结构（Class对象），这里的数据源可能是各种各样的形态，如jar文件、class文件，甚至是网络数据源等；如果输入数据不是ClassFile的结构，则会抛出ClassFormatError。
  加载阶段是用户参与的阶段，我们可以自定义类加载器，去实现自己的类加载过程。

• 第二阶段是链接（Linking），这是核心的步骤，简单说是把原始的类定义信息平滑地转化入JVM运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤：

  • 验证（Verification），这是虚拟机安全的重要保障，JVM需要核验字节信息是符合Java虚拟机规范的，否则就被认为是VerifyError，这样就防止了恶意信息或者不合规的信息危害JVM的运行，验证阶段有可能触发更多class的加载。

  • 准备（Preparation），创建类或接口中的静态变量，并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显式初始化阶段是有区别的，侧重点在于分配所需要的内存空间，不会去执行更进一步的JVM指令。

  • 解析（Resolution），在这一步会将常量池中的符号引用（symbolic reference）替换为直接引用。在Java虚拟机规范中，详细介绍了类、接口、方法和字段等各个方面的解析。

• 最后是初始化阶段（initialization），这一步真正去执行类初始化的代码逻辑，包括静态字段赋值的动作，以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑，编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好，父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。

再来谈谈双亲委派模型，简单说就是当类加载器（Class-Loader）试图加载某个类型的时候，除非父加载器找不到相应类型，否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载Java类型。

有哪些方法可以在运行时动态生成一个Java类

我们可以从常见的Java类来源分析，通常的开发过程是，开发者编写Java代码，调用javac编译成class文件，然后通过类加载机制载入JVM，就成为应用运行时可以使用的Java类了。

从上面过程得到启发，其中一个直接的方式是从源码入手，可以利用Java程序生成一段源码，然后保存到文件等，下面就只需要解决编译问题了。

有一种笨办法，直接用ProcessBuilder之类启动javac进程，并指定上面生成的文件作为输入，进行编译。最后，再利用类加载器，在运行时加载即可。

前面的方法，本质上还是在当前程序进程之外编译的，那么还有没有不这么low的办法呢？

你可以考虑使用Java Compiler API，这是JDK提供的标准API，里面提供了与javac对等的编译器功能，具体请参考java.compiler相关文档。

进一步思考，我们一直围绕Java源码编译成为JVM可以理解的字节码，换句话说，只要是符合JVM规范的字节码，不管它是如何生成的，是不是都可以被JVM加载呢？我们能不能直接生成相应的字节码，然后交给类加载器去加载呢？

当然也可以，不过直接去写字节码难度太大，通常我们可以利用Java字节码操纵工具和类库来实现，比如在专栏第6讲中提到的ASM、Javassist、cglib等。

谈谈JVM内存区域的划分，哪些区域可能发生OutOfMemoryError?

通常可以把JVM内存区域分为下面几个方面，其中，有的区域是以线程为单位，而有的区域则是整个JVM进程唯一的。

• 首先，程序计数器（PC，Program Counter Register）。在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，并且任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者，如果是在执行本地方法，则是未指定值（undefined）。
• 第二，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用。
  前面谈程序计数器时，提到了当前方法；同理，在一个时间点，对应的只会有一个活动的栈帧，通常叫作当前帧，方法所在的类叫作当前类。如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，成为新的当前帧，一直到它返回结果或者执行结束。JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈。

栈帧中存储着局部变量表、操作数（operand）栈、动态链接、方法正常退出或者异常退出的定义等。

• 第三，堆（Heap），它是Java内存管理的核心区域，用来放置Java对象实例，几乎所有创建的Java对象实例都是被直接分配在堆上。堆被所有的线程共享，在虚拟机启动时，我们指定的“Xmx”之类参数就是用来指定最大堆空间等指标。

