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【Java面试】——Java 基础与并发编程

news 2026/7/26 6:36:55

以下是针对你整理的 Java 面试复习路线的详细补充，按原大纲结构逐一展开。由于内容量较大，本篇先完成第一部分Java 基础/JVM/JUC的完整补充。

一、Java 基础与并发编程（核心能力 20%）

1.1 JVM 内存模型

JVM 在执行 Java 程序时，将其管理的内存划分为5 个核心运行时数据区：

1.1.1 线程私有区域

（1）程序计数器（Program Counter Register）

记录当前线程正在执行的字节码指令地址（行号）
字节码解释器通过改变计数器值来选取下一条要执行的指令
是实现线程上下文切换的关键——线程切换后能恢复到正确的执行位置
唯一不会抛出 OOM 异常的内存区域

（2）Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

为 Java 方法执行提供内存空间，每个方法执行时创建一个栈帧（Stack Frame）
栈帧包含：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址
可通过-Xss参数设置栈大小（如-Xss1m）
OOM 场景：
- StackOverflowError：线程请求栈深度超过允许最大深度（如无限递归）
- OutOfMemoryError: unable to create native thread：无法为新线程分配栈内存

（3）本地方法栈（Native Method Stack）

为 Native 方法执行提供服务，作用与虚拟机栈类似

1.1.2 线程共享区域

（4）堆内存（Heap）—— 垃圾回收的主要区域

采用分代模型，基于弱分代假说：

绝大多数对象朝生夕灭（90%+ 对象存活时间极短）
熬过越多次 GC 的对象越难被回收

区域	占比	核心职责
Eden 区	80%	新对象主要分配区域
Survivor 0 区	10%	存活对象"中转站"
Survivor 1 区	10%	存活对象"中转站"
老年代	堆的 2/3	存储生命周期长的对象

关键参数：

-XX:NewRatio：年轻代:老年代比例，默认 1:2
-XX:SurvivorRatio：Eden:Survivor 比例，默认 8:1:1

（5）元空间（Metaspace）—— JDK 8+ 替代永久代

直接使用本地内存（Native Memory）而非 JVM 堆内存
永久代被移除的原因：字符串常量池内存泄漏、方法区大小难以调优、HotSpot 与 JRockit 合并

1.1.3 堆内存工作机制

Young GC（Minor GC）执行流程：

新对象优先分配到 Eden 区
Eden 区满时触发 Minor GC
标记 Eden 区和当前 From Survivor 区的存活对象
将存活对象复制到 To Survivor 区
清空 Eden 区和 From Survivor 区
交换 From 和 To Survivor 的角色（始终有一个 Survivor 区是空的）

对象晋升老年代的 4 种途径：

正常晋升：年龄达到MaxTenuringThreshold（默认 15）
动态年龄判定：Survivor 区中同龄对象总大小 > Survivor 一半时提前晋升
大对象直接进入：超过PretenureSizeThreshold设置值
空间分配担保失败：Minor GC 后 Survivor 区无法容纳所有存活对象

为什么 Young GC 很快？

绝大多数对象在 Eden 区创建后快速死亡
仅扫描 Eden 和单个 Survivor，不扫描老年代
复制算法仅处理少量存活对象，效率高

1.1.4 常见 OOM 原因

OOM 类型	原因	排查方向
堆 OOM	对象过多/内存泄漏	jmap dump + MAT 分析
元空间 OOM	类加载过多（动态代理、热部署）	检查类加载器泄漏
栈 OOM	线程过多	检查线程池使用
直接内存 OOM	NIO 使用不当	检查 ByteBuffer 分配

1.1.5 Full GC 触发条件

老年代空间不足
元空间空间不足
调用System.gc()（建议但非强制）
晋升失败（Minor GC 后存活对象无法放入老年代）
大对象直接进入老年代导致空间不足

1.1.6 CMS Concurrent Mode Failure

原因：老年代在 CMS 并发清理阶段被填满，无法等到下一次 GC
本质：并发收集速度跟不上对象晋升速度
解决方案：
- 调大老年代大小或调小年轻代
- 提高 CMS 触发阈值（-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction）
- 使用 G1 替代 CMS

