Java面试题解析

1. 集合类

1.1 HashMap原理

HashMap是基于哈希表实现的数据结构，每个元素由键值对组成，并实现了Serializable和Cloneable接口。它允许使用null键和null值，但不保证映射顺序。内部通过链地址法解决冲突，当容量超过负载因子时会自动扩容。与Hashtable相比，除了不同步和允许使用null之外，二者功能相似。HashMap不是线程安全的。

1.2 ConcurrentHashMap实现原理

ConcurrentHashMap通过分段锁机制实现高并发访问。数据被分成多个段（Segment），每个段都有自己的锁。线程可以同时访问不同的段，从而提高并发性能。对于需要跨段的操作如size()和containsValue()，则需要锁定所有段。Segment继承自ReentrantLock，确保其可重入性。

1.3 HashMap与Hashtable的区别

• 继承的父类不同：Hashtable继承自Dictionary类，而HashMap继承自AbstractMap类。
• 线程安全性：Hashtable的方法是同步的，而HashMap的方法默认是非同步的。
• 方法命名差异：Hashtable保留了contains方法，而HashMap将其拆分为containsKey和containsValue以避免混淆。
• null值支持：Hashtable不允许key或value为null，而HashMap允许。
• 遍历方式：两者都支持Iterator，但Hashtable还保留了较早版本的Enumeration。
• hash值计算：Hashtable直接使用对象的hashCode，而HashMap重新计算hash值。
• 数组初始化与扩容：Hashtable默认容量为11且不要求底层数组大小为2的幂次方；HashMap默认容量为16并要求必须为2的幂次方。扩容时，Hashtable将容量变为原来的两倍加一，而HashMap仅扩大一倍。

1.4 HashMap的扩容机制

随着元素增多，哈希碰撞概率增加，因此需要进行扩容以提升查询效率。当元素数量超过数组大小乘以加载因子时触发扩容，默认情况下加载因子为0.75。扩容后需重新计算元素位置，这是一项耗时操作。预估元素数量有助于减少不必要的扩容次数，例如new HashMap(2048)可以有效避免频繁调整大小。

2. 数据结构

2.1 链表与数组的区别

• 内存占用：链表的存储空间可以是连续或非连续的，而数组必须是连续的一块内存区域。相同数量的数据下，数组通常占用更少的内存。
• 长度灵活性：链表长度动态变化，数组长度固定定义。
• 访问效率：链表适合频繁插入删除操作，数组适合随机访问。

3. 线程管理

3.1 synchronized关键字的用法

• 修饰方法：使整个方法成为同步方法。
• 修饰代码块：只对特定代码段加锁。
• 修饰静态方法：针对类级别的同步。
• 修饰类：对整个类的所有实例加锁。

3.2 synchronized与Lock接口的比较

• 语法层面：synchronized是内置关键字，Lock是一个接口。
• 异常处理：synchronized在发生异常时自动释放锁，Lock需要手动调用unlock()。
• 中断响应：Lock允许等待线程响应中断，而synchronized无法做到。
• 锁获取状态：Lock可以检查是否成功获取锁，synchronized则不能。
• 读写优化：Lock更适合多线程读操作。
• 性能表现：在竞争激烈的情况下，Lock比synchronized性能更好。

3.3 volatile关键字的作用

volatile用于声明变量可能会被其他线程修改，确保每次读取到最新的值。它强制将修改立即写入主存，并使缓存失效。此外，volatile禁止指令重排，具备可见性和有序性，但不具备原子性。

3.4 线程等待机制

Object类提供了wait(), notify()和notifyAll()等方法来控制线程的等待和唤醒。wait()让当前线程进入等待状态并释放锁，notify()唤醒单个等待线程，notifyAll()唤醒所有等待线程。

3.5 ThreadPoolExecutor的工作流程

• 线程数小于核心线程数时创建新线程。
• 线程数等于或大于核心线程数且任务队列未满时，将任务放入队列。
• 线程数等于或大于核心线程数且任务队列已满：
  • 若线程数小于最大线程数，则创建新线程。
  • 若线程数等于最大线程数，则拒绝新任务。

