Java 容器面试一

Java 容器综合

Java 容器框架概览

Java 容器框架主要分为 Collection 和 Map 两种。其中，Collection 又分为 List、Set 以及 Queue。

• Collection - 一个独立元素的序列，这些元素都服从一条或者多条规则。
  • List - 可以视为有序线性表。
    • ArrayList - 数据结构为 Object[] 数组。
    • LinkedList - 数据结构为双链表（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环）。
    • Vector - 数据结构为 Object[] 数组。
  • Set - 不存储重复的元素。
    • HashSet - 基于 HashMap 实现，不保证存储元素有序。
    • LinkedHashSet - 基于 LinkedHashMap 实现，保证元素按插入顺序存储。
    • TreeSet - 基于 TreeMap 实现，排序根据元素类型的 Comparator 而定。
  • Queue - 按照排队规则来确定对象产生的顺序（通常与它们被插入的顺序相同）。
    • ArrayDeque - 用一个动态数组实现了栈和队列所需的所有操作。
    • PriorityQueue - 优先级队列。
• Map - 一组成对的“键值对”对象，允许你使用键来查找值。
  • HashMap - 储存无序的键值对，而 Hash 也体现了它的查找效率很高。HashMap 是使用最广泛的 Map。
  • TreeMap - 储存有序的键值对，排序根据元素类型的 Comparator 而定。
  • LinkedHashMap - LinkedHashMap 继承了 HashMap，并以此为基础，增加了一条双向链表，以保持键值对的插入顺序。同时通过对链表进行相应的操作，实现了访问顺序相关逻辑。
  • Hashtable - Hashtable 在它的主要方法中使用 synchronized 关键字修饰，来保证线程安全。但是，由于它的锁粒度太大，非常影响读写速度，所以，现代 Java 程序几乎不会使用。如果需要保证线程安全，一般会用 ConcurrentHashMap 来替代。

为什么要使用容器

在 Java 中，存储一组同类型的数据，可以选择数组或容器。

相对于数组，容器更灵活、更便捷。

List

ArrayList 和 Array（数组）的区别？

ArrayList 内部基于动态数组实现，比 Array（静态数组） 使用起来更加灵活：

• ArrayList会根据实际存储的元素动态地扩容或缩容，而 Array 被创建之后就不能改变它的长度了。
• ArrayList 允许你使用泛型来确保类型安全，Array 则不可以。
• ArrayList 中只能存储对象。对于基本类型数据，需要使用其对应的包装类（如 Integer、Double 等）。Array 可以直接存储基本类型数据，也可以存储对象。
• ArrayList 支持插入、删除、遍历等常见操作，并且提供了丰富的 API 操作方法，比如 add()、remove()等。Array 只是一个固定长度的数组，只能按照下标访问其中的元素，不具备动态添加、删除元素的能力。
• ArrayList创建时不需要指定大小，而Array创建时必须指定大小。

下面是二者使用的简单对比：

Array：

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// 初始化一个 String 类型的数组
String[] stringArr = new String[]{"hello", "world", "!"};
// 修改数组元素的值
stringArr[0] = "goodbye";
System.out.println(Arrays.toString(stringArr));// [goodbye, world, !]
// 删除数组中的元素，需要手动移动后面的元素
for (int i = 0; i < stringArr.length - 1; i++) {
    stringArr[i] = stringArr[i + 1];
}
stringArr[stringArr.length - 1] = null;
System.out.println(Arrays.toString(stringArr));// [world, !, null]

ArrayList ：

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// 初始化一个 String 类型的 ArrayList
 ArrayList<String> stringList = new ArrayList<>(Arrays.asList("hello", "world", "!"));
// 添加元素到 ArrayList 中
 stringList.add("goodbye");
 System.out.println(stringList);// [hello, world, !, goodbye]
 // 修改 ArrayList 中的元素
 stringList.set(0, "hi");
 System.out.println(stringList);// [hi, world, !, goodbye]
 // 删除 ArrayList 中的元素
 stringList.remove(0);
 System.out.println(stringList); // [world, !, goodbye]

ArrayList 可以添加 null 值吗？

ArrayList 中可以存储任何类型的对象，包括 null 值。不过，不建议向ArrayList 中添加 null 值， null 值无意义，会让代码难以维护比如忘记做判空处理就会导致空指针异常。

示例代码：

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ArrayList<String> listOfStrings = new ArrayList<>();
listOfStrings.add(null);
listOfStrings.add("java");
System.out.println(listOfStrings);

输出：

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[null, java]

ArrayList 插入和删除元素的时间复杂度？

对于插入：

• 头部插入：由于需要将所有元素都依次向后移动一个位置，因此时间复杂度是 O(n)。
• 尾部插入：当 ArrayList 的容量未达到极限时，往列表末尾插入元素的时间复杂度是 O(1)，因为它只需要在数组末尾添加一个元素即可；当容量已达到极限并且需要扩容时，则需要执行一次 O(n) 的操作将原数组复制到新的更大的数组中，然后再执行 O(1) 的操作添加元素。
• 指定位置插入：需要将目标位置之后的所有元素都向后移动一个位置，然后再把新元素放入指定位置。这个过程需要移动平均 n/2 个元素，因此时间复杂度为 O(n)。

对于删除：

• 头部删除：由于需要将所有元素依次向前移动一个位置，因此时间复杂度是 O(n)。
• 尾部删除：当删除的元素位于列表末尾时，时间复杂度为 O(1)。
• 指定位置删除：需要将目标元素之后的所有元素向前移动一个位置以填补被删除的空白位置，因此需要移动平均 n/2 个元素，时间复杂度为 O(n)。

这里简单列举一个例子：

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// ArrayList 的底层数组大小为 10，此时存储了 7 个元素
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+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
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// 在索引为 1 的位置插入一个元素 8，该元素后面的所有元素都要向右移动一位
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| 1 | 8 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |   |   |
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
  0   1   2   3   4   5   6   7   8   9
// 删除索引为 1 的位置的元素，该元素后面的所有元素都要向左移动一位
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |   |   |   |
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
  0   1   2   3   4   5   6   7   8   9

LinkedList 插入和删除元素的时间复杂度？

• 头部插入/删除：只需要修改头结点的指针即可完成插入/删除操作，因此时间复杂度为 O(1)。
• 尾部插入/删除：只需要修改尾结点的指针即可完成插入/删除操作，因此时间复杂度为 O(1)。
• 指定位置插入/删除：需要先移动到指定位置，再修改指定节点的指针完成插入/删除，因此需要遍历平均 n/2 个元素，时间复杂度为 O(n)。

ArrayList 和 Vector 的比较

• Vector 是 Java 早期提供的线程安全的动态数组。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%。

Vector 和 Stack 的比较

• Vector 和 Stack 两者都是线程安全的，都是使用 synchronized 关键字进行同步处理。
• Stack 继承自 Vector，是一个后进先出的栈，而 Vector 是一个列表。

随着 Java 并发编程的发展，Vector 和 Stack 已经被淘汰，推荐使用并发集合类（例如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等）或者手动实现线程安全的方法来提供安全的多线程操作支持。

ArrayList 与 LinkedList 的比较

• 是否保证线程安全： ArrayList 和 LinkedList 都是不同步的，也就是不保证线程安全；
• 底层数据结构： ArrayList 底层使用的是 Object 数组；LinkedList 底层使用的是 双向链表 数据结构（JDK1.6 之前为循环链表，JDK1.7 取消了循环。注意双向链表和双向循环链表的区别，下面有介绍到！）
• 插入和删除是否受元素位置的影响：
  • ArrayList 采用数组存储，所以插入和删除元素的时间复杂度受元素位置的影响。 比如：执行add(E e)方法的时候， ArrayList 会默认在将指定的元素追加到此列表的末尾，这种情况时间复杂度就是 O(1)。但是如果要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)），时间复杂度就为 O(n)。因为在进行上述操作的时候集合中第 i 和第 i 个元素之后的 (n-i) 个元素都要执行向后位/向前移一位的操作。
  • LinkedList 采用链表存储，所以在头尾插入或者删除元素不受元素位置的影响（add(E e)、addFirst(E e)、addLast(E e)、removeFirst()、 removeLast()），时间复杂度为 O(1)，如果是要在指定位置 i 插入和删除元素的话（add(int index, E element)，remove(Object o),remove(int index)）， 时间复杂度为 O(n) ，因为需要先移动到指定位置再插入和删除。
• 是否支持快速随机访问： LinkedList 不支持高效的随机元素访问，而 ArrayList（实现了 RandomAccess 接口） 支持。快速随机访问就是通过元素的序号快速获取元素对象（对应于get(int index)方法）。
• 内存空间占用： ArrayList 的空间浪费主要体现在在 list 列表的结尾会预留一定的容量空间，而 LinkedList 的空间花费则体现在它的每一个元素都需要消耗比 ArrayList 更多的空间（因为要存放直接后继和直接前驱以及数据）。

Set

Comparable 和 Comparator 的区别

Comparable 接口和 Comparator 接口都是 Java 中用于排序的接口，它们在实现类对象之间比较大小、排序等方面发挥了重要作用：

• Comparable 接口实际上是出自java.lang包 它有一个 compareTo(Object obj)方法用来排序
• Comparator接口实际上是出自 java.util 包它有一个compare(Object obj1, Object obj2)方法用来排序

一般我们需要对一个集合使用自定义排序时，我们就要重写compareTo()方法或compare()方法，当我们需要对某一个集合实现两种排序方式，比如一个 song 对象中的歌名和歌手名分别采用一种排序方法的话，我们可以重写compareTo()方法和使用自制的Comparator方法或者以两个 Comparator 来实现歌名排序和歌星名排序，第二种代表我们只能使用两个参数版的 Collections.sort().

Comparator 定制排序

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ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
arrayList.add(-1);
arrayList.add(3);
arrayList.add(-5);
arrayList.add(7);
arrayList.add(4);
arrayList.add(-9);
arrayList.add(-7);
System.out.println("原始数组：");
System.out.println(arrayList);
// void reverse(List list)：反转
Collections.reverse(arrayList);
System.out.println("Collections.reverse(arrayList):");
System.out.println(arrayList);

// void sort(List list), 按自然排序的升序排序
Collections.sort(arrayList);
System.out.println("Collections.sort(arrayList):");
System.out.println(arrayList);
// 定制排序的用法
Collections.sort(arrayList, new Comparator<Integer>() {
    @Override
    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        return o2.compareTo(o1);
    }
});
System.out.println("定制排序后：");
System.out.println(arrayList);

Output:

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原始数组：
[-1, 3, 3, -5, 7, 4, -9, -7]
Collections.reverse(arrayList):
[-7, -9, 4, 7, -5, 3, 3, -1]
Collections.sort(arrayList):
[-9, -7, -5, -1, 3, 3, 4, 7]
定制排序后：
[7, 4, 3, 3, -1, -5, -7, -9]

重写 compareTo 方法实现按年龄来排序

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// person 对象没有实现 Comparable 接口，所以必须实现，这样才不会出错，才可以使 treemap 中的数据按顺序排列
// 前面一个例子的 String 类已经默认实现了 Comparable 接口，详细可以查看 String 类的 API 文档，另外其他
// 像 Integer 类等都已经实现了 Comparable 接口，所以不需要另外实现了
public  class Person implements Comparable<Person> {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    /**
     * T 重写 compareTo 方法实现按年龄来排序
     */
    @Override
    public int compareTo(Person o) {
        if (this.age > o.getAge()) {
            return 1;
        }
        if (this.age < o.getAge()) {
            return -1;
        }
        return 0;
    }
}

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public static void main(String[] args) {
    TreeMap<Person, String> pdata = new TreeMap<Person, String>();
    pdata.put(new Person("张三", 30), "zhangsan");
    pdata.put(new Person("李四", 20), "lisi");
    pdata.put(new Person("王五", 10), "wangwu");
    pdata.put(new Person("小红", 5), "xiaohong");
    // 得到 key 的值的同时得到 key 所对应的值
    Set<Person> keys = pdata.keySet();
    for (Person key : keys) {
        System.out.println(key.getAge() + "-" + key.getName());