1.1.7 G1 为什么能减少 STW

Region 化内存布局：将堆划分为多个大小相等的 Region，不再有固定的年轻代/老年代物理边界
并发标记 + 增量回收：通过并发标记阶段和增量回收，避免全堆扫描
可预测的停顿时间模型：用户可设定目标停顿时间，G1 根据历史数据智能选择回收 Region
混合 GC：同时回收年轻代和部分老年代 Region，均衡回收效率

1.1.8 ZGC 为什么可以做到几毫秒

染色指针（Colored Pointers）：在指针中编码 GC 元数据，无需额外的标记位
读屏障（Load Barrier）：在对象访问时进行 GC 操作，实现并发移动
并发整理：所有阶段（标记、整理、重定位）几乎都并发执行
Region 化：动态 Region 大小，支持 2MB 到 32TB 堆
NUMA 感知：优化多 CPU 架构下的内存访问

1.1.9 线上分析工具

工具	用途
`jmap`	生成堆转储（dump）、查看堆信息
`jstack`	查看线程堆栈、定位死锁
`jstat`	实时查看 GC 状态、类加载信息
`jcmd`	综合诊断命令（JDK 7+）
`jconsole`	可视化监控
`jvisualvm`	性能分析、堆 dump 分析
Arthas	阿里开源在线诊断工具，可在线查看方法调用、热更新
MAT	Eclipse 堆转储分析工具，内存泄漏分析
GC 日志	`-Xloggc:`开启，分析 GC 频率和停顿

1.2 Java 并发编程

1.2.1 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

核心思想：CLH 双向队列 + CAS 改 state

state：同步状态（int），通过 CAS 修改
CLH 队列：FIFO 双向链表，管理等待线程
独占模式：只有一个线程能获取（如 ReentrantLock）
共享模式：多个线程可同时获取（如 Semaphore、CountDownLatch）

基于 AQS 实现的同步器：

ReentrantLock
Semaphore
CountDownLatch
CyclicBarrier
ReentrantReadWriteLock
FutureTask

1.2.2 ReentrantLock

核心特性：

可重入锁：state表示重入次数（0 表示未被占用）
支持公平锁（new ReentrantLock(true)）和非公平锁（默认）
公平锁：按队列顺序获取；非公平锁：允许插队（性能更好）

与 synchronized 对比：

特性	synchronized	ReentrantLock
实现层面	JVM 内置（C++）	JDK 层面（Java + AQS）
释放方式	自动释放	手动`unlock()`
中断支持	不可中断	`lockInterruptibly()`可中断
超时获取	不支持	`tryLock(timeout)`支持
条件变量	`wait/notify`	`Condition`多条件
性能	相近	相近

1.2.3 CAS（Compare And Swap）

核心原理：

硬件级别原子操作，通过 CPU 指令CMPXCHG实现
三个参数：内存地址 V、期望值 A、新值 B
当 V 值 == A 时，将 V 更新为 B；否则失败

ABA 问题：

现象：V 值从 A → B → A，CAS 误认为未变化
解决方案：
- AtomicStampedReference：带版本号（stamp）的原子引用
- AtomicMarkableReference：带标记位（mark）的原子引用

Unsafe 类：

提供底层 CAS 操作（compareAndSwapInt、compareAndSwapObject等）
可直接操作内存（allocateMemory、putInt等）
禁止直接使用（JDK 9+ 限制访问）

1.2.4 Volatile

两个语义：

可见性：写操作立即刷新到主内存，读操作从主内存读取
禁止指令重排序：内存屏障（LoadLoad、StoreStore、LoadStore、StoreLoad）

适用场景：

状态标志位（volatile boolean running）
单次读/写操作（非复合操作，如count++不适用）

1.2.5 Atomic 包

类	说明
`AtomicInteger`	原子 int
`AtomicLong`	原子 long
`AtomicBoolean`	原子 boolean
`AtomicReference`	原子引用
`AtomicIntegerArray`	原子 int 数组
`AtomicStampedReference`	带版本号引用（解决 ABA）
`AtomicMarkableReference`	带标记引用