理所当然，堆也是垃圾收集器重点照顾的区域，所以堆内空间还会被不同的垃圾收集器进行进一步的细分，最有名的就是新生代、老年代的划分。

• 第四，方法区（Method Area）。这也是所有线程共享的一块内存区域，用于存储所谓的元（Meta）数据，例如类结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。
  由于早期的Hotspot JVM实现，很多人习惯于将方法区称为永久代（Permanent Generation）。Oracle JDK 8中将永久代移除，同时增加了元数据区（Metaspace）。
• 第五，运行时常量池（Run-Time Constant Pool），这是方法区的一部分。如果仔细分析过反编译的类文件结构，你能看到版本号、字段、方法、超类、接口等各种信息，还有一项信息就是常量池。Java的常量池可以存放各种常量信息，不管是编译期生成的各种字面量，还是需要在运行时决定的符号引用，所以它比一般语言的符号表存储的信息更加宽泛。
• 第六，本地方法栈（Native Method Stack）。它和Java虚拟机栈是非常相似的，支持对本地方法的调用，也是每个线程都会创建一个。在Oracle Hotspot JVM中，本地方法栈和Java虚拟机栈是在同一块儿区域，这完全取决于技术实现的决定，并未在规范中强制。

  如何监控和诊断JVM堆内和堆外内存使用?

  了解JVM内存的方法有很多，具体能力范围也有区别，简单总结如下：
• 可以使用综合性的图形化工具，如JConsole、VisualVM（注意，从Oracle JDK 9开始，VisualVM已经不再包含在JDK安装包中）等。这些工具具体使用起来相对比较直观，直接连接到Java进程，然后就可以在图形化界面里掌握内存使用情况。

以JConsole为例，其内存页面可以显示常见的堆内存和各种堆外部分使用状态。

• 也可以使用命令行工具进行运行时查询，如jstat和jmap等工具都提供了一些选项，可以查看堆、方法区等使用数据。

• 或者，也可以使用jmap等提供的命令，生成堆转储（Heap Dump）文件，然后利用jhat或Eclipse MAT等堆转储分析工具进行详细分析。

• 如果你使用的是Tomcat、Weblogic等Java EE服务器，这些服务器同样提供了内存管理相关的功能。

• 另外，从某种程度上来说，GC日志等输出，同样包含着丰富的信息。
  这里有一个相对特殊的部分，就是是堆外内存中的直接内存，前面的工具基本不适用，可以使用JDK自带的Native Memory Tracking（NMT）特性，它会从JVM本地内存分配的角度进行解读。

  Java常见的垃圾收集器有哪些？

  实际上，垃圾收集器（GC，Garbage Collector）是和具体JVM实现紧密相关的，不同厂商（IBM、Oracle），不同版本的JVM，提供的选择也不同。接下来，我来谈谈最主流的Oracle JDK。

• Serial GC，它是最古老的垃圾收集器，“Serial”体现在其收集工作是单线程的，并且在进行垃圾收集过程中，会进入臭名昭著的“Stop-The-World”状态。当然，其单线程设计也意味着精简的GC实现，无需维护复杂的数据结构，初始化也简单，所以一直是Client模式下JVM的默认选项。
  从年代的角度，通常将其老年代实现单独称作Serial Old，它采用了标记-整理（Mark-Compact）算法，区别于新生代的复制算法。
  Serial GC的对应JVM参数是：

  -XX:+UseSerialGC

• ParNew GC，很明显是个新生代GC实现，它实际是Serial GC的多线程版本，最常见的应用场景是配合老年代的CMS GC工作，下面是对应参数

  -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC

• CMS（Concurrent Mark Sweep） GC，基于标记-清除（Mark-Sweep）算法，设计目标是尽量减少停顿时间，这一点对于Web等反应时间敏感的应用非常重要，一直到今天，仍然有很多系统使用CMS GC。但是，CMS采用的标记-清除算法，存在着内存碎片化问题，所以难以避免在长时间运行等情况下发生full GC，导致恶劣的停顿。另外，既然强调了并发（Concurrent），CMS会占用更多CPU资源，并和用户线程争抢。

• Parallel GC，在早期JDK 8等版本中，它是server模式JVM的默认GC选择，也被称作是吞吐量优先的GC。它的算法和Serial GC比较相似，尽管实现要复杂的多，其特点是新生代和老年代GC都是并行进行的，在常见的服务器环境中更加高效。
  开启选项是：