    }
}

Output：

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5-小红
10-王五
20-李四
30-张三

无序性和不可重复性的含义是什么

• 无序性不等于随机性 ，无序性是指存储的数据在底层数组中并非按照数组索引的顺序添加 ，而是根据数据的哈希值决定的。
• 不可重复性是指添加的元素按照 equals() 判断时 ，返回 false，需要同时重写 equals() 方法和 hashCode() 方法。

比较 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 三者的异同

• HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 都是 Set 接口的实现类，都能保证元素唯一，并且都不是线程安全的。
• HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 的主要区别在于底层数据结构不同。HashSet 的底层数据结构是哈希表（基于 HashMap 实现）。LinkedHashSet 的底层数据结构是链表和哈希表，元素的插入和取出顺序满足 FIFO。TreeSet 底层数据结构是红黑树，元素是有序的，排序的方式有自然排序和定制排序。
• 底层数据结构不同又导致这三者的应用场景不同。HashSet 用于不需要保证元素插入和取出顺序的场景，LinkedHashSet 用于保证元素的插入和取出顺序满足 FIFO 的场景，TreeSet 用于支持对元素自定义排序规则的场景。

Queue

Queue 与 Deque 的区别

Queue 是单端队列，只能从一端插入元素，另一端删除元素，实现上一般遵循 先进先出（FIFO） 规则。

Queue 扩展了 Collection 的接口，根据 因为容量问题而导致操作失败后处理方式的不同 可以分为两类方法：一种在操作失败后会抛出异常，另一种则会返回特殊值。

Deque 是双端队列，在队列的两端均可以插入或删除元素。

Deque 扩展了 Queue 的接口，增加了在队首和队尾进行插入和删除的方法，同样根据失败后处理方式的不同分为两类：

事实上，Deque 还提供有 push() 和 pop() 等其他方法，可用于模拟栈。

ArrayDeque 与 LinkedList 的区别

ArrayDeque 和 LinkedList 都实现了 Deque 接口，两者都具有队列的功能，但两者有什么区别呢？

• ArrayDeque 是基于可变长的数组和双指针来实现，而 LinkedList 则通过链表来实现。
• ArrayDeque 不支持存储 NULL 数据，但 LinkedList 支持。
• ArrayDeque 是在 JDK1.6 才被引入的，而LinkedList 早在 JDK1.2 时就已经存在。
• ArrayDeque 插入时可能存在扩容过程，不过均摊后的插入操作依然为 O(1)。虽然 LinkedList 不需要扩容，但是每次插入数据时均需要申请新的堆空间，均摊性能相比更慢。

从性能的角度上，选用 ArrayDeque 来实现队列要比 LinkedList 更好。此外，ArrayDeque 也可以用于实现栈。

说一说 PriorityQueue

PriorityQueue 是在 JDK1.5 中被引入的，其与 Queue 的区别在于元素出队顺序是与优先级相关的，即总是优先级最高的元素先出队。

这里列举其相关的一些要点：

• PriorityQueue 利用了二叉堆的数据结构来实现的，底层使用可变长的数组来存储数据
• PriorityQueue 通过堆元素的上浮和下沉，实现了在 O(logn) 的时间复杂度内插入元素和删除堆顶元素。
• PriorityQueue 是非线程安全的，且不支持存储 NULL 和 non-comparable 的对象。
• PriorityQueue 默认是小顶堆，但可以接收一个 Comparator 作为构造参数，从而来自定义元素优先级的先后。

PriorityQueue 在面试中可能更多的会出现在手撕算法的时候，典型例题包括堆排序、求第 K 大的数、带权图的遍历等，所以需要会熟练使用才行。

BlockingQueue

BlockingQueue （阻塞队列）是一个接口，继承自 Queue。BlockingQueue 阻塞的原因是其支持当队列没有元素时一直阻塞，直到有元素；还支持如果队列已满，一直等到队列可以放入新元素时再放入。

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public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
  // ...
}

BlockingQueue 常用于生产者-消费者模型中，生产者线程会向队列中添加数据，而消费者线程会从队列中取出数据进行处理。

Java 中常用的阻塞队列实现类有以下几种：

• ArrayBlockingQueue：使用数组实现的有界阻塞队列。在创建时需要指定容量大小，并支持公平和非公平两种方式的锁访问机制。
• LinkedBlockingQueue：使用单向链表实现的可选有界阻塞队列。在创建时可以指定容量大小，如果不指定则默认为 Integer.MAX_VALUE。和 ArrayBlockingQueue 不同的是， 它仅支持非公平的锁访问机制。
• PriorityBlockingQueue：支持优先级排序的无界阻塞队列。元素必须实现 Comparable 接口或者在构造函数中传入Comparator 对象，并且不能插入 null 元素。
• SynchronousQueue：同步队列，是一种不存储元素的阻塞队列。每个插入操作都必须等待对应的删除操作，反之删除操作也必须等待插入操作。因此，SynchronousQueue 通常用于线程之间的直接传递数据。
• DelayQueue：延迟队列，其中的元素只有到了其指定的延迟时间，才能够从队列中出队。

ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 有什么区别？

ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue 是 Java 并发包中常用的两种阻塞队列实现，它们都是线程安全的。不过，不过它们之间也存在下面这些区别：

• 底层实现：ArrayBlockingQueue 基于数组实现，而 LinkedBlockingQueue 基于链表实现。
• 是否有界：ArrayBlockingQueue 是有界队列，必须在创建时指定容量大小。LinkedBlockingQueue 创建时可以不指定容量大小，默认是 Integer.MAX_VALUE，也就是无界的。但也可以指定队列大小，从而成为有界的。
• 锁是否分离： ArrayBlockingQueue中的锁是没有分离的，即生产和消费用的是同一个锁；LinkedBlockingQueue中的锁是分离的，即生产用的是putLock，消费是takeLock，这样可以防止生产者和消费者线程之间的锁争夺。
• 内存占用：ArrayBlockingQueue 需要提前分配数组内存，而 LinkedBlockingQueue 则是动态分配链表节点内存。这意味着，ArrayBlockingQueue 在创建时就会占用一定的内存空间，且往往申请的内存比实际所用的内存更大，而LinkedBlockingQueue 则是根据元素的增加而逐渐占用内存空间。

Java 基础面试二

面向对象

面向对象和面向过程

典型问题

面向对象编程和面向过程编程有什么区别？

知识点

二者的主要区别在于解决问题的方式不同：

• 面向过程把解决问题的过程拆成一个个方法，通过一个个方法的执行解决问题。
• 面向对象会先抽象出对象，然后用对象执行方法的方式解决问题。

另外，面向对象开发的程序一般更易维护、易复用、易扩展。

类和对象

典型问题

（1）什么是对象？

（2）什么是类？

（3）对象实体与对象引用有何不同？

知识点

（1）对象是用来描述客观事物的一个抽象。一个对象由一组属性和对这组属性进行操作的一组服务组成。

（2）类是具有相同属性和方法的一组对象的集合，它为属于该类的所有对象提供了统一的抽象描述，其内部包括属性和方法两个主要部分。

（3）对象实体与对象引用的不同之处在于：

• new 创建对象实例（对象实例在堆内存中），对象引用指向对象实例（对象引用存放在栈内存中）
• 一个对象引用可以指向 0 个或 1 个对象（一根绳子可以不系气球，也可以系一个气球）；
• 一个对象可以有 n 个引用指向它（可以用 n 条绳子系住一个气球）。

构造方法

典型问题

（1）构造方法有什么用？

（2）构造方法有哪些特点？

（3）如果一个类没有声明构造方法，该程序能正确执行吗？

（4）构造方法能否可被重写（Override）？

知识点

（1）构造方法是一种特殊的方法，主要作用是完成对象的初始化工作。

（2）构造方法特点如下：

• 名字与类名相同。
• 没有返回值，但不能用 void 声明构造函数。
• 生成类的对象时自动执行，无需调用。

（3）如果一个类没有声明构造方法，也可以执行！因为一个类即使没有声明构造方法也会有默认的不带参数的构造方法。如果我们自己添加了类的构造方法（无论是否有参），Java 就不会添加默认的无参数的构造方法了。

（4）构造方法不能被重写（Override），但可以重载（Overload）。

接口和抽象类

典型问题

（1）什么是接口？接口有什么特性？

（2）什么是抽象类？抽象类有什么特性？

（3）接口和抽象类有什么相同点和不同点？

（4）类支持多继承吗？接口支持多继承吗？

知识点

（1）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。

接口的主要特性有：

• 接口不能实例化。
• 接口不能包含任何非常量成员，任何字段都隐式的被 public static final 修饰。
• 接口中没有非静态方法，也就是说要么是抽象方法，要么是静态方法。
• 从 Java8 开始，接口增加了 default 方法特性，可以定义方法的默认实现；Java 9 以后，甚至可以定义私有的 default 方法。

（2）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。

（3）接口和抽象类有什么相同点和不同点？

Java 中的类可以实现多个接口。

（4）与 C++ 等语言不一样，Java 类不支持多继承。这意味着，Java 不能通过继承多个抽象类来重用逻辑。那么，如何来实现重用呢？Java 的解决方案是：接口支持多继承，准确的说，接口支持扩展多个接口，而接口也支持实现多个接口。

深拷贝和浅拷贝

典型问题

（1）什么是深拷贝？什么是浅拷贝？深拷贝和浅拷贝有什么区别？

（2）如何实现深拷贝？

知识点

（1）深拷贝和浅拷贝的区别：

• 浅拷贝 - 只拷贝栈内存中的数据，不拷贝堆内存中数据。
• 深拷贝 - 既拷贝栈内存中的数据，又拷贝堆内存中的数据。

（2）深拷贝的实现方式

• 构造方法
• 重写 Cloneable 接口的 clone() 方法
• Apache Commons Lang 序列化
• JSON 序列化

面向对象设计

典型问题

（1）面向对象三大特征是什么？

（2）面向对象的五大原则是什么？

知识点

（1）封装、继承和多态是面向对象编程的三大特征。

• 封装 - 封装的目的是隐藏事务内部的实现细节，以便提高安全性和简化编程。封装提供了合理的边界，避免外部调用者接触到内部的细节。
• 继承 - 继承是代码复用的基础机制。当多个类存在相同的属性（变量）和方法时，可以从这些类中抽象出父类，在父类中定义相同的属性和方法，所有的子类不需要重新定义这些属性和方法，只需要通过 extends 关键字来声明继承父类即可。
• 多态 - 你可能立即会想到重写（override）和重载（overload）、向上转型。简单说，重写是父子类中相同名字和参数的方法，不同的实现；重载则是相同名字的方法，但是不同的参数，本质上这些方法签名是不一样的。

（2）面向对象的五大原则也就是所谓的 S.O.L.I.D 原则：

• 单一职责原则（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） - 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。
• 里氏替换原则（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。
• 接口分离原则 - 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。
• 依赖反转原则 - 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。

设计模式

典型问题

（1）你知道哪些设计模式？

（2）你知道哪些设计模式在 Java 源码中的应用案例？

（3）你知道哪些设计模式在主流框架中的应用案例？

知识点

（1）23 种经典设计模式分类如下：

• 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）。

（2）设计模式在 Java 源码中应用的经典案例：

InputStream 是一个抽象类，标准类库中提供了 FileInputStream、ByteArrayInputStream 等各种不同的子类，分别从不同角度对 InputStream 进行了功能扩展，这是典型的装饰器模式应用案例。

（3）设计模式在主流框架中应用的经典案例：

如 Spring 等如何在 API 设计中使用设计模式。你至少要有个大体的印象，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。
• Spring Aop 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。