3.6 ThreadPoolExecutor的默认参数

• corePoolSize=1
• queueCapacity=Integer.MAX_VALUE
• maxPoolSize=Integer.MAX_VALUE
• keepAliveTime=60秒
• allowCoreThreadTimeout=false
• rejectedExecutiOnHandler=AbortPolicy()

3.7 常见线程池类型

• newCachedThreadPool：适用于短期异步任务，核心线程数为0，最大线程数无限制，空闲线程存活时间为60秒。
• newFixedThreadPool：适用于长期运行的任务，固定数量的核心线程，任务队列为无界阻塞队列。
• newSingleThreadExecutor：适用于串行执行的任务，只有一个线程，任务队列为无界阻塞队列。
• newScheduledThreadPool：支持定时及周期性任务，核心线程数固定，最大线程数无限制，任务队列为按超时时间排序的延迟队列。

4. Java虚拟机(JVM)

4.1 JVM工作原理

JVM负责解释执行Java字节码文件。首先，前端编译器将.java源文件编译成.class字节码文件，然后JVM加载这些字节码文件到内存中，最后通过即时编译器（JIT）将字节码转换为本地机器码。

4.2 运行时数据区

• 程序计数器：记录当前线程执行的字节码行号。
• 栈：保存方法调用的局部变量、操作数栈等信息。
• 堆：存放几乎所有的对象实例，是垃圾回收的主要区域。
• 方法区：存储类信息、常量、静态变量等。

4.3 对象回收判断

• 引用计数法：通过计数器跟踪对象引用次数，但难以处理循环引用问题。
• 可达性分析：从GC Roots出发追踪对象引用链，未被引用的对象标记为可回收。

4.4 垃圾回收算法

• 标记-清除：标记不再使用的对象并清除它们，但会导致内存碎片化。
• 复制算法：将存活对象复制到另一块内存区域，适用于新生代回收。
• 标记整理：结合标记-清除与整理，消除内存碎片。
• 分代收集：根据对象生命周期划分内存区域，采用不同回收策略。

4.5 内存分配与回收策略

• 优先在Eden区分配对象，必要时触发Minor GC。
• 大对象直接进入老年代，避免频繁复制。
• 长期存活的对象逐渐晋升至老年代。

5. HTTP协议

5.1 HTTP连接复用

HTTP 1.1引入了持久连接特性，允许多个请求共享同一个TCP连接，减少了重复建立连接的时间开销。

5.2 Keep-Alive与TCP KEEPALIVE的区别

• HTTP Keep-Alive：保持TCP连接活跃，允许多次请求复用同一连接。
• TCP KEEPALIVE：检测TCP连接状态，防止因长时间无活动而导致连接断开。

HTTP位于应用层，主要用于优化网络通信效率；TCP KEEPALIVE属于传输层，用于维持连接稳定性。

6. Git操作

• git cherry-pick：将指定提交应用于另一个分支。
• git revert：创建新的提交撤销指定更改。
• git rebase：合并多个提交为一个完整提交。
• git reset：回退到指定的历史版本。

7. 基本数据类型

7.1 字符串替换方法

• replace()：简单替换字符串。
• replaceAll()：使用正则表达式匹配并替换所有符合条件的子串。
• replaceFirst()：仅替换第一个匹配项。

7.2 int与Integer的比较

Integer与int之间存在自动装箱拆箱机制。当两个Integer对象数值在-128到127范围内时，==比较返回true；超出此范围或涉及new操作时，即使数值相同也会返回false。int与Integer比较时，后者会被自动拆箱为前者，结果始终为true。

8. 其他

8.1 XML解析方式

• SAX：事件驱动模型，适合处理大型XML文件，速度快且占用资源少。
• DOM：文档对象模型，将整个XML文档加载到内存中，便于随机访问节点，但占用较多内存。
• PULL：类似于SAX，但提供更灵活的控制，允许中途停止解析。