  -XX:+UseParallelGC

  另外，Parallel GC引入了开发者友好的配置项，我们可以直接设置暂停时间或吞吐量等目标，JVM会自动进行适应性调整，例如下面参数：

  -XX:MaxGCPauseMillis=value
  -XX:GCTimeRatio=N // GC时间和用户时间比例 = 1 / (N+1)

• G1 GC这是一种兼顾吞吐量和停顿时间的GC实现，是Oracle JDK 9以后的默认GC选项。G1可以直观的设定停顿时间的目标，相比于CMS GC，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。

• G1 GC仍然存在着年代的概念，但是其内存结构并不是简单的条带式划分，而是类似棋盘的一个个region。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-整理（Mark-Compact）算法，可以有效地避免内存碎片，尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

• G1吞吐量和停顿表现都非常不错，并且仍然在不断地完善，与此同时CMS已经在JDK 9中被标记为废弃（deprecated），所以G1 GC值得你深入掌握。

  谈谈你的GC调优思路?

  谈到调优，这一定是针对特定场景、特定目的的事情， 对于GC调优来说，首先就需要清楚调优的目标是什么？从性能的角度看，通常关注三个方面，内存占用（footprint）、延时（latency）和吞吐量（throughput），大多数情况下调优会侧重于其中一个或者两个方面的目标，很少有情况可以兼顾三个不同的角度。当然，除了上面通常的三个方面，也可能需要考虑其他GC相关的场景，例如，OOM也可能与不合理的GC相关参数有关；或者，应用启动速度方面的需求，GC也会是个考虑的方面。

基本的调优思路可以总结为：

• 理解应用需求和问题，确定调优目标。假设，我们开发了一个应用服务，但发现偶尔会出现性能抖动，出现较长的服务停顿。评估用户可接受的响应时间和业务量，将目标简化为，希望GC暂停尽量控制在200ms以内，并且保证一定标准的吞吐量。
• 掌握JVM和GC的状态，定位具体的问题，确定真的有GC调优的必要。具体有很多方法，比如，通过jstat等工具查看GC等相关状态，可以开启GC日志，或者是利用操作系统提供的诊断工具等。例如，通过追踪GC日志，就可以查找是不是GC在特定时间发生了长时间的暂停，进而导致了应用响应不及时。
• 这里需要思考，选择的GC类型是否符合我们的应用特征，如果是，具体问题表现在哪里，是Minor GC过长，还是Mixed GC等出现异常停顿情况；如果不是，考虑切换到什么类型，如CMS和G1都是更侧重于低延迟的GC选项。
• 通过分析确定具体调整的参数或者软硬件配置。
• 验证是否达到调优目标，如果达到目标，即可以考虑结束调优；否则，重复完成分析、调整、验证这个过程。

Java内存模型中的happen-before是什么

Happen-before关系，是Java内存模型中保证多线程操作可见性的机制，也是对早期语言规范中含糊的可见性概念的一个精确定义。

它的具体表现形式，包括但远不止是我们直觉中的synchronized、volatile、lock操作顺序等方面，例如：

• 线程内执行的每个操作，都保证happen-before后面的操作，这就保证了基本的程序顺序规则，这是开发者在书写程序时的基本约定。
• 对于volatile变量，对它的写操作，保证happen-before在随后对该变量的读取操作。
• 对于一个锁的解锁操作，保证happen-before加锁操作。
• 对象构建完成，保证happen-before于finalizer的开始动作。
• 甚至是类似线程内部操作的完成，保证happen-before其他Thread.join()的线程等。
  这些happen-before关系是存在着传递性的，如果满足a happen-before b和b happen-before c，那么a happen-before c也成立。
  前面我一直用happen-before，而不是简单说前后，是因为它不仅仅是对执行时间的保证，也包括对内存读、写操作顺序的保证。仅仅是时钟顺序上的先后，并不能保证线程交互的可见性。