Object

Object 类的常见方法有哪些？

Object 类是一个特殊的类，是所有类的父类。它主要提供了以下 11 个方法：

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/**
 * native 方法，用于返回当前运行时对象的 Class 对象，使用了 final 关键字修饰，故不允许子类重写。
 */
public final native Class<?> getClass()
/**
 * native 方法，用于返回对象的哈希码，主要使用在哈希表中，比如 JDK 中的 HashMap。
 */
public native int hashCode()
/**
 * 用于比较 2 个对象的内存地址是否相等，String 类对该方法进行了重写以用于比较字符串的值是否相等。
 */
public boolean equals(Object obj)
/**
 * native 方法，用于创建并返回当前对象的一份拷贝。
 */
protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException
/**
 * 返回类的名字实例的哈希码的 16 进制的字符串。建议 Object 所有的子类都重写这个方法。
 */
public String toString()
/**
 * native 方法，并且不能重写。唤醒一个在此对象监视器上等待的线程（监视器相当于就是锁的概念）。如果有多个线程在等待只会任意唤醒一个。
 */
public final native void notify()
/**
 * native 方法，并且不能重写。跟 notify 一样，唯一的区别就是会唤醒在此对象监视器上等待的所有线程，而不是一个线程。
 */
public final native void notifyAll()
/**
 * native 方法，并且不能重写。暂停线程的执行。注意：sleep 方法没有释放锁，而 wait 方法释放了锁 ，timeout 是等待时间。
 */
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException
/**
 * 多了 nanos 参数，这个参数表示额外时间（以纳秒为单位，范围是 0-999999）。 所以超时的时间还需要加上 nanos 纳秒。
 */
public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException
/**
 * 跟之前的 2 个 wait 方法一样，只不过该方法一直等待，没有超时时间这个概念
 */
public final void wait() throws InterruptedException
/**
 * 实例被垃圾回收器回收的时候触发的操作
 */
protected void finalize() throws Throwable { }

== 和 equals() 的区别

有==运算符了，为什么还需要 equals 啊？

说一说你对 java.lang.Object 对象中 hashCode 和 equals 方法的理解。在什么场景下需
要重新实现这两个方法。

有没有可能 2 个不相等的对象有相同的 hashcode

== 对于基本类型和引用类型的作用效果是不同的：

• 对于基本数据类型来说，== 比较的是值。
• 对于引用数据类型来说，== 比较的是对象的内存地址。

因为 Java 只有值传递，所以，对于 == 来说，不管是比较基本数据类型，还是引用数据类型的变量，其本质比较的都是值，只是引用类型变量存的值是对象的地址。

equals() 不能用于判断基本数据类型的变量，只能用来判断两个对象是否相等。equals()方法存在于Object类中，而Object类是所有类的直接或间接父类，因此所有的类都有equals()方法。

Object 类 equals() 方法：

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public boolean equals(Object obj) {
     return (this == obj);
}

equals() 方法存在两种使用情况：

• 类没有重写 equals()方法：通过equals()比较该类的两个对象时，等价于通过“==”比较这两个对象，使用的默认是 Object类equals()方法。
• 类重写了 equals()方法：一般我们都重写 equals()方法来比较两个对象中的属性是否相等；若它们的属性相等，则返回 true（即，认为这两个对象相等）。

举个例子（这里只是为了举例。实际上，你按照下面这种写法的话，像 IDEA 这种比较智能的 IDE 都会提示你将 == 换成 equals() ）：

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String a = new String("ab"); // a 为一个引用
String b = new String("ab"); // b 为另一个引用，对象的内容一样
String aa = "ab"; // 放在常量池中
String bb = "ab"; // 从常量池中查找
System.out.println(aa == bb);// true
System.out.println(a == b);// false
System.out.println(a.equals(b));// true
System.out.println(42 == 42.0);// true

String 中的 equals 方法是被重写过的，因为 Object 的 equals 方法是比较的对象的内存地址，而 String 的 equals 方法比较的是对象的值。

当创建 String 类型的对象时，虚拟机会在常量池中查找有没有已经存在的值和要创建的值相同的对象，如果有就把它赋给当前引用。如果没有就在常量池中重新创建一个 String 对象。

String类equals()方法：

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public boolean equals(Object anObject) {
    if (this == anObject) {
        return true;
    }
    if (anObject instanceof String) {
        String anotherString = (String)anObject;
        int n = value.length;
        if (n == anotherString.value.length) {
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;
            while (n-- != 0) {
                if (v1[i] != v2[i])
                    return false;
                i++;
            }
            return true;
        }
    }
    return false;
}

hashCode() 有什么用？

hashCode() 的作用是获取哈希码（int 整数），也称为散列码。这个哈希码的作用是确定该对象在哈希表中的索引位置。

hashCode() 定义在 JDK 的 Object 类中，这就意味着 Java 中的任何类都包含有 hashCode() 函数。另外需要注意的是：Object 的 hashCode() 方法是本地方法，也就是用 C 语言或 C++ 实现的。

⚠️ 注意：该方法在 Oracle OpenJDK8 中默认是 “使用线程局部状态来实现 Marsaglia’s xor-shift 随机数生成”, 并不是 “地址” 或者 “地址转换而来”, 不同 JDK/VM 可能不同在 Oracle OpenJDK8 中有六种生成方式 （其中第五种是返回地址）, 通过添加 VM 参数：-XX:hashCode=4 启用第五种。参考源码：

• https://hg.openjdk.org/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/87ee5ee27509/src/share/vm/runtime/globals.hpp（1127 行）
• https://hg.openjdk.org/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/87ee5ee27509/src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp（537 行开始）

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public native int hashCode();

散列表存储的是键值对 (key-value)，它的特点是：能根据“键”快速的检索出对应的“值”。这其中就利用到了散列码！（可以快速找到所需要的对象）

为什么要有 hashCode？

我们以“HashSet 如何检查重复”为例子来说明为什么要有 hashCode？

下面这段内容摘自我的 Java 启蒙书《Head First Java》:

当你把对象加入 HashSet 时，HashSet 会先计算对象的 hashCode 值来判断对象加入的位置，同时也会与其他已经加入的对象的 hashCode 值作比较，如果没有相符的 hashCode，HashSet 会假设对象没有重复出现。但是如果发现有相同 hashCode 值的对象，这时会调用 equals() 方法来检查 hashCode 相等的对象是否真的相同。如果两者相同，HashSet 就不会让其加入操作成功。如果不同的话，就会重新散列到其他位置。这样我们就大大减少了 equals 的次数，相应就大大提高了执行速度。

其实， hashCode() 和 equals()都是用于比较两个对象是否相等。

那为什么 JDK 还要同时提供这两个方法呢？

这是因为在一些容器（比如 HashMap、HashSet）中，有了 hashCode() 之后，判断元素是否在对应容器中的效率会更高（参考添加元素进HashSet的过程）！

我们在前面也提到了添加元素进HashSet的过程，如果 HashSet 在对比的时候，同样的 hashCode 有多个对象，它会继续使用 equals() 来判断是否真的相同。也就是说 hashCode 帮助我们大大缩小了查找成本。

那为什么不只提供 hashCode() 方法呢？

这是因为两个对象的hashCode 值相等并不代表两个对象就相等。

那为什么两个对象有相同的 hashCode 值，它们也不一定是相等的？

因为 hashCode() 所使用的哈希算法也许刚好会让多个对象传回相同的哈希值。越糟糕的哈希算法越容易碰撞，但这也与数据值域分布的特性有关（所谓哈希碰撞也就是指的是不同的对象得到相同的 hashCode )。

总结下来就是：

• 如果两个对象的hashCode 值相等，那这两个对象不一定相等（哈希碰撞）。
• 如果两个对象的hashCode 值相等并且equals()方法也返回 true，我们才认为这两个对象相等。
• 如果两个对象的hashCode 值不相等，我们就可以直接认为这两个对象不相等。

相信大家看了我前面对 hashCode() 和 equals() 的介绍之后，下面这个问题已经难不倒你们了。

为什么重写 equals() 时必须重写 hashCode() 方法？

因为两个相等的对象的 hashCode 值必须是相等。也就是说如果 equals 方法判断两个对象是相等的，那这两个对象的 hashCode 值也要相等。

如果重写 equals() 时没有重写 hashCode() 方法的话就可能会导致 equals 方法判断是相等的两个对象，hashCode 值却不相等。

思考：重写 equals() 时没有重写 hashCode() 方法的话，使用 HashMap 可能会出现什么问题。

总结：

• equals 方法判断两个对象是相等的，那这两个对象的 hashCode 值也要相等。
• 两个对象有相同的 hashCode 值，他们也不一定是相等的（哈希碰撞）。

更多关于 hashCode() 和 equals() 的内容可以查看：Java hashCode() 和 equals() 的若干问题解答

finalize 有什么用？

首先，不推荐使用 finalize，在 Java 9 中，甚至明确将 Object.finalize() 标记为 deprecated！

finalize 的目的是保证对象在被垃圾收集前完成特定资源的回收。实际上，无法保证 finalize 什么时候执行，执行的是否符合预期。finalize 使用不当会影响性能，导致程序死锁、挂起等。

有什么机制可以替换 finalize 吗？

Java 目前在逐步使用 java.lang.ref.Cleaner 来替换掉原有的 finalize 实现。Cleaner 的实现利用了幻象引用（PhantomReference），这是一种常见的所谓 post-mortem 清理机制。吸取了 finalize 里的教训，每个 Cleaner 的操作都是独立的，它有自己的运行线程，所以可以避免意外死锁等问题。

String

String、StringBuffer、StringBuilder 的区别？

可变性

String 类中使用 final 关键字修饰字符数组来保存字符串，是典型的 Immutable 类。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。

StringBuilder 与 StringBuffer 都继承自 AbstractStringBuilder 类，在 AbstractStringBuilder 中也是使用字符数组保存字符串，不过没有使用 final 和 private 关键字修饰，最关键的是这个 AbstractStringBuilder 类还提供了很多修改字符串的方法比如 append 方法。

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abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
    char[] value;
    public AbstractStringBuilder append(String str) {
        if (str == null)
            return appendNull();
        int len = str.length();
        ensureCapacityInternal(count + len);
        str.getChars(0, len, value, count);
        count += len;
        return this;
    }
    //...
}

线程安全性

String 中的对象是不可变的，也就可以理解为常量，线程安全。AbstractStringBuilder 是 StringBuilder 与 StringBuffer 的公共父类，定义了一些字符串的基本操作，如 expandCapacity、append、insert、indexOf 等公共方法。StringBuffer 对方法加了同步锁或者对调用的方法加了同步锁，所以是线程安全的。StringBuilder 并没有对方法进行加同步锁，所以是非线程安全的。

性能

每次对 String 类型进行改变的时候，都会生成一个新的 String 对象，然后将指针指向新的 String 对象。StringBuffer 每次都会对 StringBuffer 对象本身进行操作，而不是生成新的对象并改变对象引用。相同情况下使用 StringBuilder 相比使用 StringBuffer 仅能获得 10%~15% 左右的性能提升，但却要冒多线程不安全的风险。

对于三者使用的总结：

• 操作少量的数据：适用 String
• 单线程操作字符串缓冲区下操作大量数据：适用 StringBuilder
• 多线程操作字符串缓冲区下操作大量数据：适用 StringBuffer

String 为什么是不可变的？

String 类中使用 final 关键字修饰字符数组来保存字符串，是典型的 Immutable 类。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。

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public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    private final char value[];
  //...
}

🐛 修正：我们知道被 final 关键字修饰的类不能被继承，修饰的方法不能被重写，修饰的变量是基本数据类型则值不能改变，修饰的变量是引用类型则不能再指向其他对象。因此，final 关键字修饰的数组保存字符串并不是 String 不可变的根本原因，因为这个数组保存的字符串是可变的（final 修饰引用类型变量的情况）。

String 真正不可变有下面几点原因：

1. 保存字符串的数组被 final 修饰且为私有的，并且String 类没有提供/暴露修改这个字符串的方法。
2. String 类被 final 修饰导致其不能被继承，进而避免了子类破坏 String 不可变。

相关阅读：如何理解 String 类型值的不可变？ - 知乎提问

补充（来自 issue 675）：在 Java 9 之后，String、StringBuilder 与 StringBuffer 的实现改用 byte 数组存储字符串。

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public final class String implements java.io.Serializable,Comparable<String>, CharSequence { // @Stable 注解表示变量最多被修改一次，称为“稳定的”。 @Stable private final byte[] value; } abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence { byte[] value; }

Java 9 为何要将 String 的底层实现由 char[] 改成了 byte[] ?