1.2.6 LongAdder vs AtomicLong

AtomicLong：CAS 自旋，高并发下冲突严重，性能下降
LongAdder：分段累加（Cell 数组），各线程操作不同 Cell，最后 sum 汇总
适用场景：LongAdder 适合写多读少，AtomicLong 适合读多写少

1.2.7 ThreadPoolExecutor

核心参数：

corePoolSize：核心线程数
maximumPoolSize：最大线程数
keepAliveTime：空闲线程存活时间
unit：时间单位
workQueue：任务队列（ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、SynchronousQueue）
threadFactory：线程工厂
handler：拒绝策略

拒绝策略：

AbortPolicy（默认）：抛出 RejectedExecutionException
CallerRunsPolicy：调用者线程执行
DiscardPolicy：丢弃不抛异常
DiscardOldestPolicy：丢弃队列头部任务

线程池满的原因与排查：

核心线程数过小
任务队列过小或过大
任务执行时间过长
线程阻塞（IO、锁等待）

1.2.8 ForkJoinPool

分治思想：大任务拆分为小任务，并行执行后合并结果
工作窃取（Work-Stealing）：空闲线程从其他队列尾部窃取任务
适用场景：递归任务、大数组并行计算

1.2.9 CompletableFuture

核心方法：

supplyAsync/runAsync：异步执行
thenApply/thenAccept/thenRun：串行依赖
thenCombine/thenCompose：组合依赖
allOf/anyOf：多任务聚合
complete/completeExceptionally：手动完成

异步编排最佳实践：

使用自定义线程池，避免共用ForkJoinPool.commonPool()
合理设置超时（completeOnTimeout/orTimeout）

1.2.10 StampedLock

优化 ReentrantReadWriteLock：乐观读锁不阻塞写操作
三种锁模式：
- writeLock：写锁
- readLock：读锁（悲观）
- tryOptimisticRead：乐观读（不阻塞写，需验证 stamp）

1.2.11 CountDownLatch vs CyclicBarrier vs Semaphore vs Phaser

同步器	核心机制	可重用	典型场景
`CountDownLatch`	计数器递减至 0 释放	❌	等待多个任务完成
`CyclicBarrier`	等待所有线程到达屏障点	✅	多线程分段执行
`Semaphore`	许可证控制并发数	✅	限流、资源池
`Phaser`	动态注册/注销参与者	✅	多阶段并行任务

1.3 JUC 源码

1.3.1 ConcurrentHashMap（JDK 1.8+）

为什么 1.8 不用 Segment？

Segment 继承 ReentrantLock，锁粒度粗（一个 Segment 锁一个 Hash 桶数组）
1.8 改用synchronized + CAS：锁粒度细化到单个桶（Node 头节点）
更细粒度 → 更高并发度

核心数据结构：

// 核心属性transientvolatileNode<K,V>[]table;privatetransientvolatileNode<K,V>[]nextTable;privatetransientvolatileintsizeCtl;privatetransientvolatileinttransferIndex;

为什么 TreeBin？

当链表长度 > 8 时，链表转为红黑树（TreeBin包装 TreeNode）
红黑树查询复杂度 O(log n)，避免长链表导致查询慢
树化阈值 8，退化阈值 6（防止频繁转换）

为什么 ForwardNode？

扩容时，已迁移的桶位置放置ForwardingNode
指向nextTable，用于扩容期间转发读写请求
写操作遇到 ForwardNode：协助扩容（helpTransfer）

为什么 sizeCtl？

多状态控制变量：
- -1：正在初始化
- -(1 + nThreads)：正在扩容
- 0：默认值
- > 0：下次扩容阈值（容量 * 0.75）

为什么 helpTransfer？

扩容期间，写线程检测到 ForwardNode 时主动参与扩容
提升扩容速度，减少阻塞等待
体现“所有线程都是 Worker”的设计思想

1.3.2 其他 JUC 源码要点

CopyOnWriteArrayList：写时复制，适合读多写少
BlockingQueue 实现：ArrayBlockingQueue（有界数组）、LinkedBlockingQueue（有界链表）、SynchronousQueue（无存储）、PriorityBlockingQueue（优先级）、DelayQueue（延迟）
ConcurrentLinkedQueue：无界非阻塞队列，CAS 实现