  Java程序运行在Docker等容器环境有哪些新问题？

  对于Java来说，Docker毕竟是一个较新的环境，例如，其内存、CPU等资源限制是通过CGroup（Control Group）实现的，早期的JDK版本（8u131之前）并不能识别这些限制，进而会导致一些基础问题：
• 如果未配置合适的JVM堆和元数据区、直接内存等参数，Java就有可能试图使用超过容器限制的内存，最终被容器OOM kill，或者自身发生OOM。
• 错误判断了可获取的CPU资源，例如，Docker限制了CPU的核数，JVM就可能设置不合适的GC并行线程数等。

从应用打包、发布等角度出发，JDK自身就比较大，生成的镜像就更为臃肿，当我们的镜像非常多的时候，镜像的存储等开销就比较明显了。

如果考虑到微服务、Serverless等新的架构和场景，Java自身的大小、内存占用、启动速度，都存在一定局限性，因为Java早期的优化大多是针对长时间运行的大型服务器端应用。

Java安全

你了解Java应用开发中的注入攻击吗？

注入式（Inject）攻击是一类非常常见的攻击方式，其基本特征是程序允许攻击者将不可信的动态内容注入到程序中，并将其执行，这就可能完全改变最初预计的执行过程，产生恶意效果。

下面是几种主要的注入式攻击途径，原则上提供动态执行能力的语言特性，都需要提防发生注入攻击的可能。

首先，就是最常见的SQL注入攻击。一个典型的场景就是Web系统的用户登录功能，根据用户输入的用户名和密码，我们需要去后端数据库核实信息。

假设应用逻辑是，后端程序利用界面输入动态生成类似下面的SQL，然后让JDBC执行。

Select * from use_info where username = “input_usr_name” and password = “input_pwd”

但是，如果我输入的input_pwd是类似下面的文本，

“ or “”=”

那么，拼接出的SQL字符串就变成了下面的条件，OR的存在导致输入什么名字都是复合条件的。

Select * from use_info where username = “input_usr_name” and password = “” or “” = “”

这里只是举个简单的例子，它是利用了期望输入和可能输入之间的偏差。上面例子中，期望用户输入一个数值，但实际输入的则是SQL语句片段。类似场景可以利用注入的不同SQL语句，进行各种不同目的的攻击，甚至还可以加上“;delete xxx”之类语句，如果数据库权限控制不合理，攻击效果就可能是灾难性的。

第二，操作系统命令注入。Java语言提供了类似Runtime.exec(…)的API，可以用来执行特定命令，假设我们构建了一个应用，以输入文本作为参数，执行下面的命令：

ls –la input_file_name

但是如果用户输入是 “input_file_name;rm –rf /*”，这就有可能出现问题了。当然，这只是个举例，Java标准类库本身进行了非常多的改进，所以类似这种编程错误，未必可以真的完成攻击，但其反映的一类场景是真实存在的。

第三，XML注入攻击。Java核心类库提供了全面的XML处理、转换等各种API，而XML自身是可以包含动态内容的，例如XPATH，如果使用不当，可能导致访问恶意内容。

还有类似LDAP等允许动态内容的协议，都是可能利用特定命令，构造注入式攻击的，包括XSS（Cross-site Scripting）攻击，虽然并不和Java直接相关，但也可能在JSP等动态页面中发生。

如何写出安全的Java代码？

这个问题可能有点宽泛，我们可以用特定类型的安全风险为例，如拒绝服务（DoS）攻击，分析Java开发者需要重点考虑的点。

DoS是一种常见的网络攻击，有人也称其为“洪水攻击”。最常见的表现是，利用大量机器发送请求，将目标网站的带宽或者其他资源耗尽，导致其无法响应正常用户的请求。

我认为，从Java语言的角度，更加需要重视的是程序级别的攻击，也就是利用Java、JVM或应用程序的瑕疵，进行低成本的DoS攻击，这也是想要写出安全的Java代码所必须考虑的。例如：