新版的 String 其实支持两个编码方案：Latin-1 和 UTF-16。如果字符串中包含的汉字没有超过 Latin-1 可表示范围内的字符，那就会使用 Latin-1 作为编码方案。Latin-1 编码方案下，byte 占一个字节 (8 位），char 占用 2 个字节（16），byte 相较 char 节省一半的内存空间。

JDK 官方就说了绝大部分字符串对象只包含 Latin-1 可表示的字符。

如果字符串中包含的汉字超过 Latin-1 可表示范围内的字符，byte 和 char 所占用的空间是一样的。

这是官方的介绍：https://openjdk.java.net/jeps/254 。

字符串拼接用“+” 还是 StringBuilder?

Java 语言本身并不支持运算符重载，“+”和“+=”是专门为 String 类重载过的运算符，也是 Java 中仅有的两个重载过的运算符。

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String str1 = "he";
String str2 = "llo";
String str3 = "world";
String str4 = str1 + str2 + str3;

上面的代码对应的字节码如下：

可以看出，字符串对象通过“+”的字符串拼接方式，实际上是通过 StringBuilder 调用 append() 方法实现的，拼接完成之后调用 toString() 得到一个 String 对象 。

不过，在循环内使用“+”进行字符串的拼接的话，存在比较明显的缺陷：编译器不会创建单个 StringBuilder 以复用，会导致创建过多的 StringBuilder 对象。

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String[] arr = {"he", "llo", "world"};
String s = "";
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
    s += arr[i];
}
System.out.println(s);

StringBuilder 对象是在循环内部被创建的，这意味着每循环一次就会创建一个 StringBuilder 对象。

如果直接使用 StringBuilder 对象进行字符串拼接的话，就不会存在这个问题了。

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String[] arr = {"he", "llo", "world"};
StringBuilder s = new StringBuilder();
for (String value : arr) {
    s.append(value);
}
System.out.println(s);

如果你使用 IDEA 的话，IDEA 自带的代码检查机制也会提示你修改代码。

不过，使用 “+” 进行字符串拼接会产生大量的临时对象的问题在 JDK9 中得到了解决。在 JDK9 当中，字符串相加 “+” 改为了用动态方法 makeConcatWithConstants() 来实现，而不是大量的 StringBuilder 了。这个改进是 JDK9 的 JEP 280 提出的，这也意味着 JDK 9 之后，你可以放心使用“+” 进行字符串拼接了。关于这部分改进的详细介绍，推荐阅读这篇文章：还在无脑用 StringBuilder？来重温一下字符串拼接吧 。

String#equals() 和 Object#equals() 有何区别？

String 中的 equals 方法是被重写过的，比较的是 String 字符串的值是否相等。 Object 的 equals 方法是比较的对象的内存地址。

字符串常量池的作用了解吗？

字符串常量池 是 JVM 为了提升性能和减少内存消耗针对字符串（String 类）专门开辟的一块区域，主要目的是为了避免字符串的重复创建。

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// 在堆中创建字符串对象”ab“
// 将字符串对象”ab“的引用保存在字符串常量池中
String aa = "ab";
// 直接返回字符串常量池中字符串对象”ab“的引用
String bb = "ab";
System.out.println(aa==bb);// true

更多关于字符串常量池的介绍可以看一下 Java 内存区域详解 这篇文章。

String s1 = new String(“abc”); 这句话创建了几个字符串对象？

会创建 1 或 2 个字符串对象。

1、如果字符串常量池中不存在字符串对象“abc”的引用，那么它会在堆上创建两个字符串对象，其中一个字符串对象的引用会被保存在字符串常量池中。

示例代码（JDK 1.8）：

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String s1 = new String("abc");

对应的字节码：

ldc 命令用于判断字符串常量池中是否保存了对应的字符串对象的引用，如果保存了的话直接返回，如果没有保存的话，会在堆中创建对应的字符串对象并将该字符串对象的引用保存到字符串常量池中。

2、如果字符串常量池中已存在字符串对象“abc”的引用，则只会在堆中创建 1 个字符串对象“abc”。

示例代码（JDK 1.8）：

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// 字符串常量池中已存在字符串对象“abc”的引用
String s1 = "abc";
// 下面这段代码只会在堆中创建 1 个字符串对象“abc”
String s2 = new String("abc");

对应的字节码：

这里就不对上面的字节码进行详细注释了，7 这个位置的 ldc 命令不会在堆中创建新的字符串对象“abc”，这是因为 0 这个位置已经执行了一次 ldc 命令，已经在堆中创建过一次字符串对象“abc”了。7 这个位置执行 ldc 命令会直接返回字符串常量池中字符串对象“abc”对应的引用。

String#intern 方法有什么作用？

String 在 Java 6 以后提供了 intern() 方法，目的是提示 JVM 把相应字符串缓存起来，以备重复使用。在我们创建字符串对象并调用 intern() 方法的时候，如果已经有缓存的字符串，就会返回缓存里的实例，否则将其缓存起来。

被缓存的字符串是存在永久代（PermGen）里的，而这个空间是很有限的，也基本不会被 FullGC 之外的垃圾收集照顾到。所以，如果使用不当，就可能产生 OOM。

在后续版本中，这个缓存被放置在堆中，这样就极大避免了永久代占满的问题，甚至永久代在 JDK 8 中被 MetaSpace（元数据区）替代了。而且，默认缓存大小也在不断地扩大中，从最初的 1009，到 7u40 以后被修改为 60013。

String 类型的变量和常量做“+”运算时发生了什么？

先来看字符串不加 final 关键字拼接的情况（JDK1.8）：

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String str1 = "str";
String str2 = "ing";
String str3 = "str" + "ing";
String str4 = str1 + str2;
String str5 = "string";
System.out.println(str3 == str4);//false
System.out.println(str3 == str5);//true
System.out.println(str4 == str5);//false

注意：比较 String 字符串的值是否相等，可以使用 equals() 方法。 String 中的 equals 方法是被重写过的。 Object 的 equals 方法是比较的对象的内存地址，而 String 的 equals 方法比较的是字符串的值是否相等。如果你使用 == 比较两个字符串是否相等的话，IDEA 还是提示你使用 equals() 方法替换。

对于编译期可以确定值的字符串，也就是常量字符串 ，jvm 会将其存入字符串常量池。并且，字符串常量拼接得到的字符串常量在编译阶段就已经被存放字符串常量池，这个得益于编译器的优化。

在编译过程中，Javac 编译器（下文中统称为编译器）会进行一个叫做 常量折叠 (Constant Folding) 的代码优化。《深入理解 Java 虚拟机》中是也有介绍到：

常量折叠会把常量表达式的值求出来作为常量嵌在最终生成的代码中，这是 Javac 编译器会对源代码做的极少量优化措施之一（代码优化几乎都在即时编译器中进行）。

对于 String str3 = "str" + "ing"; 编译器会给你优化成 String str3 = "string"; 。

并不是所有的常量都会进行折叠，只有编译器在程序编译期就可以确定值的常量才可以：

• 基本数据类型 ( byte、boolean、short、char、int、float、long、double) 以及字符串常量。
• final 修饰的基本数据类型和字符串变量
• 字符串通过 “+”拼接得到的字符串、基本数据类型之间算数运算（加减乘除）、基本数据类型的位运算（<<、>>、>>> ）

引用的值在程序编译期是无法确定的，编译器无法对其进行优化。

对象引用和“+”的字符串拼接方式，实际上是通过 StringBuilder 调用 append() 方法实现的，拼接完成之后调用 toString() 得到一个 String 对象 。

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String str4 = new StringBuilder().append(str1).append(str2).toString();

我们在平时写代码的时候，尽量避免多个字符串对象拼接，因为这样会重新创建对象。如果需要改变字符串的话，可以使用 StringBuilder 或者 StringBuffer。

不过，字符串使用 final 关键字声明之后，可以让编译器当做常量来处理。

示例代码：

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final String str1 = "str";
final String str2 = "ing";
// 下面两个表达式其实是等价的
String c = "str" + "ing";// 常量池中的对象
String d = str1 + str2; // 常量池中的对象
System.out.println(c == d);// true

被 final 关键字修饰之后的 String 会被编译器当做常量来处理，编译器在程序编译期就可以确定它的值，其效果就相当于访问常量。

如果 ，编译器在运行时才能知道其确切值的话，就无法对其优化。

示例代码（str2 在运行时才能确定其值）：

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final String str1 = "str";
final String str2 = getStr();
String c = "str" + "ing";// 常量池中的对象
String d = str1 + str2; // 在堆上创建的新的对象
System.out.println(c == d);// false
public static String getStr() {
      return "ing";
}

Java 容器面试三

集合判空

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

判断所有集合内部的元素是否为空，使用 isEmpty() 方法，而不是 size()==0 的方式。

这是因为 isEmpty() 方法的可读性更好，并且时间复杂度为 O(1)。

绝大部分我们使用的集合的 size() 方法的时间复杂度也是 O(1)，不过，也有很多复杂度不是 O(1) 的，比如 java.util.concurrent 包下的某些集合（ConcurrentLinkedQueue、ConcurrentHashMap…）。

下面是 ConcurrentHashMap 的 size() 方法和 isEmpty() 方法的源码。

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public int size() {
    long n = sumCount();
    return ((n < 0L) ? 0 :
            (n > (long)Integer.MAX_VALUE) ? Integer.MAX_VALUE :
            (int)n);
}
final long sumCount() {
    CounterCell[] as = counterCells; CounterCell a;
    long sum = baseCount;
    if (as != null) {
        for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
            if ((a = as[i]) != null)
                sum += a.value;
        }
    }
    return sum;
}
public boolean isEmpty() {
    return sumCount() <= 0L; // ignore transient negative values
}

集合转 Map

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

在使用 java.util.stream.Collectors 类的 toMap() 方法转为 Map 集合时，一定要注意当 value 为 null 时会抛 NPE 异常。

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class Person {
    private String name;
    private String phoneNumber;
     // getters and setters
}

List<Person> bookList = new ArrayList<>();
bookList.add(new Person("jack","18163138123"));
bookList.add(new Person("martin",null));
// 空指针异常
bookList.stream().collect(Collectors.toMap(Person::getName, Person::getPhoneNumber));

下面我们来解释一下原因。

首先，我们来看 java.util.stream.Collectors 类的 toMap() 方法 ，可以看到其内部调用了 Map 接口的 merge() 方法。

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public static <T, K, U, M extends Map<K, U>>
Collector<T, ?, M> toMap(Function<? super T, ? extends K> keyMapper,
                            Function<? super T, ? extends U> valueMapper,
                            BinaryOperator<U> mergeFunction,
                            Supplier<M> mapSupplier) {
    BiConsumer<M, T> accumulator
            = (map, element) -> map.merge(keyMapper.apply(element),
                                          valueMapper.apply(element), mergeFunction);
    return new CollectorImpl<>(mapSupplier, accumulator, mapMerger(mergeFunction), CH_ID);
}

Map 接口的 merge() 方法如下，这个方法是接口中的默认实现。

如果你还不了解 Java 8 新特性的话，请看这篇文章：《Java8 新特性总结》 。

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default V merge(K key, V value,
        BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
    Objects.requireNonNull(remappingFunction);
    Objects.requireNonNull(value);
    V oldValue = get(key);
    V newValue = (oldValue == null) ? value :
               remappingFunction.apply(oldValue, value);
    if(newValue == null) {
        remove(key);
    } else {
        put(key, newValue);
    }
    return newValue;
}

merge() 方法会先调用 Objects.requireNonNull() 方法判断 value 是否为空。

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public static <T> T requireNonNull(T obj) {
    if (obj == null)
        throw new NullPointerException();
    return obj;
}

集合遍历

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

不要在 foreach 循环里进行元素的 remove/add 操作。remove 元素请使用 Iterator 方式，如果并发操作，需要对 Iterator 对象加锁。

通过反编译你会发现 foreach 语法底层其实还是依赖 Iterator 。不过， remove/add 操作直接调用的是集合自己的方法，而不是 Iterator 的 remove/add方法

这就导致 Iterator 莫名其妙地发现自己有元素被 remove/add ，然后，它就会抛出一个 ConcurrentModificationException 来提示用户发生了并发修改异常。这就是单线程状态下产生的 fail-fast 机制。

fail-fast 机制：多个线程对 fail-fast 集合进行修改的时候，可能会抛出ConcurrentModificationException。 即使是单线程下也有可能会出现这种情况，上面已经提到过。

相关阅读：什么是 fail-fast 。

Java8 开始，可以使用 Collection#removeIf()方法删除满足特定条件的元素，如

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List<Integer> list = new ArrayList<>();
for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
    list.add(i);
}
list.removeIf(filter -> filter % 2 == 0); /* 删除 list 中的所有偶数 */
System.out.println(list); /* [1, 3, 5, 7, 9] */

除了上面介绍的直接使用 Iterator 进行遍历操作之外，你还可以：

• 使用普通的 for 循环
• 使用 fail-safe 的集合类。java.util包下面的所有的集合类都是 fail-fast 的，而java.util.concurrent包下面的所有的类都是 fail-safe 的。
• ……

集合去重

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

可以利用 Set 元素唯一的特性，可以快速对一个集合进行去重操作，避免使用 List 的 contains() 进行遍历去重或者判断包含操作。

这里我们以 HashSet 和 ArrayList 为例说明。

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// Set 去重代码示例
public static <T> Set<T> removeDuplicateBySet(List<T> data) {

    if (CollectionUtils.isEmpty(data)) {
        return new HashSet<>();
    }
    return new HashSet<>(data);
}

// List 去重代码示例
public static <T> List<T> removeDuplicateByList(List<T> data) {

    if (CollectionUtils.isEmpty(data)) {
        return new ArrayList<>();

    }
    List<T> result = new ArrayList<>(data.size());
    for (T current : data) {
        if (!result.contains(current)) {
            result.add(current);
        }
    }
    return result;
}

两者的核心差别在于 contains() 方法的实现。

HashSet 的 contains() 方法底部依赖的 HashMap 的 containsKey() 方法，时间复杂度接近于 O（1）（没有出现哈希冲突的时候为 O（1））。

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private transient HashMap<E,Object> map;
public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
}

我们有 N 个元素插入进 Set 中，那时间复杂度就接近是 O (n)。

ArrayList 的 contains() 方法是通过遍历所有元素的方法来做的，时间复杂度接近是 O(n)。

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public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) >= 0;
}
public int indexOf(Object o) {
    if (o == null) {
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (elementData[i]==null)
                return i;
    } else {
        for (int i = 0; i < size; i++)
            if (o.equals(elementData[i]))
                return i;
    }
    return -1;
}

集合转数组

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

使用集合转数组的方法，必须使用集合的 toArray(T[] array)，传入的是类型完全一致、长度为 0 的空数组。

toArray(T[] array) 方法的参数是一个泛型数组，如果 toArray 方法中没有传递任何参数的话返回的是 Object类 型数组。

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String [] s= new String[]{
    "dog", "lazy", "a", "over", "jumps", "fox", "brown", "quick", "A"
};
List<String> list = Arrays.asList(s);
Collections.reverse(list);
//没有指定类型的话会报错
s=list.toArray(new String[0]);

由于 JVM 优化，new String[0]作为Collection.toArray()方法的参数现在使用更好，new String[0]就是起一个模板的作用，指定了返回数组的类型，0 是为了节省空间，因为它只是为了说明返回的类型。详见：https://shipilev.net/blog/2016/arrays-wisdom-ancients/

数组转集合

《阿里巴巴 Java 开发手册》的描述如下：

使用工具类 Arrays.asList() 把数组转换成集合时，不能使用其修改集合相关的方法， 它的 add/remove/clear 方法会抛出 UnsupportedOperationException 异常。

我在之前的一个项目中就遇到一个类似的坑。

Arrays.asList()在平时开发中还是比较常见的，我们可以使用它将一个数组转换为一个 List 集合。

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String[] myArray = {"Apple", "Banana", "Orange"};
List<String> myList = Arrays.asList(myArray);
//上面两个语句等价于下面一条语句
List<String> myList = Arrays.asList("Apple","Banana", "Orange");

JDK 源码对于这个方法的说明：

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/**
  *返回由指定数组支持的固定大小的列表。此方法作为基于数组和基于集合的 API 之间的桥梁，
  * 与 Collection.toArray() 结合使用。返回的 List 是可序列化并实现 RandomAccess 接口。
  */
public static <T> List<T> asList(T... a) {
    return new ArrayList<>(a);
}

下面我们来总结一下使用注意事项。

问题一、不能直接使用 Arrays.asList 来转换基本类型数组

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int[] arr = { 1, 2, 3 };
List list = Arrays.asList(arr);
log.info("list:{} size:{} class:{}", list, list.size(), list.get(0).getClass());

在上面的示例中，通过 Arrays.asList 将 int[] 数组初始化为 List 后。这个List 包含的其实是一个 int 数组，整个 List 的元素个数是 1，元素类型是整数数组。

其原因是，只能是把 int 装箱为 Integer，不可能把 int 数组装箱为 Integer 数组。我们知 道，Arrays.asList 方法传入的是一个泛型 T 类型可变参数，最终 int 数组整体作为了一个 对象成为了泛型类型 T

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public static <T> List<T> asList(T... a) {
	return new ArrayList<>(a);
}

直接遍历这样的 List 必然会出现 Bug。

问题二、使用集合的修改方法：add()、remove()、clear()会抛出异常。

Arrays.asList 返回的 List 并不是我们期望的 java.util.ArrayList，而是 Arrays 的内部类。这个内部类继承自 AbstractList 类，但没有覆写父类的 add、remove、clear 方法，而父类中的这几个方法默认会抛出 UnsupportedOperationException。

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String[] arr = { "1", "2", "3" };
List list = Arrays.asList(arr);
list.add(4);//运行时报错：UnsupportedOperationException
list.remove(1);//运行时报错：UnsupportedOperationException
list.clear();//运行时报错：UnsupportedOperationException

下图是 java.util.Arrays$ArrayList 的简易源码，我们可以看到这个类重写的方法有哪些。

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private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
      implements RandomAccess, java.io.Serializable
  {
      ...

      @Override
      public E get(int index) {
        ...
      }

      @Override
      public E set(int index, E element) {
        ...
      }

      @Override
      public int indexOf(Object o) {
        ...
      }

      @Override
      public boolean contains(Object o) {
         ...
      }

      @Override
      public void forEach(Consumer<? super E> action) {
        ...
      }

      @Override
      public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
        ...
      }

      @Override
      public void sort(Comparator<? super E> c) {
        ...
      }
  }

我们再看一下java.util.AbstractList的 add/remove/clear 方法就知道为什么会抛出 UnsupportedOperationException 了。

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public E remove(int index) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}
public boolean add(E e) {
    add(size(), e);
    return true;
}
public void add(int index, E element) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

public void clear() {
    removeRange(0, size());
}
protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) {
    ListIterator<E> it = listIterator(fromIndex);
    for (int i=0, n=toIndex-fromIndex; i<n; i++) {
        it.next();
        it.remove();
    }
}

那我们如何正确的将数组转换为 ArrayList ?

1、手动实现工具类

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//JDK1.5+
static <T> List<T> arrayToList(final T[] array) {
  final List<T> l = new ArrayList<T>(array.length);

  for (final T s : array) {
    l.add(s);
  }
  return l;
}

Integer [] myArray = { 1, 2, 3 };
System.out.println(arrayToList(myArray).getClass());//class java.util.ArrayList

2、最简便的方法

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List list = new ArrayList<>(Arrays.asList("a", "b", "c"))

3、使用 Java8 的 Stream（推荐）

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Integer [] myArray = { 1, 2, 3 };
List myList = Arrays.stream(myArray).collect(Collectors.toList());
//基本类型也可以实现转换（依赖 boxed 的装箱操作）
int [] myArray2 = { 1, 2, 3 };
List myList = Arrays.stream(myArray2).boxed().collect(Collectors.toList());

4、使用 Guava

对于不可变集合，你可以使用 ImmutableList 类及其 of() 与 copyOf() 工厂方法：（参数不能为空）

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List<String> il = ImmutableList.of("string", "elements");  // from varargs
List<String> il = ImmutableList.copyOf(aStringArray);      // from array

对于可变集合，你可以使用 Lists 类及其 newArrayList() 工厂方法：

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List<String> l1 = Lists.newArrayList(anotherListOrCollection);    // from collection
List<String> l2 = Lists.newArrayList(aStringArray);               // from array
List<String> l3 = Lists.newArrayList("or", "string", "elements"); // from varargs

5、使用 Apache Commons Collections

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List<String> list = new ArrayList<String>();
CollectionUtils.addAll(list, str);

6、 使用 Java9 的 List.of()方法

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Integer[] array = {1, 2, 3};
List<Integer> list = List.of(array);

使用 List.subList 进行切片操作居然会导致 OOM

List.subList 返回的子 List 不是一个普通的 ArrayList。这个子 List 可以认为是原始 List 的视图，会和原始 List 相互影响。如果不注意，很可能会因此产生 OOM 问题。

如下代码所示，定义一个名为 data 的静态 List 来存放 Integer 的 List，[也就是说 data 的成员本身是包含了多个数字的 List。循环 1000 次，每次都从一个具有 10 万个 Integer 的 List 中，使用 subList 方法获得一个只包含一个数字的子 List，并把这个子 List 加入 data 变量：

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private static List<List<Integer>> data = new ArrayList<>();

private static void oom() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        List<Integer> rawList = IntStream.rangeClosed(1, 100000).boxed().collect(Collectors.toList());
        data.add(rawList.subList(0, 1));
    }
}

出现 OOM 的原因是，循环中的 1000 个具有 10 万个元素的 List 始终得不到回收，因为它始终被 subList 方法返回的 List 强引用。

参考资料

• 极客时间教程 - Java 业务开发常见错误 100 例

Java 容器面试二

Map

HashMap 和 Hashtable 的区别

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。

二者的主要差别如下：

• 线程是否安全： HashMap 是非线程安全的，Hashtable 是线程安全的，因为 Hashtable 内部的方法基本都经过synchronized 修饰。（如果你要保证线程安全的话就使用 ConcurrentHashMap 吧！）；
• 效率： 因为线程安全的问题，HashMap 要比 Hashtable 效率高一点。另外，Hashtable 基本被淘汰，不要在代码中使用它；
• 对 Null key 和 Null value 的支持： HashMap 可以存储 null 的 key 和 value，但 null 作为键只能有一个，null 作为值可以有多个；Hashtable 不允许有 null 键和 null 值，否则会抛出 NullPointerException。
• 初始容量大小和每次扩充容量大小的不同： ① 创建时如果不指定容量初始值，Hashtable 默认的初始大小为 11，之后每次扩充，容量变为原来的 2n+1。HashMap 默认的初始化大小为 16。之后每次扩充，容量变为原来的 2 倍。② 创建时如果给定了容量初始值，那么 Hashtable 会直接使用你给定的大小，而 HashMap 会将其扩充为 2 的幂次方大小（HashMap 中的tableSizeFor()方法保证，下面给出了源代码）。也就是说 HashMap 总是使用 2 的幂作为哈希表的大小，后面会介绍到为什么是 2 的幂次方。
• 底层数据结构： JDK1.8 以后的 HashMap 在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为 8）时，将链表转化为红黑树（将链表转换成红黑树前会判断，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容，而不是转换为红黑树），以减少搜索时间（后文中我会结合源码对这一过程进行分析）。Hashtable 没有这样的机制。

HashMap 中带有初始容量的构造函数：

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public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                           initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                           loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
 public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}

下面这个方法保证了 HashMap 总是使用 2 的幂作为哈希表的大小。

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/**
 * Returns a power of two size for the given target capacity.
 */
static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
}

HashMap 和 HashSet 区别

如果你看过 HashSet 源码的话就应该知道：HashSet 底层就是基于 HashMap 实现的。（HashSet 的源码非常非常少，因为除了 clone()、writeObject()、readObject()是 HashSet 自己不得不实现之外，其他方法都是直接调用 HashMap 中的方法。

HashMap、TreeMap、LinkedHashMap 的区别

大部分使用 Map 的场景，通常就是放入、访问或者删除，而对顺序没有特别要求，HashMap 在这种情况下基本是最好的选择。HashMap 的性能表现非常依赖于哈希码的有效性，请务必掌握 hashCode 和 equals 的一些基本约定，比如：