• 如果使用的是早期的JDK和Applet等技术，攻击者构建合法但恶劣的程序就相对容易，例如，将其线程优先级设置为最高，做一些看起来无害但空耗资源的事情。幸运的是类似技术已经逐步退出历史舞台，在JDK 9以后，相关模块就已经被移除。
• 上一讲中提到的哈希碰撞攻击，就是个典型的例子，对方可以轻易消耗系统有限的CPU和线程资源。从这个角度思考，类似加密、解密、图形处理等计算密集型任务，都要防范被恶意滥用，以免攻击者通过直接调用或者间接触发方式，消耗系统资源。
• 利用Java构建类似上传文件或者其他接受输入的服务，需要对消耗系统内存或存储的上限有所控制，因为我们不能将系统安全依赖于用户的合理使用。其中特别注意的是涉及解压缩功能时，就需要防范Zip bomb等特定攻击。
• 另外，Java程序中需要明确释放的资源有很多种，比如文件描述符、数据库连接，甚至是再入锁，任何情况下都应该保证资源释放成功，否则即使平时能够正常运行，也可能被攻击者利用而耗尽某类资源，这也算是可能的DoS攻击来源。
  所以可以看出，实现安全的Java代码，需要从功能设计到实现细节，都充分考虑可能的安全影响。

知识扩展

后台服务出现明显“变慢”，谈谈你的诊断思路？

首先，需要对这个问题进行更加清晰的定义:

• 服务是突然变慢还是长时间运行后观察到变慢？类似问题是否重复出现？
• “慢”的定义是什么，我能够理解是系统对其他方面的请求的反应延时变长吗?
  第二，理清问题的症状，这更便于定位具体的原因，有以下一些思路：
• 问题可能来自于Java服务自身，也可能仅仅是受系统里其他服务的影响。初始判断可以先确认是否出现了意外的程序错误，例如检查应用本身的错误日志。
  对于分布式系统，很多公司都会实现更加系统的日志、性能等监控系统。一些Java诊断工具也可以用于这个诊断，例如通过JFR（Java Flight Recordera>），监控应用是否大量出现了某种类型的异常。
• 如果有，那么异常可能就是个突破点。
  如果没有，可以先检查系统级别的资源等情况，监控CPU、内存等资源是否被其他进程大量占用，并且这种占用是否不符合系统正常运行状况。
• 监控Java服务自身，例如GC日志里面是否观察到Full GC等恶劣情况出现，或者是否Minor GC在变长等；利用jstat等工具，获取内存使用的统计信息也是个常用手段；利用jstack等工具检查是否出现死锁等。
• 如果还不能确定具体问题，对应用进行Profiling也是个办法，但因为它会对系统产生侵入性，如果不是非常必要，大多数情况下并不建议在生产系统进行。
• 定位了程序错误或者JVM配置的问题后，就可以采取相应的补救措施，然后验证是否解决，否则还需要重复上面部分过程。

  对比Java标准NIO类库，你知道Netty是如何实现更高性能的吗？

  单独从性能角度，Netty在基础的NIO等类库之上进行了很多改进，例如：
• 更加优雅的Reactor模式实现、灵活的线程模型、利用EventLoop等创新性的机制，可以非常高效地管理成百上千的Channel。
• 充分利用了Java的Zero-Copy机制，并且从多种角度，“斤斤计较”般的降低内存分配和回收的开销。例如，使用池化的Direct Buffer等技术，在提高IO性能的同时，减少了对象的创建和销毁；利用反射等技术直接操纵SelectionKey，使用数组而不是Java容器等。
• 使用更多本地代码。例如，直接利用JNI调用Open SSL等方式，获得比Java内建SSL引擎更好的性能。
• 在通信协议、序列化等其他角度的优化。
  总的来说，Netty并没有Java核心类库那些强烈的通用性、跨平台等各种负担，针对性能等特定目标以及Linux等特定环境，采取了一些极致的优化手段。

参考资料

• 《Java核心技术I》
• 《Java虚拟机规范java SE 8》
• Java虚拟机规范：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/jvms8.pdf
• 分布式事务：https://xiaomi-info.github.io/2020/01/02/distributed-transaction/