• equals 相等，hashCode 一定要相等。
• 重写了 hashCode 也要重写 equals。
• hashCode 需要保持一致性，状态改变返回的哈希值仍然要一致。
• equals 的对称、反射、传递等特性。

LinkedHashMap 和 TreeMap 都可以保证某种顺序，但二者还是非常不同的。

• LinkedHashMap 通常提供的是遍历顺序符合插入顺序，它的实现是通过为条目（键值对）维护一个双向链表。注意，通过特定构造函数，我们可以创建反映访问顺序的实例，所谓的 put、get、compute 等，都算作“访问”。
• 对于 TreeMap，它的整体顺序是由键的顺序关系决定的，通过 Comparator 或 Comparable（自然顺序）来决定。

HashSet 如何检查重复？

以下内容摘自我的 Java 启蒙书《Head first java》第二版：

当你把对象加入HashSet时，HashSet 会先计算对象的hashcode值来判断对象加入的位置，同时也会与其他加入的对象的 hashcode 值作比较，如果没有相符的 hashcode，HashSet 会假设对象没有重复出现。但是如果发现有相同 hashcode 值的对象，这时会调用equals()方法来检查 hashcode 相等的对象是否真的相同。如果两者相同，HashSet 就不会让加入操作成功。

在 JDK1.8 中，HashSet的add()方法只是简单的调用了HashMap的put()方法，并且判断了一下返回值以确保是否有重复元素。直接看一下HashSet中的源码：

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// Returns: true if this set did not already contain the specified element
// 返回值：当 set 中没有包含 add 的元素时返回真
public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
}

而在HashMap的putVal()方法中也能看到如下说明：

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// Returns : previous value, or null if none
// 返回值：如果插入位置没有元素返回 null，否则返回上一个元素
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
...
}

也就是说，在 JDK1.8 中，实际上无论HashSet中是否已经存在了某元素，HashSet都会直接插入，只是会在add()方法的返回值处告诉我们插入前是否存在相同元素。

HashMap 的底层实现

JDK1.8 之前

JDK1.8 之前 HashMap 底层是 数组和链表 结合在一起使用也就是 链表散列。HashMap 通过 key 的 hashcode 经过扰动函数处理过后得到 hash 值，然后通过 (n - 1) & hash 判断当前元素存放的位置（这里的 n 指的是数组的长度），如果当前位置存在元素的话，就判断该元素与要存入的元素的 hash 值以及 key 是否相同，如果相同的话，直接覆盖，不相同就通过拉链法解决冲突。

所谓扰动函数指的就是 HashMap 的 hash 方法。使用 hash 方法也就是扰动函数是为了防止一些实现比较差的 hashCode() 方法 换句话说使用扰动函数之后可以减少碰撞。

JDK 1.8 HashMap 的 hash 方法源码：

JDK 1.8 的 hash 方法相比于 JDK 1.7 hash 方法更加简化，但是原理不变。

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  static final int hash(Object key) {
    int h;
    // key.hashCode()：返回散列值也就是 hashcode
    // ^：按位异或
    // >>>: 无符号右移，忽略符号位，空位都以 0 补齐
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

对比一下 JDK1.7 的 HashMap 的 hash 方法源码。

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static int hash(int h) {
    // This function ensures that hashCodes that differ only by
    // constant multiples at each bit position have a bounded
    // number of collisions (approximately 8 at default load factor).

    h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
    return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}

相比于 JDK1.8 的 hash 方法 ，JDK 1.7 的 hash 方法的性能会稍差一点点，因为毕竟扰动了 4 次。

所谓 “拉链法” 就是：将链表和数组相结合。也就是说创建一个链表数组，数组中每一格就是一个链表。若遇到哈希冲突，则将冲突的值加到链表中即可。

JDK1.8 之后

相比于之前的版本， JDK1.8 之后在解决哈希冲突时有了较大的变化，当链表长度大于阈值（默认为 8）（将链表转换成红黑树前会判断，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容，而不是转换为红黑树）时，将链表转化为红黑树，以减少搜索时间。

TreeMap、TreeSet 以及 JDK1.8 之后的 HashMap 底层都用到了红黑树。红黑树就是为了解决二叉查找树的缺陷，因为二叉查找树在某些情况下会退化成一个线性结构。

我们来结合源码分析一下 HashMap 链表到红黑树的转换。

1、 putVal 方法中执行链表转红黑树的判断逻辑。

链表的长度大于 8 的时候，就执行 treeifyBin （转换红黑树）的逻辑。

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// 遍历链表
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
    // 遍历到链表最后一个节点
    if ((e = p.next) == null) {
        p.next = newNode(hash, key, value, null);
        // 如果链表元素个数大于 TREEIFY_THRESHOLD（8）
        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
            // 红黑树转换（并不会直接转换成红黑树）
            treeifyBin(tab, hash);
        break;
    }
    if (e.hash == hash &&
        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
        break;
    p = e;
}

2、treeifyBin 方法中判断是否真的转换为红黑树。

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final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
    int n, index; Node<K,V> e;
    // 判断当前数组的长度是否小于 64
    if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
        // 如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容
        resize();
    else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        // 否则才将列表转换为红黑树

        TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
        do {
            TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
            if (tl == null)
                hd = p;
            else {
                p.prev = tl;
                tl.next = p;
            }
            tl = p;
        } while ((e = e.next) != null);
        if ((tab[index] = hd) != null)
            hd.treeify(tab);
    }
}

将链表转换成红黑树前会判断，如果当前数组的长度小于 64，那么会选择先进行数组扩容，而不是转换为红黑树。

HashMap 的长度为什么是 2 的幂次方

为了能让 HashMap 存取高效，尽量较少碰撞，也就是要尽量把数据分配均匀。我们上面也讲到了过了，Hash 值的范围值-2147483648 到 2147483647，前后加起来大概 40 亿的映射空间，只要哈希函数映射得比较均匀松散，一般应用是很难出现碰撞的。但问题是一个 40 亿长度的数组，内存是放不下的。所以这个散列值是不能直接拿来用的。用之前还要先做对数组的长度取模运算，得到的余数才能用来要存放的位置也就是对应的数组下标。

这个算法应该如何设计呢？

我们首先可能会想到采用 % 取余的操作来实现。但是，重点来了：“取余 (%) 操作中如果除数是 2 的幂次则等价于与其除数减一的与 (&) 操作（也就是说 hash%length==hash&(length-1) 的前提是 length 是 2 的 n 次方；）。” 并且 采用二进制位操作 & 相对于 % 能够提高运算效率，这就解释了 HashMap 的长度为什么是 2 的幂次方。

HashMap 多线程操作导致死循环问题

JDK1.7 及之前版本的 HashMap 在多线程环境下扩容操作可能存在死循环问题，这是由于当一个桶位中有多个元素需要进行扩容时，多个线程同时对链表进行操作，头插法可能会导致链表中的节点指向错误的位置，从而形成一个环形链表，进而使得查询元素的操作陷入死循环无法结束。

为了解决这个问题，JDK1.8 版本的 HashMap 采用了尾插法而不是头插法来避免链表倒置，使得插入的节点永远都是放在链表的末尾，避免了链表中的环形结构。但是还是不建议在多线程下使用 HashMap，因为多线程下使用 HashMap 还是会存在数据覆盖的问题。并发环境下，推荐使用 ConcurrentHashMap 。

一般面试中这样介绍就差不多，不需要记各种细节，个人觉得也没必要记。如果想要详细了解 HashMap 扩容导致死循环问题，可以看看耗子叔的这篇文章：Java HashMap 的死循环。

HashMap 为什么线程不安全？

JDK1.7 及之前版本，在多线程环境下，HashMap 扩容时会造成死循环和数据丢失的问题。

数据丢失这个在 JDK1.7 和 JDK 1.8 中都存在，这里以 JDK 1.8 为例进行介绍。

JDK 1.8 后，在 HashMap 中，多个键值对可能会被分配到同一个桶（bucket），并以链表或红黑树的形式存储。多个线程对 HashMap 的 put 操作会导致线程不安全，具体来说会有数据覆盖的风险。

举个例子：

• 两个线程 1,2 同时进行 put 操作，并且发生了哈希冲突（hash 函数计算出的插入下标是相同的）。
• 不同的线程可能在不同的时间片获得 CPU 执行的机会，当前线程 1 执行完哈希冲突判断后，由于时间片耗尽挂起。线程 2 先完成了插入操作。
• 随后，线程 1 获得时间片，由于之前已经进行过 hash 碰撞的判断，所有此时会直接进行插入，这就导致线程 2 插入的数据被线程 1 覆盖了。

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public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
    // ...
    // 判断是否出现 hash 碰撞
    // (n - 1) & hash 确定元素存放在哪个桶中，桶为空，新生成结点放入桶中（此时，这个结点是放在数组中）
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    // 桶中已经存在元素（处理 hash 冲突）
    else {
    // ...
}

还有一种情况是这两个线程同时 put 操作导致 size 的值不正确，进而导致数据覆盖的问题：

1. 线程 1 执行 if(++size > threshold) 判断时，假设获得 size 的值为 10，由于时间片耗尽挂起。
2. 线程 2 也执行 if(++size > threshold) 判断，获得 size 的值也为 10，并将元素插入到该桶位中，并将 size 的值更新为 11。
3. 随后，线程 1 获得时间片，它也将元素放入桶位中，并将 size 的值更新为 11。
4. 线程 1、2 都执行了一次 put 操作，但是 size 的值只增加了 1，也就导致实际上只有一个元素被添加到了 HashMap 中。

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public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
    // ...
    // 实际大小大于阈值则扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    // 插入后回调
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别

ConcurrentHashMap 和 Hashtable 的区别主要体现在实现线程安全的方式上不同。

• 底层数据结构： JDK1.7 的 ConcurrentHashMap 底层采用 分段的数组+链表 实现，JDK1.8 采用的数据结构跟 HashMap1.8 的结构一样，数组+链表/红黑二叉树。Hashtable 和 JDK1.8 之前的 HashMap 的底层数据结构类似都是采用 数组+链表 的形式，数组是 HashMap 的主体，链表则是主要为了解决哈希冲突而存在的；
• 实现线程安全的方式（重要）：
  • 在 JDK1.7 的时候，ConcurrentHashMap 对整个桶数组进行了分割分段 (Segment，分段锁），每一把锁只锁容器其中一部分数据（下面有示意图），多线程访问容器里不同数据段的数据，就不会存在锁竞争，提高并发访问率。
  • 到了 JDK1.8 的时候，ConcurrentHashMap 已经摒弃了 Segment 的概念，而是直接用 Node 数组+链表+红黑树的数据结构来实现，并发控制使用 synchronized 和 CAS 来操作。（JDK1.6 以后 synchronized 锁做了很多优化） 整个看起来就像是优化过且线程安全的 HashMap，虽然在 JDK1.8 中还能看到 Segment 的数据结构，但是已经简化了属性，只是为了兼容旧版本；
  • Hashtable（同一把锁） : 使用 synchronized 来保证线程安全，效率非常低下。当一个线程访问同步方法时，其他线程也访问同步方法，可能会进入阻塞或轮询状态，如使用 put 添加元素，另一个线程不能使用 put 添加元素，也不能使用 get，竞争会越来越激烈效率越低。

下面，我们再来看看两者底层数据结构的对比图。

Hashtable :

https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6842045.html%3E

JDK1.7 的 ConcurrentHashMap：

ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成。

Segment 数组中的每个元素包含一个 HashEntry 数组，每个 HashEntry 数组属于链表结构。

JDK1.8 的 ConcurrentHashMap：

JDK1.8 的 ConcurrentHashMap 不再是 Segment 数组 + HashEntry 数组 + 链表，而是 Node 数组 + 链表 / 红黑树。不过，Node 只能用于链表的情况，红黑树的情况需要使用 **TreeNode**。当冲突链表达到一定长度时，链表会转换成红黑树。

TreeNode是存储红黑树节点，被TreeBin包装。TreeBin通过root属性维护红黑树的根结点，因为红黑树在旋转的时候，根结点可能会被它原来的子节点替换掉，在这个时间点，如果有其他线程要写这棵红黑树就会发生线程不安全问题，所以在 ConcurrentHashMap 中TreeBin通过waiter属性维护当前使用这棵红黑树的线程，来防止其他线程的进入。

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static final class TreeBin<K,V> extends Node<K,V> {
        TreeNode<K,V> root;
        volatile TreeNode<K,V> first;
        volatile Thread waiter;
        volatile int lockState;
        // values for lockState
        static final int WRITER = 1; // set while holding write lock
        static final int WAITER = 2; // set when waiting for write lock
        static final int READER = 4; // increment value for setting read lock
...
}

ConcurrentHashMap 线程安全的具体实现方式/底层具体实现

JDK1.8 之前

首先将数据分为一段一段（这个“段”就是 Segment）的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据时，其他段的数据也能被其他线程访问。

ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成。

Segment 继承了 ReentrantLock, 所以 Segment 是一种可重入锁，扮演锁的角色。HashEntry 用于存储键值对数据。

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static class Segment<K,V> extends ReentrantLock implements Serializable {
}

一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组，Segment 的个数一旦初始化就不能改变。 Segment 数组的大小默认是 16，也就是说默认可以同时支持 16 个线程并发写。

Segment 的结构和 HashMap 类似，是一种数组和链表结构，一个 Segment 包含一个 HashEntry 数组，每个 HashEntry 是一个链表结构的元素，每个 Segment 守护着一个 HashEntry 数组里的元素，当对 HashEntry 数组的数据进行修改时，必须首先获得对应的 Segment 的锁。也就是说，对同一 Segment 的并发写入会被阻塞，不同 Segment 的写入是可以并发执行的。

JDK1.8 之后

Java 8 几乎完全重写了 ConcurrentHashMap，代码量从原来 Java 7 中的 1000 多行，变成了现在的 6000 多行。

ConcurrentHashMap 取消了 Segment 分段锁，采用 Node + CAS + synchronized 来保证并发安全。数据结构跟 HashMap 1.8 的结构类似，数组+链表/红黑二叉树。Java 8 在链表长度超过一定阈值（8）时将链表（寻址时间复杂度为 O(N)）转换为红黑树（寻址时间复杂度为 O(log(N))）。

Java 8 中，锁粒度更细，synchronized 只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点，这样只要 hash 不冲突，就不会产生并发，就不会影响其他 Node 的读写，效率大幅提升。

JDK 1.7 和 JDK 1.8 的 ConcurrentHashMap 实现有什么不同？

• 线程安全实现方式：JDK 1.7 采用 Segment 分段锁来保证安全， Segment 是继承自 ReentrantLock。JDK1.8 放弃了 Segment 分段锁的设计，采用 Node + CAS + synchronized 保证线程安全，锁粒度更细，synchronized 只锁定当前链表或红黑二叉树的首节点。
• Hash 碰撞解决方法 : JDK 1.7 采用拉链法，JDK1.8 采用拉链法结合红黑树（链表长度超过一定阈值时，将链表转换为红黑树）。
• 并发度：JDK 1.7 最大并发度是 Segment 的个数，默认是 16。JDK 1.8 最大并发度是 Node 数组的大小，并发度更大。

ConcurrentHashMap 为什么 key 和 value 不能为 null？

ConcurrentHashMap 的 key 和 value 不能为 null 主要是为了避免二义性。null 是一个特殊的值，表示没有对象或没有引用。如果你用 null 作为键，那么你就无法区分这个键是否存在于 ConcurrentHashMap 中，还是根本没有这个键。同样，如果你用 null 作为值，那么你就无法区分这个值是否是真正存储在 ConcurrentHashMap 中的，还是因为找不到对应的键而返回的。

拿 get 方法取值来说，返回的结果为 null 存在两种情况：

• 值没有在集合中 ；
• 值本身就是 null。

这也就是二义性的由来。

具体可以参考 ConcurrentHashMap 源码分析 。

多线程环境下，存在一个线程操作该 ConcurrentHashMap 时，其他的线程将该 ConcurrentHashMap 修改的情况，所以无法通过 containsKey(key) 来判断否存在这个键值对，也就没办法解决二义性问题了。

与此形成对比的是，HashMap 可以存储 null 的 key 和 value，但 null 作为键只能有一个，null 作为值可以有多个。如果传入 null 作为参数，就会返回 hash 值为 0 的位置的值。单线程环境下，不存在一个线程操作该 HashMap 时，其他的线程将该 HashMap 修改的情况，所以可以通过 contains(key)来做判断是否存在这个键值对，从而做相应的处理，也就不存在二义性问题。

也就是说，多线程下无法正确判定键值对是否存在（存在其他线程修改的情况），单线程是可以的（不存在其他线程修改的情况）。

如果你确实需要在 ConcurrentHashMap 中使用 null 的话，可以使用一个特殊的静态空对象来代替 null。

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public static final Object NULL = new Object();

最后，再分享一下 ConcurrentHashMap 作者本人 (Doug Lea) 对于这个问题的回答：

The main reason that nulls aren’t allowed in ConcurrentMaps (ConcurrentHashMaps, ConcurrentSkipListMaps) is that ambiguities that may be just barely tolerable in non-concurrent maps can’t be accommodated. The main one is that if map.get(key) returns null, you can’t detect whether the key explicitly maps to null vs the key isn’t mapped. In a non-concurrent map, you can check this via map.contains(key), but in a concurrent one, the map might have changed between calls.

翻译过来之后的，大致意思还是单线程下可以容忍歧义，而多线程下无法容忍。

ConcurrentHashMap 能保证复合操作的原子性吗？

ConcurrentHashMap 是线程安全的，意味着它可以保证多个线程同时对它进行读写操作时，不会出现数据不一致的情况，也不会导致 JDK1.7 及之前版本的 HashMap 多线程操作导致死循环问题。但是，这并不意味着它可以保证所有的复合操作都是原子性的，一定不要搞混了！

复合操作是指由多个基本操作（如put、get、remove、containsKey等）组成的操作，例如先判断某个键是否存在containsKey(key)，然后根据结果进行插入或更新put(key, value)。这种操作在执行过程中可能会被其他线程打断，导致结果不符合预期。

例如，有两个线程 A 和 B 同时对 ConcurrentHashMap 进行复合操作，如下：

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// 线程 A
if (!map.containsKey(key)) {
map.put(key, value);
}
// 线程 B
if (!map.containsKey(key)) {
map.put(key, anotherValue);
}

如果线程 A 和 B 的执行顺序是这样：

1. 线程 A 判断 map 中不存在 key
2. 线程 B 判断 map 中不存在 key
3. 线程 B 将 (key, anotherValue) 插入 map
4. 线程 A 将 (key, value) 插入 map

那么最终的结果是 (key, value)，而不是预期的 (key, anotherValue)。这就是复合操作的非原子性导致的问题。

那如何保证 ConcurrentHashMap 复合操作的原子性呢？

ConcurrentHashMap 提供了一些原子性的复合操作，如 putIfAbsent、compute、computeIfAbsent 、computeIfPresent、merge等。这些方法都可以接受一个函数作为参数，根据给定的 key 和 value 来计算一个新的 value，并且将其更新到 map 中。

上面的代码可以改写为：

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// 线程 A
map.putIfAbsent(key, value);
// 线程 B
map.putIfAbsent(key, anotherValue);

或者：

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// 线程 A
map.computeIfAbsent(key, k -> value);
// 线程 B
map.computeIfAbsent(key, k -> anotherValue);

很多同学可能会说了，这种情况也能加锁同步呀！确实可以，但不建议使用加锁的同步机制，违背了使用 ConcurrentHashMap 的初衷。在使用 ConcurrentHashMap 的时候，尽量使用这些原子性的复合操作方法来保证原子性。

Collections 工具类（不重要）

Collections 工具类常用方法:

• 排序
• 查找，替换操作
• 同步控制（不推荐，需要线程安全的集合类型时请考虑使用 JUC 包下的并发集合）

排序操作

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void reverse(List list)//反转
void shuffle(List list)//随机排序
void sort(List list)//按自然排序的升序排序
void sort(List list, Comparator c)//定制排序，由 Comparator 控制排序逻辑
void swap(List list, int i , int j)//交换两个索引位置的元素
void rotate(List list, int distance)//旋转。当 distance 为正数时，将 list 后 distance 个元素整体移到前面。当 distance 为负数时，将 list 的前 distance 个元素整体移到后面

查找，替换操作

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int binarySearch(List list, Object key)//对 List 进行二分查找，返回索引，注意 List 必须是有序的
int max(Collection coll)//根据元素的自然顺序，返回最大的元素。 类比 int min(Collection coll)
int max(Collection coll, Comparator c)//根据定制排序，返回最大元素，排序规则由 Comparatator 类控制。类比 int min(Collection coll, Comparator c)
void fill(List list, Object obj)//用指定的元素代替指定 list 中的所有元素
int frequency(Collection c, Object o)//统计元素出现次数
int indexOfSubList(List list, List target)//统计 target 在 list 中第一次出现的索引，找不到则返回-1，类比 int lastIndexOfSubList(List source, list target)
boolean replaceAll(List list, Object oldVal, Object newVal)//用新元素替换旧元素

同步控制

Collections 提供了多个synchronizedXxx()方法·，该方法可以将指定集合包装成线程同步的集合，从而解决多线程并发访问集合时的线程安全问题。

我们知道 HashSet，TreeSet，ArrayList,LinkedList,HashMap,TreeMap 都是线程不安全的。Collections 提供了多个静态方法可以把他们包装成线程同步的集合。

最好不要用下面这些方法，效率非常低，需要线程安全的集合类型时请考虑使用 JUC 包下的并发集合。

方法如下：

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synchronizedCollection(Collection<T>  c) //返回指定 collection 支持的同步（线程安全的）collection。
synchronizedList(List<T> list)//返回指定列表支持的同步（线程安全的）List。
synchronizedMap(Map<K,V> m) //返回由指定映射支持的同步（线程安全的）Map。
synchronizedSet(Set<T> s) //返回指定 set 支持的同步（线程安全的）set。

Java 虚拟机面试一

引用类型

Java 支持哪些引用类型？分别用于什么场景？

无论是通过引用计算算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象的引用链是否可达，判定对象是否可被回收都与引用有关。

Java 具有四种强度不同的引用类型：

• 强引用（Strong Reference）
• 软引用（Soft Reference）
• 弱引用（Weak Reference）
• 虚引用

（1）强引用

被强引用（Strong Reference）关联的对象不会被垃圾收集器回收。

使用 new 一个新对象的方式来创建强引用。

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Object obj = new Object();

（2）软引用

被软引用（Soft Reference）关联的对象，只有在 JVM 内存不够的情况下才会被回收。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。

使用 SoftReference 类来创建软引用。

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Object obj = new Object();
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<Object>(obj);
obj = null; // 使对象只被软引用关联

（3）弱引用

被弱引用（Weak Reference）关联的对象一定会被垃圾收集器回收，也就是说它只能存活到下一次垃圾收集发生之前。

使用 WeakReference 类来实现弱引用。

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Object obj = new Object();
WeakReference<Object> wf = new WeakReference<Object>(obj);
obj = null;

WeakHashMap 的 Entry 继承自 WeakReference，主要用来实现缓存。

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private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V>

Tomcat 中的 ConcurrentCache 就使用了 WeakHashMap 来实现缓存功能。ConcurrentCache 采取的是分代缓存，经常使用的对象放入 eden 中，而不常用的对象放入 longterm。eden 使用 ConcurrentHashMap 实现，longterm 使用 WeakHashMap，保证了不常使用的对象容易被回收。

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public final class ConcurrentCache<K, V> {

    private final int size;

    private final Map<K, V> eden;

    private final Map<K, V> longterm;

    public ConcurrentCache(int size) {
        this.size = size;
        this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);
        this.longterm = new WeakHashMap<>(size);
    }

    public V get(K k) {
        V v = this.eden.get(k);
        if (v == null) {
            v = this.longterm.get(k);
            if (v != null)
                this.eden.put(k, v);
        }
        return v;
    }

    public void put(K k, V v) {
        if (this.eden.size() >= size) {
            this.longterm.putAll(this.eden);
            this.eden.clear();
        }
        this.eden.put(k, v);
    }
}

（4）虚引用

又称为幽灵引用或者幻影引用。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用取得一个对象实例。

为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

使用 PhantomReference 来实现虚引用。

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Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> pf = new PhantomReference<Object>(obj);
obj = null;

Java 基础面试一

Java 常识

Oracle JDK 和 Open JDK

典型问题

Oracle JDK 和 Open JDK 有什么区别？

知识点

Java SE 和 Java EE

典型问题

Java SE 和 Java EE 有什么区别？

知识点

Java 技术既是一种编程语言，又是一种平台。Java 编程语言是一种具有特定语法和风格的高级面向对象语言。Java 平台是 Java 编程语言应用程序运行的特定环境。

• Java SE（Java Platform, Standard Edition） - Java 平台标准版。Java SE 的 API 提供了 Java 编程语言的核心功能。它定义了从 Java 编程语言的基本类型和对象到用于网络、安全、数据库访问、图形用户界面 (GUI) 开发和 XML 解析的高级类的所有内容。除了核心 API 之外，Java SE 平台还包括虚拟机、开发工具、部署技术以及 Java 技术应用程序中常用的其他类库和工具包。
• Java EE（Java Platform, Enterprise Edition） - Java 平台企业版。Java EE 构建在 Java SE 基础之上。 Java EE 定义了企业级应用程序开发和部署的标准和规范，如：Servlet、JSP、EJB、JDBC、JPA、JTA、JavaMail、JMS。

摘自 Your First Cup

JDK、JRE、JVM 之间有什么关系

JVM - Java Virtual Machine 的缩写，即 Java 虚拟机。JVM 是运行 Java 字节码的虚拟机。JVM 不理解 Java 源代码，这就是为什么要将 *.java 文件编译为 JVM 可理解的 *.class 文件（字节码）。Java 有一句著名的口号：“Write Once, Run Anywhere（一次编写，随处运行）”，JVM 正是其核心所在。实际上，JVM 针对不同的系统（Windows、Linux、MacOS）有不同的实现，目的在于用相同的字节码执行同样的结果。

JRE - Java Runtime Environment 的缩写，即 Java 运行时环境。它是运行已编译 Java 程序所需的一切的软件包，主要包括 JVM、Java 类库（Class Library）、Java 命令和其他基础结构。但是，它不能用于创建新程序。

JDK - Java Development Kit 的缩写，即 Java SDK。它不仅包含 JRE 的所有功能，还包含编译器 (javac) 和工具（如 javadoc 和 jdb）。它能够创建和编译程序。

总结来说，JDK、JRE、JVM 三者的关系是：JDK > JRE > JVM

JDK = JRE + 开发/调试工具

JRE = JVM + Java 类库 + Java 运行库

JVM = 类加载系统 + 运行时内存区域 + 执行引擎

摘自 stackoverflow 高票问题 - What is the difference between JDK and JRE?

什么是字节码？采用字节码的好处是什么？

在 Java 中，JVM 可以理解的代码就叫做字节码（即扩展名为 .class 的文件），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。Java 语言通过字节码的方式，在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题，同时又保留了解释型语言可移植的特点。所以， Java 程序运行时相对来说还是高效的（不过，和 C、 C++，Rust，Go 等语言还是有一定差距的），而且，由于字节码并不针对一种特定的机器，因此，Java 程序无须重新编译便可在多种不同操作系统的计算机上运行。

我们需要格外注意的是 .class->机器码 这一步。在这一步 JVM 类加载器首先加载字节码文件，然后通过解释器逐行解释执行，这种方式的执行速度会相对比较慢。而且，有些方法和代码块是经常需要被调用的（也就是所谓的热点代码），所以后面引进了 JIT（Just in Time Compilation） 编译器，而 JIT 属于运行时编译。当 JIT 编译器完成第一次编译后，其会将字节码对应的机器码保存下来，下次可以直接使用。而我们知道，机器码的运行效率肯定是高于 Java 解释器的。这也解释了我们为什么经常会说 Java 是编译与解释共存的语言 。

Java 是编译型语言还是解释型语言？

结论：Java 既是编译型语言，也是解释型语言。

知识点：

（1）什么是编译型语言？什么是解释型语言？

• 编译型语言 - 程序在执行之前需要一个专门的编译过程，把程序编译成为机器语言的文件，运行时不需要重新翻译，直接使用编译的结果就行了。一般情况下，编译型语言的执行速度比较快，开发效率比较低。常见的编译型语言有 C、C++、Go 等。
• [**解释型语言**](https://zh.wikipedia.org/wiki/直譯語言） - 程序不需要编译，只是在程序运行时通过 解释器，将代码一句一句解释为机器代码后再执行。一般情况下，解释型语言的执行速度比较慢，开发效率比较高。常见的解释型语言有 JavaScript、Python、Ruby 等。

（2）为什么说 Java 既是编译型语言，也是解释型语言

Java 语言既具有编译型语言的特征，也具有解释型语言的特征。因此，我们说 Java 是编译和解释并存的。

Java 的源代码，首先通过 Javac 编译成为字节码（bytecode），即 *.java 文件转为 *.class 文件；然后，在运行时，通过 Java 虚拟机（JVM）内嵌的解释器将字节码转换成为最终的机器码来执行。正是由于 JVM 这套机制，使得 Java 可以“一次编写，到处执行（Write once, run anywhere）”。

为了改善解释语言的效率而发展出的 [即时编译](https://zh.wikipedia.org/wiki/即時編譯）技术，已经缩小了这两种语言间的差距。这种技术混合了编译语言与解释型语言的优点，它像编译语言一样，先把程序源代码编译成 字节码 与 LLVM 是这种技术的代表产物。常见的 JVM（如 Hotspot JVM），都提供了 JIT（Just-In-Time）编译器，JIT 能够在运行时将热点代码编译成机器码，这种情况下部分热点代码就属于编译执行，而不是解释执行了。

扩展阅读：基本功 | Java 即时编译器原理解析及实践

AOT 有什么优点？为什么不全部使用 AOT 呢？

JDK 9 引入了一种新的编译模式 AOT(Ahead of Time Compilation) 。和 JIT 不同的是，这种编译模式会在程序被执行前就将其编译成机器码，属于静态编译（C、 C++，Rust，Go 等语言就是静态编译）。AOT 避免了 JIT 预热等各方面的开销，可以提高 Java 程序的启动速度，避免预热时间长。并且，AOT 还能减少内存占用和增强 Java 程序的安全性（AOT 编译后的代码不容易被反编译和修改），特别适合云原生场景。

AOT 的主要优势在于启动时间、内存占用和打包体积。JIT 的主要优势在于具备更高的极限处理能力，可以降低请求的最大延迟。

提到 AOT 就不得不提 GraalVM 了！GraalVM 是一种高性能的 JDK（完整的 JDK 发行版本），它可以运行 Java 和其他 JVM 语言，以及 JavaScript、Python 等非 JVM 语言。 GraalVM 不仅能提供 AOT 编译，还能提供 JIT 编译。感兴趣的同学，可以去看看 GraalVM 的官方文档：https://www.graalvm.org/latest/docs/。如果觉得官方文档看着比较难理解的话，也可以找一些文章来看看，比如：

• 基于静态编译构建微服务应用
• [走向 Native 化：Spring&Dubbo AOT 技术示例与原理讲解](https://cn.dubbo.apache.org/zh-cn/blog/2023/06/28/走向-native-化 springdubbo-aot-技术示例与原理讲解/)

既然 AOT 这么多优点，那为什么不全部使用这种编译方式呢？

我们前面也对比过 JIT 与 AOT，两者各有优点，只能说 AOT 更适合当下的云原生场景，对微服务架构的支持也比较友好。除此之外，AOT 编译无法支持 Java 的一些动态特性，如反射、动态代理、动态加载、JNI（Java Native Interface）等。然而，很多框架和库（如 Spring、CGLIB）都用到了这些特性。如果只使用 AOT 编译，那就没办法使用这些框架和库了，或者说需要针对性地去做适配和优化。举个例子，CGLIB 动态代理使用的是 ASM 技术，而这种技术大致原理是运行时直接在内存中生成并加载修改后的字节码文件也就是 .class 文件，如果全部使用 AOT 提前编译，也就不能使用 ASM 技术了。为了支持类似的动态特性，所以选择使用 JIT 即时编译器。

注释

Java 有几种注释形式

注释用于在源代码中解释代码的作用，可以增强程序的可读性，可维护性。 空白行，或者注释的内容，都会被 Java 编译器忽略掉。

Java 注释主要有三种类型：

• 单行注释
• 多行注释
• 文档注释（JavaDoc）

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public class HelloWorld {
    /*
     * JavaDoc 注释
     */
    public static void main(String[] args) {
        // 单行注释
        /* 多行注释
           1. 注意点 a
           2. 注意点 b
         */
        System.out.println("Hello World");
    }
}

数据类型

Java 有哪些值类型？

Java 中的数据类型有两类：

• 值类型（又叫内置数据类型，基本数据类型）
• 引用类型（除值类型以外，都是引用类型，包括 String、数组等）

Java 语言提供了 8 种基本类型，大致分为 4 类：布尔型、字符型、整数型、浮点型。

什么是装箱、拆箱？

Java 中为每一种基本数据类型提供了相应的包装类，如下：

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Byte <-> byte
Short <-> short
Integer <-> int
Long <-> long
Float <-> float
Double <-> double
Character <-> char
Boolean <-> boolean

引入包装类的目的就是：提供一种机制，使得基本数据类型可以与引用类型互相转换。

基本数据类型与包装类的转换被称为装箱和拆箱。

• 装箱（boxing）是将值类型转换为引用类型。例如：int 转 Integer
  • 装箱过程是通过调用包装类的 valueOf 方法实现的。
• 拆箱（unboxing）是将引用类型转换为值类型。例如：Integer 转 int
  • 拆箱过程是通过调用包装类的 xxxValue 方法实现的。（xxx 代表对应的基本数据类型）。

包装类型的缓存机制了解么？

Java 基本数据类型的包装类型的大部分都用到了缓存机制来提升性能。

Byte,Short,Integer,Long 这 4 种包装类默认创建了数值 [-128，127] 的相应类型的缓存数据，Character 创建了数值在 [0,127] 范围的缓存数据，Boolean 直接返回 True or False。

Integer 缓存源码：

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public static Integer valueOf(int i) {
    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
        return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
    return new Integer(i);
}
private static class IntegerCache {
    static final int low = -128;
    static final int high;
    static {
        // high value may be configured by property
        int h = 127;
    }
}

Character 缓存源码：

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public static Character valueOf(char c) {
    if (c <= 127) { // must cache
      return CharacterCache.cache[(int)c];
    }
    return new Character(c);
}

private static class CharacterCache {
    private CharacterCache(){}
    static final Character cache[] = new Character[127 + 1];
    static {
        for (int i = 0; i < cache.length; i++)
            cache[i] = new Character((char)i);
    }

}

Boolean 缓存源码：

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public static Boolean valueOf(boolean b) {
    return (b ? TRUE : FALSE);
}

如果超出对应范围仍然会去创建新的对象，缓存的范围区间的大小只是在性能和资源之间的权衡。

两种浮点数类型的包装类 Float,Double 并没有实现缓存机制。

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Integer i1 = 33;
Integer i2 = 33;
System.out.println(i1 == i2);// 输出 true

Float i11 = 333f;
Float i22 = 333f;
System.out.println(i11 == i22);// 输出 false

Double i3 = 1.2;
Double i4 = 1.2;
System.out.println(i3 == i4);// 输出 false

下面我们来看一个问题：下面的代码的输出结果是 true 还是 false 呢？

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Integer i1 = 40;
Integer i2 = new Integer(40);
System.out.println(i1==i2);

Integer i1=40 这一行代码会发生装箱，也就是说这行代码等价于 Integer i1=Integer.valueOf(40) 。因此，i1 直接使用的是缓存中的对象。而Integer i2 = new Integer(40) 会直接创建新的对象。

因此，答案是 false 。你答对了吗？

记住：所有整型包装类对象之间值的比较，全部使用 equals 方法比较。

自动装箱与拆箱的原理是什么？

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Integer a = 10;  //装箱
int b = a;   //拆箱

上面这两行代码对应的字节码为：

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